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不同耐砷性蔬菜基因型的筛选及对砷胁迫的响应研究

安堃达  
【摘要】:砷是忆知的危害最严重的农田污染物之一。土壤中过量的砷不仅危害植物生长,而且能在植物中累积并通过食物链进入人体,威胁人类健康。蔬菜是人们日常生活中必不可少的食物,因对其食用量大,较低水平的污染就可以造成极大的危害,其安全问题对人们的健康非常重要。因此筛选在砷污染地区适合种植的蔬菜品种,研究不同耐砷性蔬菜对砷胁迫的响应和机理,对提高农产品安全,减少砷污染对人体健康的威胁具有十分重要的意义。本研究通过土培和溶液培养试验,选用黄瓜(Cucumis sativus L.)、辣椒(Capsicum annuum L.)、豇豆(Vigna unguiculata L.)和番茄(Cyphomandra betacea L.)等生活中常见的瓜果类蔬菜的多种基因型,研究不同蔬菜对砷胁迫的响应并筛选出不同耐砷性的品种,进而探讨其耐性差异的机理和磷对砷胁迫的影响。本研究主要结果如下: 1、应用土培全生育期试验研究不同蔬菜品种对砷胁迫的响应,结果表明,不同蔬菜品种对砷胁迫的响应及对砷的吸收累积存在差异。研究的14个黄瓜品种中黄2(本地王黄瓜)、黄4(hzmc09-5)和黄14(hzmc09-9),3个辣椒品种中椒1(特大牛角椒)和椒3(早杂二号)及番茄(特大红宝石)属于砷耐型品种,在50mg/kg砷处理下生物量和产量显著增加,分别为对照的1.15-2.85倍和1.06-2.51倍。黄瓜中的黄3(新选津研四号)、黄8(hzmc0801)、黄9(hzmc0803)和黄15(hzmc09-14),辣椒中的椒2(华椒十七号)及豇豆(精选901青豇豆)属于砷敏感型品种,其生物量和产量显著受到砷胁迫的抑制,仅为对照的51%-91%和27%-57%。黄瓜基因型黄5(hzmc09-8)、黄6(hzmc09-10)和黄7(hzmc09-11)及辣椒基因型椒1的果实中砷含量超过安全限量(0.05mg/kg FW),不能食用。综合砷累积迁移和食品安全状况,本研究中选用的黄14、椒3和番茄适宜在砷轻微污染农田中推广生产,黄8、椒2和豇豆可以作为砷污染的指示植物。 2、采用溶液培养试验,研究不同耐砷性基因型蔬菜砷价态转化、吸收动力学及根系分泌物变化。结果表明植物体内砷主要以无机三价态(66.79%-98.32%)存在,砷从五价态向三价态的转化是植物抵抗砷毒害的机制之一。叶片中五价砷比例(13.78%-33.21%)显著高于根部(1.68%-25.17%),更容易受到砷毒害。砷耐型品种体内As(Ⅴ)向As(Ⅲ)转化程度更高,能有效缓解砷毒害。 砷耐型品种的根系比砷敏感型品种表现出更强的拒吸收砷的能力。在As(Ⅲ)砷源处理下,敏感型品种Km和Cmmi值显著低于砷耐型,具有更强的As(Ⅲ)亲和力;对As(V)砷源则相反,砷耐型具有更强的As(V)亲和力。 不同蔬菜根系分泌的有机酸种类和数量不同,砷胁迫下砷耐型品种较敏感型根中分泌的有机酸增加趋势显著。黄瓜根系主要分泌苹果酸、琥珀酸和乙酸,砷胁迫下砷耐型黄瓜分泌物分别为对照的1.20-1.97倍、1.46-2.36倍和1.21-1.44倍,而敏感型黄瓜分别为1.02-1.48倍、1.10-1.89倍和1.07-1.15倍。辣椒中耐砷型椒3分泌的乙酸和苹果酸分别为对照的1.48倍和1.05倍,而敏感型椒2仅分泌乙酸。豇豆分泌的苹果酸、琥珀酸和乙酸分别达到对照的1.53倍、1.38倍和1.26倍,而番茄分泌的苹果酸和乙酸分别为对照的2.89倍和2.90倍。 3、采用溶液培养试验,研究磷对不同耐性黄瓜基因型砷胁迫的影响。研究表明磷对1mg/L砷胁迫有缓解作用,但增强砷的迁移率(地上部累积量/根部累积量),对果实安全性造成潜在威胁。砷抑制黄瓜对磷的吸收、累积和迁移,磷累积量仅为对照的45%-68%,迁移率由对照的4.33-5.02降低为2.65-3.26,且As(Ⅲ)源对磷迁移的阻碍作用强于As(V)源。磷抑制砷的吸收和累积,但促进砷向上迁移,迁移率由缺磷处理的0.05-0.09增加至0.12-0.19。砷耐型黄瓜砷价态比例不受砷价态处理和磷的影响,而敏感型可以通过磷使As(Ⅲ)比例增加来缓解砷毒害。同时,抗氧化系统通过增加酶活性和非酶物质含量来降低胁迫所产生的过氧化危害。在砷单一胁迫下,由于CAT和GSH的作用,植物细胞未受到过氧化损伤。但在缺磷加砷双重胁迫下,通过SOD、CAT和GSH作用仍无法完全抵抗胁迫,导致过氧化破坏。


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