不同形态锑对水稻的毒害作用机理研究

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锑(Sb)在环境中普遍存在,过量的Sb会对人体和植物产生毒害。近年来,我国环境中Sb污染问题日益受到人们的关注。水稻是我国重要粮食作物,也是易富集Sb的一种农作物。稻米中Sb富集的报道也常见于媒体报道中。因此,研究Sb对水稻的毒害作用机制,及不同形态Sb在水稻体内吸收、转运、形态转化过程可为解决稻米中Sb富集问题提供理论支持。本文通过水培试验,以水稻(野香优3号)为试验材料,研究不同形态Sb对水稻的毒害作用以及水稻缓解Sb毒害的策略。取得的主要结果有:(1)研究了不同形态Sb对水稻生长及根系发育的影响。结果表明:不同形态Sb对水稻的生长及根系发育的影响不同。Sb(Ⅲ)对水稻的毒害作用要强于Sb(Ⅴ),具体表现为:Sb(Ⅲ)处理下水稻地上和根系生物量一般小于Sb(Ⅴ)处理下;20mg·L-1Sb(Ⅲ)处理抑制了大多数根系形态特征参数,包括根长、根体积、根表面积、根尖数和根分叉数;而20mg·L-1 Sb(Ⅴ)仅降低了水稻根面积、根直径和分叉数;Sb(Ⅲ)处理增加了水稻根系粗根和中等根比例,降低了细根比例;而随Sb(Ⅴ)处理降低了粗根和中等根比例,增加了细根比例。(2)研究了水稻对Sb及必需营养元素的吸收、转运及亚细胞分布,以及Sb在水稻体内的形态转化。研究结果发现:1)Sb(Ⅲ)处理下水稻吸收Sb的能力较Sb(Ⅴ)处理时的强;两种形态Sb处理下水稻向地上部分转运Sb的能力均较弱,大部分吸收的Sb富集在其根部;2)Sb(Ⅲ)处理下,水稻根系和地上部分Sb的形态主要以Sb(Ⅲ)为主;而Sb(V)处理下,水稻根系和地上部分Sb的形态主要以Sb(V)为主,表明水稻对不同形态Sb的转化能力较弱;3)Sb(Ⅲ)处理显著增加了水稻地上部分Mg、K、Ca、Fe、Cu、Zn的含量;而在Sb(V)处理下,仅10 mg·L-1处理浓度显著增加了大部分必需营养元素的含量,如Mg、K、Ca、Mn、Fe、Cu;4)Sb(V)处理显著增加了水稻伤流液的数量,增加了伤流液中Fe、Cu的含量;而Sb(Ⅲ)未显著影响伤流液的量,但部分处理水平显著增加了伤流液中Fe、Cu、Sb的含量;伤流液中Ca的含量在两种形态Sb处理下均降低;5)不同形态Sb处理下,细胞壁和细胞液均富集了绝大部分Sb,表明细胞壁和细胞液在抑制Sb吸收方面起到重要作用;在Sb(Ⅲ)处理下,细胞壁和细胞液束缚Sb的能力随着Sb处理浓度的增加而降低,但在Sb(V)处理下细胞壁起到越来越重要的作用;细胞器Mg、K、Fe、Zn和Cu含量占比在大部分Sb(Ⅲ)和Sb(V)处理下均增加,而细胞壁组分中Ca含量占比增加,显示上述元素在抵御Sb胁迫过程中起到一定作用。(3)研究了水稻体内抗氧化系统对不同形态Sb胁迫的响应,结果发现:1)两种形态Sb均对水稻产生氧化胁迫,而Sb(Ⅲ)处理较Sb(V)明显增加了根系MDA含量;2)SOD和APX被不同形态Sb处理激活,表明其在缓解Sb胁迫过程中起到一定作用;而大部分不同形态Sb处理均显著抑制POD活性,表明POD在缓解Sb胁迫过程中所起作用有限。(4)研究了根系细胞壁组分、根系分泌物以及根系内源激素对不同形态Sb胁迫的响应,以期揭示上述物质与Sb吸收、毒性缓解方面的作用机制。研究结果表明:1)不同形态Sb处理下,水稻根系中果胶和木质素含量均显著增加,而半纤维素Ⅰ和半纤维素Ⅱ含量基本未增加,表明果胶和木质素在降低Sb吸收或抵御Sb胁迫过程中起到重要作用;2)大部分不同形态Sb处理均显著增加了根系分泌草酸的量,降低了甲酸和乙酸的分泌量,表明草酸在Sb吸收过程中可能存在一定作用;3)Sb(Ⅲ)处理显著增加了根系脱落酸(ABA)的含量,而Sb(V)处理基本未显著影响根系ABA的含量,表明Sb(Ⅲ)胁迫下,水稻根系分泌了大量ABA,促进了细胞老化过程;不同形态Sb处理对水杨酸(SA)含量基本未有显著影响(尽管大部分处理不显著增加了 SA含量),表明SA在抵御不同形态Sb胁迫过程中所起作用有限。
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