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叶面阻隔剂对水稻镉吸收及转运的影响机制

刘家豪  
【摘要】:尽管近些年国内外在污染土壤修复技术方面取得了迅速而实质性的进展,但如何降低从植物中摄入Cd对人慢性中毒的风险仍然是大面积污染的耕地土壤修复面临的巨大挑战。叶面喷施技术应用于农业增产已经有上百年的历史,叶面喷施可以有效调控植物营养状况,但将该技术应用于阻隔农产品中重金属的含量是近些年的新应用。尽管叶面喷施易受天气因素制约,不适用于高污染区,但因成本低、环境友好、无二次污染、高效增产,有大面积应用于中轻度重金属污染稻田的潜力。矿质元素在能量储存、植物结构、作为酶的辅助因子和电子转移反应中都起着重要作用。在重金属污染的土壤中,叶面喷施矿质元素可能会通过提高水稻抗氧化系统的能力来降低Cd向可食部位的转运,有关叶面喷施调控农作物可食部位重金属积累的研究多偏重于效果研究,而叶面阻隔剂对重金属胁迫下植物细胞水平、代谢水平、生长发育的机理研究较少。因此,本研究在探索叶面阻隔剂的有效成分、喷施浓度、喷施时间、喷施方法的基础上,筛选高效的叶面阻隔剂,再结合光合-荧光系统、傅里叶红外光谱技术、透射电镜技术等技术,从抗氧化作用、区隔作用、螯合作用角度揭示解毒机制,为叶面阻隔技术的优化和应用提供科学依据。本研究取得的主要研究结果如下:1、采用盆栽试验,研究比较了叶面喷施不同阻隔剂和不同浓度处理对Cd胁迫下水稻Cd含量、生长性状、光合系统、脂质过氧化、抗氧化酶、抗氧化剂的影响。实验结果表明:水稻Cd的吸收及转运涉及复杂的生化过程。与常见的阳离子型矿质元素叶面阻隔剂(Si、Se、Mg)相比,首次提出的阴离子型矿质元素叶面阻隔剂(S、P)对水稻生长性状的提高,与常见的叶面阻隔剂相比无显著差异;但对抑制Cd在水稻体内的吸收及转运效果更好。2、选取中国南方典型中轻度Cd污染稻田,进行两年四季的田间试验,研究了田间应用效果与实验室内试验结果的可比性,筛选出适合中轻度Cd污染稻田修复的技术:叶面阻隔剂(S、P)、喷施浓度(0.5 g/L,约为120 g/hm~2)、喷施时间(分蘖期),水稻产量最高增加31%,水稻籽粒Cd含量最高降低69%。叶面喷施S、P降低了Cd胁迫下的丙二醛含量,增加了抗氧化酶活性,减轻了Cd对水稻的氧化胁迫。叶面喷施S、P能够提高水稻根伸长、穗长、千粒重、株高、产量,促进养分运输与吸收,显著提高了水稻产量。叶面喷施S和P可通过增加植物叶片非蛋白巯基、谷胱甘肽以及抗坏血酸-谷胱甘肽循环关键酶的活性,来清除自由基,提高水稻的抗胁迫能力以降低Cd向可食部位的转运。经过2年的修复,Cd的输入输出平衡计算得出Cd的净量减少,表明叶面喷施技术可以减少Cd的积累和生态风险。3、根据盆栽试验、田间试验的结果,筛选出叶面喷施S、P是降低水稻籽粒中Cd浓度、提高籽粒产量的有效方法。进而设计水培试验探究机制。叶面喷施S、P通过降低ROS的积累,改变GSH代谢等机制来防止脂质过氧化,从而保持植株的正常生长;叶面喷施S、P能够增加水稻叶片的捕光能力和电子传递速率,提升实际光化学效率,也可在一定程度上减缓光合系统结构和功能受到的损伤,同时提高光合作用碳同化的效率,提高水稻产量。傅立叶变换红外光谱的结果表明,叶面喷施刺激了木质素、脂质、脂肪酸、多糖、羧酸盐和蛋白质的合成。如透射电子显微镜显微照片所示,诱导的化合物提供许多潜在的配体以将Cd螯合到细胞器中,主要在液泡和细胞壁,从而降低细胞中的Cd迁移。这项研究的观察将有助于理解叶面喷施机制,叶面施用S、P在Cd胁迫水稻中积极参与生化过程的特定光合作用和蛋白质合成的调节,通过在结构上增强植物细胞并有效调节蛋白质表达,减轻水稻Cd胁迫。4、Cd污染稻田已成为影响全球耕地土壤环境安全的重要问题,叶面喷施矿质元素可以提高水稻对Cd的抗性,减少其对Cd的累积,保证农产品质量安全、维护土壤生态功能、防范环境和人体健康风险。


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