多年生黑麦草对重金属镉的抗性机理研究

【摘要】：本文研究了多年生黑麦草(Lolium perenne)对镉的积累特性和Cd~(2+)对多年生黑麦草的毒性效应，在此基础上，证明了谷胱甘肽和植物络合素在多年生黑麦草中对Cd~(2+)的解毒作用，并通过外源GSH的调节达到了提高多年生黑麦草对Cd~(2+)抗性的目的，得到的主要结果如下。 1.5、10、20mg/LCd~(2+)处理多年生黑麦草18天，根中的镉浓度分别为4.65、4.71、6.21mg/gDW，地上部的镉浓度分别为0.34、0.43、0.62mg/gDW，镉转运系数分别为0.07、0.09、0.10，地上部镉的富集系数分别为67.68、43.15、31.22，地上部镉的分布比例分别为27.05%、32.24%、42.52%，地上部积累镉的总量分别为0.20、0.24、0.31mg/10株。随着Cd~(2+)处理浓度的升高，多年生黑麦草对镉的转运系数、镉在地上部的分布比例和地上部镉的富集总量显著升高，多年生黑麦草对镉表现出持续富集的能力。多年生黑麦草地上部的镉富集浓度超过了镉超富集植物要求的100mg/kg的标准，但转运系数小于1，因此，多年生黑麦草仍属于镉的高积累植物，而不是超富集植物。 2.对多年生黑麦草进行0（CK）、5、10、20mg/LCd~(2+)处理，多年生黑麦草的生长速率受Cd~(2+)的显著影响，处理后18天，5、10、20mg/LCd~(2+)处理分别较对照显著下降了33.94%、45.23%、53.89%。Cd~(2+)处理下，多年生黑麦草植株的含水量、地上部生物量、地下部生物量和根冠比均较对照显著降低。多年生黑麦草根系的各项生长参数均受Cd~(2+)的显著抑制。Cd~(2+)处理下，地上部的钾、镁浓度较对照显著降低。 3.5mg/LCd~(2+)处理多年生黑麦草6天，结果表明Cd~(2+)处理未导致光合色素含量的变化，气体交换参数和叶绿素荧光参数均受到显著的影响。Pn在处理后3和6天分别较0天显著下降了24.4%和23.4%，非气孔因素对Pn的降低起到了主要作用。实际光化学效率(ΦPSII)、相对电子传递效率(rETR)和光化学淬灭系数(qP)在处理后6d较0天显著下降，叶片PSII的光化学反应能力显著降低。非光化学淬灭系数(qN)和调节性能量耗散(Y(NPQ))在处理后6d显著升高，能量热耗散的加强起到了光保护的作用。 4.5mg/LCd~(2+)处理多年生黑麦草6天，叶片中的GSH浓度逐渐升高，根系中的谷胱甘肽浓度先升高后降低，植物络合素合成速度的加快导致了谷胱甘肽的过度消耗。随着Cd~(2+)处理时间的延长，多年生黑麦草根系和叶片中的植物络合素浓度逐渐升高，根系中植物络合素的浓度要大于叶片。Cd~(2+)处理下，多年生黑麦草根系中PC3的巯基占总巯基数量的比例最大，处理后6天占总巯基的83.35%，叶片中GSH的巯基比例最大，处理后6天占总巯基数量的46.08%。多年生黑麦草根、叶中总巯基(T-SH)的浓度随着处理时间的延长显著升高，根中总巯基的浓度与镉浓度极显著正相关。 5.对5mg/LCd~(2+)处理的多年生黑麦草施加外源GSH，结果表明外源GSH的调节可提高多年生黑麦草对Cd~(2+)的抗性。外源GSH促进了Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草的生长，处理后24天，Cd~(2+)+0.5mMG、 Cd~(2+)+1mMG处理下的地上部、地下部生物量和根冠比均较Cd~(2+)处理显著升高。外源GSH减轻了根系的氧化胁迫，处理后12天，Cd~(2+)+0.5mMG、Cd~(2+)+1mMG处理下根中的MDA含量较Cd~(2+)处理显著降低。外源GSH减轻了Cd~(2+)对Ca~(2+)吸收的抑制作用，提高了Cd~(2+)处理下多年生黑麦草的光合能力。 6.对5mg/LCd~(2+)处理的多年生黑麦草施加外源GSH抑制剂（BSO），结果表明，Cd~(2+)+BSO处理下多年生黑麦草叶绿素b、类胡萝卜素含量较Cd~(2+)处理显著降低，植物络合素对光合色素具有保护作用；根、叶中的MDA含量显著高于Cd~(2+)处理；叶中的SOD、POD、CAT、APX、MDHAR、GR、GPX活性和根中的POD、CAT活性均低于Cd~(2+)处理；在多年生黑麦草的叶片和根系中，Cd~(2+)BSO处理下的ASA的含量较Cd~(2+)处理降低，DHA的含量较Cd~(2+)处理升高；谷胱甘肽和植物络合素对Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草的抗氧化系统有保护作用，进而减轻了Cd~(2+)导致的氧化胁迫。处理后24天，BSO显著降低了Cd~(2+)处理下多年生黑麦草的Pn、Gs、和Tr，地上部的Mg浓度和根系中的K浓度亦较Cd~(2+)处理显著降低。Cd~(2+)+BSO处理下的多年生黑麦草地下部生物量和根冠比均较Cd~(2+)处理降低，处理后6、12、24天，地下部生物量分别较Cd~(2+)处理下降了3.65%、3.77%和17.86%，根冠比分别较Cd~(2+)处理下降了5.00%、5.56%和22.22%。Cd~(2+)+BSO处理下，多年生黑麦草根系、叶片中的Cd浓度均较Cd~(2+)处理降低，Cd转运系数较Cd~(2+)处理升高，GSH和PCs参与了多年生黑麦草对Cd~(2+)的吸收和转运。 综上，本研究评价了多年生黑麦草对Cd的富集能力，探明了Cd~(2+)对多年生黑麦草的毒性效应，建立了外施GSH提高Cd~(2+)抗性的方法，最终揭示了GSH代谢在多年生黑麦草抗Cd~(2+)机理中的作用。