杂交水稻对土壤Cd、Zn吸收与Cd耐性的基因型差异

论文摘要

随着农田Cd污染的不断加剧,Cd在土壤-作物-食物中的活跃迁移对人类健康已构成严重威胁,是已知威胁最严重的农田污染物之一。我国南方主要水稻产区的偏酸、低有机碳和Cd污染日益严峻土壤环境因素和人为因素的叠加使控制水稻,尤其是在确保粮食安全前提下广泛推广种植的具有强吸收养分能力的高产杂交稻对土壤Cd的吸收极为复杂,使我们必须正视稻米Cd污染及其严峻的食物安全风险挑战。植物的Cd耐性以及Cd在植株不同部位器官中的积累与分布存在着显著的种间和品种间差异。因此,筛选籽粒低Cd积累品种是进行稻米安全生产的重要途径。同时,Cd对植物造成的毒害作用以及植物对Cd的吸收积累与耐性强度的基因型差异机理尚未明确,限制了作物包括水稻的安全生产。本研究通过对我国南方广泛种植的110个杂交水稻品种进行大田低Cd品种筛选的大田试验研究了杂交水稻对土壤中Cd、Zn吸收积累的基因型差异,筛选出部分低Cd品种,并在此基础上利用筛选出的籽粒高Cd、低Cd品种在采自江西鹰潭的典型红壤上进行全生育期的水稻盆栽试验,更进一步地明确了杂交水稻Cd、Zn的吸收与籽粒积累规律,并运用透射电镜观察、差速离心法等深入探讨了Cd耐性机理的品种差异,如外加Cd下品种细胞超微结构、抗氧化酶系统清除、亚细胞结构、PCs螯合等方面的差异机制,主要研究结果如下:一、杂交水稻对土壤中Cd、Zn吸收积累的基因型差异通过110个杂交水稻品种籽粒对水稻土中Cd、Zn的吸收积累情况的研究表明,供试杂交水稻籽粒Cd、Zn含量的变化范围分别介于0.004-0.057、10.25-30.06 mg·kg（-1）之间,指示不同水稻品种对同一土壤中Cd、Zn吸收及其在籽粒中积累存在显著差异。本试验还观察到相对于普通杂交稻而言,超级稻品种具有籽粒高Cd低Zn的现象。并且用籽粒Cd和籽粒Cd/Zn关系做图,供试杂交稻的斜率高于常规稻（已报道）,表明水稻吸Cd同时对Zn的排斥作用强度依基因型而异,杂交稻吸Cd排Zn的作用更明显。采用国家营养协会推荐的每日膳食中营养素参考摄入量（RNI）衡量,对就地消费者而言存在Cd暴露和“Zn饥饿”的潜在食物安全风险,尤其对南方酸性土壤地区食用超级稻品种更甚。因此,在土壤重金属Cd污染地区,必须密切注意高Cd/Zn品种的大规模栽培,而筛选高Zn低Cd的水稻品种进行品质育种是可能的。以大田筛选的籽粒镉积累水平不同的两品种（J196,低积累型,品种C;中浙优1号,高积累型,品种A）为材料,采用添加Cd(2.5 mg·kg-1)和不添加Cd处理在红壤性水稻土进行盆栽试验研究了杂交水稻在成熟期对土壤中Cd、Zn的吸收分配及籽粒Cd、Zn积累特点。结果表明,杂交水稻对Cd的吸收及籽粒Cd、Zn积累存在品种基因型差异。外源Cd的添加使水稻籽粒Cd积累成倍提高。本试验结果还显示,在供试土壤条件下尤其是污染条件下,高Cd品种对Cd的吸收与籽粒积累十分强烈,就地消费人群的籽粒Cd暴露风险水平达到数倍于人体安全临界摄入剂量水平,Zn存在相对缺乏的食物安全风险。高Cd品种具有较强的籽粒Cd分配和较弱的籽粒Zn转运能力,而加Cd处理下,低Cd品种对Cd、Zn的根部、茎叶滞留能力更强,这也正是高籽粒含量品种籽粒Cd积累强而Cd/Zn高的植株因素。二、外加Cd下水稻Cd耐性机制以大田筛选的籽粒镉积累水平不同的两品种（J196,低积累型,品种C;中浙优1号,高积累型,品种A）为材料,在红壤性水稻土上采用盆栽实验,镉处理设0,2.5,5,10,25 mg·kg-15个水平,在第一吸Cd高峰苗期研究了外加cd处理对水稻抗氧化酶系统、NPT含量的影响变化,结果表明:高Cd水稻品种中浙优1号的耐Cd性强于低Cd水稻品种J196,表现为前者体内的MDA含量低于后者,而SOD、CAT、POD酶活性高于J196;在Cd胁迫下,耐性强的品种中浙优1号的SOD活力、CAT活力随Cd处理浓度增加先增后降,在10mg·kg-1时达到峰值,POD活力则为先降后增,在Cd浓度为5 mg·kg-1时达到峰值;而低Cd品种随着外加Cd增长,3种酶活性在25 mg·kg-1达到峰值,除SOD比对照降低外,CAT和POD分较对照升高38.07%和62.10%,表明本试验中,外加Cd胁迫下,两品种中三种抗氧化酶保护作用不同,高Cd品种CAT的保护性最强,低Cd品种POD的保护作用最强。外加Cd胁迫则显著诱导根内合成NPT-SH,外加Cd及品种差异对水稻体内Cd的吸收具有不同程度的影响,根中NPT-SH的诱导量与水稻根系内Cd的含量变化一致。外加Cd处理下,J196根系内NPT-SH含量均高于中浙优1号,从细胞水平上表明和中浙优1号相比,J196可能具有从根系向茎叶的高转运能力。镉处理设0,5,25mg·kg-13个水平,以差速离心法在第二吸Cd高峰抽穗期研究了外加Cd处理对水稻亚细胞结构的影响变化,结果表明,外加Cd下,两品种根系细胞的Cd大部分存在于细胞壁中,占52.6-83.2%,少部分存在于细胞可溶部分（细胞质）,其镉含量分布的百分率为3.0-10.1%,且根系细胞壁中J196的分布率高于中浙优1号。表明J196的根系细胞壁的固定Cd能力较强;和对照相比,外加Cd促使中浙优1号根系细胞内可溶物向地上部移动,且高Cd处理下,Cd在中浙优1号细胞内溶物的分配率增高程度大于J196,增加了前者叶片中Cd由韧皮部运往籽粒的可能性,从而在亚细胞水平上推测了品种中浙优1号为高转运品种的可能机制。镉处理设0,25mg·kg-12个水平,用透射电镜观察的方法在第二吸Cd高峰抽穗期研究了外加Cd处理对水稻超微结构的影响变化,结果表明Cd处理下两品种的部分根细胞有Cd沉积现象,但不同品种的沉积部位表现不同,高Cd品种主要在液泡边缘而低Cd品种则在细胞壁和细胞间隙。表明不同水稻品种根系的耐Cd机制不同,前者主要表现液泡区室化,而低Cd品种则表现为细胞壁上有特定沉积。和对照相比,外加Cd对茎叶细胞的超微结构造成伤害,主要表现在使叶绿体上淀粉粒消失,叶绿体空泡化,部分线粒体出现肿胀现象,低Cd品种的受害程度强于高Cd品种A,同时也表明水稻叶肉细胞器中叶绿体和线粒体是对Cd胁迫较为敏感的细胞器。杂交水稻在籽粒Cd、Zn积累,抗氧化酶清除、细胞超微结构等耐性机制存在显著的基因型差异,因此,在高产水稻育种中必须考虑高耐Cd性、低籽粒Cd/Zn比水稻品种的选育,在推广高产杂交水稻根据其Cd耐性及籽粒Cd、Zn积累特性考虑土壤-品种的合理布局并在食物结构调整上配合膳食结构优化以确保就地人群Cd暴露风险的消除及对Zn的营养摄入。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 第一章 文献综述
• 1.1 农田土壤中的镉及我国水稻生产的发展趋势
• 1.1.1 农田和稻米Cd污染现状
• 1.1.2 我国杂交水稻生产的发展趋势
• 1.2 植物（水稻）吸镉的影响因素
• 1.2.1 基因型的差异
• 1.2.2 土壤环境的影响
• 1.2.2.1 土壤Cd总量的影响
• 1.2.2.2 土壤pH值的影响
• 1.2.2.3 土壤质地和有机质的影响
• 1.2.2.4 土壤Eh值的影响
• 1.2.2.5 元素之间相互作用的影响
• 1.2.3 农业措施的影响
• 1.3 镉在植物体内的吸收机理及分配累积
• 1.3.1 植物对Cd的吸收机理
• 1.3.2 Cd在植物体内的累积与分配
• 1.4 Cd的毒害作用
• 1.4.1 Cd对植物的毒害
• 1.4.1.1 根损伤
• 1.4.1.2 抑制光合作用和蒸腾作用
• 1.4.1.3 引起氧化胁迫和膜损伤
• 1.4.2 Cd对植物细胞超微结构的影响
• 1.4.3 Cd对人体的健康效应
• 1.5 植物对Cd的耐性解毒机制
• 1.5.1 金属排除性
• 1.5.2 金属积累
• 1.5.2.1 根系细胞壁的金属沉淀或固化
• 1.5.2.2 镉吸收、排除限制或在植物的特定部位贮存
• 1.5.2.3 液泡的区室化作用
• 1.5.2.4 螯合作用
• 1.5.3 植物抗氧化系统
• 第二章 杂交水稻对土壤中Cd、Zn吸收积累的基因型差异
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 水稻品种（材料）
• 2.2.2 供试土壤
• 2.2.3 田间试验
• 2.2.4 样品采集和测定方法
• 2.2.5 统计分析
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 不同品种籽粒中Cd、Zn含量差异
• 2.3.2 水稻籽粒Cd、Zn关系
• 2.4 小结
• 第三章 外加镉下两杂交水稻品种对土壤中Cd、Zn吸收与籽粒积累的影响
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 供试土壤
• 3.2.2 供试品种
• 3.2.3 试验设计
• 3.2.4 样品采集
• 3.2.5 植株样品消化和Cd、Zn测定
• 3.2.6 统计分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 外加Cd对籽粒Cd、Zn含量的影响
• 3.3.2 水稻生物量与对Cd、Zn吸收量的分配关系
• 3.3.2.1 水稻生物量的分配
• 3.3.2.2 水稻吸收Cd、Zn总量的器官分配
• 3.3.3 Cd、Zn在水稻各部位的分配系数
• 3.4 讨论
• 3.4.1 籽粒Cd、Zn的暴露风险
• 3.4.2 籽粒Cd、Zn关系
• 3.5 小结
• 第四章 外加镉下杂交水稻膜脂过氧化损伤及抗氧化酶系统保护的基因型差异
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 供试土壤
• 4.2.2 供试品种
• 4.2.3 试验设计
• 4.2.4 测定方法
• 4.2.4.1 生长性状的测定
• 4.2.4.2 根系耐受指数
• 4.2.4.3 MDA含量、SOD、CAT、POD活性测定
• 4.2.5 统计分析
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 镉胁迫对水稻生长发育的影响
• 4.3.2 镉胁迫对水稻叶片MDA含量的影响
• 4.3.3 镉胁迫对水稻叶片保护酶活性的影响
• 4.4 讨论
• 4.5 小结
• 第五章 外加镉下杂交水稻体内镉的吸收累积和非蛋白巯基合成变化响应的基因型差异
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 供试土壤
• 5.2.2 供试品种
• 5.2.3 试验设计
• 5.2.4 测定方法
• 5.2.4.1 重金属Cd的测定
• 5.2.4.2 非蛋白巯基的测定
• 5.2.5 数据处理
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 外加Cd对水稻体内含Cd量的影响
• 5.3.2 外加Cd对水稻体内非蛋白巯基含量的影响
• 5.4 讨论
• 5.5 小结
• 第六章 外加镉下杂交水稻体内Cd亚细胞分布的基因型差异
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 供试土壤
• 6.2.2 供试品种
• 6.2.3 试验设计
• 6.2.4 测定方法
• 6.2.4.1 Cd在水稻植株各器官的亚细胞分布
• 6.2.4.2 残渣及沉淀消煮、测定分析
• 6.2.5 统计分析
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 不同Cd处理水稻体内Cd含量
• 6.3.2 不同Cd处理下水稻地上部Cd亚细胞分布
• 6.3.3 不同Cd处理下水稻根系Cd亚细胞分布
• 6.4 讨论
• 6.5 小结
• 第七章 外加镉对不同基因型杂交水稻细胞超微结构的影响
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 供试土壤
• 7.2.2 供试品种
• 7.2.3 试验设计
• 7.2.4 样品处理与电镜观察
• 7.3 结果与分析
• 7.3.1 外加镉对水稻根细胞的毒害
• 7.3.2 外加Cd对茎叶细胞结构的影响
• 7.4 讨论
• 7.5 小结
• 第八章 全文讨论与结论
• 8.1 全文讨论
• 8.1.1.杂交水稻籽粒Cd含量的基因型与土壤环境效应
• 8.1.2 水稻耐Cd机制的基因型差异探讨
• 8.2 主要结论
• 8.3 创新点
• 8.4 不足之处和研究展望
• 全文参考文献
• 缩略语一览表
• 攻读学位期间发表和待发表论文
• 致谢