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《河南农业大学》 2014年
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砷胁迫下硫对土壤—水稻中砷迁移的影响及其机制研究

宋睿  
【摘要】:本文在溶液培养和大田盆栽试验条件下,研究了不同硫素形态及施用量水平对砷酸盐(A(sV))和二甲基砷酸盐(DMA)胁迫下土壤-水稻界面砷由土壤向根表的迁移形态及含量、水稻体内砷转运积累的形态及含量及转录组水平上硫调节砷代谢积累的籽粒差异表达基因进行了系统研究,初步明确了硫素在砷由土壤向籽粒迁移转运过程中作用的生理及分子机制,确定了硫素在控制水稻籽粒砷污染及毒性方面的重要作用,为砷污染土壤上通过施用硫肥等栽培措施降低水稻砷积累提供理论依据。 本研究的主要结果如下: 1.通过盆栽试验,对不同硫素处理中土壤到水稻根表砷的迁移和生物有效性的研究发现,硫肥对水稻根际土壤砷的影响大于非根际土壤,随着施硫水平的增加,砷酸盐处理的土壤中砷的生物有效性降低。不同硫形态及施用量在二甲基砷(DMA)污染土壤中砷的迁移和生物有效性方面存在差异,硫酸盐处理可以有效降低水稻根际内外水溶性砷和可利用态砷的含量;而硫磺处理中水稻根际内外水溶性砷变化较复杂,根附近可利用态砷的含量也相对较高,这可能是水稻根系特殊的氧化还原环境所致。 在硫酸盐与DMA处理中,水稻幼苗根系及地上部的砷含量相当,说明DMA由根系向地上部的转运能力较强;同时在添加低浓度DMA和施硫酸盐处理中,水稻根系和地上部砷含量明显低于低硫处理;而在高浓度DMA处理中,施硫处理的植株砷含量要高于低硫处理,因此,硫素可以在一定范围内降低水稻对DMA的吸收和转运。 2.在无人工添加砷的对照土壤上施用少量硫肥后,增加了水稻幼苗地上部的生物量,而地上部及根部砷含量也显著增加,同时提高了根系向地上部的砷转运能力,原因在于硫促进了水稻生长,也刺激了低砷介质条件下水稻对砷的积累。土壤人工添加10mg/kg砷酸盐后,成熟期水稻根系、茎秆、叶片及糙米中砷含量均高于无砷添加处理;稻壳中的砷含量随着硫肥施用量增加而下降,而糙米在2个硫肥处理间无显著差异。因此,合理的施用硫肥在砷污染土壤中可以限制砷向籽粒的转运。 3.低硫处理下,水稻叶片光合作用最大量子产量、最小荧光和电子传递速率降低,砷由根系向地上部的转运系数增加。高硫处理可提高快速光曲线的参数rETRmax和Ik值,增强叶片光合性能,合理施用硫肥在一定范围内可降低水稻幼苗砷由根系向地上部的转运,降低砷对PSI和PSII反应路径的破坏。 4.在生长于无人工添加砷土壤上的水稻籽粒中,检测到亚砷酸盐(As(III))、As(V)和DMA,而一甲基砷(MMA)未检出,其中无机砷比例在82.09%-87.89%之间;在硫砷处理下,人工添加砷酸盐污染后,糙米中DMA比例增加,水稻籽粒中总砷含量显著低于加砷而不施硫处理,这说明在砷污染土壤上施用硫肥一定程度上提高了籽粒中二甲基砷的积累,有效地降低了稻米中总砷的积累和毒性。在水稻籽粒发育后期,受砷胁迫和生长状况的影响,大多数基因表达量下调,但一些响应砷胁迫的磷酸盐转运子、水通道蛋白和柠檬酸转运子基因上调表达。硫砷处理的水稻籽粒中,4个ABC转运子基因(OsABCB6、OsABCG42_2、OsABCG5和OsABCI7_2)的表达量高于对照和砷处理,3个ABC转运子基因(OsABCA6、OsABCG12和OsABCG36)的表达量显著低于对照及砷处理。这些基因对水稻籽粒砷积累的调节作用值得下一步从功能方面深入研究。 总之,本研究结果表明生长介质中施用硫酸盐促进了水稻生长,在一定范围内限制了土壤中砷的移动和生物有效性,同时水稻体内砷的代谢及转运也受到硫素的调节。说明土壤施用硫酸盐可以作为一项控制水稻砷污染的有效手段。本文还通过数字表达谱测序技术对水稻籽粒硫同化及砷代谢过程进行了差异基因的筛选和分析,为以后进一步揭示植物中硫素同化和砷代谢之间的交互作用提供依据。
【学位授予单位】:河南农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:S511

【参考文献】
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