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《浙江大学》 2010年
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富锌水稻锌营养生理特性的研究

吴春勇  
【摘要】:锌是生物体必需的重要微量营养元素,缺锌引起的营养失衡问题是目前世界上面临的主要营养健康问题之一。作为世界上1/2人口的主要粮食作物,水稻籽粒中锌含量的轻微增加即可有效改善人体锌素营养状况。近年来通过遗传育种或转基因方法来提高水稻籽粒锌含量的生物强化途径被认为是解决人类缺锌问题的最经济有效的方法。然而水稻锌营养生理特性和籽粒锌富集的生理机制还远未清楚,这也在一定程度上限制了富锌品种的选育。本研究以国际水稻所的富锌水稻为材料,采用溶液培养方法,运用稳定性同位素示踪技术,系统研究了富锌水稻对锌的吸收运输和再利用特征以及影响其籽粒锌积累的因素,取得的主要研究结果如下: 1.20世纪80年代发展起来的电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)具有快速进行同位素比值测定的能力。但如何准确有效的测定生物样品中富集同位素的比例与含量是成功利用稳定性同位素示踪技术的关键。通过对仪器各参数优化,干扰识别和解决方法,仪器稳定性等方面的研究,建立了利用Agilent 7500a型ICP-MS测定标准溶液中锌同位素比值和68Zn示踪剂量的技术体系,为进一步研究68Zn在生物体内的迁移转化与代谢机制提供技术支持。 2.应用稳定性同位素示踪的方法,研究比较了籽粒锌富集(IR68144)与非富集(IR64)两种基因型水稻对锌的吸收、运输和籽粒锌积累的特征。试验结果表明:在各种锌处理下,两种水稻木质部伤流液中锌的浓度土均始终高于外界溶液中,甚至高达20倍之多,可见水稻从外界吸收锌是一种逆浓度梯度的运输过程。两者相比,籽粒锌富集型水稻(IR68144)在溶液供应68Zn后,短期内(两天)吸收速率迅速增高,锌向地上部的转运量也更大,但是长期(八天)处理下二者吸收差异并不显著。籽粒锌富集型水稻(IR68144)木质部伤流液中的锌浓度始终高于非富集型(IR64),尤其是在足锌(2μM)和过量锌(8μM)处理下,IR68144表现出更高的锌转运比率。两种基因型水稻中68Zn在苗期最新叶和成熟期发育籽粒中的积累趋势并无显著差异,68Zn在IR68144的新叶和籽粒中的浓度始终高于IR64。这些结果表明,根系吸收的锌能否向地上部快速转运能力和木质部的装载能力可能是籽粒锌富集的重要影响因素,而根系吸收能力并无明显影响。 3.通过稳定性同位素示踪方法,运用营养液培养对富锌水稻苗期和抽穗后的韧皮部锌运输特征以及剑叶涂抹锌处理对籽粒锌含量影响的特征进行研究。结果表明富锌水稻IR68144在分蘖期停止供应锌的情况下,锌从衰老组织(茎杆和老叶)向新生组织(分蘖和新出叶)转运量显著高于对照品种IR64。IR68144完全展开叶中有71%的68Zn转运到新出叶和分蘖中,而IR64中这一比例仅为63%。缺锌处理21 d后,IR68144再转运的68Zn高达植株68Zn总量的41.3%,是IR64的1.2倍。虽然IR64根系中68Zn的浓度高于IR68144,而且在缺锌条件下能从根系转运更多的68Zn到地上部,但是转运上去的68Zn有很大一部分储存在茎杆中,未能向新生组织(新出叶和分蘖)转运。生殖生长时期,外界停止供锌的21d内,两种水稻籽粒68Zn的积累量均显著增加,但富集型IR68144中68Zn的增加量显著高于IR64,达1.3倍。对比两种水稻中68Zn在不同部位中的分配比例,在抽穗期外界停止供锌的情况下,IR68144发育籽粒中积累的68Zn主要来自于茎杆中储存68Zn的再转运,而IR64则来自于茎杆和根系两者,这与苗期实验的结果相类似。此外,剑叶涂抹的68Zn能通过叶片的韧皮部进入籽粒,其糙米中总锌浓度较对照可显著提高10%,并且剑叶吸收的68Zn有很大比例直接转运入籽粒。从剑叶向籽粒中转运的68Zn量,不论其处理时期(孕穗期或开花期),富集型IR68144都是对照IR64的两倍。这些结果表明,锌从“源”向“库”的再转运能力和籽粒锌富集密切相关,特别是生殖生长时期锌从茎杆向籽粒的韧皮部再转运过程。 4.通过稳定性同位素示踪方法,运用营养液培养对两种基因型水稻不同时期供应68Zn稳定性同位素,研究根系对68Zn的吸收及其在植物体内的分配情况,旨在探明水稻植株不同部位积累锌的来源问题。结果表明,两种基因型水稻成熟期锌在不同部位中的分布差异很大,富集型水稻IR68144糙米、茎杆和叶片中锌的浓度显著高于对照品种IR64,分别达到1.35、2.05和1.43倍;而IR64根系锌的浓度约为IR68144的两倍。两种基因型水稻不同时期根系吸收的68Zn主要分布于茎杆(32-62%)中,其次是糙米(10-33%)、叶片(10-27%)和根(2-19%),很少一部分积累在谷壳中(少于2%)。将水稻整个生育期分成4个时期,通过公式计算可知,开花期以前吸收的锌再转运入籽粒的量在富集型水稻IR68144中为63%,而对照品种IR64中为52%。两种基因型水稻时期Ⅱ和时期Ⅲ吸收的锌只有一小部分沉积在根系和茎杆中(约20%),大量的锌被转运到籽粒(糙米和谷壳)中。因此,时期Ⅱ和时期Ⅲ是水稻锌利用效率最高的时期。同时,土培实验表明,三种土壤叶面锌肥的施用均增加了水稻地上部的锌含量,且随着锌肥施用量的增加,锌在各部位中的含量随之增加。但是锌在茎杆和叶片中含量的增加量要显著高于糙米和谷壳,尤其是在1%ZnSO4处理下。糙米中铁、铜、锰等微量元素含量及品质指标随叶面喷锌浓度和土壤类型的不同而变化。总体而言,锰的含量受土壤种植条件和叶面喷施锌肥浓度的影响不大,而铜的含量则因土壤类型而异,呈现出小粉土青紫泥黄红壤的现象,且随着叶面喷施锌肥浓度的增加而增加;两种基因型水稻蛋白质含量差异不显著,且不受叶面喷施锌肥浓度的影响,但黄红壤要相对优于其他两种土壤。土壤类型对水稻直链淀粉含量的影响很大,小粉土青紫泥黄红壤。这些结果表明,籽粒灌浆期积累的锌主要来自于植物体内锌素通过韧皮部运输的再利用,而不是外界吸收的锌通过木质部的直接运输,叶面喷施锌肥能显著提高籽粒中的锌含量,但提高的幅度不及营养器官而且受土壤类型影响。 5.采用营养液培养试验,主要研究了三种不同锌源(硫酸锌、乙酸锌和蛋氨酸锌)和不同锌水平对两种基因型水稻组织水平上锌分布特征的影响。锌富集型水稻IR68144和对照IR64全株吸收锌的总量均随着供锌水平的提高而增加,但增加幅度在不同部位中差异很大。高锌(4μM)处理下,大部分锌储存在水稻茎杆和叶片中,其锌浓度较CK条件下(1oμM)增加了2-5倍,而籽粒中锌浓度的增加幅度则较为有限(30%-90%),而且锌在籽粒中的分配比率随着供锌浓度的增加而降低。乙酸锌和蛋氨酸锌处理能提高水稻对锌的吸收,特别是在低锌处理下,籽粒锌含量显著高于硫酸锌处理。糙米中锰的浓度对供锌水平变化不显著,而铁、铜的浓度则是在CK下最高,高锌处理则会使之下降,但三种锌源之间差异不显著。同时,碾磨实验表明,两种基因型水稻籽粒干物质损失量和锌浓度与精米时间符合指数方程,呈现出很高的相关性。当籽粒外层损失10%的干物质(相当于去掉了糊粉层)时,籽粒锌的总量损失了近30%左右,而Ca、P元素含量损失更多,说明它们很大一部分是分布在籽粒表面的糊粉层和胚中。两种基因型水稻籽粒的直链淀粉和总蛋白质含量随精米时间的增加变化很小,而17种氨基酸中除异亮氨酸(Ile)、组氨酸(His)和蛋氨酸(Met)外含量均随着碾磨时间的增加而减少,在60 s以后基本保持稳定。鉴于籽粒营养以及干物质损失率综合考虑,对于该两个品种,精米时间60 s是最适宜的。上述结果表明增加外界锌的浓度能增加作物对锌的吸收,进而提高籽粒锌的含量,但是过高浓度却导致锌在茎杆和叶片等营养器官中的沉积,使得锌利用率降低。此外,由于锌、钙和多种氨基酸主要分布于籽粒外层(糊粉层和胚)中,通过农艺措施提高籽粒锌含量的同时还需要考虑精米加工过程中的损失。
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