【摘要】： 目前，我國已有大量農田受到重金屬鎘(Cd)的污染，這不僅影響作物生長和發(fā)育，降低產量與品質，而且經作物吸收由食物鏈進入人體，對人類健康產生巨大威脅。因此，降低作物食用部分Cd的含量具有重要的現(xiàn)實意義。水稻是我國也是全球最重要的糧食作物，但目前有關水稻鎘積累的基因型差異的機理尚不清楚，此外，有關Cd對植物的毒害及植物的耐性機理尚存在爭議。本文利用營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗，以水稻突變體為材料，較為系統(tǒng)地研究了Cd對水稻生長的影響及其對Cd的吸收與敏感的生理機制，并在大田條件下，研究了水稻糙米中Cd積累的基因型差異，為輕、中度Cd污染土壤上持續(xù)生產安全稻米提供一條經濟、有效的途徑。主要研究結果如下： (1)不同濃度Cd對Cd敏感水稻突變體和野生型生長的影響不同，在較低濃度下，二者的生長均表現(xiàn)正常，但較高濃度下，突變體的株高、根長、根表面積、根數、根系活力和生物量明顯降低。在任一Cd處理濃度下，突變體的根、莖、嫩葉的Cd含量明顯比野生型高，而老葉中二者無明顯差異。突變體和野生型體內Cd濃度與根長、根表面積、根數、根系活力呈顯著負相關，說明Cd脅迫后突變體受害嚴重與其體內較高的Cd積累有關。 (2)利用同位素示蹤技術研究了鎘敏感水稻突變體和野生型根系Cd吸收及向地上部轉運特征，結果表明，水稻對~(109)Cd~(2+)吸收的時間動力學曲線可以分為兩部分，開始20 mim是快速的吸附階段，主要是Cd~(2+)快速進入質外體，隨后是緩慢吸收階段，主要是Cd~(2+)的跨膜運輸。濃度動力學曲線是一條平滑的非飽和曲線，可以劃分為開始快速的線性動力學階段和隨后較緩慢的飽和吸收階段，而飽和吸收階段可以用米氏方程來描述，這表明水稻體內鎘的跨質膜運輸受運輸蛋白調控。雖然Cd敏感水稻突變體的Km值(2.54μmol L~(-1))與野生型的(2.37μmol L~(-1))相差不大，但突變體的Vmax是野生型的近2倍。經過96小時的吸收，Cd敏感水稻突變體向地上部轉運的~(109)Cd~(2+)是野生型的1.9倍。Ca和La可同等程度地抑制Cd敏感水稻突變體和野生型對Cd的吸收，而Zn和Mn對突變體的Cd吸收抑制較多。 (3)采用蔗糖差速離心和化學試劑逐級提取方法，比較Cd敏感水稻突變體和野生型體內Cd的亞細胞分布和存在形態(tài)。結果表明，Cd主要分布在細胞壁和細胞可溶性組分中，而細胞器中Cd分布量很少。細胞各組分中Cd的含量隨Cd脅迫濃度的增加而增加，與野生型相比，水稻突變體的細胞器組分中Cd增加較多。Cd敏感水稻突變體和野生型根、莖、葉三部分在低濃度Cd處理下所積累的Cd以氯化鈉提取態(tài)、鹽酸提取態(tài)，醋酸提取態(tài)為主，三者占總量的65％以上。此外，在突變體中，Cd處理濃度的增加主要提高了水溶態(tài)的比率。 (4)較高濃度Cd脅迫顯著降低水稻突變體的光合面積、葉綠素含量、凈光合速率(Pn)、但增加胞間CO_2濃度(Ci)。因此，高濃度Cd降低Pn是非氣孔限制所致。與葉綠素b相比，葉綠素a對Cd脅迫更敏感。較高濃度Cd脅迫顯著降低突變體的PSⅡ光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ光能捕獲效率(φPSⅡ)、光化學淬滅系數(qP)和電子傳遞速率(ETR)，而光化學淬滅系數(qN)下降，表明Cd對突變體的傷害比野生型大，突變體的光合機構自身保護能力較弱。50μmol L~(-1)的Cd脅迫后再去除脅迫，野生型光合及熒光特性能恢復到對照的80％以上，而突變體基本不能恢復。 (5)Cd脅迫能導致水稻突變體和野生型體內H_2O_2和MDA累積，其積累隨Cd脅迫濃度的增加而升高，且突變體葉片積累量極顯著地高于野生型，O_2~(.-)產生速率也隨著Cd脅迫濃度的增加而增加。在較低濃度Cd脅迫能引起CA敏感水稻突變體更多的H_2O_2累積，誘導抗氧化酶系統(tǒng)的早期應答；而高濃度Cd脅迫后，突變體的抗氧化酶類，如SOD、CAT有所下降，從而導致大量活性氧累積，使細胞受到傷害。因此，Cd脅迫下，突變體的活性氧的產生與清除失去平衡，可能是其對Cd脅迫更加敏感的生理原因之一。 (6)總的來說，AsA和GSH含量隨處理水平提高而降低。在低濃度Cd脅迫下，葉片中NPT和PC含量迅速上升，用于螯合進入細胞中的Cd。此外，APX、GR活性也較高，GSH/GSSG、AsA/DHA保持相對穩(wěn)定。所以，在低濃度Cd脅迫下Cd敏感水稻突變體和野生型沒有受到明顯的影響。在高濃度Cd脅迫下，NPT和PC不再增加，甚至下降；突變體的APX、GR活性明顯受到抑制，AsA、GSH、GSH/GSSG、AsA/DHA也明顯下降，且明顯低于野生型。這說明在較高濃度Cd脅迫下，Cd敏感水稻突變體內的氧化還原狀態(tài)發(fā)生了變化，經歷了嚴重的氧化脅迫。 (7)以長三角地區(qū)栽培的38個水稻品種為材料，采用大田試驗，研究了籽粒中Cd積累的基因型差異及其與經濟性狀的關系。結果表明，在Cd(3.62 mg kg~(-1))污染的土壤中不同水稻品種的產量和Cd在糙米中的積累量存在顯著差異，大部分水稻品種糙米的Cd含量超過了FAO/WHO所規(guī)定的最大允許值；糙米中Cd含量與稻桿中Cd含量之間存在顯著正相關。產量組成因素分析表明，糙米中Cd濃度與一些農藝性狀如產量、每穗粒數、收獲指數之間存在明顯的正相關。以FAO/WHO提出的谷物Cd含量的最大允許值為基準，同時考慮到產量因素，篩選到一些籽粒Cd含量較低且相對高產的基因型，以供推廣種植和作為育種的良好材料。
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2006
【分類號】：X173;S511
【圖文】：

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本文編號：2748695