水稻铬胁迫耐性的遗传分析与还原型谷胱甘肽缓解铬毒害的机理研究

发布时间：2020-08-07 11:47

【摘要】：铬(Cr)是一种过渡金属元素,在土壤、水体和大气中均有分布,具有多种氧化态,以三价和六价最为稳定。随着环境污染的加剧,农田十壤的铬含量逐渐提高,对农业生产与农产品安全造成了严重威胁。本研究以亲本在铬积累存在明显差异的杂交组合(ZYQ8/JX17)构建的一个水稻DH群体为材料,确定与铬耐性相关的数量性状位点和鉴定耐铬性差异显著的株系：进而以耐铬株系117和铬敏感株系41为材料,通过外源添加还原型谷胱甘肽(reduced Glutathione, GSH)的方式,研究其对铬形态、吸收、转运、累积和分布的影响,并从抗氧化系统、细胞活性和超微结构、巯基化合物、水分与养分吸收以及有机酸分泌等方面了解水稻铬毒害的缓解作用和相关机理。主要研究结果如下： 1铬胁迫下水稻DH群体各株系的生长表现和铬耐性相关性状的QTL定位以一个水稻双单倍体(Double Haploid, DH)群体为材料,利用数量性状位点(Quantitative Trait Loci, QTL)定位分析,研究了铬胁迫下不同株系的生长和铬含量差异。结果表明,铬处理下,亲本ZYQ8和JX17的株高、根长、叶绿素含量和地上部干重均降低,而根干重稍有增加；群体的平均株高、根长和地上部干重均表现下降,而平均根干重和叶绿素含量影响较小。水稻铬含量根显著高于地上部,且群体各株系间差异显著。鉴定到多个与铬耐性相关的QTL位点,但它们只能解释不到10%的表型变异；鉴定到两个与铬含量相关的QTL位点,它们均位于第10号染色体的同一遗传区间,可解释近11%的表型变异。另外,锌含量与铬含量呈正相关,但相关的QTL位点只能解释很小的含量变异。 2水稻DH群体不同铬耐性株系的鉴定利用权重分析法对铬胁迫下水稻DH群体各株系的生长表现进行了研究,从中鉴定到铬耐性差异显著的株系。在考察的生长性状中,铬胁迫对地上部干重的影响最大,对叶绿素含量的影响最小。株系117和101的加权综合分值最高,41和49的分值最低。根部铬含量株系117显著大于41,而根部铬累积量两株系恰好相反。铬胁迫显著抑制两亲本及群体各株系的锌含量,亲本的地上部锌含量下降较多,而根部含量受影响较小。由此可以认为,株系117和101的耐铬性较强,而株系41和49耐铬性较弱。 3外源谷胱甘肽对水稻铬毒害的缓解效应与最适浓度筛选研究了外源添加GSH对缓解水稻铬毒害的效应。结果显示,在无铬胁迫条件下,外源GSH并不影响水稻生长和叶绿素含量。在铬胁迫培养液下,外源添加GSH具有缓解铬胁迫抑制水稻生长的作用,且在一定范围内随着GSH浓度的增加,缓解效果增强,在铬离子与GSH浓度比为1：3或1：5时效果较好,当两者的浓度比超过1：10时,水稻根系生长受到抑制。外源GSH提高水稻根的铬含量,但降低地上部的铬含量。结果表明,适宜浓度的GSH可缓解水稻的铬毒害,铬离子与GSH的浓度比为1:3(100μM Cr6+/300μM GSH)，具有最佳的缓解作用。 4GSH缓解铬胁迫对水稻抗氧化系统、细胞活性和超微结构的影响从抗氧化系统、细胞活性和亚细胞水平上研究了水稻DH株系117和41对铬胁迫的响应和外源GSH的缓解作用。结果表明,铬胁迫下,水稻DH群体的两株系(117和41)的光合色素含量显著下降,而丙二醛含量显著上升；外源添加GSH后,以上两种性状均得到明显恢复。铬胁迫影响抗氧化酶活性,且影响程度因株系和组织而异,株系117的抗氧化能力强于株系41。外源添加GSH缓解铬毒害对抗氧化酶活性的影响。铬胁迫严重影响水稻根尖细胞活性,而外源添加GSH可使这种影响明显减小。铬胁迫导致水稻叶肉细胞叶绿体肿胀变形,基粒数目减少、片层结构松散；根系细胞结构变形,胞质变疏,液泡体积剧增和核仁消失；外源添加GSH后,以上水稻超微结构均得到不同程度的恢复。 5GSH对铬胁迫下水稻巯基化合物含量、水分和养分吸收以及根系有机酸分泌的影响研究了铬胁迫下水稻DH群体的两个铬胁迫耐性不同的株系(117和41)的水分和养分吸收、植株含巯基化合物含量和根系有机酸分泌的影响,并分析了外源添加GSH对上述性状在铬胁迫下的缓解作用。结果显示,GSH显著改善铬胁迫下水稻对水分的吸收,并明显减轻铁(Fe)和锰(Mn)的吸收抑制。铬胁迫下根部锌含量增加,说明铬损伤了根细胞,使其失去完整性和选择性。铬胁迫影响水稻根际有机酸分泌,且株系间差异显著；外源添加GSH增加根系分泌乙酸和苹果酸,且耐性株系117的增加幅度明显大于敏感株系41,启示出GSH对铬毒害的缓解作用与这两种有机酸分泌有关。本研究未检测到植物螯合肽(Phytochelatins, PCs),但发现铬胁迫影响水稻体内GSH和半胱氨酸(Cys)水平,并在叶片中发现了一种与PC3出峰时间相近的物质,值得进一步对此进行化学鉴定。 6GSH对水稻根际铬形态及其吸收、转运、累积和分布的影响研究了外源GSH对铬离子形态变化以及在水稻组织、细胞、亚细胞水平分布的影响。结果表明,添加GSH显著降低培养液中的Cr6+含量,启示出GSH可能具有改变铬离子形态的作用。水稻根系对铬离子的吸收存在时间效应,外源添加GSH后,水稻根的铬含量增加,而地上部的铬含量减少,从而间接证明铬的吸收和转运并非以Cr6+为主。水稻根系表皮、皮层以及维管束组织中均有铬的分布,而外源添加GSH后,使铬离子主要分布在根表,证明表皮细胞能固定和区隔一部分铬离子,从而缓解其对植物的毒性。铬主要累积在细胞壁上,其次在可溶性成分(以液泡为主)中,说明细胞壁和液泡是水稻体内Cr的主要分布器官。外源添加GSH后,地上部各亚细胞组分以及根部可溶性成分中的铬离子含量下降,细胞壁中的铬含量变化较小,说明GSH抑制植物对铬的转运,但对吸收无影响。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：S511;X173

【参考文献】