水稻中植硅体对外源镧固定效应研究

发布时间：2020-06-08 08:03

【摘要】：稀土元素(REEs)的广泛应用触发其在环境中持续积累已是不争事实。环境中REEs通过植物根进入植物各种器官组织内,而植物植硅体却可以将其固定(封存)。硅(Si)、水分和pH是重要的环境影响因素,它们在现实中能够与REEs同时存在于环境中,并与REEs共同影响着植物的生长和发育。本文以高硅积累作物水稻(Oryza sativa L.)为研究对象,以镧[La(III)]为REEs代表,通过设置不同浓度La(III)和不同浓度Si、不同浓度La(III)和不同浓度PEG6000、不同浓度La(III)和不同pH正交实验,模拟复合污染环境,利用微波消解等方法提取水稻不同部分组织的植硅体,以ICP-AES和QRT-PCR等实验手段,采用生理学、分子生物学、物理化学等方法,研究模拟环境对水稻各部分组织植硅体镧固定生物学效应的影响,从环境生态角度、生理学角度、细胞生物学角度和分子水平揭示水稻植硅体束缚镧机制的稳定性、影响因素,及其产生的原因。主要研究结果总结如下:(1)La(III)、pH、水分和Si是影响水稻植硅体镧固定的重要外因。环境La(III)能够提升萌发水稻种子的植硅体镧固定数量(PLCS)和植硅体镧含量,能够提升水稻植株各部分的植硅体镧含量。低浓度La(III)能提升水稻各部分PLCO(PLCO=PLCS),而高浓度La(III)对水稻叶、茎的PLCO有抑制作用,而对根、米粒(碾米)有促进作用。酸雨、水分缺失(干旱)加重和硅应用均能提升水稻(种子和叶部)的植硅体镧含量和PLCS/PLCO。La(III)与酸雨复合处理、La(III)与干旱复合处理均会抑制萌发水稻种子植硅体镧含量和PLCS。La(III)与环境pH 5.5复合处理,以及La(III)与环境PEG 0 g/L复合处理,均能使萌发水稻种子植硅体镧含量和PLCS获得显著提升。La(III)和Si复合作用能提升各部分PLCO,且增加Si浓度或使用低浓度La(III)(20 mg/L)能够提升水稻各部分植硅体固镧能力(PLSA),反之亦然。提升水稻各部分PLSA有利于降低体内La(III)的积累。水稻叶PLSA最高,米粒最低。水稻叶植硅体固镧作用(PLCO和PLSA)对镧积累影响最显著,而米粒最差。与地下部分(根)相比,水稻地上部分(叶和茎)的植硅体镧含量更低,但植硅体含量、PLCO和PLSA更高,叶最明显。成熟期水稻叶植硅体镧含量、PLCO和PLSA都会高于幼苗期,而根部则相反。与灌浆期相比,成熟期米粒的镧含量较少,而成熟期米粒植硅体镧含量和PLSA都在增加(PLCO变化不显著)。因此,在实际环境中,保持较低浓度La(III)将能够提升水稻各部分植硅体固镧效果,而维持环境长期Si和La(III)胁迫不仅会提升水稻各部分的植硅体固镧潜力,而且还会使米粒中镧积累降低,从而能够减轻La(III)对环境风险与食品安全的威胁。在REEs污染物存在的环境中,避免环境遭受酸性液体(例如酸雨)污染,并保持环境充足水分,将有助于提升水稻植硅体镧固定作用。(2)水稻植硅体对La(III)的固定作用显著,硅转运蛋白是影响水稻植硅体镧固定的重要内因。水稻植硅体有稳定的固镧机制。外源La(III)应用能够提升水稻各部分(叶、茎、根)植硅体与La(III)复合结构的稳定性,提高植硅体对La(III)的束缚能力,减少植硅体Si/La比值和增加植硅体Si含量。低浓度La(III)可以使叶哑铃型植硅体大小和根Os Lsi1表达水平增加,促进叶和根PLSA。而过高浓度La(III)则会使叶哑铃型植硅体大小、根OsLsi1、OsLsi2和叶、茎、根PLSA受到抑制。低浓度La(III)和Si复合作用能提升叶和茎PLSA,根OsLsi1是影响叶植硅体固镧能力的重要因素。外源Si能够缓解高浓度La(III)对叶、茎和根PLSA的抑制作用,根OsLsi2是影响根植硅体固镧能力的重要因素。(3)植硅体形态是影响水稻植硅体镧固定的重要内因。哑铃型植硅体和导管型植硅体在水稻种子和水稻叶中都占据绝对数量优势。在水稻萌发种子中,仅在高浓度La(III)(100 mg/L和300 mg/L)影响下导管型植硅体对植硅体镧固定有显著影响;在水稻叶中,各种浓度La(III)(20 mg/L、100 mg/L或300 mg/L)都使导管型植硅体显示出对植硅体镧固定的显著影响力;而叶哑铃型植硅体则只在高浓度La(III)(300 mg/L)影响下对植硅体镧固定有较显著的影响力。在La(III)与环境pH以及La(III)与环境PEG复合处理中,水稻萌发种子导管型植硅体均对植硅体镧固定影响显著,但哑铃型植硅体则均没有影响。在La(III)浓度20 mg/L与Si浓度90 mg/L复合处理中,水稻叶导管型和哑铃型植硅体共同影响着植硅体镧固定。在La(III)浓度20 mg/L(或300 mg/L)与Si浓度15 mg/L复合处理中,叶哑铃型植硅体对植硅体镧固定均有显著影响,而叶导管型植硅体对植硅体镧固定的影响均不显著;在La(III)浓度100 mg/L(或300 mg/L)与Si浓度90 mg/L复合处理中,结果却相反。在其余复合处理条件下,叶导管型植硅体和叶哑铃型植硅体均没有显示出对植硅体镧固定的显著影响。因此,在不同模拟环境中,不同水稻植硅体形态对植硅体镧固定起到的作用不同,应当重点关注不同形态类型植硅体与植硅体镧固定的成因差异。(4)植硅体镧固定对水稻光合和水分生理有重要影响。La(III)和Si是影响水稻植株光合作用、水分代谢和植硅体镧固定行为的重要因素;La(III)和Si的阈值分别为20 mg/L和90 mg/L;在模拟环境中,La(III)和Si低于阈值能够提升水稻植株光合作用、水分代谢、植硅体形态尺寸、植硅体含量和植硅体固镧能力,帮助水稻进一步降低La(III)对环境的潜在威胁;而高于阈值则相反,会产生抑制作用,加重La(III)对水稻的毒性作用。适当浓度Si应用能够通过提高水稻植株植硅体固镧能力帮助水稻克服高浓度La(III)对水稻的毒性作用,提升水稻的光合作用和水分代谢;而过量浓度Si会带来相反的影响,从而威胁水稻的生长和发育。相关性分析显示,水稻叶的光合作用和水分代谢相关性显著,它们共同决定水稻地上部分(叶和茎)植硅体镧固定,因此,植硅体镧固定对水稻植株光合和水分代谢生理变化有重要影响。(5)植硅体镧固定对水稻种子萌发生理有重要影响。La(III)能够通过影响水稻种子萌发生理而影响植硅体形成,却不能影响植硅体镧固定效率,但可以通过改变植硅体数量而影响植硅体镧固定总量。酸性环境(pH 4.5和pH 3.5)能够通过影响水稻种子萌发生理而改变植硅体镧固定,而环境水分则不能。两种模拟环境[La(III)与酸性环境复合作用、La(III)与水分缺失环境复合作用]对水稻种子萌发和植硅体镧固定均有抑制作用,复合环境的抑制作用明显高于单一La(III)环境;复合环境较难通过影响水稻种子萌发生理而改变植硅体镧固定,但是复合环境能够通过影响水稻萌发种子植硅体镧固定效率(植硅体镧含量)而改变植硅体镧固定数量(PLCS)。通过相关性分析得出,在两种模拟环境[La(III)与酸性环境复合作用、La(III)与水分缺失环境复合作用]中,水稻种子萌发(指标)均与其植硅体镧固定(植硅体镧含量)有密切的联系,并且在水分供给充足环境(不受干旱影响,PEG浓度为0 g/L)中,水稻种子萌发与植硅体镧固定关系最紧密。植硅体对镧的固定是水稻种子萌发受到模拟环境影响而产生变化的重要结果。在有REEs污染物存在的环境中,保持充足的水分供给和避免酸性液体污染(如酸雨)是提升水稻种子萌发生理的有效方法。(6)上述结果显示,水稻植硅体与La(III)的复合结构是一种典型植物La(III)固定模式,环境pH、环境水分、外源Si和外源La(III)都是植物植硅体镧固定的重要环境因素,植硅体有助于降低La(III)对环境构成的潜在威胁。在REEs环境污染风险评估时,既要考虑单一环境因素对植物植硅体因素的影响,也要考虑复合环境因素对植物植硅体因素的影响。在REEs污染物存在地区,应当重点关注这种植硅体生物复合结构与幼苗期植物植株REEs毒性伤害的关系。
【图文】：

Williams 依据无定型水合硅的化学特性描绘了这种硅形态的化学结构[6](图 1-1)。在图1-1 中，许多不同的羟基伴随在硅的周围，这些硅与羟基组成的结构几乎没有重复，并且这种硅结构有很低的表面电荷。Fraysse 等人证实了这个假设，，并发现伴随植硅体结构变得复杂和 pH 的升高，无定型硅的表面电荷会开始轻微下降[7]。无定型硅的化学活性比晶体硅(SiO2)更活跃，这个性能使其容易与金属或重金属阳离子相结合[8]。生物材料中的硅可以被强酸所溶解。Nonozamsky 等人用浓盐酸和氢氟酸(HF)溶解预处理后的植物地上组织样品，通过过滤去除植物残渣后对待测液体进行硅测量[9]。Jones 和 Dreher 将待测样品与强酸液体(如由硝酸与盐酸混合而成的王水)混合植入密封的消解管中，经过低温加热后，再用稀酸[如硼酸(H3BO3)或盐酸(HCl)]低温溶解剩余的残渣后测定样品中硅的含量[10]。Fraysse 等人用浓硝酸和氢氟酸对从植物中提取出的植硅体样品进行消解，用 ICP-MS 分析了多种矿质元素[7]。实际上

属植物硅溶解比较[19]。左边 Y 轴代表酸溶法提取的硅，而提取的硅。n between the acid digestion with the alkaline digestion. The Yith acid methods, while the Y-axis on the right indicates the Sialkaline digestion.iO2·nH2O)遇到强碱会溶解，在强碱环境中(pH > 9.0Fraysse 等人发现植硅体的溶解度会伴随 pH 值的升个化学特性，生物材料中的硅可以用氢氧化钠(Na酸稀释后，测定样品的总硅含量[22]。Elliott 和 Snyd试剂，采用高压蒸汽消解的方法测定水稻秸秆中的氧化钠对植物植硅体样品进行溶解[24]。偏硼酸锂(能够将材料中的生物硅溶解释放，而且还能溶解使用偏硼酸锂熔剂在 500oC 去除了土壤样品中的有熔剂在 950oC 高温下熔解了水稻和狗尾草等禾本[8, 27]。钠(Na2CO3)也是具有强碱性。Saccone 等人从木贼
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X173


本文编号：2702783