不同水分状态影响水稻扬花期镉积累的生理机制研究

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镉(Cd)是植物的非必需元素,也是农田土壤常见的污染物。水稻Cd积累到一定程度时,会导致稻米积累大量的Cd,稻米中的Cd通过食物链进入人体,对人体健康造成极大危害。因此在土壤Cd污染情况下,如何减少稻米中镉的积累成为亟待解决的问题之一。本研究通过盆栽试验和大田试验,研究不同水分状况对Cd胁迫下水稻的生长状况和产量、Cd的吸收与转运,光合作用等方面的影响,探讨不同水分状况处理对水稻Cd吸收转运的机制。ERECTA(er)是在植物蒸腾和光合作用之间起协调作用的基因,通过调控表皮和叶肉发育,改变气孔密度和叶片孔隙度影响蒸腾效率。盆栽试验选取日本晴、东粳、er(东粳为背景材料构建的er缺失突变体)、ER-OE(日本晴为背景材料构造的er过表达水稻)为材料。探究不同水分状况处理(淹水处理、淹水后干旱一天、淹水后干旱三天、淹水后干旱五天)对水稻扬花期镉积累转运的生理机制。在大田试验中,选取土壤Cd背景值为2.076 mg kg-1的地块,栽种水稻品种为天优华占。在水稻扬花期时进行淹水处理、间歇淹水处理、干旱处理探究对水稻镉积累转运的生理机制。主要结果如下:(1)水分状况对Cd污染条件下水稻生长状况的影响在不同水分状况处理下,盆栽和大田试验中水稻的生长状况均存在显著的差异。随着土壤水分含量的减少,水稻的生长状况显著变差(P<0.05)。随着土壤含水量的下降,水稻生物量下降,同时盆栽试验中稻米Ca、Cu、Mg、Mn、Fe、Zn的含量也呈下降趋势。另外,在农艺性状指标中也发现了相似的规律,即随着土壤水分含量的减少,株高、百粒重(千粒重)、粒长、单株穗重、亩产值下降。这表明在盆栽和大田试验的淹水处理下,水稻的生长状况最好,产量最高。在盆栽试验中ER-OE水稻的生长状况显著好于其背景材料日本晴,而er则低于东粳(P<0.05)。(2)水分状况对水稻Cd积累量的影响随着盆栽试验和大田试验中土壤水分含量增加,水稻各部位Cd积累量减少;在盆栽和大田的淹水处理下水稻Cd的积累量最低。在水稻不同部位Cd的积累量均表现为:根>茎>叶>稻米。在盆栽试验中发现,ER-OE水稻中Cd积累量明显低于日本晴,但er显著高于东粳(P<0.05)。(3)水分状况对水稻光合作用的影响在盆栽和大田试验中水分状况处理对Cd污染条件下的水稻光合作用均有显著的影响(P<0.05)。随着土壤水分含量的减少,水稻的净光合速率(Pn)呈下降的趋势,气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)呈上升趋势。蒸腾速率(Tr)与Pn呈相反趋势,即随土壤水分含量的减少而增加。表明在盆栽和大田试验的淹水处理下水稻的蒸腾作用最弱,且ER-OE的蒸腾作用显著弱于日本晴,er显著强于东粳(P<0.05)。(4)不同水分状况对水稻Cd转运的影响随着土壤含水量的下降,水稻Cd转运系数会逐渐升高。在盆栽和大田的淹水处理下,水稻各部位Cd的转运系数最低,且ER-OE水稻低于野生型,er显著高于东粳(P<0.05)。此外本研究还对盆栽试验中水稻木质部伤流液Cd含量进行了测定,试验显示在盆栽淹水处理下,木质部伤流液中Cd含量最低,ER-OE低于日本晴,er则显著高于东粳(P<0.05)。表明在淹水处理下,水稻地下部向地上部运输的能力最低,籽粒中Cd含量最低。综上所述,在盆栽试验和大田试验的淹水处理中,水稻因其蒸腾作用较弱而限制了Cd向地上部的转移,而导致稻米中Cd含量减少。在大田试验的淹水处理下稻米中的Cd含量降至0.4mg kg-1,相比干旱处理下降了77%,其Cd含量基本降至国际通用安全值,且水稻产量最高。这表明淹水处理可以在保证水稻产量的同时有效地降低稻米中Cd含量,为Cd污染地区的水稻安全生产提供参考。
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