硅缓解水稻酸雨胁迫效应及机制研究

发布时间：2020-04-01 01:30

【摘要】：酸雨是重要的环境胁迫因子,导致农业生态系统的破环,作物减产。硅在土壤及植物体中大量存在,属植物有益元素,能提高植物的抗逆性,促进植物生长。水稻是酸雨区主要经济作物之一,常年单一种植喜硅作物水稻,导致土壤中植物有效性硅的流失,土壤缺硅,降低水稻的抗逆性。因此酸雨胁迫下,硅元素对水稻影响的探讨具有重要的意义。本文采用室内模拟实验,以水稻为研究对象,从生理生化、营养吸收、组织结构的角度,探讨了硅对水稻幼苗酸雨胁迫的效应及作用机制。主要研究成果如下:(1)硅和酸雨对水稻生长的影响呈现明显的剂量效应。单一硅(1,2或4mM)处理,随着硅浓度增加生长指标均呈先升高后降低的趋势,硅对水稻地上部的生长均呈促进作用,而4 mM高浓度硅明显抑制根系生长。单一酸雨处理,pH 4.0轻度酸雨能促进水稻幼苗的生长,pH 3.0中度酸雨抑制水稻生长,但效果不显著,而pH 2.0重度酸雨显著抑制水稻幼苗生长。轻度、中度酸雨条件下,低、中浓度硅添加(1或2 m M)显著促进水稻幼苗生长,重度酸雨胁迫下,硅添加(1,2或4 mM)显著促进水稻幼苗生长。同一pH酸雨胁迫下,随硅浓度增加,生长指标呈先升高后降低的趋势,2 mM硅达到最高值。轻、中度酸雨能缓解高浓度硅对水稻根系生长的抑制效应。(2)分析了酸雨胁迫下硅对水稻幼苗养分吸收利用的影响。酸雨(pH 4.0,3.0,2.0)干扰了水稻对矿质元素的吸收,中、重度酸雨造成水稻硅含量的下降,外源硅的添加明显缓解了水稻体内硅元素含量下降,随硅浓度增加,缓解效应呈先升高后降低的趋势。相关分析显示水稻地上部、地下部生物量与对应部位硅含量呈极显著正相关。重度酸雨导致植物地上部、地下部K,Ca,Mg,Cu,Zn和Fe急剧变化,而外源硅的添加明显缓解了这些元素的急剧变化,维持了水稻体内矿质元素的相对平衡。(3)研究了酸雨胁迫下硅对水稻幼苗生理生化特性的影响。中、重度酸雨胁迫导致水稻植物体内过氧化氢(H_2O_2)显著升高,丙二醛(MDA)及可溶性蛋白含量降低。外源硅(1,2或4 mM)的添加显著提高了CAT、POD、SOD、APX活性,降低了H_2O_2含量,提高了MDA和可溶性蛋白含量。中度和重度酸雨明显降低水稻幼苗了光合速率(P_n)、叶绿素含量、气孔导度(G_s)、PSⅡ最大光化学量子产量(F_v/F_m)和PSⅡ实际光化学量子产量(Yield),提高了胞间CO_2浓度(C_i),损伤了叶绿体结构,而硅添加明显提高了P_n、叶绿素含量、G_s、F_v/F_m和Yield,降低了C_i,改善了叶绿体结构。酸雨胁迫下,硅施用提高了水稻幼苗体内的抗氧化酶活性,降低了氧化伤害,提高了光合效应,以中浓度硅(2 mM)效应最好。(4)探讨了酸雨胁迫下硅施用对水稻幼苗叶片表皮组织结构的影响。中浓度硅和轻度酸雨单一或复合处理促进叶片生长和叶肉细胞发育,复合效应高于单一处理。高浓度硅与中、重度酸雨单一处理抑制水稻叶片生长,损害叶肉细胞。中度、重度酸雨胁迫下,硅添加促进水稻叶片生长,降低叶片坏死斑,维持细胞的结构,增加表皮蜡质含量、乳突密度,改善气孔特征及气孔功能,以2 mM硅效应最好。酸雨胁迫下,适量硅的施用改善了水稻叶片表皮组织结构,维持了养分吸收的相对平衡,提高了抗氧化酶活性,降低了氧化伤害,保护了光合效应,提高水稻对酸雨胁迫的抗性,促进植株生长。
【图文】：

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图 1-1 2016 年全国降水 pH 年均值等值线分布示意图（2016 年中国环境状况公报）Figure 1-1Aschematic diagram of the contour distribution of the national precipitationpH. in 2016 (Bulletin on the State of the Environment in China 2016)（2）酸雨的化学组成酸雨化学组分主要为阳离子 H+、Ca2+、NH4+、Na+、K+和 Mg2+以及阴离子SO42-、NO3-、Cl-等[147]。美国东南部 pH 值一般为 3.5～5.8，最低 pH 值为 1.5；欧洲地区的酸雨 pH 值一般 3.5～5.5[148]。我国酸雨 pH 值为 3.0~4.5[149,150]，最低曾达到 1.3[151]，酸雨中离子总浓度相对欧洲和北美等地区来说较高，是因为我国以煤为主要能源，酸雨中 SO42-浓度占绝对优势，高于欧美地区 3 倍。酸雨中主要离子 SO42-、NO3-、Ca2+、NH4+离子浓度总和占酸雨总离子浓度比例约为70%[6,152]，根据 S，N 元素比例酸雨分为硫酸型，混合型及硝酸型[153]，主要胁迫因子是 H+离子。《2016 年中国环境状况公报》数据显示，我国降水中的主要阳离子为Ca2+和NH4+，分别占离子总当量的24.0% 和14.5%；主要阴离子为SO42-，

实验设施

图 2-1 实验设施Figure 2-1 Experimental facility子（镇稻 95，徐州种子有限公司提供）恒温 25 1℃，浸内的纱网上，覆盖 1.5cm 厚度的珍珠岩，人工气候箱内催时（6 天苗龄），水稻幼苗转移到 1/4 强度的水稻营养液中，水稻幼苗转移到 1/2 强度的水稻营养液中进行培养，苗转移到全强度的水稻营养液中进行培养，实验在温室5 5℃，湿度 50~70%，，光周期为自然光周期。养液采用国际水稻研究所提供的配方（International 称IRRI）[179]，稍做调整，配方如下：2.9mMNH4NO3，0.32O4，1.0mMCaCl2，1.7mMMgSO4·7H2O，36μMFeCl3·μMMnCl2·4H2O，0.16μMCuSO4·5H2O，0.15μMZnSOoO4·4H2O 和 77.42μM 柠檬酸。pH为5.5，用1MNaO。实验中用到的1/4 和1/2 强度的IRRI水稻营养液，仅大
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X517;S511

【参考文献】