水稻对土壤重金属镉的响应及其调控

论文摘要

镉（Cd）是农田土壤中主要的污染物质。随着工业的发展,Cd污染日趋严重,对农业生产和人类健康构成严重的威胁。本研究以水稻不同品种为材料,研究Cd对水稻产量和品质的影响及其生理机制,探讨通过灌溉和施肥等农艺措施减轻Cd对水稻危害的技术途径,为水稻优质安全生产提供理论依据和实践指导。主要结果如下:1、Cd对水稻产量和品质的影响当土壤Cd浓度为60或90 mg kg-1时,扬稻6号和扬粳9538的产量与对照（土壤未加Cd处理）无显著差异。这两品种在Cd浓度为120或180 mg kg-1以及武运粳7号在Cd浓度为60或120 mg kg-1条件下产量均较对照显著降低。在Cd胁迫下产量降低的原因主要在于穗数或每穗颖花数的减少,Cd对结实率和千粒重无显著影响。Cd对稻米加工品质、外观品质、蒸煮品质以及蛋白质含量无显著影响。随土壤Cd浓度的增加,稻米醇溶蛋白含量增加,清蛋白和球蛋白含量则降低。当土壤Cd浓度为60和90 mg kg-1时,稻米淀粉谱的最高粘度、热浆粘度、最终粘度、崩解值和消减值与对照无显著差异;当土壤Cd浓度为120和180 mg kg-1时,稻米淀粉谱的最高粘度和崩解值显著降低,热浆粘度、最终粘度和消减值显著增加。在相同土壤Cd浓度下,同一器官的Cd浓度在品种间无显著差异,但扬稻6号Cd累积量高于扬粳9538。表明Cd对水稻产量的影响以及Cd在稻株的累积量在品种间存在差异,高浓度Cd可降低稻米的营养品质和食味性。2、水稻对Cd胁迫的生理响应Cd胁迫增加了根系和叶片自由基含量;诱导超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）同工酶小分子量的特异表达;增加了水稻根系分泌物含量;降低了水稻DNA和蛋白质含量;水稻可溶性蛋白质一维电泳和二维电泳分析结果表明,Cd胁迫后水稻可溶性蛋白质表达发生改变。Cd诱导了水稻幼苗根系10个蛋白质点和叶片8个蛋白质点的表达,抑制了根系4个蛋白质点和叶片8个蛋白质点的表达。3、水稻耐Cd性不同品种一些农艺与生理性状Cd处理后,耐Cd基因型（汕优63和扬粳9538）籽粒产量较CK（土壤中未加Cd）降低了6.2%8.9%,Cd敏感基因型（扬稻6号和武运粳7号）产量较对照降低38.3%47.1%。Cd处理后每盆穗数和每穗颖花数减少是减产的主要原因,结实率和千粒重在Cd处理与CK间无显著差异。Cd处理显著抑制了Cd敏感基因型的分蘖发生,导致整个生育期干物质积累的显著下降。Cd处理对物质运转率和收获指数无显著影响。在Cd胁迫下,分蘖至拔节期Cd敏感基因型的根系活力、叶片光合速率、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性明显低于耐Cd基因型,叶片超氧自由基和过氧化氢含量、乙烯释放速率及根系伤流液中1-氨基环丙烷1-羧酸浓度则显著高于耐Cd基因型。抽穗以后Cd对上述生理指标以及整个生育时期叶片脱落酸含量无显著影响。说明Cd对水稻生长发育的影响主要在生育前期（分蘖至拔节期）,此期分蘖发生多、根系活力和叶片抗氧化保护系统能力强及乙烯合成少是耐Cd基因型水稻的主要农艺和生理特征。4、结实期灌溉方式对水稻品质和不同器官Cd浓度与分配的影响在土壤Cd污染条件下,与水层灌溉（WW）相比,结实期轻干-湿交替灌溉（MD）可以增加产量和改善稻米的加工与外观品质,结实期重干-湿交替灌溉（SD）则降低产量和品质。MD和SD均可增加Cd在根的浓度和分配比例,降低Cd在茎叶的浓度和分配比例;MD对籽粒和精米中的Cd浓度无明显影响,但可显著降低Cd在籽粒中的分配比例,SD则增加了籽粒和精米的Cd浓度。在MD条件下,根系活力增强和叶片气孔导度降低（即蒸腾强度小）是根系Cd浓度大、茎叶Cd浓度小以及籽粒Cd分配比例低的重要原因;而在SD条件下,根系和籽粒Cd浓度大、茎叶Cd浓度小与气孔导度显著降低和茎叶Cd表观输出率大幅度增加有密切关系。5、全生育期干湿交替灌溉对水稻产量和品质及Cd积累的影响与保持水层（WW）相比,全生育期轻干湿交替灌溉（MD）提高了根系氧化力和光合速率,使产量增加了8.6-10%,改善了加工品质和外观品质,全生育期重干湿交替灌溉（SD）的结果则相反。MD和SD均降低了叶片蒸腾速率,SD尤为明显。MD和SD显著增加了根系中Cd的浓度,降低了稻草中Cd的浓度。MD使籽粒中Cd浓度降低了8.6-9.7%,精米中Cd浓度降低了27-31%。SD则显著增加了籽粒中Cd浓度,但降低了Cd在精米中浓度。说明全生育期轻干湿交替灌溉可以增加产量和减少Cd在水稻可食部分的含量。6、氮肥对水稻品质和不同器官Cd浓度与分配的影响在相同施氮量情况下,Cd处理显著降低了产量。在相同土壤Cd浓度下,产量随施氮量(0～600 kg ha-1)的增加而提高。施氮量和Cd处理对稻米的出糙率、精米率和整精米率无显著影响。在相同施氮量情况下,Cd处理使胶稠度增加,直链淀粉含量降低。Cd对稻米垩白率、垩白度和蛋白质含量无显著影响。随施氮量的增加,颖壳、糠层和精米中Cd浓度均随之增加,但精米Cd浓度在0N（不施氮）与MN(300 kg ha-1)之间无显著差异。Cd在颖壳和糠层中的分配比例也随施氮量的增加而显著提高,但Cd在精米中的分配比例则随施氮量的增加而显著降低。表明在Cd污染的稻田适当施用氮肥并不会明显增加Cd在精米中的浓度,并可降低Cd在精米中的分配比例。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 0 引言
• 1 文献综述
• 1.1 重金属污染现状
• 1.2 农田土壤重金属污染的来源
• 1.2.1 大气中重金属沉降
• 1.2.2 污水灌溉
• 1.2.3 施用污泥、受重金属污染的有机肥和含重金属的废弃物
• 1.2.4 施用重金属含量较高的肥料、农药、塑料薄膜
• 1.2.5 金属矿山开采
• 1.3 土壤重金属污染的特点和在土壤中存在形态
• 1.3.1 土壤重金属污染的特点
• 1.3.2 土壤重金属的存在形态
• 1.4 镉对人体的毒害
• 1.5 镉对植物生长发育毒害效应及耐性机理
• 1.5.1 影响植物生长
• 1.5.2 影响细胞分裂
• 1.5.3 影响细胞超微结构
• 1.5.4 影响细胞膜透性
• 1.5.5 影响光合作用和呼吸作用
• 1.5.6 氧化胁迫
• 1.5.7 镉对植物营养元素吸收积累的影响
• 1.5.8 植物对镉的耐性机理
• 1.6 植物对镉的吸收分配
• 1.7 影响植物对镉吸收的主要因素
• 1.8 减少植株镉含量的技术途径
• 1.9 存在的问题和本研究的目的意义
• 1.9.1 存在问题
• 1.9.2 本研究的目的意义
• 参考文献
• 2 镉对水稻产量和品质的影响
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试验材料与试验地点
• 2.2.2 试验设计
• 2.2.3 测定项目与方法
• 2.2.4 数据统计分析
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 镉对产量及其构成因素的影响
• 2.3.2 镉对稻米品质的影响
• 2.3.3 镉在植株各器官的分配
• 2.4 小结与讨论
• 参考文献
• 3 水稻对镉胁迫的生理响应
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试验材料与试验地点
• 3.2.2 试验设计
• 3.2.3 测定项目与方法
• 3.2.4 数据统计分析
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 根和叶片中自由基含量
• 3.3.2 根系分泌物中有机酸含量
• 3.3.3 叶片SOD、POD 和CAT 同工酶表达
• 3.3.4 DNA 含量
• 3.3.5 蛋白质含量
• 3.3.6 蛋白质一维电泳图谱
• 3.3.7 蛋白质二维电泳图谱
• 3.4 小结与讨论
• 参考文献
• 4 水稻耐镉性不同品种一些农艺与生理性状的比较
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试验材料与试验地点
• 4.2.2 试验设计
• 4.2.3 测定项目与方法
• 4.2.4 数据统计分析
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 产量及其构成因素
• 4.3.2 分蘖动态与物质生产
• 4.3.3 根系氧化力和叶片光合速率
• 4.3.4 活性氧含量与抗氧化酶活性
• 4.3.5 ABA 含量和乙烯释放速率
• 4.4 小结与讨论
• 参考文献
• 5 结实期灌溉方式对水稻品质和不同器官镉浓度与分配的影响
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 试验材料与试验地点
• 5.2.2 试验设计
• 5.2.3 测定项目与方法
• 5.2.4 数据统计分析
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 土壤水势变化
• 5.3.2 根系活性和叶片光合特性
• 5.3.3 产量与稻米品质
• 5.3.4 镉在不同器官的浓度与分配
• 5.3.5 镉在籽粒不同部位的浓度与分配
• 5.4 小结与讨论
• 参考文献
• 6 全生育期干-湿交替灌溉对水稻产量和品质及镉累积的影响
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 试验材料与试验地点
• 6.2.2 试验设计
• 6.2.3 测定项目与方法
• 6.2.4 数据统计分析
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 土壤与叶片水势变化
• 6.3.2 叶片光合性状与根系活力
• 6.3.3 产量与品质
• 6.3.4 水稻各器官镉浓度和分配
• 6.3.5 镉在籽粒不同部位的浓度与分配
• 6.4 小结与讨论
• 参考文献
• 7 氮肥对水稻品质和不同器官镉浓度与分配的影响
• 7.1 引言
• 7.2 材料与方法
• 7.2.1 试验材料与试验地点
• 7.2.2 试验设计
• 7.2.3 测定项目与方法
• 7.2.4 数据统计分析
• 7.3 结果分析
• 7.3.1 根系活力
• 7.3.2 不同施氮量下镉对产量及其构成因素的影响
• 7.3.3 不同施氮量下镉对稻米品质的影响
• 7.3.4 镉在不同器官的浓度与积累
• 7.3.5 镉在籽粒不同部位的浓度与分配
• 7.4 小结与讨论
• 参考文献
• 8 结语
• 8.1 本研究主要结论
• 8.1.1 镉对水稻产量和品质的影响
• 8.1.2 水稻对镉胁迫的生理响应
• 8.1.3 水稻耐镉性不同品种一些农艺与生理性状
• 8.1.4 结实期灌溉方式对水稻不同器官镉浓度与分配的影响
• 8.1.5 全生育期干湿交替灌溉对水稻产量和品质及镉积累的影响
• 8.1.6 氮肥对水稻品质和不同器官镉浓度与分配的影响
• 8.2 本研究创新点
• 8.3 存在的问题与建议
• 8.3.1 存在问题
• 8.3.2 对深入研究的建议
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 致谢