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重金属胁迫对水稻伤害机理及水稻耐性机制的研究

杨小勇  
【摘要】: 本文以重金属离子Cu~(2+)、Cd~(2+)、Hg~(2+)为材料,以水稻三个品种(籼稻:扬稻6号,粳稻:武育粳,杂交稻:协优818)为研究对象,进行了重金属胁迫对水稻伤害机理及水稻耐性机制的研究。结果表明: 1.重金属胁迫对水稻生长发育形态学指标的影响 重金属离子Cu~(2+)、Cd~(2+)、Hg~(2+)胁迫条件下,水稻种子的发芽势、发芽率以及苗期株高和鲜重都呈持续下降的趋势;Cd~(2+)和Hg~(2+)胁迫可在一定程度上促进籼稻根部的生长,但Cu~(2+)胁迫及高浓度的Cd~(2+)和Hg~(2+)胁迫则抑制水稻根部的生长。土培方式栽培水稻时,Cu~(2+)和低浓度的Cd~(2+)和Hg~(2+)胁迫可增加水稻的最终株高,而高浓度的Cd~(2+)和Hg~(2+)胁迫对水稻株高的生长产生抑制作用。低浓度的Cu~(2+)胁迫能促进水稻有效分蘖的发生,高浓度的Cu~(2+)及Cd~(2+)和Hg~(2+)胁迫则可抑制水稻有效分蘖的发生。一定浓度范围的Cu~(2+)胁迫能增加水稻的穗粒数、结实率和千粒重,低浓度的Cd~(2+)和Hg~(2+)胁迫能增加水稻的穗粒数和结实率,却明显降低水稻的千粒重。 2.重金属胁迫对水稻氮素代谢的影响 水稻籽粒萌发期,较低浓度的Cu~(2+)、Cd~(2+)、Hg~(2+)胁迫可促进水稻萌发籽粒中的蛋白合成,增加蛋白含量,其中对粳稻籽粒蛋白合成的促进作用最明显,随胁迫强度的加大,籽粒中的蛋白合成受到明显抑制。水稻苗期,低浓度的重金属胁迫亦可增加籼稻和粳稻叶片、根系的蛋白含量,并因重金属离子类型而存在差异,Cu~(2+)胁迫条件下,三个水稻品种叶片和根系蛋白含量持续下降,且Cu~(2+)胁迫对水稻苗期蛋白合成的抑制程度大于Cd~(2+)和Hg~(2+)胁迫,苗期杂交稻对重金属胁迫最为敏感,杂交稻叶片和根系蛋白含量与Cd~(2+)和Hg~(2+)胁迫浓度呈明显的负相关。水稻灌浆期蛋白合成对重金属胁迫的敏感性籼稻>粳稻,同一水稻不同器官对重金属胁迫的敏感性根>叶>穗,低浓度的Cu~(2+)、Cd~(2+)、Hg~(2+)胁迫可促进粳稻叶片和穗部的蛋白合成,而籼稻叶片和穗部的蛋白含量则与重金属胁迫浓度呈负相关性。 3.重金属胁迫对水稻碳素代谢的影响 重金属Cu~(2+)、Cd~(2+)、Hg~(2+)胁迫可显著抑制水稻叶片的光合作用,水稻叶片叶绿素含量及光合速率与重金属离子浓度呈明显的负相关。低浓度的重金属胁迫可促进水稻幼苗根系的呼吸作用,而高浓度的重金属胁迫则抑制水稻根系的呼吸; 杨小勇重金属胁迫对水稻伤害机理及水稻耐性机制的研究 重金属胁迫对水稻灌浆期根系呼吸作用的抑制程度大于对苗期根系的影响,随重 金属胁迫强度的加大,水稻灌浆期根系的呼吸速率持续下降。 随重金属胁迫浓度的增加,水稻籽粒萌发期的Q一淀粉酶活性先上升后下降, 重金属胁迫能显著抑制釉稻和杂交稻p一淀粉酶活性,但低浓度的重金属胁迫对粳 稻压淀粉酶活性产生诱导作用。低浓度的重金属胁迫能明显诱导萌发籽粒中一些 淀粉同功酶的表达,而高浓度的重金属胁迫则显著抑制某些淀粉同功酶的表达。 重金属胁迫对釉稻和杂交稻萌发籽粒中MDH同功酶的影响大于粳稻,高浓度的 cu2+、c于+、H犷+胁迫能明显抑制水稻萌发籽粒中MDH同功酶的表达。低浓度的 Cu2+和C于+胁迫可在一定程度上激活水稻叶、穗和根的COD活性,但随C记+和C于+ 胁迫的加深,CoD活性逐渐被抑制;H扩十胁迫对水稻COD活性的影响则因水稻 品种、器官而存在差异,H扩+胁迫可抑制釉稻叶片、根系和粳稻穗部COD活性。 较低浓度的重金属胁迫能诱导水稻COD同功酶的表达,并因水稻品种、器官的 不同而存在差异,其中重金属胁迫对水稻根系COD同功酶表达的抑制程度大于 叶片和穗部。 4.重金属胁迫对水稻膜脂过氧化作用及抗氧化酶的应答 重金属cu2+、cd2+、H犷十胁迫能明显促进水稻叶片细胞的膜脂过氧化和脱脂 进程,增加叶片内MDA含量,并损伤叶片的膜透性,造成细胞电解质外渗百分 率上升。cu2+胁迫能明显增加水稻根系MDA含量,但C于十和H犷十胁迫条件下, 水稻根系MDA含量则略有下降。 重金属c记十、c于十、H才十胁迫条件下,水稻能产生相应的防御措施。较低浓 度的重金属胁迫可在一定程度上激活水稻SOD、POD活性,并因水稻品种、器 官的不同而存在差异;重金属C记十、C于+、H扩十胁迫时,水稻叶片CAT活性被抑 制。一定浓度范围的重金属Cu2+、Cd2+、Hg2+胁迫可诱导水稻叶、穗、根的SOD、 POD同功酶的表达,其中对POD同功酶的诱导作用大于SOD同功酶,较高浓度 的重金属胁迫则有抑制SOD、POD同功酶表达的趋势;水稻叶片CAT同功酶随 重金属胁迫强度的加大酶活性的表达逐步受到抑制。 5.重金属胁迫对水稻DNA的损伤 较低浓度的Cu2+、cd2+、H扩十胁迫能增加水稻幼苗DNA含量,并明显诱导水 扬州大学二00二届硕士学位论文 稻叶片DNA的期外合成,随重金属胁迫浓度的增加,水稻DNA含量下降,DNA 期外合成的诱导作用逐步受到抑制。Cu2+胁迫及较低浓度的C于+和Hg2+胁迫可促 进水稻叶片DNA和蛋白质的交联,H扩+及较高浓度的Cd2+胁迫还可造成水稻叶 片DNA链间交联的形成;重金属离子胁迫能在不同程度上促进水稻叶片DNA甲


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