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菜心Cd积累的品种间差异及Cd污染控制方法研究

邱丘  
【摘要】:为了应对农田土壤的重金属污染,筛选、培育和利用重金属低积累品种已经成为国际上的研究热点。十字花科芸薹属植物具有较强的重金属吸收能力,容易受到Cd、Pb等重金属的污染。为了降低土壤重金属污染通过食物链威胁人类健康的风险,本研究以芸苔属的叶类蔬菜菜心(Brassica parachinensis)为研究对象,进行菜心镉(Cd)低积累品种的大规模筛选,得到了菜心Cd积累典型品种;随后调查了典型品种在不同土壤和不同采收期的Cd积累稳定性,以及混植和施磷等常见农艺措施降低菜心典型品种Cd积累的效果,并利用差速离心和连续浸提法研究了Cd在菜心典型品种体内的亚细胞分布和化学结合形态,探讨了典型品种间Cd积累的差异和施磷降低菜心Cd积累的主要生化机制,最后分析了菜心典型品种与Cd积累相关基因的单核苷酸多态性,探讨了利用SNP技术对菜心Cd低积累特征进行分子标记的可行性。本研究为明确菜心Cd低积累的生物化学和分子生物学机理提供了理论基础,在实际农业生产应用方面,为通过结合农艺措施与Cd-PSC策略降低菜心Cd污染风险、保障菜心安全生产提供了重要的试验依据。主要研究结果如下: 1.通过盆栽试验研究了31个菜心(Brassica parachinensis)品种在对照(0.114 mg kg~(-1))、低Cd(0.667 mg kg~(-1))、高Cd(1.127 mg kg~(-1))污染土壤中的Cd吸收积累情况。在低Cd处理下,全部菜心品种的地上部Cd含量均超出了CAC的限量标准(0.2 mg kg~(-1),FW)。在高Cd处理下,品种CLW的Cd含量甚至超出标准高达10倍,说明菜心极易从Cd污染土壤中吸收Cd。方差分析结果表明,菜心地上部Cd含量的品种效应在所有Cd处理下均达到了极显著水平(p 0.01),对照、低Cd处理和高Cd处理下的地上部Cd含量分别为0.033 - 0.162 mg kg~(-1)、0.283 - 1.743 mg kg~(-1)和0.434 - 2.276 mg kg~(-1),品种间最大差异分别为4倍、5.2倍和5.6倍,足以鉴定镉低积累品种,同时地上部Cd含量在各个处理间的相关性都达到了极显著水平(p 0.01),说明菜心对Cd的积累能力具有稳定性,是属于可遗传的内在特性。依据上述结果确定了SJ19、49CX、XG49、CH4、LB70和YL80为典型的Cd低积累品种,CLW为典型的Cd高积累品种,用于后续研究。 2.通过盆栽试验研究了菜心典型品种对土壤Cd、Pb复合污染的响应。方差分析结果表明,菜心地上部Cd含量的品种效应在所有处理下均达到了极显著水平(p 0.01),六个Cd低积累品种的平均Cd含量为0.079 - 0.097 mg kg~(-1),而Cd高积累品种为0.242 mg kg~(-1),在所有处理下,供试的6个Cd低积累品种的地上部Cd含量均极显著地(p 0.01)低于Cd高积累品种CLW。7个品种的平均地上部Pb含量范围为0.145 - 0.200 mg kg~(-1),排序为CLW YL80 XG49 SJ19 49CX LB70 CH4,Cd高积累品种CLW在大部分处理下的地上部Pb含量也为最高。方差分析表明,Cd、Pb的交互作用显著(p 0.01),土壤Pb在本试验所选取的浓度范围(51.02 - 91.25 mg kg~(-1))内明显抑制了菜心对Cd的吸收。根据CAC标准和PSC的定义,在本试验条件下(土壤Cd:0.111 - 0.383 mg kg~(-1);土壤Pb:23.50 - 91.25 mg kg~(-1)),供试的Cd低积累品种均可以看做Cd+Pb-PSCs,而Cd高积累品种CLW为non-Cd+Pb-PSCs。 3.探讨了不同土壤和采收期对菜心典型品种Cd积累稳定性的影响。六个供试典型品种在Soil A和Soil B上的地上部Cd含量范围分别为0.026 - 0.080 mg kg~(-1)和0.452 - 1.349 mg kg~(-1)。所有品种在Soil A上的Cd含量都要极显著低于Soil B(p 0.01),最大相差倍数分别达到了20和13倍,这可能与Soil A的土壤有效P浓度远高于Soil B有关。在两种土壤上,Cd高积累品种CLW和CX4的地上部Cd含量和Cd迁移率都要显著高于(p 0.05)Cd低积累品种SJ19、CH4、LB70和YL80,说明菜心典型品种的Cd吸收特性在不同土壤上表现稳定。供试菜心品种在采收期T1(第25天)、T2(第40天)和T3(第60天)时的平均地上部Cd含量分别为0.734 mg kg~(-1)、0.569 mg kg~(-1)和0.527 mg kg~(-1),所有菜心品种的地上部Cd含量均在生长初期最高,随着生长时间的延长而下降,从T1到T2的降幅最为明显。T1、T2、T3期的平均每日Cd累积量分别为0.46μg pot~(-1) day~(-1)、0.87μg pot~(-1) day~(-1)和0.01μg pot~(-1) day~(-1),可见菜心在生长中期地上部Cd积累的速率最快,是生长初期的1.9倍。不管在哪个采收期,SJ19和CH4的地上部Cd含量都要显著地低于CLW和CX4(p 0.05),并且地上部Cd积累量仅为后者的1/3~1/2。可见菜心Cd吸收特性的品种间差异不会随采收期而改变,典型品种的Cd积累特性在不同采收期保持一致。 4.以菜心Cd-PSC(SJ19和CH4)和non-Cd-PSC(CLW和CX4)为对象,研究混植效应对菜心典型品种Cd吸收积累的影响。CLW、SJ19、CH4、CX4混植后的地上部Cd含量范围分别为:0.485 - 0.551、0.274 - 0.522、0.233 - 0.423和0.643 - 0.775 mg kg~(-1),两Cd低积累品种SJ19和CH4除了与CX4混植后的Cd含量稍微偏高外,其余混植处理下的Cd含量都要显著低于(p 0.05)Cd高积累品种CLW和CH4。Cd低积累品种与Cd高积累品种CLW混植,两者的地上部Cd含量均无显著变化,而与另一高Cd品种CX4混植,则地上部Cd含量显著上升。两个Cd低积累品种混植则两者的地上部Cd含量与单植相比都会显著下降(p 0.05),下降幅度范围分别为24.6%-26.2%和25.8%-28.7%。试验结果表明根际环境在菜心Cd吸收积累方面具有重要作用,选择合适的混植组合可以有效降低菜心受Cd污染的风险。 5.以3个Cd低积累品种(Cd-PSC)和2个Cd高积累品种(non-Cd-PSC)为研究对象,研究在不同土壤P水平下,土壤重金属Cd的形态变化以及菜心典型品种对重金属Cd的吸收积累情况。在CK土壤以及CH4和CX4的根际土壤中,可交换态Cd的浓度和比例都随着土壤P水平的升高而下降,与此同时,三种土壤上的铁锰氧化物结合态Cd的浓度和比例随着土壤P水平的升高而增加,推测施磷降低了土壤Cd的生物有效性,减少Cd进入菜心体内的总量。所有供试菜心品种的地上部Cd含量均随土壤P水平的提高呈降低趋势,与P1处理相比,CLW、CX4、SJ19、CH4和LB70在P4处理下的地上部Cd含量分别下降了64%、68%、50%、63%和63%,Cd转运系数分别降低了33.6%、35.4%、23.9%、48.3%和28.0%,可见土壤P水平的提高不仅降低了菜心地上部Cd含量,而且有效抑制了Cd从地下部向地上部的转运。两个Cd高积累品种CLW和CX4的地上部Cd含量始终显著高于(p 0.05)Cd低积累品种SJ19、CH4和LB70,表明土壤P水平对菜心典型品种的Cd吸收特性的品种间差异并未产生影响。 6.利用差速离心和连续浸提法研究了不同土壤P水平下Cd在菜心LB70(Cd-PSC)和CX4(non-Cd-PSC)体内的亚细胞分布和化学结合形态。结果表明LB70细胞壁组分结合的Cd的比例要明显高于CX4,而细胞质组分和细胞器组分的Cd比例却始终低于CX4;LB70体内的NaCl提取态Cd以及残渣态Cd的比例都要高于CX4,然而乙醇提取态和去离子提取态Cd的比例却要低于CX4。因此,LB70细胞壁较强的滞留Cd的能力以及体内Cd较低的移动性可能与其Cd低积累特性相关。土壤P水平的升高明显增加了LB70和CX4与细胞壁组分结合的Cd的比例;两典型品种乙醇提取态Cd的比例随着土壤P浓度的升高而下降,同时离子水提取态Cd和醋酸提取态Cd的比例则随之上升。P可能通过增强菜心体内(特别是地下部)细胞壁组分滞留Cd的能力,以及降低菜心体内无机态Cd的比例等过程,使得Cd在菜心体内的移动性大大下降,从而抑制菜心体内Cd的转运。 7.以17个分别具有Cd低积累、中积累和高积累特性的菜心典型品种为研究对象,通过直接测序法,研究了三个已报道的与Cd积累相关的膜蛋白基因(Pcr1、HMA4和NRAMP3)的单核苷酸多态性。在三个基因序列上均发现了丰富的SNP位点。Pcr1、HMA4和NRAMP3基因的SNP发生频率分别为1 SNP/34.4 bp、1 SNP/50.8 bp和1 SNP/34.7 bp,发生转换的位点是颠换的2~(-1)0倍,这说明SNP碱基置换存在偏好性,其主要类型是转换。Pcr1和NRAMP3基因的Indel频率分别为1 Indel/218 bp和1 Indel/84.9 bp,在HMA4基因序列上没有发现Indel,说明HMA4基因比Pcr1和NRAMP3基因保守。根据基因序列的多态性,Pcr1、HMA4和NRAMP3基因分别形成了8、10和10个单倍型(haplotype),Pcr1基因的haplotype 8包括了5个Cd低积累品种,这个单倍型与菜心的Cd低积累特征基本一致,可以作为一个重金属Cd低量积累的标记用于菜心重金属吸收特性的分子标记辅助选择。Pcr1和HMA4基因的聚类分析表明,菜心Cd低积累品种的基因序列存在较高的相似性,表明其亲缘关系较近。


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