雜交水稻對土壤Cd、Zn吸收與Cd耐性的基因型差異.pdf

1、隨著農(nóng)田Cd污染的不斷加劇，Cd在土壤-作物-食物中的活躍遷移對人類健康已構(gòu)成嚴(yán)重威脅，是已知威脅最嚴(yán)重的農(nóng)田污染物之一。我國南方主要水稻產(chǎn)區(qū)的偏酸、低有機碳和Cd污染日益嚴(yán)峻土壤環(huán)境因素和人為因素的疊加使控制水稻，尤其是在確保糧食安全前提下廣泛推廣種植的具有強吸收養(yǎng)分能力的高產(chǎn)雜交稻對土壤Cd的吸收極為復(fù)雜，使我們必須正視稻米Cd污染及其嚴(yán)峻的食物安全風(fēng)險挑戰(zhàn)。植物的Cd耐性以及Cd在植株不同部位器官中的積累與分布存在著顯著的種間和品

2、種間差異。因此，篩選籽粒低Cd積累品種是進行稻米安全生產(chǎn)的重要途徑。同時，Cd對植物造成的毒害作用以及植物對Cd的吸收積累與耐性強度的基因型差異機理尚未明確，限制了作物包括水稻的安全生產(chǎn)。本研究通過對我國南方廣泛種植的110個雜交水稻品種進行大田低Cd品種篩選的大田試驗研究了雜交水稻對土壤中Cd、Zn吸收積累的基因型差異，篩選出部分低Cd品種，并在此基礎(chǔ)上利用篩選出的籽粒高Cd、低Cd品種在采自江西鷹潭的典型紅壤上進行全生育期的水稻盆栽

3、試驗，更進一步地明確了雜交水稻Cd、Zn的吸收與籽粒積累規(guī)律，并運用透射電鏡觀察、差速離心法等深入探討了Cd耐性機理的品種差異，如外加Cd下品種細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)、抗氧化酶系統(tǒng)清除、亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)、PCs螯合等方面的差異機制，主要研究結(jié)果如下： 一、雜交水稻對土壤中Cd、Zn吸收積累的基因型差異 通過110個雜交水稻品種籽粒對水稻土中Cd、Zn的吸收積累情況的研究表明，供試雜交水稻籽粒Cd、Zn含量的變化范圍分別介于0.004-0

4、.057、10.25-30.06 mg·kg-1之間，指示不同水稻品種對同一土壤中Cd、Zn吸收及其在籽粒中積累存在顯著差異。本試驗還觀察到相對于普通雜交稻而言，超級稻品種具有籽粒高Cd低Zn的現(xiàn)象。并且用籽粒Cd和籽粒Cd/Zn關(guān)系做圖，供試雜交稻的斜率高于常規(guī)稻(已報道)，表明水稻吸Cd同時對Zn的排斥作用強度依基因型而異，雜交稻吸Cd排Zn的作用更明顯。采用國家營養(yǎng)協(xié)會推薦的每日膳食中營養(yǎng)素參考攝入量(RNI)衡量，對就地消費者而

5、言存在Cd暴露和“Zn饑餓”的潛在食物安全風(fēng)險，尤其對南方酸性土壤地區(qū)食用超級稻品種更甚。因此，在土壤重金屬Cd污染地區(qū)，必須密切注意高Cd/Zn品種的大規(guī)模栽培，而篩選高Zn低Cd的水稻品種進行品質(zhì)育種是可能的。 以大田篩選的籽粒鎘積累水平不同的兩品種(J196，低積累型，品種C；中浙優(yōu)1號，高積累型，品種A)為材料，采用添加Cd(2.5 mg·kg-1)和不添加Cd處理在紅壤性水稻土進行盆栽試驗研究了雜交水稻在成熟期對土壤中

6、Cd、Zn的吸收分配及籽粒Cd、Zn積累特點。結(jié)果表明，雜交水稻對Cd的吸收及籽粒Cd、Zn積累存在品種基因型差異。外源Cd的添加使水稻籽粒Cd積累成倍提高。本試驗結(jié)果還顯示，在供試土壤條件下尤其是污染條件下，高Cd品種對Cd的吸收與籽粒積累十分強烈，就地消費人群的籽粒Cd暴露風(fēng)險水平達到數(shù)倍于人體安全臨界攝入劑量水平，Zn存在相對缺乏的食物安全風(fēng)險。高Cd品種具有較強的籽粒Cd分配和較弱的籽粒Zn轉(zhuǎn)運能力，而加Cd處理下，低Cd品種對

7、Cd、Zn的根部、莖葉滯留能力更強，這也正是高籽粒含量品種籽粒Cd積累強而Cd/Zn高的植株因素。 二、外加Cd下水稻Cd耐性機制 以大田篩選的籽粒鎘積累水平不同的兩品種(J196，低積累型，品種C；中浙優(yōu)1號，高積累型，品種A)為材料，在紅壤性水稻土上采用盆栽實驗，鎘處理設(shè)0，2.5，5，10，25 mg·kg-1 5個水平，在第一pCd高峰苗期研究了外加Cd處理對水稻抗氧化酶系統(tǒng)、NPT含量的影響變化，結(jié)果表明：高C

8、d水稻品種中浙優(yōu)1號的耐Cd性強于低Cd水稻品種J196，表現(xiàn)為前者體內(nèi)的MDA含量低于后者，而SOD、CAT、POD酶活性高于J196；在Cd脅迫下，耐性強的品種中浙優(yōu)1號的SOD活力、CAT活力隨Cd處理濃度增加先增后降，在10 mg·kg-1時達到峰值，POD活力則為先降后增，在Cd濃度為5 mg·kg-1時達到峰值；而低Cd品種隨著外加Cd增長，3種酶活性在25 mg·kg-1達到峰值，除SOD比對照降低外，CAT和POD分較對

9、照升高38.07％和62.10％，表明本試驗中，外加Cd脅迫下，兩品種中三種抗氧化酶保護作用不同，高Cd品種CAT的保護性最強，低Cd品種POD的保護作用最強。外加Cd脅迫則顯著誘導(dǎo)根內(nèi)合成NPT-SH，外加Cd及品種差異對水稻體內(nèi)Cd的吸收具有不同程度的影響，根中NPT-SH的誘導(dǎo)量與水稻根系內(nèi)Cd的含量變化一致。外加Cd處理下，J196根系內(nèi)NPT-SH含量均高于中浙優(yōu)1號，從細(xì)胞水平上表明和中浙優(yōu)1號相比，J196可能具有從根系向

10、莖葉的高轉(zhuǎn)運能力。 鎘處理設(shè)0，5，25mg·kg-1 3個水平，以差速離心法在第二吸Cd高峰抽穗期研究了外加Cd處理對水稻亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響變化，結(jié)果表明，外加Cd下，兩品種根系細(xì)胞的Cd大部分存在于細(xì)胞壁中，占52.6-83.2％，少部分存在于細(xì)胞可溶部分(細(xì)胞質(zhì))，其鎘含量分布的百分率為3.0-10.1％，且根系細(xì)胞壁中J196的分布率高于中浙優(yōu)1號。表明J196的根系細(xì)胞壁的固定Cd能力較強；和對照相比，外加Cd促使中浙優(yōu)

11、1號根系細(xì)胞內(nèi)可溶物向地上部移動，且高Cd處理下，Cd中浙優(yōu)1號細(xì)胞內(nèi)溶物的分配率增高程度大于J196，增加了前者葉片中Cd由韌皮部運往籽粒的可能性，從而在亞細(xì)胞水平上推測了品種中浙優(yōu)1號為高轉(zhuǎn)運品種的可能機制。 鎘處理設(shè)0，25mg·kg-1 2個水平，用透射電鏡觀察的方法在第二吸Cd高峰抽穗期研究了外加Cd處理對水稻超微結(jié)構(gòu)的影響變化，結(jié)果表明Cd處理下兩品種的部分根細(xì)胞有Cd沉積現(xiàn)象，但不同品種的沉積部位表現(xiàn)不同，高Cd品

12、種主要在液泡邊緣而低Cd品種則在細(xì)胞壁和細(xì)胞間隙。表明不同水稻品種根系的耐Cd機制不同，前者主要表現(xiàn)液泡區(qū)室化，而低Cd品種則表現(xiàn)為細(xì)胞壁上有特定沉積。和對照相比，外加Cd對莖葉細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)造成傷害，主要表現(xiàn)在使葉綠體上淀粉粒消失，葉綠體空泡化，部分線粒體出現(xiàn)腫脹現(xiàn)象，低Cd品種的受害程度強于高Cd品種A，同時也表明水稻葉肉細(xì)胞器中葉綠體和線粒體是對Cd脅迫較為敏感的細(xì)胞器。 雜交水稻在籽粒Cd、Zn積累，抗氧化酶清除、細(xì)胞超