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外源锌、铁对番茄镉积累的影响研究

周坤  
【摘要】:镉(Cadmium, Cd)是一种毒性很强的重金属元素。由于工业‘三废’排放、大气沉降、污水灌溉、污泥农用以及肥料施用等生产活动的影响,我国农田Cd污染问题已经比较严重。菜地土壤Cd污染情况也比较普遍。Cd污染不仅影响作物生长、产量和品质,而且Cd可通过土壤-植物系统转移到作物可食部分,并通过食物链危害人类健康。目前土壤Cd污染的治理措施主要有工程法、化学法、植物修复和农艺调控措施等。工程法成本较高,易引起二次污染;化学法的修复效果不是很稳定;而植物修复的修复周期则较长。士壤Cd污染的农艺调控措施日益受到研究者们的重视。在轻度Cd污染土壤上,可以考虑采用农艺调控措施,降低Cd对作物的毒害并抑制Cd向作物可食部分的转移。叶面施肥控制技术是农艺调控措施的一种,其原理是利用外源物质与Cd2+的拮抗作用来缓解Cd对植株的毒害,并抑制Cd的吸收和向作物可食部分的转移,从而达到降低Cd含量的目的。锌(Zinc, Zn)和铁(Iron, Fe)都是植物生长所必需的微量元素,具有多种重要的生理功能。Zn、Fe和Cd都是二价阳离子,具有很多类似的生物地球化学性质。植物中Zn/Cd和Fe/Cd的交互作用一直是研究的热点。一些研究显示,Zn、Fe能减少作物对Cd的吸收。但不同的研究者得到的结论不一致。蔬菜Cd积累不仅在种间存在差异,而且在品种间也有所差异。为了进一步探讨Zn、Fe与Cd的相互关系以及叶面喷施Zn、Fe对不同侨茄品种Cd吸收和Cd向可食部位(果实)转移的影响,本文以重庆地区2个主栽番茄(Solanum lycopersicum Mill.)品种(‘4641’和‘渝粉109’)为材料,通过盆栽模拟试验,研究了土壤重金属Cd (10mg·kg-1)污染条件下,叶面喷施不同浓度Zn (0、50、100、200和400μmol·L-1)和Fe (0、50、100、200和400μmol·L-1)对不同品种番茄生物量、光合特性、抗氧化酶活性、果实Cd形态、植株Cd含量和Cd积累、果实品质以及养分吸收和分配的影响。此外,本文还利用半定量RT-PCR分析技术,分离出与番茄镉积累和耐性相关的基因,初步探讨了番茄Cd积累基因型差异的分子机理。以期为菜园土壤Cd污染的防治提供理论依据。主要研究结果如下: 1.Cd污染条件下,叶面喷施适量Zn (≤200μmol·L-1)提高了2种番茄各部位干质量和植株总干质量;随喷施Zn浓度增加,植株各部位和总干质量呈现先增加后降低的趋势。喷施低浓度Zn (100μmol·L-1)提高了2种番茄叶片净光合速率(Pn)和气孔导度(Gs)和‘渝粉109’蒸腾速率(Tr),而高浓度Zn (400μmol·L-1)则显著降低了番茄叶片Pn、Gs和Tr,抑制番茄光合作用。随Zn浓度增加,2个番茄品种根CAT活性以及‘渝粉109’根POD活性先增加,然后呈下降趋势;根SOD活性则表现出先降后升再降趋势。番茄果实中的Cd主要以残渣态Cd (FR)、氯化钠提取态Cd (FNaCl)和盐酸提取态Cd (FHCI)的形式存在。喷施适量的Zn (≤200μmol·L-1)降低了2个番茄品种果实中各形态Cd含量,但喷施高浓度Zn (400μmol·L-1)时,果实部分形态Cd含量开始增加。番茄中的Cd主要积累在叶和茎。叶面喷施Zn后,番茄植株各部位Cd含量以及植株Cd总积累量均有所下降;果实Cd含量和Cd积累量均以‘4641’‘渝粉109’。叶面喷施Zn降低了2种番茄果实游离氨基酸含量和‘渝粉109’果实硝酸盐含量,提高了2种番茄果实还原糖含量和‘渝粉109’维生素C(Vc)含量;番茄果实硝酸盐含量随Za浓度增加呈先降后增趋势,且仅有‘4641’对照处理超标。叶面喷施Zn提高了番茄各部位Zn含量;喷施低浓度Zn增加了2种番茄根、茎部的N、P含量,降低了2种番茄叶、果实的N、P含量以及番茄各部位K含量。而植株各部位Cu、Fe、Mn、Ca、Mg的含量受到不同程度的影响。相关分析表明,Cd与Zn在叶片中存在极显著负相关关系,在果实、根和茎中无显著相关性;而Zn在果实中则与Cu、Fe呈极显著正相关关系,在茎、叶中与Cu呈显著正相关关系。 2. Cd污染条件下,叶面喷施适量Fe (≤200μmol·L-1)提高了番茄果实、茎、叶干质量和总干质量。随喷施Fe浓度增加,2种番茄叶片Pn、Gs和Tr呈先增加后降低的趋势,而番茄叶片胞间CO2(Ci)则先降低然后增加。‘4641’的光合作用和蒸腾作用强度均高于‘渝粉109’。随喷施Fe浓度增加,2种番茄根POD活性及‘4641’CAT活性呈先增加后降低的趋势;而番茄根SOD活性及‘渝粉109’CAT活性则呈先降低,然后呈上升趋势。番茄果实中Cd主要以盐酸提取态Cd和残渣态Cd的形式存在。叶面喷施Fe降低了番茄果实各形态Cd含量。番茄中的Cd主要积累在叶和茎,而果实和根的积累量较少。叶面喷施Fe降低了番茄各部位Cd含量;但喷施高浓度Fe相比低Fe时,番茄各部位Cd含量有所增加。品种间比较,喷施Fe对降低‘渝粉109’植株Cd富集的效果更为显著。随喷施Fe浓度增加,番茄各部位干质量及植株总干质量均呈先增加后降低的趋势。喷施Fe显著提高了番茄果实还原糖和硝酸盐含量,降低了‘渝粉109’果实氨基酸含量;喷施高浓度Fe (400μmol·L-1)提高番茄果实Vc含量。叶面喷施Fe提高了番茄地上部尤其是叶片的Fe含量。喷施Fe对提高‘4641’果实Fe含量更有效。铁镉交互对番茄植株N、P、K元素吸收和分配的影响有所不同;而喷施适量Fe提高了番茄叶片Cu、Zn、Mn、Ca、Mg含量,对番茄其他部位Gu、Zn、Mn、Ca、Mg含量的影响则各不相同。Cd和Fe在番茄各部位中均没有显著相关关系;Fe在叶和果实中和Cu、Zn均呈显著正相关关系。 3.在本试验条件下,除了IRT(包括IRT1和IRT2)基因在番茄叶片未见明显表达外,其他6种耐镉/富镉基因在番茄叶片均有表达。‘4641’叶片MT2、OAS、HMA和CaM2基因的表达量高于‘渝粉109’,而‘渝粉109’叶片NRAMP和PCS基因的表达量则高于‘4641’;但除MT2外,其他5种基因的表达量在2个番茄品种间的差异不显著。


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