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水稻镉积累和耐性机理及其品种间差异研究

曾翔  
【摘要】: 镉对人类和动植物具有强烈毒害作用,是目前危害最严重的农田重金属污染。水稻对镉的积累和耐性具有明显的品种间差异,筛选水稻糙米镉含量低的品种,能有效解决镉污染稻田水稻安全生产问题。本研究通过种子发芽试验、土培盆栽试验、水培试验,系统研究了水稻镉积累分配规律及其耐性机理,并探讨了水稻品种间差异的生理机理。 1.镉对水稻种子萌发的影响 研究了319个水稻品种10mg/L Cd~(2+)处理对种子萌发的影响。结果表明:1)Cd~(2+)对种子发芽率影响较小,对根系生长的影响显著大于对芽生长的影响;2)水稻种子萌发对镉的响应品种间差异较大,敏感顺序为粳稻>籼稻>杂交稻;3)两系不育系根系长度和根系数量受镉的抑制程度显著高于三系不育系(F_(根长)=11.29,P<0.05;F_(根数)=7.42,P<0.05);4)应用快速聚类,将参试品种划分为3个不同类型:耐受型、中间型和敏感型。 2.水稻糙米镉含量的基因型差异 盆栽土培法研究了大面积推广应用的7个类型共47个水稻品种糙米含量的差异。结果表明,土壤镉浓度在2mg·kg~(-1)时,水稻品种糙米镉含量为0.428~2.558mg·kg~(-1)。水稻品种间糙米镉含量差异显著,依次为,特种稻>常规早籼>三系晚杂>两系晚杂>常规晚籼>常规粳稻>爪哇稻。对130个水稻品种资源糙米镉含量的分析表明:1)水稻品种糙米镉含量存在类型差异,籼稻显著大于粳稻;粘稻大于糯稻;早稻大于中稻,晚稻糙米镉含量最小;南亚地区的水稻糙米镉含量最高,中国水稻品种次之,韩国、日本的水稻品种最低。2)糙米镉含量与糙米蛋白质含量显著正相关,与糙米钙含量显著负相关;苗期根系镉含量、成熟根系镉含量和植株平均镉含量与糙米镉含量显著正相关。3)以最大根系长度胁迫指数和糙米镉含量为个指标,用快速聚类法,将水稻品种划分为4个不同类型:耐受低镉型、耐受高镉型、敏感低镉型、敏感高镉型。 3.水稻对镉的积累分配及其基因型差异 研究了130个水稻品种镉的积累分配规律。结果表明:镉在水稻分配表现为根>茎叶>籽粒;糙米低镉品种的镉积累量显著小于糙米高镉品种,三系不育系大于两系不育系。水稻镉积累量与产量及产量性状的多元回归分析表明,水稻镉积累与有效穗数和千粒重显著相关,与产量正相关,但不显著;与根系生物量和根系镉含量显著正相关。 4.水稻镉的亚细胞分布以及品种间差异 用营养液培养,研究了敏感高镉品种和耐受低镉品种镉的亚细胞分布。结果表明,1)水稻细胞镉积累量与处理浓度正相关,且根系大于叶片。细胞壁镉最高。2)耐受低镉品种根系、叶片细胞镉含量显著小于敏感高镉型品种。细胞壁、叶绿体或者质体、线粒体、细胞核镉含量耐受低镉型品种小于敏感高镉品种;细胞内可溶物镉含量耐受低镉品种略大于敏感高镉品种。3)低镉培养细胞锌、铁含量差异较小,高镉培养则锌、铁离子含量上升。耐受低镉品种细胞锌、铁含量低于敏感高镉品种。 5.水稻对镉胁迫的生理响应及其品种间差异 利用水培试验,研究敏感高镉品种和耐受低镉品种对镉胁迫的生理响应。结果表明:1)镉胁迫下,水稻净光合速率、蒸腾速率以及气孔导度都呈下降趋势,细胞间隙CO_2浓度却上升。叶绿素含量下降,叶绿素a╱b值逐渐升高。水稻剑叶的暗呼吸速率,表观量子效率、最大光合速率明显下降,而光补偿点大大增加。2)高镉浓度胁迫水稻剑叶MDA含量显著上升。敏感高镉品种叶片MDA含量显著大于耐受低镉品种。3)镉胁迫下水稻根系、叶片总氮含量减少,耐受低镉品种下降幅度小于敏感高镉品种。


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