水稻植株内外磷素供应状况及磷饥饿信号影响镉积累的分子生理机制研究

发布时间：2020-09-30 18:11

　　土壤镉污染和磷肥的过量施用是存在于农业生产中的两个非常严重的问题。减少磷肥的施用量,提高作物对磷素的利用效率对于农业的可持续发展至关重要。但减施磷肥是否会增加作物中镉积累的风险,目前尚不明确。为了解析这个问题,我们借助野生型(WT)、磷饥饿信号抑制突变体(phr2)和体内无机磷含量高(PHR2-OE)的水稻转基因材料,通过分别在高磷(HP)和低磷(LP)条件下外源添加镉处理,解析磷/镉信号间的可能互作,并分析水稻植株体内和体外磷素状况以及内部磷饥饿信号对植株镉积累的影响;同时通过非损伤微测技术明确外界磷素供应状况对水稻根系镉吸收的影响,最终解析植株体内与体外磷素状况对镉吸收及积累的影响。研究的主要结果和结论如下:(1)镉胁迫会影响野生型水稻植株的磷积累和磷饥饿信号。在高磷条件下,镉胁迫会导致地上部磷的含量显著增加。qRT-PCR结果显示:无论在高磷还是低磷条件下,镉胁迫均会抑制OsIPS1、OsPT6和OsPT10在地上部的表达;当磷素充足时,镉处理条件下OsIPS1、OsPT6和OsPT10在根中的表达量均高于不加镉处理;在低磷条件下,OsIPS1、OsPT6和OsPT10在根中的表达量在加镉处理和不加镉处理之间没有显著差异。以上结果暗示,高磷条件下,镉胁迫会诱导水稻根中磷信号,促进磷的吸收和转运,从而增加地上部磷含量。(2)体内外磷素状况和磷信号的改变不影响镉的积累与镉对植株生物量的抑制率。通过分析HP、HP/+Cd、LP和LP/+Cd培养条件下WT、phr2和PHR2-OE植株的生物量,结果发现镉胁迫会显著抑制不同遗传材料的生物量。然而,统计分析Cd对不同遗传材料生物量的抑制率发现,无论是在高磷还是低磷条件下Cd对WT、phr2、PHR2-OE植株根和地上部生物量的抑制率均没有显著差异。同时通过ICP测定植株中的镉含量,结果显示WT、phr2和PHR2-OE植株地上部或根中镉的积累量在高磷和低磷条件下均无显著差异。(3)体内外磷素状况和磷信号的改变不影响镉的主要转运蛋白基因OsNramp5的表达。虽然在镉胁迫条件下,低磷会显著抑制OsIRT1和OsIRT2在根中的表达量,但对镉的主要转运蛋白基因OsNramp5的表达量没有显著影响。(4)外界磷素状况不影响植株根系对Cd~(2+)的吸收速率。根系的Cd~(2+)流速在加磷和无磷条件下没有显著的差异。综上所述,镉胁迫可能通过影响根系磷素信号,促进野生型植株地上部的磷积累增加。而体内外磷素状况的不同并不影响水稻镉的吸收速率和积累量,因此,减少磷肥的施用量,并不会增加水稻镉积累的风险。
【学位单位】：中国农业科学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S511
【部分图文】：

镉处理,供磷水平,表型分析,高磷

位论文第三章不同供磷水平下镉处理对水稻生长不同供磷水平下镉处理对水稻生长和镉积累水平下镉处理对水稻生长的影响水平下镉处理水稻表型分析供磷水平下镉处理对水稻生长的影响，本研究将野生型 WT 在至高磷（HP），低磷（LP），高磷加 10μMCdCl2（HP+Cd）以的营养液中，继续培养两周，观察表型。结果发现：在加镉条的生长均受到严重抑制（图 3.1）。对植株的株高和根长分析发图 3.2 和 3.3）。高磷条件下镉胁迫导致株高减小了约 13%，低条件下镉对株高的抑制程度高于高磷条件；高磷条件下和低磷 26%和 27%，两者之间差异不大。另外，本研究也测定了植株如图 3.4 所示，镉胁迫会显著降低水稻叶片的 SPAD 值，在高和 7%左右，表明高磷条件下镉对水稻叶片 SPAD 值得抑制程度

低磷,高磷,磷素状况,根长

体外不同供磷水平镉处理条件下，外界磷素状况对 Cd 对生物量的抑制率及植株中的镉积累没有显著影响，那么体内磷素状况和体内磷信号改变后是否也有同样的结果呢？本研究为了探明体内磷素状况及体内磷信号改变是否会影响水稻中镉的积累，选择体内磷信号受到抑制的突变体phr2 及体内磷信号显著诱导的过表达材料 PHR2-0E 作为实验材料，将野生型 WT、突变体 phr2及过表达材料 PHR2-0E 在全营养液中培养 10 天后，分别转移至高磷（HP），低磷（LP），高磷加10μMCdCl2（HP+Cd）以及低磷加 10μMCdCl2（LP+Cd）的营养液中，处理两周，观察表型。结果发现：在加镉条件下，无论是高磷还是低磷处理，野生型 WT、突变体 phr2 及过表达材料PHR2-0E 的生长均受到严重抑制（图 4.1）。对水稻植株株高和根长进行了测量，结果如图 4.2 和4.3 所示，除低磷条件下镉胁迫对株高的影响不显著外，不管高磷还是低磷条件下，加镉条件下，WT、phr2 和 PHR2-OE 水稻植株的株高和根长都显著降低。用体视镜观察了侧根的表型，并对侧根根长进行了测量，如图 4.4 所示，结果发现：镉胁迫下，侧根根长显著减小；，加镉条件下，与高磷条件相比，低磷条件下野生型水稻侧根显著减小，而 phr2 和 PHR2-OE 的侧根根长没有显著差异。测定水稻叶片 SPAD 的结果如图 4.5 所示，除低磷条件下 phr2 植株的 SPAD 不受镉胁迫影响外，不管高磷还是低磷条件下，加镉条件下，WT、phr2 和 PHR2-OE 水稻植株 SPAD 均显著降低。

吸收速率,外界,浓度,镉离子

农业科学院硕士学位论文第五章水稻对镉的吸收转运的相关研究MR）进行测定，将野生型 WT 播种在高磷（＋P）和无磷（－P）的营养液中，处理 10 天，测定伸长区图 5.2 a 中箭头所指位置的镉离子吸收速率，每个样本测定 15 min，重复 4 次。显示：无论在高磷还是低磷条件下，WT 对镉离子的吸收速率均无显著差异，说明外界磷浓不影响水稻对镉的吸收（如图 5.2）。

【参考文献】