水稻镉高积累材料镉积累及耐性特征研究

摘要

土壤重金属污染是中国乃至全球所面临的严重环境问题之一，其中镉(Cd)以高毒性和强移动性而备受关注。但现有的Cd超积累植物大多具有生物量小、生长缓慢和地域性强等特点，导致其难以大规模推广和应用。水稻Cd高积累材料是一种较理想的土壤Cd污染修复植物，因其具有生物量大、适应性强和遗传稳定等优势，是Cd污染农田潜在植物修复材料之一。本研究以水稻Cd高积累材料为研究对象， Cd低积累材料为对照，通过土培和水培试验，设置不同Cd处理浓度，研究水稻Cd高积累材料对Cd的积累、生理和耐性响应特征，主要研究结果如下:
　　(1)当Cd处理浓度为20 mg·kg-1(Cd20)时，水稻Cd高积累材料(Lu527-8和Lu17-9)各生育期生物量、Cd含量均显著高于Cd低积累材料(Lu527-4)。Lu527-8和Lu17-9地上部和整株生物量随生育期的延长显著上升，具体表现为拔节期、抽穗期、灌浆期和成熟期上升幅度较大。同时，Lu527-8和Lu17-9地上部和整株生物富集量在灌浆期后趋于稳定，而地上部和整株Cd积累速率在灌浆期达最大值。Lu527-8和Lu17-9地上部和整株Cd积累量在拔节期、抽穗期和灌浆期上升显著且整株阶段性Cd积累量在拔节期-抽穗期和抽穗期-灌浆期分别占整个生育时期的15.30％、40.45％和39.70％、20.74％。Lu527-8和Lu17-9整株净化率在灌浆期时分别达4.88％和4.39％，为Lu527-4的2.44倍和2.21倍。水稻Cd高积累材料具有更强的Cd积累能力，灌浆期为水稻Cd高积累材料的最佳收获时期。
　　(2)随着Cd处理浓度的增加，两类水稻材料可溶部分、细胞壁和细胞器Cd含量均显著上升，其中Lu527-8和Lu17-9亚细胞组分Cd含量显著高于Lu527-4。Lu527-8和Lu17-9根部亚细胞组分Cd含量表现为可溶部分＞细胞壁＞细胞器，茎和叶亚细胞组分Cd含量表现为细胞壁＞可溶部分＞细胞器。在Cd20条件下，Lu527-8和Lu17-9叶片Cd含量在细胞壁所占比例最大，拔节期达68.86％和72.44％，灌浆期达67.12％和67.27％。两类水稻材料光合色素含量在拔节期和灌浆期随Cd处理浓度的增加均显著降低，Lu527-8和Lu17-9光合色素含量显著高于Lu527-4。Lu527-8和Lu17-9拔节期叶绿素a含量达1.94和1.88 mg·g-1，叶绿素b含量达1.09和1.06 mg·g-1，为Lu527-4的1.88倍和1.83倍。Lu527-8和Lu527-4类胡萝卜素含量均显著高于Lu527-4。同时，Cd胁迫增加水稻叶片丙二醛和可溶性糖含量，导致叶片中可溶性蛋白含量显著降低。Lu527-8和Lu17-9叶片丙二醛和可溶性蛋白含量显著高于Lu527-4，其可溶性糖含量则显著低于Lu527-4。表明，水稻Cd高积累材料具备更强的Cd区室化能力、抗氧化能力、光合色素合成能力以及细胞渗透调节能力。
　　(3) Cd胁迫下两类水稻材料细分枝根、粗分枝根和不定根形态均受到不同程度的抑制，Lu527-8和Lu17-9根长、根表面积和根体积均显著高于Lu527-4。随着Cd处理浓度的增加，两类水稻材料根系总吸收表面积和活跃吸收表面积均显著降低。Lu527-8和Lu17-9根系总吸收表面积达0.40-0.61和0.39-0.62 cm2·plant-1均显著高于Lu527-4。当Cd浓度为10 mg·L-1(Cd10)时，Lu527-8和Lu17-9根系活跃吸收表面积均为0.20 cm2·plant-1，为Lu527-4的2.00倍。同时，两类水稻材料根系氧化力和还原力均随Cd处理浓度的增加显著降低，并且Lu527-8和Lu17-9显著高于Lu527-4。在Cd10条件下Lu527-8和Lu17-9根系氧化力为Lu527-4的1.52倍和1.49倍;根系还原力为Lu527-4的1.28倍和1.31倍。表明，水稻Cd高积累材料具有更强的根系伸展、养分和水分吸收能力。
　　(4)随着Cd处理浓度的增加，两类水稻材料各器官脯氨酸含量均显著上升，表现为茎＞根＞叶，Lu527-8和Lu17-9脯氨酸显著高于Lu527-4。Lu527-8和Lu17-9根系脯氨酸含量在Cd10达最大值，非蛋白巯基、谷胱甘肽、植物螯合肽含量均显著高于Lu527-4，并且各器官含量表现为茎＞根＞叶;Lu527-8和Lu17-9根系非蛋白巯基含量达7.19和6.85μg·kg-1，为Lu527-4的1.23倍和1.17倍;根系谷胱甘肽含量为3.19和3.03μg·kg-1，为Lu527-4的1.32倍和1.26倍。当Cd浓度为2(Cd2)和5 mg·L-1(Cd5)时，Lu527-8和Lu17-9根系植物螯合肽含量显著高于Lu527-4。在Cd10条件下，Lu527-8和Lu17-9根系植物螯合肽含量与Lu527-4差异不显著。表明，水稻Cd高积累材料具有更强的PCs合成能力，缓解Cd对植物的毒害。

目录

声明

论文说明

摘要

第一章 绪论

1 立题背景

2 文献综述

2．1 Cd污染土壤的植物修复进展

2．2 植物体内Cd积累特征

2．3 Cd胁迫条件下植物生理响应特征

2．4 Cd胁迫条件下植物根系响应特征

2．5 Cd胁迫条件下植物耐性响应特征

3 研究内容与技术路线

3．1 研究内容

3．2 技术路线

第二章 水稻Cd高积累材料各生育期Cd积累变化特征

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 试验设计与处理

1．3 测定项目及方法

1．4 数据处理

2 结果与分析

2．1 水稻Cd高积累材料各生育期生物量的变化

2．2 水稻Cd高积累材料各生育期Cd积累能力的变化

2．3 水稻Cd高积累材料各生育期对Cd污染土壤净化能力的影响

3 讨论

4 小结

第三章 Cd胁迫下水稻Cd高积累材料生理响应特征

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 试验设计与处理

1．3 测定项目及方法

1．4 数据处理

2 结果与分析

2．1 Cd处理对水稻Cd高积累材料亚细胞分布的影响

2．2 Cd处理对水稻Cd高积累材料叶片光合特性的影响

2．3 Cd处理对水稻Cd高积累材料叶片丙二醛含量的影响

2．4 Cd处理对水稻Cd高积累材料叶片渗透调节物质的影响

3 讨论

3．1 水稻Cd高积累材料亚细胞分布特征

3．2 水稻Cd高积累材料光合特性

3．3 水稻Cd高积累材料丙二醛含量变化特征

3．4 水稻Cd高积累材料叶片渗透调节物质变化特征

4 小结

第四章 Cd胁迫下水稻Cd高积累材料根系响应特征

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 试验设计与处理

1．3 测定项目及方法

1．4 数据处理

2 结果与分析

2．1 Cd处理对水稻Cd高积累材料根系形态特征的影响

2．2 Cd处理对水稻Cd高积累材料根系活力特征的影响

3 讨论

4 小结

第五章 Cd胁迫下水稻Cd高积累材料螫合响应特征

1 材料与方法

1．1 供试材料

1．2 试验设计与处理

1．3 测定项目及方法

1．4 数据处理

2 结果与分析

2．1 Cd处理对水稻Cd高积累材料脯氨酸含量的影响

2．2 Cd处理对水稻Cd高积累材料巯基化合物的影响

3 讨论

4 小结

第六章 全文主要结论和研究展望

1 全文主要结论

2 研究展望

参考文献

致谢

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