高低鎘積累油菜品種篩選及其生化機制研究.pdf

1、自二十世紀以來，無論是我國還是全世界范圍內(nèi)，農(nóng)田土壤鎘污染問題越來越普遍。土壤鎘污染不僅嚴重威脅農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)，還可以通過食物鏈的富集作用對人體健康帶來潛在的危害。因此，保障鎘污染土壤的農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)及利用超積累植物修復(fù)鎘污染土壤都具有十分重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景。油菜作為我國重要的油料作物之一，具有悠久的栽培歷史和種植經(jīng)驗，在社會經(jīng)濟發(fā)展中占有十分重要的地位。本文擬利用我國豐富油菜種質(zhì)資源，篩選獲得鎘積累水平差異顯著的兩個油菜品種，分析品

2、種間根際土壤鎘生物有效性與鎘吸收、運輸、積累的差異以及抗氧化系統(tǒng)能力與鎘積累的關(guān)系，并評價各油菜品種對鎘污染土壤修復(fù)的潛能。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴高、低鎘積累油菜品種的篩選。采用營養(yǎng)液培養(yǎng)篩選結(jié)合盆栽土培復(fù)篩，分析了49個冬油菜品種地上部生物量和鎘含量。營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下，0.2 mg/L鎘處理時，49個油菜品種地上部單株干重范圍為2.56-7.15 g/株，平均為4.71 g/株，變異系數(shù)為28.1％;地上部干重鎘含量為7.

3、10-23.14 mg/kg，平均為14.31 mg/kg，變異系數(shù)為8.5％。0.5 mg/L鎘處理時，49個油菜品種地上部單株干重范圍為1.33-5.21 g/株，平均為3.36 g/株，變異系數(shù)為28.8％;地上部干重鎘含量為19.05-55.22 mg/kg，平均為31.10 mg/kg，變異系數(shù)為23.1％。盆栽條件下(0.64 mg/kg Cd)，49個油菜品種地上部單株干重范圍為3.17-7.85g/株，平均為5.32g/

4、株，變異系數(shù)為20.9％;地上部干重鎘含量為2.24-6.82 mg/kg，平均為4.04 mg/kg，變異系數(shù)為25.6％。由此說明，不同油菜品種地上部干重和鎘含量因基因型不同而存在顯著差異。以地上部單株干重及其鎘含量作為高、低鎘積累油菜篩選指標(biāo)，綜合考慮營養(yǎng)液培養(yǎng)和土壤培養(yǎng)試驗結(jié)果，經(jīng)聚類分析，確定6號品種即L351為高鎘積累品種、12號品種即L338為低鎘積累品種，其在0.2 mg/L鎘處理時地上部干重鎘含量分別為23.14 mg

5、/kg和7.10 mg/kg，其在0.5 mg/L鎘處理時干重鎘含量分別為44.62 mg/kg和19.05 mg/kg，其在盆栽0.64 mg/kg鎘處理時干重鎘含量分別為5.78 mg/kg和3.63 mg/kg。
　　⑵高、低鎘積累油菜品種鎘吸收、運輸及積累差異的分子機制。用營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗，分析高鎘積累品種L351和低鎘積累品種L338鎘吸收、運輸及積累差異的分子機制。0.03 mg/L鎘處理下，低鎘積累品種L338地上部和

6、根系干重鎘含量分別為4.29 mg/kg和32.52 mg/kg，高積累品種L351則分別為7.06mg/kg和15.98 mg/kg;0.30 mg/L鎘處理下，低鎘積累品種L338地上部和根系干重鎘含量分別為23.76 mg/kg和179.12 mg/kg，高積累品種L351則分別為49.80 mg/kg和128.83 mg/kg，即高鎘積累品種地上部能夠積累更多的鎘而根部較少。非損傷微測技術(shù)和根系鎘吸收動力學(xué)試驗表明，高鎘積累品種

7、L351根系鎘吸收能力較弱，因此根系鎘吸收能力并不是導(dǎo)致地上部鎘積累差異的關(guān)鍵過程。木質(zhì)部濃度及時間鎘運輸動力學(xué)分析表明，高、低鎘積累油菜品種地上部鎘含量與木質(zhì)液鎘濃度呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)性（R2分別為0.92和0.95），高鎘積累品種L351具有更強的木質(zhì)部鎘轉(zhuǎn)運能力。進一步分析說明，兩個品種根系鎘吸收基因IRT1和木質(zhì)部鎘運輸基因HMA2和HMA4基因表達水平與生理水平上結(jié)果的趨勢一致。因此，本研究表明油菜品種木質(zhì)部鎘運輸能力是決定地上

8、部鎘積累的關(guān)鍵過程。
　?、歉?、低鎘積累油菜品種抗氧化系統(tǒng)響應(yīng)鎘脅迫的差異與機制。采用營養(yǎng)液培養(yǎng)，分析高鎘積累品種L351和低鎘積累品種L338響應(yīng)鎘脅迫的差異及其與地上部鎘積累關(guān)系。高鎘積累品種L351鎘積累量高于品種L338，隨著鎘濃度升高而更加顯著，達到1.83倍。高鎘品種L351地上部有較高活性的抗氧化酶CAT、APX、GR、DHAR和較高含量的GSH、AsA，平均分別比低鎘積累品種L338高出50.77％、44.65％、

9、47.57％、14.11％、58.52％、20.54％，根部則表現(xiàn)為11.36％、18.81％、47.65％、16.67％、45.68、14.82％。低鎘積累品種L338根部抗氧化酶基因BnCAT、BnAPX、 BcGR、BoDHAR的表達水平受鎘脅迫而下降，表明在基因水平上根部比地上部更容易受到鎘脅迫抑制，但高鎘積累品種L351抗氧化酶基因表達受鎘脅迫影響不大。因此，本研究表明抗氧化酶系統(tǒng)及谷胱甘肽循環(huán)體系在油菜響應(yīng)鎘積累及鎘脅迫中發(fā)

10、揮重要的作用。
　?、雀?、低鎘積累油菜品種根際過程對土壤鎘有效性的影響。采用根箱土壤培養(yǎng)試驗，分析高鎘積累品種L351和低鎘積累品種L338不同生育期根際過程對土壤鎘有效性的影響。不同鎘濃度處理下，兩個油菜品種非根際土pH隨著生育期延長有下降趨勢但變化幅度不大，且兩品種間也無顯著差異。低鎘處理下(1.2 mg/kg)，低鎘積累品種L338根際土pH低于高鎘積累品種L351，其在苗期達到顯著水平;高鎘處理下(12 mg/kg)，則相

11、反，高鎘積累品種L351根際土pH在4個生育期均顯著低于低鎘積累品種L338。不管鎘水平高低，兩個油菜品種非根際和根際土壤有效鎘含量均隨著生育期延長而下降，高鎘積累品種L351根際土壤有效鎘含量均顯著高于低鎘積累品種L338。由此說明，低鎘處理下，低鎘積累品種L338根系因其較強的活化和吸收土壤鎘能力，導(dǎo)致其根際有效鎘含量低于品種L351;高鎘處理下，高鎘積累品種L351品種根際酸化作用明顯強于低鎘積累品種L338，土壤酸化可以提高土壤

12、鎘的生物有效性即土壤有效鎘含量，所以根際土壤酸化作用也是油菜品種活化土壤鎘而促進鎘積累的一種機制。
　?、筛摺⒌玩k積累油菜品種的擴大篩選及其在鎘污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用。采用營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗，分析165個油菜品種地上部干重和鎘含量，篩選出高鎘積累品種14個、低鎘積累品種8個;采用盆栽土壤試驗?zāi)M鎘污染土壤，比較22個高、低鎘積累油菜品種對鎘污染土壤的修復(fù)效率。營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下，0.3 mg/L鎘處理時，165個油菜品種地上部單株干重為0

13、.59-1.40g/株，平均為0.99 g/株，變異系數(shù)為17.0％，品種間干重差異顯著;165個油菜地上部干重鎘含量為19.57-57.51mg/kg，平均為37.99 mg/kg，變異系數(shù)為21.9％，品種間鎘含量差異顯著，且均超過國家規(guī)定鎘安全閾值;以地上部生物量和鎘含量為指標(biāo)，篩選出生物量較高且鎘含量差異顯著的油菜品種22個，其中高、低鎘積累品種分別有14、8個。盆栽條件下，1.2 mg/kg鎘處理時，22個油菜品種各組織器官干

14、重大小順序依次為莖稈＞籽粒＞角果殼＞根系，鎘含量高低則表現(xiàn)為莖稈＞根系＞角果殼＞籽粒。22個油菜品種籽粒鎘含量為0.09-1.06 mg/kg，以相似作物花生國家規(guī)定的鎘安全閥值0.5 mg/kg為標(biāo)準，22個油菜品種籽粒鎘含量超標(biāo)率達36.36％。除品種112外，營養(yǎng)液培養(yǎng)篩選的高、低鎘積累品種吸鎘能力與其對鎘污染土壤修復(fù)效率保持一致。22個油菜品種對鎘污染土壤修復(fù)效率為1.80-6.88％，平均為3.50％，其中品種102對鎘污染土