水稻突变体对镉敏感的生理生化及籽粒中镉积累的基因型差异

摘要

目前，我国已有大量农田受到重金属镉(Cd)的污染，这不仅影响作物生长和发育，降低产量与品质，而且经作物吸收由食物链进入人体，对人类健康产生巨大威胁。因此，降低作物食用部分Cd的含量具有重要的现实意义。水稻是我国也是全球最重要的粮食作物，但目前有关水稻镉积累的基因型差异的机理尚不清楚，此外，有关Cd对植物的毒害及植物的耐性机理尚存在争议。本文利用营养液培养试验，以水稻突变体为材料，较为系统地研究了Cd对水稻生长的影响及其对Cd的吸收与敏感的生理机制，并在大田条件下，研究了水稻糙米中Cd积累的基因型差异，为轻、中度Cd污染土壤上持续生产安全稻米提供一条经济、有效的途径。主要研究结果如下： (1)不同浓度Cd对Cd敏感水稻突变体和野生型生长的影响不同，在较低浓度下，二者的生长均表现正常，但较高浓度下，突变体的株高、根长、根表面积、根数、根系活力和生物量明显降低。在任-Cd处理浓度下，突变体的根、茎、嫩叶的Cd含量明显比野生型高，而老叶中二者无明显差异。突变体和野生型体内Cd浓度与根长、根表面积、根数、根系活力呈显著负相关，说明Cd胁迫后突变体受害严重与其体内较高的Cd积累有关。 (2)利用同位素示踪技术研究了镉敏感水稻突变体和野生型根系Cd吸收及向地上部转运特征，结果表明，水稻对<'109>Cd<'2+>吸收的时间动力学曲线可以分为两部分，开始20 mim是快速的吸附阶段，主要是Cd<'2+>快速进入质外体，随后是缓慢吸收阶段，主要是Cd<'2+>的跨膜运输。浓度动力学曲线是一条平滑的非饱和曲线，可以划分为开始快速的线性动力学阶段和随后较缓慢的饱和吸收阶段，而饱和吸收阶段可以用米氏方程来描述，这表明水稻体内镉的跨质膜运输受运输蛋白调控。虽然Cd敏感水稻突变体的Kin值(2.54 μmol L<'-1>)与野生型的(2.37 μmol L<'-1>)相差不大，但突变体的Vmax是野生型的近2倍。经过96小时的吸收，Cd敏感水稻突变体向地上部转运的<'109>Cd<'2+>是野生型的1.9倍。Ca和La可同等程度地抑制Cd敏感水稻突变体和野生型对Cd的吸收，而Zn和Mn对突变体的Cd吸收抑制较多。 (3)采用蔗糖差速离心和化学试剂逐级提取方法，比较Cd敏感水稻突变体和野生型体内Cd的亚细胞分布和存在形态。结果表明，Cd主要分布在细胞壁和细胞可溶性组分中，而细胞器中Cd分布量很少。细胞各组分中Cd的含量随Cd胁迫浓度的增加而增加，与野生型相比，水稻突变体的细胞器组分中Cd增加较多。Cd敏感水稻突变体和野生型根、茎、叶三部分在低浓度Cd处理下所积累的Cd以氯化钠提取态、盐酸提取态，醋酸提取态为主，三者占总量的65％以上。此外，在突变体中，Cd处理浓度的增加主要提高了水溶态的比率。 (4)较高浓度Cd胁迫显著降低水稻突变体的光合面积、叶绿素含量、净光合速率(Pn)、但增加胞间CO<,2>浓度(Ci)。因此，高浓度Cd降低Pn是非气孔限制所致。与叶绿素b相比，叶绿素a对Cd胁迫更敏感。较高浓度Cd胁迫显著降低突变体的PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ光能捕获效率(ФPSⅡ)、光化学淬灭系数(qP)和电子传递速率(ETR)，而光化学淬灭系数(qN)下降，表明Cd对突变体的伤害比野生型大，突变体的光合机构自身保护能力较弱。50 μmol L<'-1>的Cd胁迫后再去除胁迫，野生型光合及荧光特性能恢复到对照的80％以上，而突变体基本不能恢复。 (5)Cd胁迫能导致水稻突变体和野生型体内H<,2>O<,2>和MDA累积，其积累随Cd胁迫浓度的增加而升高，且突变体叶片积累量极显著地高于野生型，O<,2><'->产生速率也随着Cd胁迫浓度的增加而增加。在较低浓度Cd胁迫能引起Cd敏感水稻突变体更多的H<,2>O<,2>累积，诱导抗氧化酶系统的早期应答；而高浓度Cd胁迫后，突变体的抗氧化酶类，女NSOD、CAT有所下降，从而导致大量活性氧累积，使细胞受到伤害。因此，Cd胁迫下，突变体的活性氧的产生与清除失去平衡，可能是其对Cd胁迫更加敏感的生理原因之一。 (6)总的来说，AsA和GSH含量随处理水平提高而降低。在低浓度Cd胁迫下，叶片中NPT和PC含量迅速上升，用于螯合进入细胞中的Cd。此外，APX、GR活性也较高，GSH/GSSG、AsA/DHA保持相对稳定。所以，在低浓度Cd胁迫下Cd敏感水稻突变体和野生型没有受到明显的影响。在高浓度Cd胁迫下，NPT和PC不再增加，甚至下降；突变体的APX、GR活性明显受到抑制， AsA、GSH、GSH/GSSG、AsA/DHA也明显下降，且明显低于野生型。这说明在较高浓度Cd胁迫下，Cd敏感水稻突变体内的氧化还原状态发生了变化，经历了严重的氧化胁迫。 (7)以长三角地区栽培的38个水稻品种为材料，采用大田试验，研究了籽粒中Cd积累的基因型差异及其与经济性状的关系。结果表明，在Cd(3.62 mg kg<'->)污染的土壤中不同水稻品种的产量和Cd在糙米中的积累量存在显著差异，大部分水稻品种糙米的Cd含量超过了FAO/WHO所规定的最大允许值；糙米中Cd含量与稻杆中Cd含量之间存在显著正相关。产量组成因素分析表明，糙米中Cd浓度与一些农艺性状如产量、每穗粒数、收获指数之间存在明显的正相关。以FAO/WHO提出的谷物Cd含量的最大允许值为基准，同时考虑到产量因素，筛选到一些籽粒Cd含量较低且相对高产的基因型，以供推广种植和作为育种的良好材料。

目录

声明

摘要

第一部分文献综述

1土壤中的重金属

1.1土壤中重金属来源及污染现状

1.2土壤重金属污染的特点

2重金属对植物的毒害作用及机理

2.1重金属对植物生长的影响

2.2重金属对植物细胞分裂的影响

2.3重金属对植物细胞超微结构的影响

2.4重金属对植物细胞膜的影响

2.5重金属对植物光合作用和呼吸作用的影响

2.6重金属对植物酶活性的影响

3植物对重金属的耐性机理

3.1金属硫蛋白

3.2植物螯合肽和植物螯合肽合酶

3.3重金属转运蛋白和贮藏复合体

3.4谷胱甘肽

3.5根际效应

3.6胁迫蛋白

3.7重金属诱导的活性氧清除系统

5本研究课题的提出

第二部分水稻突变体对镉的吸收及敏感的生理生化基础

第一章镉敏感水稻突变体对镉的吸收和积累

1引言

2材料与方法

3结果与分析

4讨论

第二章镉敏感水稻突变体根系对镉的吸收及向地上部转运的特征

1引言

2材料与方法

3结果与分析

4 讨论

第三章镉敏感水稻突变体对镉的吸收、亚细胞分布及其化学形态的研究

1引言

2材料与方法

3结果与分析

4讨论

第四章镉对镉敏感水稻突变体光合气体交换和叶绿素荧光的影响

1引言

2材料与方法

3结果与分析

4 讨论

第五章镉胁迫对镉敏感水稻突变体抗氧化酶系统的影响

1引言

2材料与方法

3结果与分析

4讨论

第六章镉胁迫对镉敏感水稻突变体GSH-ASA循环的影响

1引言

2材料与方法

3结果与分析

4讨论

第三部分 水稻籽粒Cd积累的基因型差异

第七章水稻籽粒镉积累的基因型差异

1引言

2材料与方法

3结果与分析

4讨论

参考文献

附录

致谢