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磷肥抑制水稻镉吸收转运的作用机理研究

赵艳玲  
【摘要】:镉(Cd)是一种毒性高、生物活性高且分布范围广的重金属元素,Cd污染不仅影响作物生长发育,还通过食物链进入人体,增加人体健康风险。水稻是我国南方的主要粮食作物,具有较强的Cd累积能力。因此,研究成本低、效果好、见效快的降Cd农艺措施,对于提高Cd污染农田的安全利用效率和保障我国粮食安全生产具有重要意义。磷(P)是植物生长必需的大量元素之一,施用磷肥可以降低土壤中Cd的生物有效性,并调节Cd在水稻体内的转运过程。本研究通过水培试验、盆栽试验和田间试验,对磷酸盐阻控Cd从根际环境向水稻根系转运以及Cd从水稻营养器官向籽粒转运的作用机理进行了探索。主要结果如下:1.磷酸盐显著抑制水稻根系对Cd的吸收和向地上部的转运。在Cd胁迫环境中,水稻幼苗吸收的Cd主要分布在根系细胞壁和细胞液组分中,在含0.3 mg/L Cd~(2+)的营养液中添加1.0~10.0mmol/L的KH_2PO_4,高Cd积累品种T705和低Cd积累品种X24根系和地上部的Cd含量显著下降;添加5.0 mmol/L的KH_2PO_4使T705和X24的Cd转移因子分别下降61.46%和61.39%,地上部Cd含量分别下降60.6%和70.1%。2.在Cd胁迫环境中,磷酸盐有效促进水稻根系中半胱氨酸(Cys)和植物螯合肽(PCs)的合成。Cd胁迫使T705和X24根系中Cys和PCs的含量显著增加,添加5.0 mmol/L的KH_2PO_4进一步提高了水稻根系中的Cys和PCs含量,根系和地上部中的PCs含量与Cd含量负相关。在相同的Cd胁迫环境中,水稻根系中的PCs含量高于地上部分;耐Cd品种T705的PCs含量高于Cd敏感品种X24。在0.3mg/L的Cd胁迫下,T705和X24的PCs含量分别比对照增加了52.67和9.11倍。与单独Cd胁迫处理相比,0.3mg/L的Cd~(2+)与5 mmol/L的KH_2PO_4共同处理使T705的根系和地上部PCs含量分别增加了13.40%和32.03%,使X24的根系和地上部PCs含量分别增加了30.24%和33.87%。3.在Cd污染土壤中增施钙镁磷肥显著抑制水稻对Cd的吸收及其向稻米中的转运,并增加稻米中氨基酸含量。在Cd污染土壤中施用0.5~2.5 g/kg的钙镁磷肥,水稻根系、旗叶、穗轴和籽粒中的Cd浓度显著下降。增施钙镁磷肥,水稻生长期的土壤p H值增加,土壤氧化还原电位降低;成熟期水稻根系中硫含量下降,磷和铁的含量增加;穗轴和稻米中游离氨基酸含量增加。在施用2.5 g/kg钙镁磷肥后,稻米中必需氨基酸增加了17.8%,非必需氨基酸增加了71.7%。4.Cd污染农田中增施钙镁磷肥显著降低穗轴和稻米中的Cd含量。在Cd污染程度不同的三块稻田分别施用0.1、0.3、0.5 kg/m~2钙镁磷肥后,6个水稻品种穗轴和籽粒中的Cd含量均随钙镁磷肥用量的增加而下降;稻田Cd污染程度越高,钙镁磷肥的降Cd效果越明显。在高、中、低Cd污染农田中施用0.3 kg/m~2钙镁磷肥后,晚稻品种吉优的稻米Cd含量分别下降75.8%、54.2%和32.2%。在低Cd污染农田中施用0.5 kg/m~2钙镁磷肥,6个品种的稻米Cd含量均下降至0.20 mg/kg以下。5.钙镁磷肥的降Cd效果受施用量和水稻生长季节的影响。钙镁磷肥的施用量为0.1 kg/m~2时,降Cd效果不明显,只在少数年份和少数品种上有显著降Cd效果。但当施用量增加到0.3kg/m~2时,稻米中的Cd含量下降30%以上;早稻对钙镁磷肥的反映比较迟钝,降Cd幅度较小。晚稻籽粒中的Cd含量与磷含量呈明显的负相关,说明无论是通过增施磷肥还是通过提高磷向籽粒的转运,都能有效抑制稻米中Cd的积累。综上所述,提高根际环境中的磷酸盐浓度,能抑制根际中Cd的生物有效性,促进根系内植物螯合肽的合成,抑制根系对Cd的吸收和向地上部的转运;增加稻米中的磷含量不仅能直接抑制Cd在稻米中积累,同时还能提高氨基酸含量间接抑制Cd在稻米中的积累;增施钙镁磷肥是降低南方Cd污染农田稻米Cd污染风险的重要措施。


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