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《华中农业大学》 2010年
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镉胁迫下黑麦草对二氧化碳升高的生理生化响应研究

贾炎  
【摘要】: 土壤重金属污染是全球面临的重大环境问题之一,对生态系统和人类健康构成了严重的威胁。另外一个方面,大气CO2浓度升高可能是目前人类所面临的最为严重的环境问题,大气CO2浓度的升高在很多的方面影响到植物的生长和发育,影响到植物的生理生化响应。一些研究揭示了植物在一般的环境中对大气CO2浓度升高的反应,但是很少有实验去研究在这种大气CO2浓度升高对重金属污染条件下植物吸收重金属的影响、植物受重金属毒害的影响、以及植物对重金属的抗性的影响。植物在这种大气CO2浓度升高条件下生理生化受到影响,其富集重金属的能力是否加强?受到的重金属胁迫是否加强?对于食品和生态安全是否造成更大的威胁?论文采用开顶式气室装置(OTC)和室内气候室装置研究CO2浓度升高对Cd污染环境中生长的一年生黑麦草(Lolium mutiforum Lam)和多年生黑麦草(Lolium perenne L.)对Cd的吸收、受到Cd毒害情况、以及其抗性系统表现的影响。在盆栽土培实验和水培实验的基础上,对L. mutiforum和L. perenne的分蘖数,生物量、根冠比、根系发育等生长指标,植物光合作用、叶绿素等生理指标,对Cd的吸收、转运情况,以及超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)、植物络合素(PCs)等抗性指标进行研究,系统的揭示大气CO2浓度升高条件下,两种黑麦草对Cd的生理生化反应。主要得出以下结论: 1.大气CO2浓度升高显著的提高了L. mutiforum和L. perenne的分蘖数,地上部和地下部的生物量,降低了根冠比,并且这种CO2浓度升高促进生物量的提高幅度在Cd处理时要高于Cd空白实验。水培实验中,1000μL/L CO2提高L. mutiforum中总生物量达67%-81%,L. perenne中提高了62%-68%。土培实验中,C02浓度升高(810μL/L)促进Cd空白处理L. mutiforum和L. perenne总生物量的增长为:29.3%-54.2%和34.0%-44.6%。比较而言,CO2升高促进L. perenne的分蘖数的提高较L. mutiforum更多,而L. mutiforum的提高不显著。 2.无论在正常CO2浓度还是CO2浓度升高条件下,随着Cd浓度的提高,L. mutiforum和L. perenne的根系体积、根长、总表面积以及根尖数显著降低。两种黑麦草相比较,L. perenne比L. mutiforum对Cd更敏感。在各Cd浓度条件下,C02浓度升高提高了L. perenne比L. mutiforum的这些指标的值,并且这种提高的幅度在Cd胁迫的条件下要高于Cd空白的处理。在植物的根系平均根径来看,大气CO2浓度升高引起Cd胁迫条件下L. mutiforum的平均根径有所提高,但是L. perenne有所降低。另外,无论在正常的CO2浓度还是升高的CO2浓度下,Cd胁迫降低了L. mutiforum和L. perenne的细根的百分比。在4,16 mg/kg Cd处理时,CO2浓度升高提高了细根的比例,但在Cd空白时未有所提高。 3.Cd胁迫影响了C02正常和升高条件下的L. mutiforum和L. perenne的光合作用。其净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)随着土壤Cd处理浓度的增加而显著降低,但是蒸腾速率(E)和WUE的降低未达到显著水平,胞间C02浓度(Ci)的变化不明显。在大气CO2浓度升高的条件下,两种黑麦草的Pn、Ci和WUE显著提高,Gs和E显著低于正常CO2浓度条件下的的值。Cd降低了叶绿素a、叶绿素b和胡萝卜素的含量,但是大气CO2浓度升高在100 mg/kg Cd处理中显著的提高了叶绿素a和叶绿素b的含量。在Cd的胁迫下,叶绿素a/b的值呈下降趋势,大气C02浓度升高并未显著影响叶绿素a/b的比值。4.L. mutiforum和L. perenne的地上部和地下部的S的含量随着Cd的处理浓度的升高而升高。但在大气CO2升高的条件下,硫的含量有所降低。镉胁迫条件下,植物的含C量基本出现下降的趋势,含N量显著提高,碳氮比降低。在大气二氧化碳浓度升高的条件下,植物体内的C的含量提高,同时N的含量有所稀释降低,C/N比提高。5.随着添加的Cd的含量的增加,植物体内的Cd的含量不断的提高。水培中L. mutiforum和L. perenne的根系中Cd浓度最高分别达到3469和4460 mg/kg,地上部最高分别达到417和466 mg/kg。但是在大气CO2浓度条件下,根系和地上部的Cd的含量都有所降低,其中在25 mg/kg镉处理的条件下,L.mutiforum和L. perenne的地上部镉的含量分别降低了10.3%和3.8%,地下部分别降低18.6%和14.7%;在100 mg/kg镉处理的条件下,一年生和多年生的黑麦草的地上部镉的含量分别降低了8.4%和8.9%,地下部分别降低12.5%和13.9%。但是Cd的转运系数(Ti)有所提高。Cd的含量虽有降低,但是植物Cd吸收总量提高了42.2%-73.4%。 6.Cd的胁迫条件下,L. mutiforum和L. perenne的叶片中的MDA的含量显著升高;但是CO2升高条件下,MDA的含量低于正常CO2浓度处理,显示C02的升高下,植物受到的氧化胁迫有所降低。究其原因,(1)Cd胁迫条件下,CO2浓度的升高提高了L. mutiforum和L. perenne的SOD的活性,提高了GSH的含量;(2)Cd胁迫条件下,L. mutiforum和L. perenne产生大量的PCs用于解毒,与植物Cd含量线性相关,在叶片中的理论计算络合比可以大于100%(除了80和160μM Cd处理),根系中理论络合比低于100%。在CO2浓度升高条件下,PCs:Cd比例基本未受影响,根系中有提高的现象,同时大分子量的PCs的比例提高;(3)100 mg/kg Cd的胁迫条件下,叶绿素的含量在CO2浓度升高条件下也有所提高。 7.建立了高效液相一荧光检测器联用的测定巯基化合物的方法。此方法相比以前的方法最大的优点在于其缩短了检测的时间,在19min完成包括Cys、GSH、PC2-6的分离检测;另外在标准曲线的线性上,准确度、精确度、检测限以及回收率上都有所突破。 通过对上述结果的总结,大气CO2浓度的升高可以提高L. mutiforum和L. perenne对Cd抗逆性,降低Cd的含量,但总的Cd吸收量增加。这意味着,未来大气CO2升高条件下,其受到的Cd的胁迫可能降低,更利于其在Cd胁迫环境的生存,另外一方面,也为利用CO2施肥技术来提高植物修复效率提供了一些理论上的支持。
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