外源硒缓解荞麦镉毒害的生理机理研究

摘要

据估计，目前我国20%的耕地受重金属影响。重金属事件在世界范围内日益增加，因其范围广、持续性、隐蔽性、不可逆性的特点，正在影响植物生长和作物生产，危及粮食安全。镉是最普遍、危害最大的重金属污染物之一，超过一定限度后不仅严重影响作物的品质和产量，更会通过食物链富集危害人体健康。藜麦含有大量营养成分和生物活性化合物，不仅可以补充人体必需的营养物质，还可以预防各种疾病，并且在逆境条件下具有较强的生长能力，正成为一种替代的伪谷类粮食供应。另外，藜麦因其根系庞大，须根多而密，可以吸收更多的水分和养分，但因此也具有更高的重金属吸收效率。但是关于镉胁迫对藜麦的毒害及其耐性机制尚未报道。　　本研究利用不同浓度镉处理，模拟土壤镉污染，观察统计镉（Cd）胁迫下及施加外源硒（Se）后藜麦的株高、根长、鲜重、干重、产量、千粒重等农艺性状指标，以及镉元素含量、叶绿素含量、抗氧化酶[（过氧化物酶（Peroxidase,POD）、抗坏血酸过氧化物酶(Ascorbate peroxidase,APX)、过氧化氢酶（Catalase,CAT）]活性、丙二醛（MDA）含量等生理指标的差异，分析镉胁迫下金属转运蛋白基因家族，自然抗性相关的巨噬细胞蛋白（Natural resistance associated macrophage protein,NRAMP）、金属耐受蛋白（Metal tolerance protein,MTP）、ATP结合转运蛋白（ATP-binding cassette transporter protein,ABC）的表达情况，从而探讨在不同浓度镉处理下外源硒缓解藜麦镉毒害的生理机制，阐明硒对藜麦镉吸收、分配与转运的影响，研究藜麦的耐镉机制。主要研究结果如下：　　1.在镉胁迫下，藜麦幼苗的株高、根长、鲜重和干重随着镉浓度的增加而显著降低，产量也大幅减少。当受镉胁迫同时施用硒后，植株的株高、根长、鲜重和干重以及产量都有所增加，并且硒对100mg/kg Cd胁迫的缓解效果更明显。　　2.在镉胁迫下，藜麦根部积累的Cd含量远远大于地上部的Cd含量，外源硒的加入显著降低了地上部和根部的Cd含量，抑制了Cd在藜麦幼苗中的积累。藜麦的叶绿素a和叶绿素b的含量随镉浓度的增加显著下降，镉胁迫下添加外源硒使叶绿素含量增加，缓解了镉对叶绿素的破坏作用。　　镉胁迫下丙二醛（MDA）和O2-水平升高，表明镉促进了自由基的产生，增大了膜脂过氧化作用，添加硒使MDA和O2-的含量显著降低，减少了镉对细胞膜的伤害作用。　　在100mg/kg镉胁迫下，藜麦叶片POD活性显著升高，APX和CAT活性无显著变化；施加5mg/kg Se后，POD活性显著下降，APX活性无显著变化，CAT活性显著升高。在150mg/kg镉胁迫下，藜麦叶片POD、APX和CAT活性均无显著变化；施加5mg/kg Se后，APX活性显著下降，POD和CAT活性无显著变化。表明藜麦幼苗在较低浓度和高浓度镉胁迫下清除活性氧的途径不同。　　3.镉处理不同时间后，CqNramp13基因表达量上调，CqNramp1、CqNramp5表达量在短时间内下调，随后上调。CqNramp3、CqNramp8、CqNramp10表达量无显著变化。因此，CqNramp13可能是首先对镉胁迫做出响应的基因，而CqNramp1和CqNramp5在藜麦遭受重度胁迫时才大量表达来提高镉离子的转运效率。　　镉处理不同时间后，CqMTP15表达量上调，CqMTP2、CqMTP4表达量先下调后上调，CqMTP18、CqMTP20表达量无显著变化，表明不同的CqMTP基因参与藜麦对镉胁迫的响应模式差别较大。其中CqMTP15受到镉胁迫诱导的程度最强，并且属于对镉毒性反应迅速的早期响应基因。　　镉处理不同时间后，CqABC129、CqABC191、CqABC231都显著下调，CqABC13、CqABC60和CqABC36都无显著变化，说明这几个基因可能在藜麦镉胁迫早期并不过多参与Cd的吸收和转运，而是通过下调表达为植物节约能量以满足镉胁迫后的生长需求。

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