水稻鉻脅迫耐性的遺傳分析與還原型谷胱甘肽緩解鉻毒害的機(jī)理研究.pdf

1、鉻(Cr)是一種過(guò)渡金屬元素，在土壤、水體和大氣中均有分布，具有多種氧化態(tài)，以三價(jià)和六價(jià)最為穩(wěn)定。隨著環(huán)境污染的加劇，農(nóng)田土壤的鉻含量逐漸提高，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)產(chǎn)品安全造成了嚴(yán)重威脅。本研究以親本在鉻積累存在明顯差異的雜交組合(ZYQ8/JX17)構(gòu)建的一個(gè)水稻DH群體為材料，確定與鉻耐性相關(guān)的數(shù)量性狀位點(diǎn)和鑒定耐鉻性差異顯著的株系;進(jìn)而以耐鉻株系117和鉻敏感株系41為材料，通過(guò)外源添加還原型谷胱甘肽(reduced Glutathio

2、ne，GSH)的方式，研究其對(duì)鉻形態(tài)、吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、累積和分布的影響，并從抗氧化系統(tǒng)、細(xì)胞活性和超微結(jié)構(gòu)、巰基化合物、水分與養(yǎng)分吸收以及有機(jī)酸分泌等方面了解水稻鉻毒害的緩解作用和相關(guān)機(jī)理。主要研究結(jié)果如下:
　　 1鉻脅迫下水稻DH群體各株系的生長(zhǎng)表現(xiàn)和鉻耐性相關(guān)性狀的QTL定位
　　 以一個(gè)水稻雙單倍體(Double Haploid，DH)群體為材料，利用數(shù)量性狀位點(diǎn)(Quantitative Trait Loci，QT

3、L)定位分析，研究了鉻脅迫下不同株系的生長(zhǎng)和鉻含量差異。結(jié)果表明，鉻處理下，親本ZYQ8和JX17的株高、根長(zhǎng)、葉綠素含量和地上部干重均降低，而根干重稍有增加;群體的平均株高、根長(zhǎng)和地上部干重均表現(xiàn)下降，而平均根干重和葉綠素含量影響較小。水稻鉻含量根顯著高于地上部，且群體各株系間差異顯著。鑒定到多個(gè)與鉻耐性相關(guān)的QTL位點(diǎn)，但它們只能解釋不到10％的表型變異;鑒定到兩個(gè)與鉻含量相關(guān)的QTL位點(diǎn)，它們均位于第10號(hào)染色體的同一遺傳區(qū)間，可

4、解釋近11％的表型變異。另外，鋅含量與鉻含量呈正相關(guān)，但相關(guān)的QTL位點(diǎn)只能解釋很小的含量變異。
　　 2水稻DH群體不同鉻耐性株系的鑒定
　　 利用權(quán)重分析法對(duì)鉻脅迫下水稻DH群體各株系的生長(zhǎng)表現(xiàn)進(jìn)行了研究，從中鑒定到鉻耐性差異顯著的株系。在考察的生長(zhǎng)性狀中，鉻脅迫對(duì)地上部干重的影響最大，對(duì)葉綠素含量的影響最小。株系117和101的加權(quán)綜合分值最高，41和49的分值最低。根部鉻含量株系117顯著大于41，而根部鉻累積量

5、兩株系恰好相反。鉻脅迫顯著抑制兩親本及群體各株系的鋅含量，親本的地上部鋅含量下降較多，而根部含量受影響較小。由此可以認(rèn)為，株系117和101的耐鉻性較強(qiáng)，而株系41和49耐鉻性較弱。
　　 3外源谷胱甘肽對(duì)水稻鉻毒害的緩解效應(yīng)與最適濃度篩選
　　 研究了外源添加GSH對(duì)緩解水稻鉻毒害的效應(yīng)。結(jié)果顯示，在無(wú)鉻脅迫條件下，外源GSH并不影響水稻生長(zhǎng)和葉綠素含量。在鉻脅迫培養(yǎng)液下，外源添加GSH具有緩解鉻脅迫抑制水稻生長(zhǎng)的作用

6、，且在一定范圍內(nèi)隨著GSH濃度的增加，緩解效果增強(qiáng)，在鉻離子與GSH濃度比為1∶3或1∶5時(shí)效果較好，當(dāng)兩者的濃度比超過(guò)1∶10時(shí)，水稻根系生長(zhǎng)受到抑制。外源GSH提高水稻根的鉻含量，但降低地上部的鉻含量。結(jié)果表明，適宜濃度的GSH可緩解水稻的鉻毒害，銘離子與GSH的濃度比為1∶3(100μM Cr6+/300μM GSH)，具有最佳的緩解作用。
　　 4 GSH緩解鉻脅迫對(duì)水稻抗氧化系統(tǒng)、細(xì)胞活性和超微結(jié)構(gòu)的影響
　　

7、 從抗氧化系統(tǒng)、細(xì)胞活性和亞細(xì)胞水平上研究了水稻DH株系117和41對(duì)鉻脅迫的響應(yīng)和外源GSH的緩解作用。結(jié)果表明，鉻脅迫下，水稻DH群體的兩株系(117和41)的光合色素含量顯著下降，而丙二醛含量顯著上升;外源添加GSH后，以上兩種性狀均得到明顯恢復(fù)。鉻脅迫影響抗氧化酶活性，且影響程度因株系和組織而異，株系117的抗氧化能力強(qiáng)于株系41。外源添加GSH緩解鉻毒害對(duì)抗氧化酶活性的影響。鉻脅迫嚴(yán)重影響水稻根尖細(xì)胞活性，而外源添加GSH可使

8、這種影響明顯減小。鉻脅迫導(dǎo)致水稻葉肉細(xì)胞葉綠體腫脹變形，基粒數(shù)目減少、片層結(jié)構(gòu)松散;根系細(xì)胞結(jié)構(gòu)變形，胞質(zhì)變疏，液泡體積劇增和核仁消失;外源添加GSH后，以上水稻超微結(jié)構(gòu)均得到不同程度的恢復(fù)。
　　 5 GSH對(duì)鉻脅迫下水稻巰基化合物含量、水分和養(yǎng)分吸收以及根系有機(jī)酸分泌的影響
　　 研究了鉻脅迫下水稻DH群體的兩個(gè)鉻脅迫耐性不同的株系(117和41)的水分和養(yǎng)分吸收、植株含巰基化合物含量和根系有機(jī)酸分泌的影響，并分析了

9、外源添加GSH對(duì)上述性狀在鉻脅迫下的緩解作用。結(jié)果顯示，GSH顯著改善鉻肋迫下水稻對(duì)水分的吸收，并明顯減輕鐵(Fe)和錳(Mn)的吸收抑制。鉻脅迫下根部鋅含量增加，說(shuō)明鉻損傷了根細(xì)胞，使其失去完整性和選擇性。鉻脅迫影響水稻根際有機(jī)酸分泌，且株系間差異顯著;外源添加GSH增加根系分泌乙酸和蘋果酸，且耐性株系117的增加幅度明顯大于敏感株系41，啟示出GSH對(duì)鉻毒害的緩解作用與這兩種有機(jī)酸分泌有關(guān)。本研究未檢測(cè)到植物螯合肽(Phytoche

10、latins，PCs)，但發(fā)現(xiàn)鉻脅迫影響水稻體內(nèi)GSH和半胱氨酸(Cys)水平，并在葉片中發(fā)現(xiàn)了一種與PC3出峰時(shí)間相近的物質(zhì)，值得進(jìn)一步對(duì)此進(jìn)行化學(xué)鑒定。
　　 6 GSH對(duì)水稻根際鉻形態(tài)及其吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、累積和分布的影響
　　 研究了外源GSH對(duì)鉻離子形態(tài)變化以及在水稻組織、細(xì)胞、亞細(xì)胞水平分布的影響。結(jié)果表明，添加GSH顯著降低培養(yǎng)液中的Cr6+含量，啟示出GSH可能具有改變鉻離子形態(tài)的作用。水稻根系對(duì)鉻離子的吸收存

11、在時(shí)間效應(yīng)，外源添加GSH后，水稻根的鉻含量增加，而地上部的鉻含量減少，從而間接證明鉻的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)并非以Cr6+為主。水稻根系表皮、皮層以及維管束組織中均有鉻的分布，而外源添加GSH后，使鉻離子主要分布在根表，證明表皮細(xì)胞能固定和區(qū)隔一部分鉻離子，從而緩解其對(duì)植物的毒性。鉻主要累積在細(xì)胞壁上，其次在可溶性成分（以液泡為主）中，說(shuō)明細(xì)胞壁和液泡是水稻體內(nèi)Cr的主要分布器官。外源添加GSH后，地上部各亞細(xì)胞組分以及根部可溶性成分中的鉻離子含