水稻耐鎘的基因型差異及外源GSH緩解鎘毒的機(jī)理研究.pdf

1、農(nóng)田遭受鎘(cadmium;Cd)污染,不僅對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育造成傷害,導(dǎo)致產(chǎn)量下降,更有可能造成作物產(chǎn)品中鎘積累過(guò)多,導(dǎo)致糧食衛(wèi)生品質(zhì)的下降。本研究利用水培試驗(yàn),系統(tǒng)地研究了鎘抑制水稻生長(zhǎng)及Cd耐性和吸收積累的基因型差異的生理機(jī)理,并探索了以谷胱甘肽(GSH)為主的外源物對(duì)水稻鎘毒害的緩解效果及作用機(jī)理。
　　 主要研究結(jié)果如下:
　　 1、不同濃度外源谷胱甘肽和植物激素對(duì)水稻鎘毒害的緩解效應(yīng)
　　 以水稻品種秀水

2、63為材料,水培試驗(yàn),比較研究了外源GSH、吲哚-3-乙酸(IAA)、6-芐氨基嘌呤(6-BA)和赤霉素(GA3)對(duì)鎘脅迫下對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明,5μM Cd顯著降低株高和地上部干重和鮮重。與5μM Cd對(duì)照相比,不同濃度GSH顯著提高水稻幼苗的株高和地上部干重,其中尤以50μM GSH處理對(duì)地上部鮮重的恢復(fù)作用最明顯。低濃度IAA顯著提高了地下部鮮重。而各個(gè)濃度的6-BA和GA3均沒有顯著的緩解鎘對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的抑制。5μM C

3、d脅迫添加不同濃度GSH和IAA處理試驗(yàn)結(jié)果表明,與對(duì)照5μM Cd相比,不同濃度的GSH(除50μ外)和0.1μM與101μM IAA可以顯著提高葉綠素含量(SPAD值)。各濃度GSH和10IAA均可顯著降低地上部與地下部鎘濃度。綜合比較分析結(jié)果表明,對(duì)鎘毒害緩解效果以50μM和200μM GSH最好,其次是10 uM IAA。
　　 2、鎘對(duì)水稻超微結(jié)構(gòu)與抗氧化系統(tǒng)影響的基因型差異及外源GSH和IAA的緩解效應(yīng)
　　

4、 水培試驗(yàn),研究了外源GSH和TAA對(duì)鎘脅迫下2個(gè)耐鎘性不同水稻基因型(秀水63,鎘敏感基因型;丙97252,耐鎘基因型)生長(zhǎng)、超微結(jié)構(gòu)、抗氧化系統(tǒng)活性的影響。結(jié)果表明:5μM Cd脅迫顯著影響葉肉與根尖細(xì)胞結(jié)構(gòu),使細(xì)胞基質(zhì)變稀,葉綠體片層結(jié)構(gòu)松散,液泡變多變大,根系電子富集顆粒(EDG)增加,其中敏感基因型受到更嚴(yán)重的抑制。鎘脅迫提高地上部超氧化物歧化酶(SOD)(主要是Mn-SOD)和谷胱甘肽S轉(zhuǎn)移酶(GST)活性、GSH含量、和鎘

5、處理10 d以前過(guò)氧化物酶(POD)活性;但降低抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)活性、地下部POD、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性,地上部抗壞血酸(AsA)含量和AsA/DHA比值。但是鎘處理后丙97252的地上部CAT活性上升,而秀水63則下降;而膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)的積累則是秀水63增加的多。說(shuō)明了丙97252有較強(qiáng)耐性的可能機(jī)制是將鎘儲(chǔ)存在液泡以及更高的CAT活性。鎘脅迫條件下添加GSH,鎘中毒現(xiàn)象得到明顯緩解:生長(zhǎng)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)恢復(fù)

6、、減少M(fèi)DA積累,并且丙97252恢復(fù)相對(duì)更好。GSH顯著提高了耐鎘基因型根系POD、CAT、APX活性、地上部AsA含量及AsA/DHA比值,顯著降低兩基因型根系GST活性、地上部GSH含量以及15 d時(shí)Cu/Zn-SOD活性。鎘脅迫條件下添加IAA,鎘中毒現(xiàn)象也得到一定程度緩解:顯著提高根系干重、細(xì)胞結(jié)構(gòu)恢復(fù)、減少地上部MDA積累、減少植株中鎘積累。IAA提高鎘脅迫后根系A(chǔ)sA含量,降低GSH含量、GST活性和地上部POD活性。比較

7、GSH和IAA的緩解效果,GSH要更顯著。鎘脅迫條件下同時(shí)添加GSH與IAA,也可以明顯緩解鎘中毒癥狀,對(duì)生長(zhǎng)的影響與單一用GSH緩解相近。其對(duì)SOD活性的影響也更接近于單一用GSH來(lái)緩解。不同的是,在SOD同工酶中,Cu/Zn-SOD活性更低。并且復(fù)合處理后的GSH含量、GST活性、地上部AsA和AsA/DHA值,均低于單一用GSH或者IAA緩解。這些說(shuō)明外源GSH和IAA可能都有參與螯合作用,GSH還與抗氧化系統(tǒng)活性的恢復(fù)有關(guān)系,而

8、IAA對(duì)抗氧化系統(tǒng)可能不起作用。
　　 3、外源GSH影響鎘脅迫水稻苗生長(zhǎng)及元素吸收積累的基因型差異
　　 外源GSH對(duì)不同濃度鎘(5和50μM)脅迫下水稻礦質(zhì)元素濃度和積累量的基因型差異。結(jié)果表明,50μM Cd處理后水稻生長(zhǎng)相比5μM Cd受到更嚴(yán)重抑制,對(duì)秀水63的影響尤為嚴(yán)重。鎘脅迫顯著減少根系與地上部的Mn和地上部的Zn的濃度和積累量,降低根系與地上部的Cu濃度。地上部Zn濃度與地上部/根系鎘濃度之間,以及根系

9、中Cd和Mn濃度之間均存在顯著的負(fù)相關(guān)。外源GSH顯著降低根系和地上部中鎘濃度。同時(shí),在5 M Cd處理中,GSH提高了丙97252中Ca和Mn的濃度以及秀水63根系中Ca和Zn的濃度;而在50μM Cd處理中,GSH增加了Zn的轉(zhuǎn)運(yùn)。啟示外源GSH的效果具有基因型和鎘處理濃度的差異。
　　 4、GSH對(duì)鎘脅迫水稻光合作用和植物螯合肽分泌的影響基因型差異
　　 外源GSH對(duì)鎘脅迫下光合特性和植物螯合肽(PCs)的影響及基

10、因型差異。結(jié)果表明,鎘(5和50μM)脅迫顯著降低葉綠素含量、凈光合速率和生物學(xué)產(chǎn)量,其中秀水63受到抑制尤為嚴(yán)重。鎘降低PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和有效PSⅡ量子產(chǎn)量(Y(Ⅱ)),增加能量規(guī)則損耗量子產(chǎn)量(Y(NPQ)),鎘敏感基因型受影響也更明顯。鎘誘導(dǎo)根系產(chǎn)生PCs,增加GSH和半胱氨酸(Cys)的含量。其中,丙97252在5 d時(shí)誘導(dǎo)的PCs和GSH含量均高于秀水63。GSH顯著增加葉綠素含量,Pn,Fv/Fm和Y(Ⅱ)

11、,降低Y(NPQ)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)。除50μM Cd處理5 d外,添加GSH顯著提高兩基因型根系中GSH水平;GSH還上調(diào)5μM Cd處理下丙97252的PCs水平和秀水63在5 d時(shí)的水平。因此,GSH對(duì)鎘毒害的緩解效應(yīng)與葉綠素含量的提高、光合系統(tǒng)的恢復(fù)和根系GSH水平有關(guān)。
　　 5、水稻蛋白質(zhì)組對(duì)低濃度鎘毒害響應(yīng)的基因型差異及外源谷胱甘肽的影響
　　 研究了50μM GSH對(duì)鎘脅迫下水稻蛋白質(zhì)譜表達(dá)的影響

12、及基因型差異。結(jié)果表明,秀水63的生長(zhǎng)受到更明顯的抑制。鑒定到基因型差異表達(dá)的27個(gè)蛋白點(diǎn),質(zhì)譜分析鑒定出21個(gè)差異蛋白點(diǎn)。在根系中,參與抗氧化系統(tǒng)、碳水化合物循環(huán)、膜保護(hù)、蛋白質(zhì)合成、DNA表達(dá)和防御的蛋白;和在葉中參與光合系統(tǒng)、ROS信號(hào)、能量和蛋白降解的蛋白應(yīng)該與鎘耐性有關(guān)。而在添加GSH后,在根系中參與抗氧化系統(tǒng)、碳水化合物循環(huán)、膜保護(hù)、蛋白質(zhì)合成、DNA表達(dá)和防御的蛋白:和葉片中參與卡爾文循環(huán)、蛋白和核酸代謝、熱激反應(yīng)的蛋白,