持续淹水与石灰调控水稻镉吸收的机理研究

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镉(Cadmium,Cd)是一种危害性极强的有毒重金属元素,能通过土壤-水稻食物链系统进入人体,对人体造成潜在危害。在中国、韩国、日本等以水稻为主食的国家,稻米是人体Cd摄入的最主要的来源。因此,开展水稻Cd低积累调控技术及其机制研究,对Cd污染稻田水稻安全生产,以及水稻Cd低积累基础理论研究都具有十分重要的意义。本研究以辐品36(FP36)和中嘉早17(ZJZ17)两个不同Cd积累水稻品种为材料。采用盆栽试验研究了持续淹水和石灰处理对不同Cd积累水稻品种Cd含量的影响,通过分析持续淹水和不同水平石灰处理条件下土壤有效性Cd、植株Cd含量以及水稻根系Cd吸收转运关键基因表达,揭示持续淹水和石灰处理对水稻Cd积累的作用及其调控机制。研究结果如下:1.在Cd污染土壤条件下,与正常灌溉处理相比,持续淹水显著降低了分蘖盛期水稻FP36和ZJZ17的Cd含量,根部降幅分别为39.5%和33.9%,地上部降幅分别为62.1%和71.7%。在完熟期作用效果也表现相同,持续淹水显著降低完熟期水稻FP36和ZJZ17根部、地上部和稻米中Cd含量,FP36根部、地上部和稻米分别降低36.4%、43.7%和36.8%,ZJZ17分别降低62.5%、61.5%和55.4%。研究发现,持续淹水显著降低了两个水稻品种的土壤有效性Cd含量(降幅分别为12.1%和17.7%)和根膜中Cd的含量(降幅分别为52.2%和43.1%)。Cd胁迫下,持续淹水增加了土壤有效性Fe(增幅分别为23.7%和10.3%)和有效性Mn含量(增幅分别为24.5%和43.9%),也使根膜中Fe(增幅分别为83.1%和81.5%)和Mn含量(增幅分别为41.5%和27.7%)显著增加。更为重要的是,持续淹水显著下调了两个水稻品种根部OsNramp1(58.3%和58.0%)和OsLCD(21.6%和17.8%)基因的相对表达量。持续淹水通过降低土壤有效性Cd含量和抑制Cd吸收基因表达(OsNramp1和OsLCD)的双重调控作用,降低了水稻对Cd的吸收和积累。2.随着石灰用量的增加,2个水稻品种根部,地上部以及糙米中Cd的含量均呈现先增加再降低的趋势。当加入外源Cd为1.0 mg·kg-1时,施用石灰用量从0 g增加到1.0g,分蘖盛期FP36和ZJZ17根部Cd含量分别增加(36.3%和5.6%),地上部分别增加(43.3%和14.5%),完熟期稻米Cd含量分别增加(8.9%和16.0%)。石灰施用量从1.0g增加到6.0g范围内,FP36和ZJZ17分蘖盛期FP36和ZJZ17根部Cd含量分别降低(71.5%和58.6%),地上部分别降低(69.1%和59.0%),完熟期稻米中Cd分别降低(66.8%和100%)。当加入外源Cd为1.5mg·kg-1时,施用石灰用量从0 g增加到0.5 g,分蘖盛期FP36和ZJZ17根部Cd含量分别增加(85.2%和150%倍),地上部分别增加(130%倍和150%倍),完熟期稻米Cd含量分别增加(26.2%和110%)。石灰施用量从0.5 g增加到6.0g范围内,FP36和ZJZ17分蘖盛期FP36和ZJZ17根部Cd含量分别降低(77.2%和62.9%),地上部分别降低(69.4%和61.0%),完熟期稻米中Cd分别降低(74.2%和61.6%)然而,无论在分蘖盛期还是完熟期,在没有外源Cd加入的情况下,在添加不同石灰用量时,对两个水稻品种的Cd积累没有明显差异。3.石灰处理通过调节土壤Cd生物有效性及Cd离子转运蛋白基因表达,共同调控了水稻Cd的吸收和积累。结果表明,随着石灰用量的增加(从0-6g),两个水稻品种的DTPA提取态Cd、Fe、Mn和Zn含量均大幅度降低。进一步研究表明,随着石灰用量的增加(从0-6g),两个水稻品种根部OsNramp5和OsIRT1基因的相对表达量均显著上调。因此,不同水平石灰处理条件下,水稻Cd含量呈先增加后降低的趋势是受土壤中有效性Cd降低和水稻根系Cd吸收转运相关基因OsIRT1和OsNramp5的表达上调双重作用调控的。本论文通过研究持续淹水和施用石灰以期为控制稻米Cd污染提供理论指导。
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