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芸薹属植物对砷胁迫的反应及其机理研究

宋俊英  
【摘要】: 砷是广泛存在于自然界的一种微量元素,有剧毒并且有致癌作用。进入环境系统的砷,通过植物积累进入动物和人的体内,给粮食安全生产、人们生活和健康带来了威胁。油菜是我国南方广泛种植的大田作物,在砷污染地区有不同程度的种植。本文在总结了国内外砷对植物生物有效性研究的基础上,通过水培和土壤培养试验相结合的方式,以不同耐性芸薹属植物品种为材料,应用生理生化研究法并结合砷的形态分析技术、根系分泌物收集,深入研究了不同耐性油菜品种对砷胁迫的反应和初步机理。主要研究结果如下: 1.应用水培试验对73个甘蓝型油菜品种和197个芥菜型油菜品种进行筛选。试验结果表明,砷排异型品种有J176、J296、J286、J110、J085、J245、J148、J200、J062、J039、J045、J208、J059、071、041、097,特点是地上部和地下部生物量均较对照增大,砷的冠根比很小,砷主要集中在根系;砷排异敏感型品种有J008、J010、J069、J022、J214、J282、001、025,具有生物量较对照小、砷主要集中在地下部的特点;砷低吸收型品种主要有J179、J135、J098、J237、007、075、091,其生物量较对照增加,但植株砷累积量较少。从这31个品种中选出有代表性的砷排异型品种和砷排异敏感型品种6个,分别为排异型品种J200、J062、071、041和排异敏感型品种J022、025用于进一步进行模拟砷污染土壤盆栽试验的机理研究。 2.在土壤盆栽条件下,研究了砷胁迫对不同耐性油菜生长及产量的影响。结果表明,砷排异型品种(J200、J062、071、041,其中前2个为芥菜型,后两个为甘蓝型)的生物量均出现砷处理高于空白处理的趋势;而排异敏感型品种(J022、025)的生物量及产量则呈现砷处理低于空白处理的趋势。砷排异型品种(J200、J062、071、041)的产量和荚果数均出现上升趋势,其中J200砷处理的产量较空白出现显著性增加,J062单株荚果数增加了47.2%,而砷排异敏感型品种(J022、025)的产量和荚果数均出现下降趋势;同时,砷处理下所有品种的千粒重均有所上升,其中品种J200较对照提高了30.6%。比较不同耐性品种的反应和砷累积情况,可知在土壤砷浓度约100mg/kg时,适合种植排异型油菜。 3.采用水培试验研究了不同耐砷性油菜根系对砷的吸收动力学和根系分泌物反应。试验结果表明,对三价砷来说,敏感型品种的Imax大、Cmin和Km小,而排异型品种的Imax小、Cmin和Km大,均达到显著性差异,敏感型品种表现出较排异型品种更强的三价砷吸附亲和力,而对五价砷的离子亲和力则差异不显著。油菜根系分泌的有机酸主要是草酸和苹果酸。砷胁迫下,排异型品种较敏感型品种分泌的有机酸增加趋势较明显,J062分泌的草酸和苹果酸较对照分别增加了44.5%和30.5%;071分泌的草酸和苹果酸较对照分别增加了45.0%和15.5%。 4.采用砷价态分离技术研究了不同耐砷性油菜体内砷含量和砷价态的变化。结果表明:进入植物体内的砷,主要存在于根系,转移到地上部分的砷含量很低。砷主要以无机三价态和五价态存在于油菜的根系和叶片中,且三价态的砷含量高于五价态砷的含量,其在叶片和根系中的含量分别达到70%和80%以上。敏感型品种(J022、025)中的As(V)显著高于排异型品种,受到的毒害性较大。 5.不同耐砷性油菜酶系统、非酶系统和光合系统对砷污染的反应。结果表明,砷胁迫下,两类不同耐性油菜品种通过酶系统(SOD和CAT)和非酶系统(AsA、GSH和MDA)的反应抵抗或降低砷对作物体本身的伤害。砷处理下,排异型油菜的酶系统和非酶系统均非常活跃,共同作用抵抗砷的毒害;而敏感型的自我调节功能较差,受害严重,025的SOD、MDA含量差异显著,分别出现51.7%的下降和43.61%的增加。 砷胁迫下6个品种的叶绿素含量都有所增加,其中薹期排异型品种的叶绿素a/b出现上升,而敏感型的叶绿素a/b出现下降。砷胁迫提高了排异型品种叶片的光合速率,促进其光合作用,敏感型品种则出现光合速率的下降。


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