稀土镧对大豆种群繁殖率的影响

发布时间：2020-06-13 02:35

【摘要】：稀土元素(rare earth elements,REEs)在工业、农业及新兴产业领域大量使用,导致环境中REEs累积量逐渐攀升,成为无法忽视的环境问题。以往对REEs暴露风险的植物学评价研究内容丰富,但多从个体层级进行探讨,而种群作为物种在自然界存在的基本单位,从种群层级进行研究则更符合客观实际。研究显示REEs对大豆植株的危害因种群密度差异而不同,然而,种群特征复杂,各参数对环境的指示效应不尽相同,而繁殖率影响种群的资源利用、竞争、生存,也是制约种群动态的关键因素之一。因此,如能利用种群繁殖率对REEs暴露的环境安全进行评价,或有一定现实意义。鉴于此,本研究采用模拟环境中REEs暴露的实验设计,从种群层级探究REEs植物污染效应,以美国环境保护署推荐用于毒理学研究的经济作物大豆(Glycine max)种群为实验材料,选取环境中普遍存在的REEs镧[La(Ⅲ)]作为REEs代表,通过模拟REEs污染,在幼苗期、花荚期和鼓粒期内进行La(Ⅲ)处理植株后生长至成熟期,结合测定表征种群繁殖率的相关指标,来研究La(Ⅲ)对不同密度大豆种群繁殖率的影响,并从种群构件生长和呼吸作用的视角来揭示其影响机理。主要研究结果如下:(1)La(Ⅲ)对大豆种群繁殖率的影响。对于幼苗期大豆种群,低浓度La(Ⅲ)(0.08mmol·L~(-1))处理降低低密度(10株/盆)大豆种群荚数、粒数、百粒重和繁殖率,而促进中、高密度(20、30和40株/盆)大豆种群荚数、粒数、百粒重和繁殖率;中、高浓度La(Ⅲ)(0.40和1.20 mmol·L~(-1))处理对于所有密度大豆种群上述指标均呈现抑制作用。对于花荚期和鼓粒期大豆种群,低浓度La(Ⅲ)处理促进上述指标,而中、高浓度La(Ⅲ)抑制上述指标,且抑制程度随La(Ⅲ)浓度增加而增加。同步观测发现,La(Ⅲ)对不同密度大豆种群上述指标的抑制作用随着种群密度增加而减弱。La(Ⅲ)对不同生育期大豆种群上述指标的影响程度总体呈现:幼苗期花荚期鼓粒期。(2)从种群构件生长角度揭示La(Ⅲ)对大豆种群繁殖率的影响机理。对于幼苗期大豆种群,低浓度La(Ⅲ)处理降低低密度大豆种群叶面积、茎长、根长、根体积、根表面积、地上部干重和地下部干重,而促进中、高密度大豆种群上述指标;中、高浓度La(Ⅲ)处理下对于幼苗期大豆种群上述指标均呈现抑制作用。对于花荚期和鼓粒期大豆种群,低浓度La(Ⅲ)处理促进上述指标,而中、高浓度La(Ⅲ)抑制上述指标,且抑制程度随La(Ⅲ)浓度增加而增加。同步观测发现,La(Ⅲ)对于不同密度大豆种群上述指标的抑制作用随La(Ⅲ)处理时间延长而增加,随种群密度增加而减弱。相关性分析显示:幼苗期处理,大豆种群繁殖率指标主要与根系构件指标呈现相关性,表明幼苗期下主要通过影响根系对养分的吸收以及呼吸作用能量的供应来影响繁殖率;花荚期和鼓粒处理,大豆种群繁殖率指标与构件指标均呈现相关性,这表明花荚期下作为生长发育旺盛期,需要构件生长来给予有机物和能量的供应,而鼓粒期下主要进行籽粒的形成和发育,这也是鼓粒期较花荚期相比在百粒重的相关性更强的原因。La(Ⅲ)对不同生育期大豆种群上述指标的影响程度总体呈现:幼苗期花荚期鼓粒期。主成分分析也可证明上述论断。(3)从种群呼吸作用角度揭示La(Ⅲ)对大豆种群构件生长的影响机理。对于幼苗期大豆种群,低浓度La(Ⅲ)处理降低低密度大豆种群光呼吸速率(P_r)、暗呼吸速率(R_d)、光呼吸关键酶(GO、GS、CAT)活性、暗呼吸关键酶(HK、PK、ICDH、COX)活性,而促进中、高密度大豆种群上述指标;中、高浓度La(Ⅲ)处理对于幼苗期大豆种群上述指标均呈现抑制作用。对于花荚期和鼓粒期大豆种群,低浓度La(Ⅲ)处理促进上述指标,而中、高浓度La(Ⅲ)抑制上述指标,且抑制程度随La(Ⅲ)浓度增加而增加。同步观测发现,La(Ⅲ)对于不同密度大豆种群上述指标的抑制作用随La(Ⅲ)处理时间延长而增加,随种群密度增加而减弱。相关性分析显示:幼苗期处理,大豆种群呼吸作用主要与地上构件生长呈现相关性,表明幼苗期主要影响着叶片光合作用有机物的积累以及茎长对光资源和空间的利用效率;花荚期和鼓粒期处理,大豆种群呼吸作用和构件生长均呈现相关性,这与所处生长旺盛的发育期有关,供应有机物和能量以满足构件生长及后期籽粒的形成发育。La(Ⅲ)对不同生育期大豆种群上述指标的影响程度总体呈现:幼苗期花荚期鼓粒期。主成分分析也可证明上述论断。通过上述研究发现,La(Ⅲ)对大豆种群繁殖率、构件生长和呼吸作用的影响随着种群密度的增加而减弱,且中、高浓度La(Ⅲ)对大豆种群上述指标的抑制作用随着La(Ⅲ)浓度的增加和处理时间的延长而增强;同步观测显示,La(Ⅲ)对不同生育期大豆种群上述指标的影响程度总体呈现:幼苗期花荚期鼓粒期。
【图文】：

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图 2-2 La(III)对花荚期大豆种群繁殖率参数的影响。所有数据均显示为平均值±标准差。Fig. 2-2 Effects of La(III) on the reproduction rate parameters of soybean population at the floweringand podding stage. All values show mean value ± standard error (SE).花荚期作为植物营养生长和繁殖生长的重要阶段[88]，其生长发育状况对于后期植物种群繁殖率的高低有着重要影响。上述研究表明，低浓度 La(III)处理下，与对照相比，所有密度下大豆种群荚数、粒数、百粒重和繁殖率均呈现增加趋势；而低浓度下对低密度大豆种群上述指标的促进作用有别于幼苗期下的抑制作用，这可能是由于花荚期大豆种群植株构件生长旺盛，生物量增加，这使得同等浓度 La(III)处理下植株单位生物量镧含量降低，故而表现为 REEs 对植物的促进作用[90]。中、高浓度 La(III)处理下，对于所有密度大豆种群的上述指标均呈现抑制作用，且随着 La(III)浓度的增加而增强，同时抑制程度较幼苗期有所减弱，这可以解释为中、高浓度镧会破坏线粒体结构，抑制大豆种群呼吸作用[92]，，故无法为种群构件生长所需提供足够的能量，进而会抑制种群构件生长，而构件生长受抑则无法为种群繁殖器官的生长发育提供足够原料，最终降低种群繁殖率；同时，花荚期大豆种群植株较幼苗期生物量大，故而减弱同等 La(III)浓度下的抑制作用。同步观测显示，REEs 对于大豆种群上述指标的影响作用随着种群密度的增加呈

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第二章 La(III)对大豆种群繁殖率的影响这可能是因为鼓粒期大豆植株生长发育基本完成，其有机物和能量等资源主要向繁殖器官输送，即进行籽粒的形成和积累[88]，而籽粒的数量和表征质量的百粒重对繁殖率和繁殖状况有着主要影响，故而稀土 La(III)污染在此阶段的影响较为显著。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S565.1;X503.231

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