本試驗(yàn)于2008-2011年在黃淮海區(qū)域玉米技術(shù)創(chuàng)新中心和作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。本研究采用盆栽試驗(yàn)和室內(nèi)生理生化分析相結(jié)合的技術(shù)路線,選用普通玉米品種鄭單958和濟(jì)麥20為試驗(yàn)材料,以盆栽的方式進(jìn)行重金屬元素砷(As)脅迫,系統(tǒng)研究了砷對(duì)玉米-小麥產(chǎn)量、品質(zhì)、碳氮代謝、抗氧化系統(tǒng)及其土壤酶活性的影響,探討磷、硫?qū)ι槎竞徑庑?yīng)的機(jī)理。主要研究結(jié)果如下: 1砷對(duì)玉米-小麥產(chǎn)量、品質(zhì)及植株性狀的影響 玉米-小麥生物產(chǎn)量和子粒產(chǎn)量在砷作用下有類似的規(guī)律:低濃度砷處理(A1),生物產(chǎn)量和子粒產(chǎn)量不同程度的升高;高濃度砷處理?xiàng)l件下(A2、A3、A4),則顯著下降,當(dāng)土壤砷濃度達(dá)到200mg/kg,玉米-小麥種子萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)受到嚴(yán)重影響,干物質(zhì)積累量極低,不能開(kāi)花結(jié)實(shí),直至死亡。 砷對(duì)玉米-小麥子粒品質(zhì)影響顯著,籽粒淀粉、蛋白質(zhì)和粗脂肪含量隨著砷濃度的增加先增加后降低,最大值出現(xiàn)在A1處理。低濃度的(A1)砷刺激玉米-小麥植株的生長(zhǎng),植株高度和莖粗顯著增加;高濃度砷脅迫嚴(yán)重抑制玉米、小麥生長(zhǎng)發(fā)育:植株矮小,莖稈細(xì)弱,根系生長(zhǎng)遲緩,葉片光合色素含量降低,植株長(zhǎng)勢(shì)弱,同時(shí)造成小麥分蘗數(shù)和有效穗數(shù)減少。砷對(duì)玉米產(chǎn)量的影響主要由單株穗粒數(shù)決定的,而對(duì)小麥產(chǎn)量的影響主要由單株有效穗數(shù)決定的。 2砷對(duì)玉米-小麥碳氮代謝的影響 不同濃度的砷對(duì)玉米-小麥碳代謝的影響差異明顯,具體表現(xiàn)為:低濃度砷(A1)作用下,玉米-小麥葉片光合色素含量增加,植株凈光合速率明顯提高,促進(jìn)了植株各器官可溶性糖和蔗糖的合成,干物質(zhì)積累量增加;隨著砷濃度的提高(A3、A4),抑制玉米、小麥的光合性能:葉片光合色素總量減少,玉米-小麥葉面積指數(shù)降低,穗位葉光合速率下降。 砷對(duì)玉米-小麥氮代謝有顯著影響。低濃度砷提高了玉米-小麥各器官游離氨基酸水平,高濃度砷破壞植株氮代謝系統(tǒng),氮代謝紊亂。砷對(duì)玉米-小麥各器官游離氨基酸影響大小表現(xiàn)為莖稈葉片根系。同時(shí)砷提高了玉米根系和莖稈蛋白質(zhì)含量,而降低葉片蛋白質(zhì)含量,而砷對(duì)小麥各器官蛋白質(zhì)含量的影響存在生育時(shí)期的差異,其中對(duì)小麥莖稈蛋白質(zhì)含量影響最大。砷對(duì)玉米-小麥氮代謝酶活性影響因作物種類、生育時(shí)期和植株部位而異。A1處理,提高了玉米葉片拔節(jié)期、開(kāi)花期和乳熟期NR、GS和GOGAT活性,而降低了三葉期玉米葉片GS的活性;同時(shí)高濃度(A3)砷脅迫下,顯著提高了苗期玉米根系GS活性,降低了葉片和根系NR、GOGAT、GDH活性。 3砷對(duì)玉米-小麥抗氧化系統(tǒng)的影響 3.1砷對(duì)玉米抗氧化系統(tǒng)的影響 三葉期,葉片SOD活性與砷濃度呈顯著正相關(guān);隨生育時(shí)期的推遲,開(kāi)花期和乳熟期葉片SOD活性先增后降,A2處理時(shí)達(dá)到峰值。玉米三葉期CAT活性逐漸升高,拔節(jié)期根系CAT活性先升后降,葉片逐漸升高;在開(kāi)花期和乳熟期,根系CAT活性在A1處理時(shí)最大,然后隨砷濃度增加顯著降低。砷對(duì)三葉期玉米葉片抗壞血酸(AsA)含量影響較小,顯著降低了拔節(jié)期-乳熟期AsA含量,砷阻礙根系抗壞血酸的合成,限制了根系A(chǔ)sA-GSH抗氧化系統(tǒng)的作用。在不同砷水平下,葉片GSH含量逐漸升高,三葉期和開(kāi)花期根系GSH含量與砷濃度呈正相關(guān),拔節(jié)期和乳熟期根系GSH含量與砷濃度呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)均為0.99,說(shuō)明砷對(duì)玉米根系GSH含量的影響與玉米生育時(shí)期有關(guān)。不同生育時(shí)期,葉片和根系H2O2含量隨砷濃度增加而提高。三葉期-開(kāi)花期,玉米葉片脯氨酸含量隨砷濃度的提高而增加,根系脯氨酸積累量隨砷濃度先升后降。 3.2砷對(duì)小麥抗氧化系統(tǒng)的影響 小麥葉片SOD活性隨砷濃度增加先升后降,根系SOD活性隨砷濃度的增加而降低。A1、A2處理葉片和根系POD活性均顯著高于CK。砷對(duì)拔節(jié)期根系A(chǔ)sA含量影響較小;開(kāi)花期和乳熟期A1、A2處理的AsA含量顯著提高,A3處理抑制了AsA含量。在不同砷水平下,葉片GSH含量逐漸升高,乳熟期葉片GSH含量最高。不同生育時(shí)期,葉片和根系H2O2含量和MDA隨砷濃度增加而提高。拔節(jié)期-成熟,小麥葉片脯氨酸含量隨砷濃度的增大而降低,根系脯氨酸積累量與砷濃度呈正相關(guān)。 4砷對(duì)玉米激素含量影響 三葉期和拔節(jié)期,砷促進(jìn)玉米葉片IAA合成;隨著生育時(shí)期的延遲,高濃度砷脅迫抑制了開(kāi)花期和乳熟期葉片IAA合成;玉米根系IAA含量與砷濃度呈顯著正相關(guān)。三葉期,葉片GA含量均高于CK。拔節(jié)期、開(kāi)花期和乳熟期,葉片GA含量先升后降,峰值出現(xiàn)在A1處理。不同生育時(shí)期玉米根系GA含量對(duì)土壤砷濃度的響應(yīng)表現(xiàn)為A3A2A1CK,說(shuō)明在土壤高濃度砷脅迫下,根系GA含量顯著升高。三葉期,不同砷處理葉片ZR含量均高于CK;而拔節(jié)期和開(kāi)花期的葉片ZR含量先升后降,最大值出現(xiàn)在A1處理;而乳熟期則顯著低于CK。砷對(duì)玉米根系ZR含量的變化規(guī)律基本一致,不同砷處理的根系ZR含量先升后降,三葉期最大值出現(xiàn)在A1處理,其余3個(gè)時(shí)期峰值出現(xiàn)在A2處理。在不同濃度砷作用下,玉米植株通過(guò)提高體內(nèi)ABA濃度來(lái)增強(qiáng)對(duì)砷的抗性,這可能是玉米耐砷的機(jī)理之一。 5砷對(duì)玉米-小麥土壤酶的影響 5.1砷對(duì)玉米土壤酶的影響 砷抑制了土壤脲酶和過(guò)氧化物酶活性。在玉米拔節(jié)期和成熟期,土壤蔗糖酶活性隨砷濃度增加而增大,而開(kāi)花期玉米土壤蔗糖酶活性先升后降,最大值出現(xiàn)在A2處理。拔節(jié)期,土壤蛋白酶活性隨砷濃度增加而增大;而開(kāi)花期和成熟期,土壤蛋白酶活性先升后降,最大值分別出現(xiàn)在A2和A3處理。在玉米不同生育時(shí)期,土壤過(guò)氧化氫酶活性隨砷濃度先升后降,峰值出現(xiàn)在A2處理。土壤堿性磷酸酶活性隨砷濃度先升后降,變化規(guī)律與土壤酸性磷酸酶相一致,土壤中性磷酸酶對(duì)砷的耐性高于酸性磷酸酶。 5.2砷對(duì)小麥土壤酶的影響 砷抑制了土壤脲酶和過(guò)氧化物酶活性。在小麥拔節(jié)期,土壤蔗糖酶活性隨砷濃度增加而增大,而開(kāi)花期和成熟期小麥土壤蔗糖酶活性先升后降,最大值出現(xiàn)在A3處理。土壤蛋白酶活性隨砷濃度增加先升后降,低濃度砷作用下,提高了土壤磷酸酶活性,高濃度砷作用下嚴(yán)重抑制了土壤磷酸酶活性。 6磷、硫?qū)τ衩?小麥砷毒害的緩解效應(yīng) 增施磷可以減輕高濃度砷對(duì)玉米-小麥的毒害作用:植株生物量和籽粒產(chǎn)量提高,品質(zhì)改善,降低植株砷積累量,同時(shí)玉米-小麥碳氮代謝和抗氧化系統(tǒng)恢復(fù),葉片光合能力提高,提高了植株對(duì)砷的耐性。增施磷可以作為砷污染土壤有效修復(fù)技術(shù)之一。 增施硫?qū)ι槊{迫玉米、小麥具有相反作用效果:增施硫可以減輕高濃度砷對(duì)玉米的毒害作用,而加劇高濃度砷對(duì)小麥的毒害作用,這可能與小麥和玉米對(duì)硫的敏感程度有關(guān)。
【學(xué)位單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：S513;X173

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2816870