大麥鎘吸收與運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制的研究.pdf

1、鎘(Cadmium，Cd)是毒性最強(qiáng)和農(nóng)田受污染最普遍的重金屬之一，土壤鎘污染不僅嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，并可通過食物鏈富集危害人體健康。對(duì)于已污染土壤，雖然曾提出過包括利用超積累植物進(jìn)行生物修復(fù)降低土壤重金屬含量等多種方法，但迄今均未能有效地應(yīng)用于大面積土壤的治理；對(duì)于大面積污染程度中、輕度的農(nóng)田，篩選耐鎘且食用器官低積累作物品種和改進(jìn)農(nóng)藝與化學(xué)調(diào)控技術(shù)緩解鎘毒、減少作物鎘吸收與積累，是有效利用自然資源和保證農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的重要途徑

2、，而深入開展作物鎘耐性和積累基因型差異機(jī)理的研究是開展相關(guān)作物育種和生產(chǎn)調(diào)控的基礎(chǔ)。 本研究在篩選鎘耐性與積累不同大麥基因型的基礎(chǔ)上，研究其鎘吸收和積累的規(guī)律及基因型差異的生理機(jī)理，鑒定耐鎘/低積累相關(guān)的目標(biāo)蛋白和相關(guān)基因，進(jìn)一步從分子水平上探討大麥鎘吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，同時(shí)探討了外源一氧化氮(NO)和還原型谷胱甘肽(GSH)對(duì)大麥鎘吸收/轉(zhuǎn)移與耐鎘性影響的基因型差異及生理機(jī)制，為低鎘積累育種與生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。主要研究結(jié)

3、果如下： 1.大麥耐鎘與籽粒低鎘積累基因型篩選分析評(píng)估600份大麥基因型籽粒鎘含量及其與Zn、Mn等微量元素積累的相關(guān)性，篩選籽粒鎘低積累基因型;同時(shí)研究鎘脅迫對(duì)大麥生長影響的基因型差異。結(jié)果表明，相同栽培條件下，600個(gè)大麥基因型籽粒鎘含量變化范圍為0-1.21mgCdkg-1DW，基因型間差異顯著，且有47.2％的參試人麥基因型籽粒鎘含量超過WHO規(guī)定的最大允許值。連續(xù)二年的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示，籽粒鎘含量基因型差異的變化趨勢(shì)完

4、全一致，其中Beitalys和上89-128籽粒鎘含量最低，較籽粒鎘高積累基因型鄂大麥6號(hào)和浙農(nóng)8號(hào)極顯著低97.5％。此外，600份基因型籽粒Zn、Mn、Fe和Cu等微量元素含量基因型間也存在顯著差異，相關(guān)性分析結(jié)果顯示，Mn與Cd存在顯著正相關(guān)，而Cd和Zn、Cu、Fe的相關(guān)性不顯著。以不同類型與生長習(xí)性大麥基因型為材料，兩次連續(xù)的水培鎘脅迫試驗(yàn)，結(jié)果表明，大麥幼苗對(duì)鎘耐性和積累基因型間存在顯著差異；篩選獲得耐鎘基因型萎縮不知和吉啤

5、1號(hào)，鎘敏感基因型東17和蘇引麥2號(hào)。進(jìn)一步分析測(cè)定植株不同器官中鎘含量發(fā)現(xiàn)，四個(gè)基因型對(duì)鎘的吸收和轉(zhuǎn)移差異顯著，其中耐性基因型萎縮不知鎘含量最高，吉啤1號(hào)最低；而敏感基因型中則以東17地上部和地下部積累的鎘含量較低。 2.大麥籽粒成熟期鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)與積累及環(huán)境因子的影響采用離體穗培養(yǎng)方法，研究大麥籽粒成熟期鎘積累動(dòng)態(tài)、再轉(zhuǎn)移及分配規(guī)律及環(huán)境因素對(duì)籽粒鎘積累的影響。結(jié)果表明，離體穗不同器官中鎘含量都隨培養(yǎng)液中鎘處理水平提高而增加。三

6、個(gè)鎘水平下，處理15d后離體穗各部位鎘含量依次都為：芒>莖稈>籽粒>穗軸>穎殼；鎘積累量以籽粒中占的比例最大，占各部份總積累的51.0％。鎘積累動(dòng)態(tài)變化結(jié)果顯示，籽粒鎘積累隨處理時(shí)間的延長而上升；離體穗其他各部位鎘積累處理1-5d顯著上升，5-10d時(shí)則急劇下降，而處理12.5d后各部位鎘積累量又顯著回升。此外，去芒和莖環(huán)割顯著降低離體穗籽粒鎘含量，其中以去芒處理尤為顯著；培養(yǎng)液中添加蔗糖和Zn及提高環(huán)境濕度均顯著降低鎘向發(fā)育籽粒中的轉(zhuǎn)

7、移。這些結(jié)果表明，芒、穗軸和穎殼可能參與了鎘向籽粒的再轉(zhuǎn)移，大麥成熟期鎘的再分配也是影響最后籽粒質(zhì)量的重要生理過程，提高環(huán)境濕度至RH90％或在培養(yǎng)液中加Zn，都能顯著降低灌漿期大麥籽粒鎘積累。 3.大麥籽粒成熟期鎘轉(zhuǎn)運(yùn)與積累的基因型差異以篩選獲得的籽粒鎘低/高積累基因型W6nk2/浙農(nóng)8號(hào)為材料，離體穗培法研究木質(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸對(duì)大麥籽粒成熟期鎘轉(zhuǎn)移、分配的影響及基因型差異。結(jié)果表明，0.5μMCd處理，W6nk2離體穗對(duì)鎘的

8、吸收能力顯著低于浙農(nóng)8號(hào)，而隨著鎘處理濃度的增加，W6nk2離體穗籽粒鎘含量也大幅上升，培養(yǎng)液鎘水平增至5μMCd時(shí)，與浙農(nóng)8號(hào)的籽粒鎘含量無顯著差異。提高環(huán)境濕度和去芒均顯著抑制鎘向浙農(nóng)8號(hào)和W6nk2離體穗各部位的轉(zhuǎn)移，尤其以浙農(nóng)8號(hào)籽粒鎘含量下降更為顯著。低濃度鎘處理下莖環(huán)割對(duì)兩個(gè)基因型籽粒鎘含量影響不顯著，而高鎘濃度處理下莖環(huán)割顯著降低了兩個(gè)基因型籽粒鎘含量，其中對(duì)W6nk2影響尤為顯著。這些結(jié)果表明，不同的木質(zhì)部和韌皮部運(yùn)輸能

9、力是導(dǎo)致兩個(gè)大麥基因型籽粒鎘積累差異的主要原因，通過選育木質(zhì)部運(yùn)輸能力較低的大麥品種，同時(shí)在籽粒成熟期提高環(huán)境濕度或者調(diào)控韌皮部運(yùn)輸均有利于降低籽粒鎘的積累。 4.大麥耐鎘與低鎘積累相關(guān)蛋白與基因特異表達(dá)分析利用基因芯片技術(shù)，分析了耐鎘性和籽粒鎘積累顯著差異的大麥基因型幼苗在鎘脅迫下轉(zhuǎn)錄組的變化，結(jié)果顯示，鎘脅迫分別誘導(dǎo)四個(gè)大麥基因型葉片轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化，不同基因型間差異顯著。其中籽粒鎘低積累基因型W6nk2和敏感基因型東17中

10、差異表達(dá)的基因數(shù)分別高于籽粒鎘高積累基因型浙農(nóng)8號(hào)和耐鎘基因型萎縮不知。分別對(duì)兩組基因型鎘脅迫下差異表達(dá)基因比對(duì)發(fā)現(xiàn)，5μMCd處理誘導(dǎo)W6nk2大量的運(yùn)輸載體相關(guān)基因上調(diào)表達(dá)，如ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、ATPase、以及Zn、Fe離子運(yùn)輸載體等基因，說明W6nk2籽粒鎘低積累特性可能與這些轉(zhuǎn)運(yùn)載體基因的上調(diào)表達(dá)相關(guān)。鎘脅迫引起東17中大量光合作用、運(yùn)輸、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等相關(guān)基因顯著下調(diào)，特別是PC合成酶基因(PCS)表達(dá)的下調(diào)；但萎縮不知中并未檢測(cè)

11、到PCS的變化，同時(shí)部分抗氧化酶(如CAT等)基因上調(diào)表達(dá)，說明植物體內(nèi)PCs的合成及抗氧化能力的提高對(duì)增強(qiáng)耐鎘性具有重要的作用。蛋白雙向電泳結(jié)果顯示，鎘脅迫引起不同耐鎘性大麥幼苗蛋白質(zhì)組水平發(fā)生變化，5μMCd處理后兩個(gè)基因型中共檢測(cè)到112個(gè)差異表達(dá)的蛋白點(diǎn)。進(jìn)一步通過質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫誘導(dǎo)部分抗氧化酶、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、運(yùn)輸以及光合和碳水化合物代謝等蛋白質(zhì)表達(dá)發(fā)生變化，特別是H+-轉(zhuǎn)運(yùn)二區(qū)室ATP酶和甘氨酸脫羧酶亞基在萎縮不知中表達(dá)上調(diào)

12、，而在東17中保持不變，說明兩者可能與大麥耐鎘性緊密相關(guān)。 5.外源NO和GSH對(duì)鎘脅迫下大麥生長及微量元素吸收的影響及基因型差異以耐鎘基因型萎縮不知和鎘敏感基因型東17為材料，水培試驗(yàn)，研究外源NO(SNP)、GSH對(duì)鎘吸收轉(zhuǎn)移及耐鎘性影響的基因型差異及生理機(jī)制。結(jié)果表明，5μMCd處理下，添加20mgL-1GSH均顯著降低了大麥幼苗對(duì)鎘的吸收和積累；兩個(gè)基因型地上部和地下部鎘含量在添加0.25mMSNP后也顯著下降，但地下部

13、鎘累積量卻出現(xiàn)不同程度的提高，以敏感基因型東17根部鎘積累量提高最為明顯。NO和GSH均顯著緩解大麥幼苗鎘毒害癥狀，兩個(gè)基因型株高、根長及生物量都比Cd處理顯著提高，尤其對(duì)敏感基因型Dong17緩解效應(yīng)更佳。表明GSH主要通過減少植物鎘吸收和積累緩解鎘毒害，而NO則可能存在其他緩解機(jī)制。 6.外源一氧化氮對(duì)大麥鎘毒害緩解效應(yīng)及基因型差異研究了外源NO對(duì)鎘脅迫大麥光合作用、細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)及活性氧代謝的影響及基因型差異。結(jié)果表明，添加

14、0.25mMSNP能顯著緩解鎘脅迫引起的葉綠體和根系細(xì)胞結(jié)構(gòu)的損傷，基本恢復(fù)葉綠體片層結(jié)構(gòu)的損傷，嗜鋨顆粒的數(shù)量顯著減少，淀粉粒積累增加；有效提高了根系分生組織細(xì)胞核膜的穩(wěn)定性和完整性。外源SNP對(duì)鎘脅迫引起的大麥氧化損傷有明顯的緩解效應(yīng)，顯著減少了葉片O2-和H2O2、MDA的累積，并能誘導(dǎo)地上部SOD、CAT及APX活性增強(qiáng)，敏感基因型的CAT和APX活性在Cd+NO處理下甚至顯著高于對(duì)照。對(duì)基因表達(dá)水平分析結(jié)果顯示，cAPX在Cd

15、+NO處理后表達(dá)量顯著回升，與其酶活測(cè)定結(jié)果一致，而POD和CAT1在表達(dá)水平與其酶活性變化并不一致。說明NO通過維持鎘脅迫大麥葉綠體和根系細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并誘導(dǎo)抗氧化酶活性，有效預(yù)防和清除鎘脅迫引起ROS的積累，維持體內(nèi)氧化還原平衡與較高的光合速率，從而起到解毒作用。此外，鎘脅迫誘導(dǎo)大麥體內(nèi)NO激發(fā)，5μMCd處理1d后，萎縮不知及東17葉片NO含量迅速上升，但東17根系NO含量未發(fā)生變化；兩個(gè)基因型葉片NOS活性同樣受鎘誘導(dǎo)應(yīng)激上升