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玉米对砷污染的生理生态响应

刘华琳  
【摘要】: 砷可通过水体-土壤-农作物进入食物链,这不仅影响作物生长发育,降低作物的产量和品质,还对人类健康构成巨大威胁。本文采用盆栽和室内砂培试验相结合的方法,研究了不同基因型玉米对砷污染的响应;探讨了砷作用对玉米产量、品质及生理生化的影响及解决途径。主要研究结果如下: 1.砷胁迫下玉米基因型差异 砷胁迫对不同基因型玉米生长发育影响显著,根长、株高、干物重降低,根条数增加。以生物量为指标,甜玉米和糯玉米不抗砷。不同基因型玉米对砷的吸收、积累能力差异显著,生物富集系数相差10.61倍,地下部砷的富集量相差16.35倍,转运系数相差21.13倍。以砷积累与转移为标准,筛选出SN2、KD8等饲用玉米对砷的抗性好于其它玉米品种。兼顾育种和环境治理多种因素,运用主成分分析,筛选出SN2、LX4等玉米品种相对抗砷。 2.砷对产量的影响 低浓度砷刺激玉米生长,籽粒产量增加;高浓度砷伤害玉米生长发育,产量降低。T2处理时,ZD958、JN218增产4.5%、3.2%;T4处理时,ZD958、JN218减产48.9%、39.1%。品种之间差异显著,JN218穗长、行粒数、穗粒数、千粒重的变动幅度均大于ZD958,即JN218对砷的敏感性大于ZD958。砷对产量构成因素的影响不同,对穗行数影响不大,对行粒数、穗长、千粒重影响较大。产量降低应是穗粒数减少和千粒重降低共同作用的结果。 3.砷对品质的影响 砷作用下,玉米籽粒蛋白质含量变化呈单峰曲线。T2处理,ZD958和JN218粗蛋白含量增加4.9%和2.5%;T4处理,ZD958、JN218粗蛋白含量下降22.3%和18%。随砷浓度增加,氨基酸总量变化呈单峰曲线。T2处理,ZD958和JZN218籽粒氨基酸总量最高,分别增加3.4%和4.7%;T4处理,籽粒氨基酸总量最低,两品种减少了21%。必需氨基酸与非必需氨基酸变化趋势一致,比例保持不变。其中Glu含量最高,除Cys、Met与砷浓度呈正相关外,其余氨基酸都负相关。 砷影响淀粉的形成。随砷浓度的增加,淀粉含量先增加后降低。T2处理,淀粉含量最高,ZD958与JZN218淀粉含量增加4.8%和2.8%;T4处理,淀粉含量最低,比对照减少8%和10.8%。高浓度砷作用下,大粒径淀粉粒体积明显减少,小粒径淀粉粒体积增加。T4处理,ZD958大于14.9μm的淀粉颗粒体积降低了35.6%,JN218大于16.4μm的淀粉颗粒体积降低了26.4%。糊化特性与砷浓度之间存在显著的相关性。T4处理,ZD958、JN218的糊化温度低于对照,ZD958的峰值黏度低于对照。 砷胁迫显著影响籽粒的糖代谢,总糖含量降低,Glc、Fru、Mal含量升高,Suc含量下降。ZD958总糖含量变化趋势是:T4>CK>T3,T4处理使总糖含量增加77.8%,T3处理使总糖减少7%。JN218的变化趋势是:T3>T4>CK,T3总糖含量增加38%,T4增加20%。 砷胁迫下,玉米籽粒中Mn、Fe、K、Ca、Mg、S元素含量变化呈单峰曲线;砷元素含量与Se、B元素含量正相关;As元素含量与P元素含量负相关。砷胁迫下,籽粒大部分矿质元素之间呈极显著正相关。 4.砷对生理特性的影响 砷对玉米种子萌发、幼苗生长发育影响显著。种子发芽率、根长、苗高与砷浓度负相关,根数正相关。低浓度砷刺激玉米幼苗生长发育。高浓度砷使根系丛生,发黑,伸长受阻,根重量下降;叶片卷曲、失绿发黄;严重时不能开花结实,甚至死亡。 砷在玉米体内的积累、迁移与砷浓度、生育时期和组织器官密切相关。不同生育时期,玉米对砷的吸收速率为:开花期>成熟期>拔节期。转运系数依次为:成熟期>开花期>拔节期,即玉米从地下部向地上部转运砷的能力随生育时期推进而加强。成熟期砷在玉米各组织器官的分布不均衡,依次为:根>茎>叶>鞘>籽粒>其它(穗轴、苞叶、雄穗等);玉米植株砷含量的空间分布为:地下部>下部>中部>上部。低浓度时,根茎结合部的砷浓度,与地中茎相近,与下部茎差异显著,说明根茎结合部具有拒砷能力。但范围有限,与砷浓度负相关,且存在品种间差异。砷在玉米体内可以发生形态转化,根、茎、叶、籽粒均有将无机砷转化为有机砷的能力,籽粒的转化效率最强,达60%以上,大大降低了砷毒害。砷胁迫对玉米的超微结构有影响。细胞核膜及线粒体膜系统解体,叶绿体基粒片层稀疏,出现大量的过氧化物体和黑色沉淀,玉米主要通过将砷分隔在液泡和细胞壁来减轻砷的毒害。砷胁迫使二维红外光谱图和荧光谱图发生显著变化。 5.硒对砷胁迫具有调控作用 硒有拮抗玉米砷毒害的作用,但有效量关系:即低浓度有拮抗砷的能力,表现为玉米幼苗主根长、株高、叶绿素含量等均增加,光合速率增加,最终产量增加、品质改善等,有效提高玉米中的蛋白质、脂肪、淀粉含量,并使淀粉颗粒变大,砷富集量明显降低。高浓度硒与砷发生协同作用,伤害玉米生长发育,使蛋白质、脂肪、淀粉含量明显降低。


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