硫营养对环境胁迫下作物一些生理特性的影响

【摘要】： 随着经济建设的迅速发展,保护环境及污染治理已引起全社会的高度重视。由于重金属的排放对农业生产及人类食品安全可产生严重的影响,所以针对重金属元素的污染治理已成为广泛关注的社会问题。在农业生产过程中,铜和锌既是植物生长发育所必需的微量元素,同时过量的铜和锌也将对作物产生严重的危害,并由此引发一系列食品安全问题。人们在重金属污染与作物生长的关系方面已开展了广泛深入的研究,为铜、锌污染的防治奠定了重要的理论基础。然而,针对土壤重金属污染的治理和土壤修复依然是当今重要的研究方向。如何减少污染土壤中重金属对作物的影响,特别是结合区域环境条件下的土壤污染修复,已成为目前农业环境保护领域的研究热点。 气候干旱及水资源短缺是限制西北地区农业生产的重要因素之一。加之工业污染物向地表水体的不合理排放,导致农业灌溉水污染及农田中重金属污染物的蓄积,加剧了农业生产的风险。因此,探讨解决干旱地区污染治理的途径,充分利用有限的土地资源,是当务之急的课题。提高作物自身的抗逆性是降低环境胁迫对作物危害的重要途径之。硫素作为作物所必需的营养元素,在作物的生长代谢过程中起着许多重要的作用。已有的研究显示,硫素能促进作物体内含硫化合物的代谢,对植物体内光合色素的合成、酶活性及蛋白质的合成与代谢具有重要意义。硫营养可以调控一些通道蛋白的功能,对诸如水分和无机营养离子的跨膜转运同样具有重要的作用。在重金属胁迫下,植物体内的有机硫化合物对抵御环境污染物也具有显著的功效。因此,研究硫素对作物在逆境环境下的生理指标的影响,对揭示植物营养的生理学机理具有重要的理论意义,同时对指导旱地农田合理的水肥调控具有重要的应用价值。 本研究以玉米、小麦为材料,通过水培和盆栽试验,探讨了干旱胁迫与重金属胁迫条件下硫营养对作物叶绿素含量、叶绿素荧光动力学参数、植物组织的过氧化物伤害及作物生物量等生理指标的影响。研究取得以下主要结果: 1.与对照植株相比,增加硫营养供应对提高叶片中叶绿素含量具有非常重要的作用。在水培试验中,随着营养液中硫浓度的增加,玉米功能叶片中叶绿素(SPAD值)有明显的提高。硫营养不仅在干旱胁迫条件下具有显著增强作物抗旱性的能力,而且对重金属Zn胁迫时具有抵御污染物伤害的能力。Zn浓度在250 mg/L及水分胁迫强度为-0.3MPa时,无硫(S0)和1/2硫水平(S1/2)下叶绿素含量变化接近,都表现为随着胁迫时间增加SPAD值有明显降低,而正常供硫(S1)与高硫浓度(S2)处理随着胁迫时间增加叶绿素含量变化缓慢,可显著抑制叶绿素含量下降。由植株生物量变化看出,随着培养液硫浓度增加,在CK、重金属Zn处理及干旱处理中地上部生物量均表现出逐渐增大的趋势。在S0及S1/2时,不同处理地上部生物量之间变化显著,表现为:CK Zn处理干旱处理 Zn+干旱处理,而在S1和S2时,CK、Zn处理及干旱处理之间的差异减小,而对Zn+干旱处理依然表现出远远低于其他处理的现象,表明尽管硫营养在适度的重金属Zn及干旱胁迫时具有一定的调控作用,但对严重的环境胁迫(Zn+干旱处理)已失去调节能力。在S0及S1/2时,不同处理之间根系生物量变化亦表现为:CK Zn处理干旱处理 Zn+干旱处理,2种硫浓度之间没有显著差异;而在S1和S2处理时,CK的根系生物量略有降低,表明硫营养供应有可能提高植物根系的养分吸收,使得营养更多的用于地上部分的生长;而对重金属Zn、干旱胁迫及Zn+干旱胁迫处理,硫营养则具有促进根系生长的作用,表现为根系重量有显著增加,以抵御环境胁迫对植物的伤害。 2.由小麦盆栽试验看出,在模拟三级农田重金属污染(400 mg/kg Cu及500 mg/kg Zn)时,供硫处理的小麦叶片SPAD值显著高于不施硫的处理。在自然渐进干旱过程中,都将导致SPAD值降低,但供硫处理的SPAD值明显较不施硫处理下降缓慢,表明硫营养在干旱胁迫条件下具有显著的增强作物抗旱性的能力,以及在重金属Cu,Zn胁迫时具有抵御污染物伤害的能力。在Cu污染环境下,增加硫素供应可显著增加根系的生物量,同时也显著增加了小麦地上部分的生长,表明了硫营养在抵御重金属Cu胁迫中具有非常重要的作用。另外,Zn对小麦根系生长的影响不明显,在水分及硫水平不同时,其根系生物量变化不大。但是,对施硫肥处理却能够明显地增加小麦地上部分的生长。同样也表现出硫营养的作用。 3.硫营养可降低小麦组织中的MDA含量。在水培试验中,Cu胁迫可使小麦叶片中MDA含量显著增加,4种硫处理的增加速率大体相同,但不同硫处理中MDA初始浓度有差异,S0和S1/2处理的含量明显高于S1及S2处理。在水分胁迫过程中,S1及S2处理的变化不大,而S0和S1/2处理的MDA含量则持续增大,表明硫营养对水分胁迫的抵御作用十分明显。在复水过程中,4种硫处理的MDA含量均迅速降低,48h后基本恢复到铜胁迫前的初始水平,表明环境胁迫解除后作物具有较好的恢复能力。环境胁迫对根系MDA含量的影响与茎叶部分有所不同,胁迫初始时4种硫处理的MDA含量相差不大,Cu胁迫可导致3种低浓度硫处理的MDA迅速增大,S2处理的增加则比较缓慢,增加幅度仅为其他处理的50%左右,说明高浓度硫对根系具有明显的保护作用。在接着的水分胁迫过程中,MDA含量几乎没有增加,说明本试验的水分胁迫对根系的影响较小。在复水过程中,4种硫处理的MDA含量均迅速降低,24h后基本恢复到铜胁迫前的初始水平,表明环境胁迫解除后作物具有较好的恢复能力。由小麦盆栽试验看出,干旱的影响是十分显著的,而在模拟“三级农田”的Cu与Zn污染条件下对MDA含量的影响有限,干旱导致的MDA增加量明显大于重金属污染引起的MDA上升量。说明在土壤中重金属的危害已得到一定程度的缓解,而干旱则成为主要的环境胁迫因素。 4.环境胁迫下硫营养对作物的叶绿素荧光参数也有显著的影响。总体上看出,从Cu胁迫72h到水分胁迫72h的过程中,4种硫浓度处理的Fv/Fm都表现出下降趋势。在Cu胁迫72h过程中,S0和S1/2处理降低较为迅速,而S1和S2处理的变化比较缓慢,表明硫营养对于Cu胁迫下调节荧光参数Fv/Fm具有一定积极的作用。在接着的72h水分胁迫中,Fv/Fm下降有加速的趋势,表明干旱对Fv/Fm的变化有显著的影响。复水可使Fv/Fm得到一定的恢复。在Cu胁迫过程中,S0、S1/2和S1处理的ETR降低迅速,而S2处理的变化比较缓慢。水分胁迫中,S1和S2处理的变化比S0和S1/2处理显著减小,表明高硫营养对于干旱胁迫下调节荧光参数ETR具有一定的保护作用。复水可使ETR得到一定的恢复,并且S1和S2处理的恢复作用明显大于S0和S1/2处理。在Cu胁迫下4种硫浓度处理的qP变化并不显著,而不同硫水平之间则存在较大的差异,S2和S1处理的qP值显著比S0和S1/2处理高。水分胁迫可导致qP的显著降低。水分胁迫使得qP变小,证明从PSⅡ氧化侧向PSⅡ反应中心的电子流动受到抑制。S0和S1/2处理降低非常迅速,而S1和S2处理的变化比较缓慢,说明干旱对qP的影响明显大于Cu胁迫。复水处理后,4种硫浓度处理的qP均有明显的增加,S2和S1处理可恢复到干旱前的水平,而S0和S1/2处理的恢复能力则较低,表明硫素对干旱后恢复能力有着重要的作用。Cu胁迫可使小麦幼苗叶片的qN P值有所增加,但不同硫处理之间的初始值有较大区别,S1和S2处理显著大于S0和S1/2处理。干旱胁迫时,S1和S2处理qN P值均明显升高,而S0和S1/2处理的增加缓慢。qN P变化说明,无硫与缺硫(S0,S1/2)处理小麦受到胁迫时,植物缓解环境对光合作用的影响以及过剩光能对PSⅡ反应中心损伤的能力较弱。硫营养的增加,使小麦叶片PSⅡ反应中心的开放程度高,电子传递与热耗散能力均较强,从而有效地避免了过剩光能对光合机构的损伤。

【关键词】：硫营养 环境胁迫 作物 生理学参数
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：S311
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