水稻对有机胂胁迫的响应与硅调控机理

发布时间：2020-06-23 06:42

【摘要】：水稻是中国乃至世界上最主要的粮食作物之一,有超过50%的人口以大米为主粮,因此保障稻米安全尤为重要。重金属砷(As)污染是目前稻米存在的主要质量安全问题之一。不同形态砷的毒性存在较大差异,因此评价稻米中砷的食用安全性不仅要考察总砷和无机砷的含量,还需要综合考量稻米中有机胂形态及其含量。近年来,有关水稻对砷的吸收、转化、运转、累积、调控等研究工作日益增多,并获得了一定的成果。但先前的研究多集中在水稻某个生长期内对无机砷胁迫的响应状况以及稻米砷含量的变化等,而有关水稻在有机胂胁迫下的生长、吸收、代谢及其调控措施的研究国内外报道较少。有机胂如阿散酸(ASA)和一甲基胂(MMA)曾经在农业上被广泛应用,目前仍在工业上使用。本研究采用水培和土培方式,在构建水稻植株砷形态测定方法的基础上,测定总砷和不同形态砷含量、以及分析不同形态的有机胂在不同浓度下对水稻生长发育过程的影响,并结合研究不同有机胂形态胁迫下水稻生理生化特性的变化及施硅对有机胂胁迫的水稻生理机理,从而探讨水稻对不同形态有机胂胁迫响应和硅调控机理,为降低水稻吸收有机胂提供理论和实践依据。研究结果如下:1、构建了一种同时测定水稻植株及稻米中亚砷酸盐[As(Ⅲ)]、砷酸盐[As(V)]、MMA、二甲基胂酸(DMA)和ASA含量的高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱分析方法。各形态砷在0 mg/L~12.5 mg/L范围内线性良好,相关系数均在0.9995以上,5种形态砷的检出限为0.15μg/L~0.36μg/L,定量限为0.50μg/L~1.20μg/L,平均回收率在84.8%~105.6%之间,相对标准偏差为0.7%~4.2%。2、5个南方典型水稻品种耐有机胂的能力及对砷的累积存在差异。开展盆栽实验,以南方典型水稻天优116、广优116、天丰B、粤晶丝苗2号和黑米5个品种为研究对象,分析各品种水稻在成熟期吸收、转化ASA和MMA的特性。结果表明:ASA处理的水稻中检出As(Ⅲ)、As(V)、MMA、DMA和ASA,其中砷的具体形态种类及含量与水稻品种有关。根中砷含量最高,5种水稻根、茎、叶、穗、米中均累积As(Ⅲ)。杂交稻天优116总砷最多,其次是常规稻粤晶丝苗2号,糯稻黑米总砷最低。MMA处理的水稻中检出MMA、DMA、As(Ⅲ)和As(V),4种形态砷含量高低顺序为根叶茎穗。仅有天优116和广优116穗中积累了MMA、As(Ⅲ)和DMA,而其他水稻品种不育。天优116总砷最多,其次是广优116、天丰B和粤晶丝苗2号(这3种水稻总砷含量无显著性差异),黑米总砷最低。由此可得,杂交稻天优116的耐砷性和富集性较所其他4个品种的好。所研究的常规稻中耐砷性最好的是粤晶丝苗2号。为此选择天优116和粤晶丝苗2号分别作为杂交稻和常规稻中耐砷品种。3、研究了不同形态有机胂对水稻种子萌发的影响。以南方典型水稻黑米、天优116和粤晶丝苗2号3个品种为试验材料,开展了5个不同浓度ASA和MMA胁迫下水稻种子的发芽试验。结果表明,高浓度的2种有机胂均显著抑制了水稻种子的萌发、胚芽鞘和根生长及生物量的积累,且随着胂浓度的升高抑制作用增加。2种有机胂在25 mg/L时对不同品种水稻种子发芽的影响不同。由此可知,即使有机胂毒性较低,高浓度仍会抑制水稻种子的发芽。4、探讨了不同品种水稻对不同形态有机胂的动态归趋特征。通过开展盆栽试验,考察了在5个不同浓度ASA和MMA处理下,水稻天优116和粤晶丝苗2号不同生长期(分蘖期、灌浆期和成熟期)各组织中砷的动态变化特性。结果表明:ASA处理的2种水稻在分蘖期随着ASA添加浓度的升高,根、茎、叶中检出的As(Ⅲ)、As(V)和ASA(除粤晶丝苗2号叶外)含量均相应升高,且含量:ASAAs(Ⅲ)As(V);在灌浆期和成熟期检出As(Ⅲ)、As(V)、DMA、MMA和ASA,其中灌浆期ASA含量最高而成熟期As(V)含量最高。2种水稻的稻米中均检出As(Ⅲ)、DMA和MMA,且含量:有机胂无机砷。MMA处理的2种水稻3个生长期均检出As(Ⅲ)、DMA、MMA和As(V),且MMA含量最高。总体上随着MMA添加浓度的升高,4种形态砷含量均增加。MMA的杀雄作用导致仅有天优116在MMA添加浓度为50mg/kg有稻谷生成,并检出As(Ⅲ)和DMA,且含量:DMAAs(Ⅲ)。对照组仅检出As(Ⅲ)和As(V)。由此可得,水稻生长过程中通过根系吸收的有机胂逐渐向地上部迁移,并转化为其他砷形态累积到地上部各组织,其中,ASA主要是向As(V)转化,而MMA依然占主体,这可能与水稻对ASA和MMA的代谢途径不同有关。5、研究了水稻对有机胂胁迫的抗氧化响应特征。通过水培实验,研究了黑米、天优116和粤晶丝苗2号3种水稻幼苗期在生理水平上对ASA和MMA的抗氧化响应特征。结果表明,50 mg/L ASA处理可促进黑米和天优116地上部生长,而随着ASA处理浓度的增加,3种水稻的地上部和地下部生长受抑制,且丙二醛(MDA)含量和总砷含量升高;黑米和天优116地上部和地下部的抗氧化酶超氧岐化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性、抗氧化物谷胱甘肽(GSH)的含量及3种水稻地上部和地下部的可溶性蛋白含量均先增加后降低;黑米和天优116地下部的抗坏血酸(AsA)和可溶性蛋白含量、粤晶丝苗2号地上部和地下部的SOD、CAT、POD活性、GSH、AsA和可溶性蛋白含量均下降。50 mg/L MMA处理可促进黑米地下部生长,而随着MMA处理浓度的增加,3种水稻地上部和地下部生长均受抑制,且MDA含量和总砷升高;黑米地上部的CAT活性、黑米地下部的SOD、CAT、POD活性、抗氧化物GSH和AsA含量、3种水稻地上部和地下部的可溶性蛋白含量均先升后降;3种水稻地上部的SOD和POD活性、GSH和AsA含量及粤晶丝苗2号和天优116地下部的SOD和CAT活性、GSH和AsA含量均下降。结果表明,水稻抗氧化系统对不同形态有机胂胁迫响应不同,弱胁迫时水稻能通过增强抗氧化系统来防御有机胂胁迫造成的损伤,表现出较强的自我调节和抗胂胁迫能力;强胁迫时水稻体内的抗氧化系统被破坏,抗氧化能力下降。水稻耐胂胁迫大小与其品种及组织、砷形态及浓度有关。6、阐释了硅对水稻幼苗有机胂胁迫的生理缓解作用机制。通过开展水培试验,考察了施硅缓解苗期水稻(黑米、天优116和粤晶丝苗2号)遭受ASA和MMA毒害影响的生理作用机制。结果表明,100 mg/L(以As计)的ASA和MMA均会对水稻产生胁迫作用。在ASA(MMA)胁迫条件下加硅,能降低水稻脂质过氧化,提高SOD、POD和CAT的活性,增加GSH、AsA和可溶蛋白的含量,减少水稻幼苗对ASA(MMA)的吸收,促进水稻生长使得水稻抗性增强。本研究结果为施用硅肥缓解水稻有机胂胁迫和减少水稻对有机胂的吸收提供理论依据。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X503.231;S511
【图文】：

色谱图,砷形态,混合溶液,色谱图

究选择流动相的 pH 为 5。2.3.3.4 流动相流速的优化流动相流速不仅影响色谱柱的寿命，也与物质的分离效果密切相关。本研究结合方法所用柱子类型，在 0.8 mL/min、1.0 mL/min、1.25 mL/min、1.5 mL/min 流之间选择，从色谱图的分离度、峰容量、柱压等指标来看，当流速为 0.8 mL/min 时5 种砷形态的出峰时间均增加，而且峰形变宽。当流速为 1.5 mL/min 时，由于出时间减小，As(Ⅲ)、DMA、MMA 的色谱峰出现重叠。尽管流速为 1.25 mL/min 时5 种砷形态能较好分离，但色谱柱的柱压较高。由于 As(III)、MMA、DMA 出峰间间隔较小，若遇到复杂基质或色谱柱分离性能下降而可能会导致这 3 个峰不能离。当流速为 1.0 mL/min 时，也能取得 5 种砷形态较好的分离，色谱柱的柱压较速为 1.25 mL/min 的低，分离效果较好。为更好的使用色谱柱，最后选择流动相流速为 1.0 mL/min。结合以上优化的高效液相色谱条件，进行实验，获得的色谱图见图 3.1。

图谱,样品,砷形态,华中农业大学

华中农业大学 2018 届博士研究生学位（毕业）论文从表 2.7 各形态的检测结果可以看出，根据盆栽实验条件获得的稻米中 As 主要以As(III)形式存在，对应的含量为0.701 mg/kg ~ 1.206 mg/kg，其次为DMA和MMA，对应的含量分别为 0.978 mg/kg ~ 2.177 mg/kg 和 0.420 mg/kg ~ 0.611 mg/kg。盆栽实验获得的水稻茎和叶中均能检测出 As(Ⅲ)、DMA、MMA、As(Ⅴ)和 ASA 5 种砷形态。由于盆栽实验是添加 ASA，为此，在获得的水稻植株茎和叶中 ASA 含量较其他 4 种砷形态含量高。

【参考文献】