水稻重金属积累的品种与环境效应及调控技术研究

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导师姓名
邬飞波
学科专业
作物学
文献出处
浙江大学   2014年
关键词
水稻论文  重金属论文  品种论文  环境效应论文  复合污染论文  回归分析论文  缓解措施论文  蛋白质组学论文
论文摘要

土壤重金属污染是全球性的环境与农产品安全生产问题。重金属被吸收后积累在作物的可食用部位,通过食物链富集威胁人类健康。水稻作为全世界最重要的粮食作物之一,也是人类摄取重金属的主要来源。培育重金属低积累水稻品种、调控植株重金属吸收与转运、控制与降低籽粒重金属积累,是实现重金属中/轻度污染农田粮食安全生产的有效途径。而筛选低积累水稻种质、明确重金属积累与耐性的机理是培育低重金属积累品种的基础。本研究在分析评估浙江省不同水稻产区土壤重金属污染现状的基础上,筛选水稻籽粒低重金属积累品种(系),构建预测籽粒重金属含量的回归模型;探讨降低水稻籽粒重金属含量的安全生产综合配套技术及其调控机理。同时,探讨了镉耐性和低积累相关的特异蛋白。主要研究结果如下:1.水稻籽粒重金属含量的品种和环境效应分析评估了种植于浙江省不同水稻产区的144份水稻新品种(系)的籽粒重金属含量的环境与品种间差异。结果表明,籽粒重金属含量存在显著的环境与品种间差异。分别有5.3%和0.4%籽粒样品铅和镉含量超过FAO/WHO规定的最大阈值,而铬和铜没有出现超标情况。不同类型水稻品种间,杂交稻籽粒镉含量显著高于常规稻。逐步多元线性回归分析表明,土壤pH值及有效态重金属含量显著影响籽粒重金属含量,应用回归模型得出水稻安全生产土壤有效态镉、铬和铅的最大允许值分别为0.200、0.372和22.093mg kg-1。筛选到可在中、轻度污染地区种植的籽粒重金属低积累水稻品种(系)秀水817、嘉优08-1和春优689。2.镉、铬、铅和铜复合污染对籽粒及不同生育期茎叶中重金属含量的影响以筛选到的籽粒重金属低积累(秀水817)和高积累(浙大821)品种为材料,盆栽试验研究了铅、镉、铬和铜复合污染对水稻产量、籽粒重金属含量及不同生育期茎叶重金属含量的影响及品种间差异。结果表明,高浓度铅和镉处理显著降低两品种产量,其中秀水817减产更严重;铜处理对两品种产量没有显著影响。土壤铅、镉、铬和铜含量显著影响籽粒重金属含量,但只有籽粒镉含量与镉处理水平呈显著正相关,且浙大821显著高于秀水817。收获期叶和茎中重金属含量与籽粒重金属含量具有相似的趋势,但根中除镉外,铬和铜含量也随处理水平的提高而增加。回归分析结果显示,除灌浆期叶片和苗期茎中铬含量外,籽粒镉和铬分别与不同生育期叶和茎中镉和铬含量呈显著正相关,建立了籽粒镉和铬含量与不同生育期叶、茎镉和铬含量的回归模型,并预测了安全稻米生产不同生育期叶和茎中镉和铬含量的临界值。3.水稻根系蛋白表达谱对镉毒害响应的品种间差异及外源硅的影响采用TMT (Tandem Mass Tags,液质串联质谱标记)标记的定量比较蛋白组学技术,探讨了5μM Cd胁迫对浙大821和秀水817水稻品种根系蛋白表达谱的影响及品种间差异,同时研究了硅缓解镉毒害的机理。结果表明,浙大821耐镉性显著强于秀水817。虽然秀水817根系镉含量显著高于浙大821,但地上部含量无显著差异。鉴定到与浙大821耐镉相关的蛋白21个,分别参与防御、转运、代谢和信号转导等过程,构成有关镉耐性的综合网络。镉处理后,在两品种中均上调表达的蛋白35个。鉴定到与金属转运相关的蛋白25个,包括液泡ATPase和H+-焦磷酸化酶、参与细胞壁合成的β-扩张蛋白前体和UDP-葡萄糖6-脱氢酶及F1F0-ATPase抑制蛋白,秀水817中这些蛋白的上调表达或只在浙大821中下调表达可能有助于根系镉向液泡转移,从而降低向籽粒的转运。4.谷胱甘肽(GSH)、硒和锌不同组合处理对水稻镉、铬复合毒害的缓解效应研究了单独或复合施用GSH、硒(Se)和锌(Zn)对水稻镉和铬复合毒害(HM)的缓解作用。与对照相比,HM显著降低水稻幼苗株高、叶绿素含量(SPAD)和生物量,抑制叶片CAT和APX及叶和根的H+-ATPase活性,提高叶片SOD和POD活性,增加MDA积累量。不同缓解剂处理对HM胁迫缓解效果以HM+GSH+Zn和HM+GSH最佳,两者显著缓解了HM引起的生长抑制和氧化胁迫。与单独HM处理相比,HM+GSH+Zn和HM+GSH显著降低铬的吸收和转移,但对镉含量没有显著影响;提高H+-ATPase活性及铁、锌和锰的吸收与转移,减少MDA积累。另外,外源GSH和GSH+Zn对HM引起的氧化胁迫也具有显著缓解效果,表现为与HM处理相比,抑制根/叶SOD和叶POD活性,提高叶APX和叶/根CAT活性。5.不同氮肥类型、GSH、硅、硒和锌对水稻籽粒重金属含量的影响以筛选到的籽粒重金属低与高积累品种为材料,试验于2011-2012年在嘉兴重金属污染稻田进行,研究以(NH4)2SO4为氮肥同时叶面喷施GSH、硅、硒和锌(简称AR)对籽粒重金属积累的影响。结果进一步佐证了我们之前的结果,秀水817和嘉优08-1为籽粒低镉积累品种。AR显著降低镉、铬、铜和铅在高积累和低积累品种籽粒中的积累,同时对产量无显著影响。2011年试验结果显示,与对照相比,AR处理显著降低叶镉、铬和铜以及茎杆镉和铜含量;2012年的结果与上年相一致,除茎杆中铜含量显著增加外,颖壳、叶片和茎杆中镉、铬和铜含量在AR处理后均显著下降。6.不同氮肥类型、GSH、硅、硒和锌处理对水稻籽粒蛋白表达谱及稻米品质的影响采用双向电泳(2-D)和MADLI-TOF质谱技术,比较研究了对照和AR处理对R8097(高镉积累品种)和秀水817(低积累品种)籽粒蛋白表达谱及籽粒品质和氨基酸含量的影响及品种间差异。与对照相比,氨基酸、直链淀粉和蛋白质含量在AR处理后增加或无显著差异。分析比较蛋白表达谱的品种间差异,鉴定到与重金属低积累相关蛋白点30个,根据功能主要分为贮藏蛋白、能量代谢、防御、解毒、信号转导和转录等。其中7个蛋白点,其在R8097表达表现为:对照条件下表达量高于秀水817,但在AR处理后表达下调或完全抑制CAR vs对照):另有2个蛋白点,对照条件下表达量低于秀水817,而AR处理后表达上调。另外21个蛋白点,AR处理后,两品种均上调(7个)或均下调(7个),及在秀水817中不变但在R8097中上调表达(7个)。

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致谢

摘要

ABSTRACT

目录

第1章 文献综述

1.1 重金属的毒害

1.2 土壤重金属污染现状与治理对策

1.2.1 土壤中重金属污染物来源与分布

1.2.2 土壤重金属污染治理

1.3 重金属转运与耐性分子机理的研究进展

1.3.1 螯合机制

1.3.2 氧化胁迫诱导机制

1.3.3 跨膜ATPase等转运机制

1.3.4 其它机制

1.4 本研究的目的意义

第2章 水稻籽粒重金属含量的品种和环境效应

2.1 材料与方法

2.1.1 样品采集

2.1.2 籽粒重金属含量测定

2.1.3 数据统计与分析

2.2 结果与分析

2.2.1 土壤pH值和有效态重金属含量

2.2.2 水稻籽粒重金属含量的品种及地区间差异

2.2.3 土壤pH值和有效态重金属含量对水稻籽粒重金属含量的影响

2.3 讨论

第3章 镉、铬、铅和铜复合污染对籽粒及不同生育期茎叶重金属含量的影响

3.1 材料与方法

3.1.1 试验土壤准备

3.1.2 植物材料和取样分析

3.2 结果和讨论

3.2.1 产量及其构成因子

3.2.2 不同器官镉、铬和铜含量

3.2.3 籽粒镉、铬含量与不同生育期茎和叶镉、铬含量的相关性

第4章 水稻根系蛋白表达谱对镉毒害响应的品种间差异及外源硅的影响

4.1 材料与方法

4.1.1 供试材料与试验处理

4.1.2 蛋白质提取

4.1.3 SDS-PAGE电泳检测

4.1.4 蛋白质的酶解

4.1.5 多肽的TMT标记

4.1.6 TMT标记多肽的反相色谱分离

4.1.7 基于QE的液质联用分析

4.1.8 生物信息学分析

4.2 结果与分析

4.2.1 不同处理对水稻幼苗生长及镉含量的影响

4.2.2 不同处理对水稻根蛋白表达的影响

4.2.3 镉耐性相关蛋白

4.2.4 籽粒镉低积累相关蛋白

4.2.5 硅缓解镉毒害相关蛋白

4.3 讨论

第5章 谷胱甘肽、硒和锌不同组合处理对水稻镉、铬复合毒害的缓解效应

5.1 材料与方法

5.1.1 供试材料与试验处理

5.1.2 SPAD、株高、根长、鲜重、干重及重金属含量测定

5.1.3 H~+-ATPase、抗氧化酶活性和MDA含量测定

5.1.4 统计分析

5.2 结果与分析

5.2.1 GSH、硒和锌对复合重金属(HM)胁迫下水稻生长的影响

5.2.2 GSH、硒和锌对HM胁迫下水稻镉和铬含量的影响

5.2.3 GSH、硒和锌对HM胁迫下MDA积累的影响

5.2.4 GSH、硒和锌对HM胁迫下H~+-ATPase活性的影响

5.2.5 GSH、硒和锌对HM胁迫下水稻抗氧化酶活性的影响

5.2.6 GSH、硒和锌对HM胁迫下水稻微量元素吸收和积累的影响

5.3 讨论

第6章 不同氮肥类型、GSH、硅、硒和锌处理对水稻籽粒重金属的影响

6.1 材料与方法

6.2 结果与分析

6.2.1 AR处理对水稻籽粒产量及其构成因子的影响

6.2.2 AR处理对水稻籽粒重金属含量的影响

6.3 讨论

第7章 不同氮肥类型、GSH、硅、硒和锌处理对水稻籽粒蛋白表达谱及稻米品质的影响

7.1 材料与方法

7.1.1 水稻材料与试验设计

7.1.2 籽粒氨基酸含量测定

7.1.3 稻米品质测定

7.1.4 蛋白提取与纯化

7.1.5 双向凝胶电泳分析

7.1.6 质谱分析

7.2 结果与分析

7.2.1 AR处理对水稻籽粒氨基酸含量及品质相关性状的影响

7.2.2 AR处理对水稻籽粒蛋白组分的影响及蛋白质鉴定

7.3 讨论

第8章 全文总结与展望

一、全文总结

二、研宄展望

参考文献

缩略词表

表目录

图目录

个人简历

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