玉米对砷污染的生理生态响应

论文摘要

砷可通过水体-土壤-农作物进入食物链,这不仅影响作物生长发育,降低作物的产量和品质,还对人类健康构成巨大威胁。本文采用盆栽和室内砂培试验相结合的方法,研究了不同基因型玉米对砷污染的响应;探讨了砷作用对玉米产量、品质及生理生化的影响及解决途径。主要研究结果如下:1.砷胁迫下玉米基因型差异砷胁迫对不同基因型玉米生长发育影响显著,根长、株高、干物重降低,根条数增加。以生物量为指标,甜玉米和糯玉米不抗砷。不同基因型玉米对砷的吸收、积累能力差异显著,生物富集系数相差10.61倍,地下部砷的富集量相差16.35倍,转运系数相差21.13倍。以砷积累与转移为标准,筛选出SN2、KD8等饲用玉米对砷的抗性好于其它玉米品种。兼顾育种和环境治理多种因素,运用主成分分析,筛选出SN2、LX4等玉米品种相对抗砷。2.砷对产量的影响低浓度砷刺激玉米生长,籽粒产量增加;高浓度砷伤害玉米生长发育,产量降低。T2处理时,ZD958、JN218增产4.5%、3.2%;T4处理时,ZD958、JN218减产48.9%、39.1%。品种之间差异显著,JN218穗长、行粒数、穗粒数、千粒重的变动幅度均大于ZD958,即JN218对砷的敏感性大于ZD958。砷对产量构成因素的影响不同,对穗行数影响不大,对行粒数、穗长、千粒重影响较大。产量降低应是穗粒数减少和千粒重降低共同作用的结果。3.砷对品质的影响砷作用下,玉米籽粒蛋白质含量变化呈单峰曲线。T2处理,ZD958和JN218粗蛋白含量增加4.9%和2.5%;T4处理,ZD958、JN218粗蛋白含量下降22.3%和18%。随砷浓度增加,氨基酸总量变化呈单峰曲线。T2处理,ZD958和JZN218籽粒氨基酸总量最高,分别增加3.4%和4.7%;T4处理,籽粒氨基酸总量最低,两品种减少了21%。必需氨基酸与非必需氨基酸变化趋势一致,比例保持不变。其中Glu含量最高,除Cys、Met与砷浓度呈正相关外,其余氨基酸都负相关。砷影响淀粉的形成。随砷浓度的增加,淀粉含量先增加后降低。T2处理,淀粉含量最高,ZD958与JZN218淀粉含量增加4.8%和2.8%;T4处理,淀粉含量最低,比对照减少8%和10.8%。高浓度砷作用下,大粒径淀粉粒体积明显减少,小粒径淀粉粒体积增加。T4处理,ZD958大于14.9μm的淀粉颗粒体积降低了35.6%,JN218大于16.4μm的淀粉颗粒体积降低了26.4%。糊化特性与砷浓度之间存在显著的相关性。T4处理,ZD958、JN218的糊化温度低于对照,ZD958的峰值黏度低于对照。砷胁迫显著影响籽粒的糖代谢,总糖含量降低,Glc、Fru、Mal含量升高,Suc含量下降。ZD958总糖含量变化趋势是:T4＞CK＞T3,T4处理使总糖含量增加77.8%,T3处理使总糖减少7%。JN218的变化趋势是:T3＞T4＞CK,T3总糖含量增加38%,T4增加20%。砷胁迫下,玉米籽粒中Mn、Fe、K、Ca、Mg、S元素含量变化呈单峰曲线;砷元素含量与Se、B元素含量正相关;As元素含量与P元素含量负相关。砷胁迫下,籽粒大部分矿质元素之间呈极显著正相关。4.砷对生理特性的影响砷对玉米种子萌发、幼苗生长发育影响显著。种子发芽率、根长、苗高与砷浓度负相关,根数正相关。低浓度砷刺激玉米幼苗生长发育。高浓度砷使根系丛生,发黑,伸长受阻,根重量下降;叶片卷曲、失绿发黄;严重时不能开花结实,甚至死亡。砷在玉米体内的积累、迁移与砷浓度、生育时期和组织器官密切相关。不同生育时期,玉米对砷的吸收速率为:开花期＞成熟期＞拔节期。转运系数依次为:成熟期＞开花期＞拔节期,即玉米从地下部向地上部转运砷的能力随生育时期推进而加强。成熟期砷在玉米各组织器官的分布不均衡,依次为:根＞茎＞叶＞鞘＞籽粒＞其它（穗轴、苞叶、雄穗等）;玉米植株砷含量的空间分布为:地下部＞下部＞中部＞上部。低浓度时,根茎结合部的砷浓度,与地中茎相近,与下部茎差异显著,说明根茎结合部具有拒砷能力。但范围有限,与砷浓度负相关,且存在品种间差异。砷在玉米体内可以发生形态转化,根、茎、叶、籽粒均有将无机砷转化为有机砷的能力,籽粒的转化效率最强,达60%以上,大大降低了砷毒害。砷胁迫对玉米的超微结构有影响。细胞核膜及线粒体膜系统解体,叶绿体基粒片层稀疏,出现大量的过氧化物体和黑色沉淀,玉米主要通过将砷分隔在液泡和细胞壁来减轻砷的毒害。砷胁迫使二维红外光谱图和荧光谱图发生显著变化。5.硒对砷胁迫具有调控作用硒有拮抗玉米砷毒害的作用,但有效量关系:即低浓度有拮抗砷的能力,表现为玉米幼苗主根长、株高、叶绿素含量等均增加,光合速率增加,最终产量增加、品质改善等,有效提高玉米中的蛋白质、脂肪、淀粉含量,并使淀粉颗粒变大,砷富集量明显降低。高浓度硒与砷发生协同作用,伤害玉米生长发育,使蛋白质、脂肪、淀粉含量明显降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 前言
• 1.1 目的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 砷的存在形态及其毒性
• 1.2.2 砷的污染状况及来源
• 1.2.3 砷对作物生长发育的影响
• 1.2.4 砷对作物生理生化特性的影响
• 1.2.5 砷对作物矿质营养吸收的影响
• 1.2.6 砷对作物超微结构的影响
• 1.2.7 作物砷吸收的影响因素及抗性机制
• 1.2.8 砷污染治理途径
• 1.3 问题与展望
• 2 材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 品种
• 2.1.2 土壤
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 品种筛选
• 2.2.2 砷作用
• 2.2.3 硒调控
• 2.3 测定项目与方法
• 2.3.1 土壤背景值
• 2.3.2 产量、品质及理化指标
• 2.3.3 砷、硒及矿质元素分析
• 2.3.4 有机化合物结构
• 2.3.5 超微结构
• 2.4 分析过程的质量控制和数据处理
• 3 结果与分析
• 3.1 砷胁迫下玉米基因型差异研究
• 3.1.1 生长发育和物质积累
• 3.1.2 砷的吸收和运转
• 3.1.3 玉米抗砷性的综合评价
• 3.2 产量对砷的响应
• 3.2.1 籽粒产量及产量构成因素
• 3.2.2 不同生育期产量
• 3.2.3 成熟期不同部位生物产量
• 3.2.4 不同生育时期生物产量相关性分析
• 3.2.5 不同生育时期生物产量与经济产量相关性分析
• 3.2.6 成熟期生物产量与经济产量相关性分析
• 3.3 品质对砷的响应
• 3.3.1 蛋白质
• 3.3.2 脂肪
• 3.3.3 淀粉含量及组成
• 3.3.4 籽粒氨基酸含量及组成
• 3.3.5 淀粉粒度
• 3.3.6 淀粉糊化特性
• 3.3.7 单糖含量及组成
• 3.3.8 籽粒矿质元素含量
• 3.4 砷对玉米生理特性的影响
• 3.4.1 生长发育
• 3.4.2 光合色素含量及组成
• 3.4.3 砷的吸收和分配
• 3.4.4 砷在玉米中的形态转化
• 3.4.5 砷对玉米物质成分的影响
• 3.4.6 玉米超微结构
• 3.5 砷污染下硒的调控作用
• 3.5.1 生长发育
• 3.5.2 生理生化
• 3.5.3 产量品质
• 3.5.4 砷吸收积累
• 3.5.5 有机化合物结构
• 3.5.6 砷硒互做对玉米生长发育的综合影响
• 4 讨论
• 4.1 不同基因型玉米对砷胁迫的响应
• 4.2 产量及其构成因素对砷胁迫的响应
• 4.3 品质对砷胁迫的响应
• 4.4 生理特性对砷胁迫的响应
• 4.5 硒对砷胁迫下玉米生长发育的调控作用
• 5 结论
• 5.1 不同基因型玉米对砷的响应差异明显
• 5.2 低浓度砷促进玉米生长发育，高浓度砷降低玉米产量
• 5.3 砷对玉米品质有显著影响
• 5.4 砷显著影响玉米的生理特性
• 5.5 硒对砷胁迫下玉米的生长发育具有调控作用
• 图版说明
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文