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《中国科学技术大学》 2019年
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镉在水稻亚种间的吸收转运和积累差异及其低积累突变种质的创建

陈慧茹  
【摘要】:水稻(Oryza sativa L.)是最重要的粮食作物之一,全球近一半的人口将稻米作为主食,但它同时也是重金属镉(Cd)的主要暴露源。中国水稻镉污染区主要分布在长江三角洲、华南和东北部分地区,其中,南方稻区种植籼稻为主,长三角和东北稻区种植粳稻为主。本论文研究籼粳亚种在不同生育阶段和不同Cd胁迫浓度下对重金属Cd的吸收、转运和积累的差异,并通过重离子辐照创建Cd低积累的水稻突变遗传种质,对发掘利用重金属Cd低积累的遗传资源、提出降低籽粒Cd积累的农艺措施具有重要作用。主要结论如下:一.水稻亚种间重金属镉的吸收、转运和积累差异。1.籼、粳水稻植株地上部对Cd的吸收总量差异显著,在Cd轻度、中度和重度污染的土壤中,籼稻吸收的Cd总量分别是粳稻的3.65,2.78和2.67倍。籼稻对Cd的吸收特征主要表现在生殖生长期的高吸收速率。在Cd轻度、中度和重度污染的土壤中,抽穗期至成熟期受试籼稻品种的地上部分Cd平均吸收速率分别为0.142 μgd~(-1)、0.231μg d~(-1)和0.257μg d~(-1);受试粳稻品种的地上部分Cd平均吸收速率分别为0.023μg d~(-1)、0.051μg d~(-1)和0.066μg d~(-1),籼稻相较粳稻平均吸收速率高6.17、4.52和3.89倍。2.对籼、粳水稻中Cd的转运研究发现,籼稻在营养生长期和生殖生长期吸收积累的Cd对籽粒Cd含量的贡献率分别为33.8%和66.2%,而粳稻对籽粒Cd含量的贡献率分别为44.9%和55.1%。通径分析显示,籼稻中的Cd主要由根系吸收并通过茎向籽粒转运,粳稻则是由叶片(鞘)和根系转运为主。3.籼、粳水稻中Cd的积累差异研究发现,随着土壤Cd含量增加,籼、粳水稻茎、叶和籽粒Cd含量均不同程度的升高,在相同浓度的Cd条件下,粳稻品种茎、叶和籽粒的Cd含量低于籼稻品种。在轻度,中度,重度和严重Cd污染胁迫下,粳稻的糙米Cd平均含量分别为0.105 mg kg~(-1),0.132 mg kg~(-1),0.226 mg kg~(-1)和0.484 mg kg~(-1),而籼稻品种的糙米Cd平均含量分别为0.194 mg kg~(-1),0.475 mg kg~(-1),0.936 mg kg~(-1)和0.938 mg kg~(-1),受试籼稻品种的籽粒Cd含量分别为粳稻品种的 1.84,3.59,4.14 和 1.94 倍。4.研究水稻籽粒中的Cd含量与非结构性碳水化合物(NSC)含量的关系,结果表明籼、粳水稻籽粒中Cd积累与茎鞘内NSC含量呈显著负相关(P0.05),相关系数分别达到-0.823和-0.746,提示Cd从茎鞘到籽粒的转运可能伴随着养分的转运。二.重离子辐照低镉水稻突变种质的创建。1.~(12)C~(6+)离子束辐照中籼9311,M_2籽粒中Cd积累的变异率为3.97%(P0.05),并获得一个籽粒低镉积累突变体(T2-1)。与野生型9311相比,T2-1突变体籽粒中Cd降低幅度为28.6%,同时Pb和Cu在籽粒中的积累分别降低24.0%和27.4%,差异均达到显著水平(P0.05)。2.分析T2-1和野生型9311中水稻Cd吸收和转运相关关键基因的表达水平,发现负责Cd根系吸收的OsNramp5表达水平没有明显差异。T2-1植株根系中OsHMA3表达水平显著上调,导致更多的Cd被隔离在根细胞液泡中,对T2-1根和地上部的Cd吸收动力学研究表明,大部分Cd在T2-1根中被滞留,导致Cd从根到地上部的转运减少。另外参与Cd从叶片向籽粒中转运的OsLCT1表达水平显著下调,OsHMA2的表达水平略有增加。3.在多个Cd污染田块种植结果显示,T2-1突变体在土壤低Cd污染水平下籽粒中的Cd含量低于国家对于谷物中Cd的限值标准(0.2 mg kg~(-1)),重度Cd污染水平下T2-1籽粒的Cd含量相较9311降低14.6%-62.2%,差异达到显著水平(P0.05)。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:S511;X503.231

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