硒缓解水稻镉毒害的机理研究

论文摘要

镉（Cadmium, Cd）是植物非必需的微量元素,对植物有很强的毒性。土壤镉污染超过一定限度不仅严重影响作物产量和品质,并通过食物链富集,危害人体健康。对于已污染土壤,虽然曾提出过包括利用超积累植物进行生物修复降低土壤重金属含量等多种方法,但迄今均未能有效地应用于大面积土壤的治理；对于大面积中、轻度污染农田,筛选耐镉且食用器官低积累作物品种和改进农艺与化学调控技术缓解镉毒、减少作物镉吸收与积累,是有效利用自然资源和保证农产品安全生产的重要途径。硒（Se）是自然界中存在于重金属硫化物矿石中的一种微量元素,是生物机体中必需的营养元素之一。本研究采用课题组前期筛选获得的镉敏感粳稻品种秀水63,探讨外源Se对镉胁迫下水稻生长、养分吸收、根细胞活性、活性氧代谢等的影响,旨在探讨外源Se缓解水稻镉毒害的细胞生理与生化机制。主要研究结果如下：1.以镉敏感粳稻品种秀水63为材料,盆栽试验,播种前20d土壤100μM CdCl2处理,苗期和拔节期6μM Na2SeO3处理,设4个处理：（1）对照,基本培养液；（2）Cd,100μM CdCl2;（3） Se,6μM Na2SeO3;（4） Cd+Se,100μM CdCl2+6μM Na2SeO3。研究了外源Se对镉胁迫水稻成熟期生长及元素吸收的影响。结果表明：水稻全生育期100μM Cd处理显著降低水稻单株产量及株高、结实率和千粒重。苗期和拔节期施加外源Se部分恢复了镉胁迫对水稻株高、结实率和千粒重的影响,促进水稻单产的增加。水稻吸收的镉在水稻各部位的分布为叶>茎>稻米：外源Se显著降低了积累在水稻根、茎叶和籽粒中的镉含量。2.水培试验,研究了外源Se对镉胁迫下水稻秀水63SPAD值、株高、生物学产量和营养元素吸收和分配的影响。试验设6个处理：（1）对照,基本培养液；（2）Cd,50μM CdCl2;（3） Se,3μM Na2SeO3;（4） Cd+Se,50μM CdCl2+3μM Na2SeO3;（5） pre-Se,镉处理前一天用基本培养液+3μM Na2SeO3预处理24h,次日更换为基本培养液；（6） pre-Se+Cd, CdCl2镉处理前一天用‘基本培养液+3μM Na2SeO3’预处理24h,次日更换为‘基本培养液+50μM CdCl2’。结果表明,50μM Cd处理,显著降低水稻叶片SPAD值、株高、根长、地上部和根系的干重。3μM Se处理（Cd+Se和pre-Se+Cd）显著缓解50μM Cd引起的水稻幼苗毒害症状,增加水稻地上部生物量,其中,对水稻根伸长和根干重的缓解效果最为明显。与单一Cd处理相比,Cd+Se和pre-Se+Cd处理显著提高叶片SPAD值,降低镉诱导增加的根系K、Mg, Fe和Zn及叶片和根系的S和Cu含量,pre-Se+Cd处理显著增加了镉诱导降低的叶片Mn和Zn含量。3.研究了外源Se对镉胁迫下苗期水稻Se和Cd含量、根尖Cd定位和根尖细胞活性的影响。结果表明,Cd+Se和pre-Se+Cd处理显著降低水稻叶片和根系镉含量。同时,镉胁迫下,水稻叶片和根系的Se含量也明显降低。由镉荧光定位图像和镉荧光强度结果表明,Cd+Se和pre-Se+Cd处理能够减少根尖细胞中镉过量积累。利用FDA-PI双重荧光染色方法研究表明50μM Cd处理导致苗期水稻根尖活细胞数量明显下降,根尖细胞活性明显受到抑制。而外源Se处理显著缓解了镉对水稻根尖细胞的毒害。4.研究了外源Se对镉胁迫下苗期水稻活性氧代谢的影响。结果表明,50μM Cd胁迫导致水稻叶片中O2·-、H2O2和MDA过量累积,加剧膜脂过氧化。同时,利用02·-组织化学染色方法直观地证实了50μM Cd处理能够迅速增加水稻根系中O2·-。的含量。Cd+Se和pre-Se+Cd处理能够减少水稻叶片和根系镉诱导产生的ROS含量,降低膜脂过氧化产物MDA,缓解镉胁迫下水稻叶片当中产生的氧化胁迫。外源Se显著恢复了50μM Cd抑制的地上部CAT和APX（处理15d）活性,但是显著抑制了镉胁迫诱导上升的地上部和根系SOD和地上部POD活性。5.探讨了外源Se对镉胁迫下苗期水稻ATP酶活性的影响。结果表明,50μM Cd处理诱导叶片H+-ATP和total-ATP酶活性显著上升,而对Ca2+-ATP酶的作用不明显。与此相反,镉胁迫下显著抑制水稻根系H+-ATP、Ca2+-ATP和total-ATPase活性。外源Se处理（Cd+Se和pre-Se+Cd）10d,根系H+-ATP、Ca2+-ATP和total-ATP酶活性分别比单一Cd处理显著上升,特别是H+-ATP和total-ATP酶活性上升尤为明显。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 镉毒害与植物
• 1.1.1 镉对植物的毒害作用
• 1.1.1.1 抑制植物的生长
• 1.1.1.2 影响营养元素的吸收
• 1.1.1.3 影响植物新陈代谢
• 1.1.2 植物对镉的吸收、转运和积累
• 1.1.3 植物对镉的耐性
• 1.1.3.1 限制镉的吸收
• 1.1.3.2 非活性部位对镉的固定作用
• 1.1.3.3 螯合作用和区域化
• 1.1.3.4 抗氧化系统对镉胁迫的应答
• 1.2 Se与植物
• 1.2.1 Se的分布
• 1.2.2 Se的吸收、转运和累积
• 1.2.2.1 吸收
• 1.2.2.2 代谢
• 1.2.2.3 积累
• 1.2.3 Se的生物学特性
• 1.2.3.1 对植物生长的影响
• 1.2.3.2 在植物体内的抗氧化作用
• 1.2.3.3 与元素的关系
• 1.2.3.4 其他生物学特性
• 1.2.4 硒在植物耐环境胁迫中的作用
• 1.2.4.1 Se在植物耐镉胁迫中的作用
• 1.2.4.2 Se在植物其他逆境胁迫中的作用
• 1.3 本试验的研究目的和意义
• 第二章 硒对镉胁迫下水稻生长毒害的缓解作用
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验方法
• 2.1.2.1 盆栽土培试验
• 2.1.2.2 水培试验
• 2.2 结果与分析
• 2.2.1 外源Se处理对镉胁迫下水稻成熟期产量构成要素的影响
• 2.2.2 外源Se处理对镉胁迫下水稻生长毒害的缓解作用
• 2.3 讨论
• 第三章 硒缓解镉对水稻生长毒害的生理机制
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验材料和处理
• 3.1.2 分析测定项目与方法
• 3.1.2.1 元素含量测定
• 3.1.2.2 镉特异性荧光定位
• 3.1.2.3 细胞活力测定（FDA-PI双染色）
• 2⁺的绢织化学染色及H₂O₂、O₂⁺和MDA含量测定'>3.1.2.4 叶片O₂⁺的绢织化学染色及H₂O₂、O₂⁺和MDA含量测定
• 3.1.2.5 抗氧化酶活性的测定
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 外源Se处理对镉在成熟期水稻不同部位分布的影响
• 3.2.2 外源Se处理对镉胁迫下苗期水稻硒和镉含量的影响
• 3.2.3 外源Se处理缓解镉胁迫下水稻体内的氧化胁迫
• 3.2.4 外源Se处理对镉胁迫下水稻抗氧化酶活性的影响
• 3.2.5 外源Se处理对镉胁迫下水稻体内ATP酶活性的影响
• 3.2.6 外源Se处理对镉胁迫下苗期水稻营养元素含量的影响
• 3.3 讨论
• 参考文献
• 缩略词表
• 图表目录