多年生黑麦草对重金属镉的抗性机理研究

摘要

本文研究了多年生黑麦草(Lolium perenne)对镉的积累特性和Cd2+对多年生黑麦草的毒性效应，在此基础上，证明了谷胱甘肽和植物络合素在多年生黑麦草中对 Cd2+的解毒作用，并通过外源GSH的调节达到了提高多年生黑麦草对Cd2+抗性的目的，得到的主要结果如下。
　　1.5、10、20mg/LCd2+处理多年生黑麦草18天，根中的镉浓度分别为4.65、4.71、6.21mg/gDW，地上部的镉浓度分别为0.34、0.43、0.62mg/gDW，镉转运系数分别为0.07、0.09、0.10，地上部镉的富集系数分别为67.68、43.15、31.22，地上部镉的分布比例分别为27.05％、32.24%、42.52%，地上部积累镉的总量分别为0.20、0.24、0.31mg/10株。随着 Cd2+处理浓度的升高，多年生黑麦草对镉的转运系数、镉在地上部的分布比例和地上部镉的富集总量显著升高，多年生黑麦草对镉表现出持续富集的能力。多年生黑麦草地上部的镉富集浓度超过了镉超富集植物要求的100mg/kg的标准，但转运系数小于1，因此，多年生黑麦草仍属于镉的高积累植物，而不是超富集植物。
　　2.对多年生黑麦草进行0（CK）、5、10、20mg/LCd2+处理，多年生黑麦草的生长速率受 Cd2+的显著影响，处理后18天，5、10、20mg/LCd2+处理分别较对照显著下降了33.94%、45.23%、53.89%。Cd2+处理下，多年生黑麦草植株的含水量、地上部生物量、地下部生物量和根冠比均较对照显著降低。多年生黑麦草根系的各项生长参数均受 Cd2+的显著抑制。Cd2+处理下，地上部的钾、镁浓度较对照显著降低。
　　3.5mg/LCd2+处理多年生黑麦草6天，结果表明Cd2+处理未导致光合色素含量的变化，气体交换参数和叶绿素荧光参数均受到显著的影响。Pn在处理后3和6天分别较0天显著下降了24.4%和23.4%，非气孔因素对 Pn的降低起到了主要作用。实际光化学效率(ΦPSII)、相对电子传递效率(rETR)和光化学淬灭系数(qP)在处理后6d较0天显著下降，叶片PSII的光化学反应能力显著降低。非光化学淬灭系数(qN)和调节性能量耗散(Y(NPQ))在处理后6d显著升高，能量热耗散的加强起到了光保护的作用。
　　4.5mg/LCd2+处理多年生黑麦草6天，叶片中的GSH浓度逐渐升高，根系中的谷胱甘肽浓度先升高后降低，植物络合素合成速度的加快导致了谷胱甘肽的过度消耗。随着Cd2+处理时间的延长，多年生黑麦草根系和叶片中的植物络合素浓度逐渐升高，根系中植物络合素的浓度要大于叶片。Cd2+处理下，多年生黑麦草根系中 PC3的巯基占总巯基数量的比例最大，处理后6天占总巯基的83.35%，叶片中GSH的巯基比例最大，处理后6天占总巯基数量的46.08%。多年生黑麦草根、叶中总巯基(T-SH)的浓度随着处理时间的延长显著升高，根中总巯基的浓度与镉浓度极显著正相关。
　　5.对5mg/LCd2+处理的多年生黑麦草施加外源GSH，结果表明外源GSH的调节可提高多年生黑麦草对Cd2+的抗性。外源GSH促进了Cd2+胁迫下多年生黑麦草的生长，处理后24天，Cd2++0.5mMG、 Cd2++1mMG处理下的地上部、地下部生物量和根冠比均较Cd2+处理显著升高。外源GSH减轻了根系的氧化胁迫，处理后12天，Cd2++0.5mMG、Cd2++1mMG处理下根中的MDA含量较Cd2+处理显著降低。外源GSH减轻了Cd2+对Ca2+吸收的抑制作用，提高了Cd2+处理下多年生黑麦草的光合能力。
　　6.对5mg/LCd2+处理的多年生黑麦草施加外源 GSH抑制剂（BSO），结果表明，Cd2++BSO处理下多年生黑麦草叶绿素b、类胡萝卜素含量较Cd2+处理显著降低，植物络合素对光合色素具有保护作用；根、叶中的MDA含量显著高于Cd2+处理；叶中的SOD、POD、CAT、APX、MDHAR、GR、GPX活性和根中的POD、CAT活性均低于Cd2+处理；在多年生黑麦草的叶片和根系中，Cd2+BSO处理下的ASA的含量较Cd2+处理降低，DHA的含量较Cd2+处理升高；谷胱甘肽和植物络合素对Cd2+胁迫下多年生黑麦草的抗氧化系统有保护作用，进而减轻了Cd2+导致的氧化胁迫。处理后24天，BSO显著降低了Cd2+处理下多年生黑麦草的Pn、Gs、和Tr，地上部的Mg浓度和根系中的K浓度亦较Cd2+处理显著降低。Cd2++BSO处理下的多年生黑麦草地下部生物量和根冠比均较Cd2+处理降低，处理后6、12、24天，地下部生物量分别较Cd2+处理下降了3.65%、3.77%和17.86%，根冠比分别较Cd2+处理下降了5.00%、5.56%和22.22%。Cd2++BSO处理下，多年生黑麦草根系、叶片中的Cd浓度均较 Cd2+处理降低，Cd转运系数较 Cd2+处理升高，GSH和PCs参与了多年生黑麦草对Cd2+的吸收和转运。
　　综上，本研究评价了多年生黑麦草对 Cd的富集能力，探明了 Cd2+对多年生黑麦草的毒性效应，建立了外施GSH提高Cd2+抗性的方法，最终揭示了GSH代谢在多年生黑麦草抗Cd2+机理中的作用。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 研究目标和主要研究内容

1.3 研究技术路线

第二章 镉胁迫下多年生黑麦草的生长和镉积累特性

2.1 材料与方法

2.2 结果与分析

2.3 小结与讨论

第三章 镉胁迫下多年生黑麦草的光合生理

3.1 材料与方法

3.2 结果与分析

3.3 小结与讨论

第四章 镉胁迫下多年生黑麦草植物络合素的变化

4.1 材料与方法

4.2 结果与分析

4.3 小结与讨论

第五章 外施GSH对镉胁迫下多年生黑麦草生长和生理特性的影响

5.1 材料与方法

5.2 结果与分析

5.3 小结与讨论

第六章 GSH抑制剂对多年生黑麦草抗镉生理机制的影响

6.1 材料与方法

6.2 结果与分析

6.3 小结与讨论

第七章 结论与讨论

7.1 结论

7.2 讨论

7.3 展望

参考文献

在读期间的学术研究

致谢