鎘脅迫對水稻植株生長的影響

鎘脅迫對水稻植株生長的影響

重金屬cd最重要的生化特征是與基親和力強(qiáng)，與其他側(cè)鏈和碳酸鹽其他親和力強(qiáng)。因此，它可以干擾各種酶的活性，被認(rèn)為對植物是有毒的。據(jù)報(bào)道,作物種植在受重金屬Cd污染的土壤中,能使作物生長遲緩、植株矮小,葉片失綠甚至發(fā)生死亡,影響到產(chǎn)量。在生理上,主要是干擾一些關(guān)鍵酶的活性及各種代謝過程,改變細(xì)胞膜的透性,誘導(dǎo)脯氨酸積累和一些未知蛋白質(zhì)的形成,破壞葉綠體的結(jié)構(gòu),抑制葉綠素的合成,降低光合作用,干擾蒸騰作用及CO2固定,還會(huì)干擾植物和微生物的共生關(guān)系,降低植物對病害的抵抗能力等。植物對Cd也有一定的耐性,且存在種間和品種間差異。關(guān)于Cd對水稻的毒害作用及水稻對Cd的耐性,國內(nèi)外已有一些研究報(bào)道,但對水稻葉片生理活性的影響研究較少,本實(shí)驗(yàn)以揚(yáng)稻6號和武運(yùn)粳7號2個(gè)水稻品種為材料,研究Cd對植株生長及葉片生理活性的影響及水稻植株對Cd的耐性,旨在探明Cd影響水稻植株生長的生理機(jī)制。1材料和方法1.1試驗(yàn)材料揚(yáng)稻6號、武運(yùn)粳7號1.2cd/土比及裝土量的確定盆栽試驗(yàn):選用無Cd污染的土壤,土壤部分理化性質(zhì)見表1。土壤風(fēng)干后過篩,然后向土壤中加CdCl2,使土壤中Cd/土比為100mg/kg,以不加Cd的處理為對照。土壤準(zhǔn)備好以后分別加入塑料盆內(nèi),盆缽口徑30cm、底徑20cm、高30cm,每盆裝土15kg。秧苗移栽前,盆缽?fù)撩嫔媳３?~3cm水層1個(gè)月,使土壤與加入的Cd進(jìn)行平衡。1.3概念2.7分樣,及時(shí)對盆缽?fù)帘砻姹３炙畬铀痉N子催芽后,先在無污染秧田育秧,30d后將秧苗移栽到處理好的盆內(nèi),每盆3穴,每穴1株,每處理5盆。移栽后全生育期盆缽?fù)撩嫔媳３炙畬?~3cm。盆栽施肥3次:移栽前3天,移栽后18天及抽穗前5天,前2次每次每盆施1.5g尿素(含N46%)和1.5gK2HPO4·3H2O,第3次每盆施3g尿素和2gK2HPO4·3H2O。1.4植株干重、理化指標(biāo)、總糖含量、可溶性蛋白指標(biāo)的測定莖蘗動(dòng)態(tài)分析:從移栽后第15天開始,每隔15d數(shù)取每盆莖蘗數(shù),求平均值。株高測定:于分蘗末期(拔節(jié)始期)、抽穗期,每處理3盆,每盆隨機(jī)選10個(gè)單莖,測量株高。干物質(zhì)積累量的分析:分蘗末期(拔節(jié)始期)、抽穗期和成熟期取水稻植株樣品,先用自來水小心洗凈根系泥土,然后用去離子水清洗整個(gè)植株,用吸水紙吸干表面水分,分為根、莖、葉、穗(籽粒)。根、莖、葉、穗(抽穗期)分別在70℃烘至恒重后測定干物重。籽粒干重由自然風(fēng)干后測定。產(chǎn)量構(gòu)成因素分析:于成熟期數(shù)取每盆有效穗數(shù),求平均值得每盆穗數(shù);每處理選取3盆,每盆隨機(jī)10穗,數(shù)取每穗上的粒數(shù),求平均值得每穗粒數(shù);用飽粒數(shù)占總粒數(shù)的比例作為結(jié)實(shí)率;取30粒自然風(fēng)干的籽粒稱取重量,重復(fù)3次,求平均值作為千粒重。葉片電導(dǎo)率的測定:于分蘗末期,每處理3盆,每盆選2~3個(gè)單莖,取最上一片完全展開葉1g左右,剪成1cm片斷,先用去離子水洗一次,然后放入20ml去離子水中,3h后,用電導(dǎo)儀(DDS-11A型)測量溶液的電導(dǎo)率。葉片丙二醛含量的測定:用TBA法。葉片脯氨酸含量的測定:用茚三酮法。葉片可溶性蛋白含量的測定:用考馬斯亮藍(lán)法。葉片光合速率的測定:氧電極法。2結(jié)果與分析2.1對水稻植株的毒力鎘對水稻植株分蘗和株高均有一定的影響(圖1)。土壤Cd處理抑制了水稻分蘗的發(fā)生(p<0.05),但對開花期每盆的成穗率影響較小(p>0.05)。對株高的影響也是分蘗期較明顯,株高顯著下降(p<0.05);而開花期卻比對照有所增加(p>0.05)。說明鎘對水稻植株的生長具有一定的毒害作用,尤其是水稻植株較幼嫩時(shí),受毒害較明顯,而后期(開花期)顯示出較高的耐鎘性。兩品種比較,在分蘗末期武運(yùn)粳7號分蘗數(shù)受影響較大,揚(yáng)稻6號株高受影響程度較大,而開花期兩品種受影響均很小,沒有明顯差異(p>0.05)。2.2植株干物質(zhì)的積累和籽粒的產(chǎn)量Cd處理對兩品種植株各器官干物質(zhì)積累和籽粒產(chǎn)量都有一定的影響(圖2),即降低了植株各器官的干物質(zhì)的積累和籽粒的產(chǎn)量。與分蘗和株高的表現(xiàn)一致,干物質(zhì)的積累量在前期(移栽——抽穗期)受影響較大(p<0.05),而成熟期影響減小。兩品種比較,武運(yùn)粳7號干物質(zhì)積累和產(chǎn)量受影響的程度均小于揚(yáng)稻6號(p<0.05)。2.3武運(yùn)縣與揚(yáng)稻6號、揚(yáng)稻7號的關(guān)系Cd降低了水稻兩品種每盆穗數(shù)、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率和千粒重,其中對揚(yáng)稻6號影響的順序?yàn)槊克肓?shù)>結(jié)實(shí)率>每盆穗數(shù)>千粒重,而對武運(yùn)粳7號影響的順序?yàn)槊克肓?shù)>每盆穗數(shù)>結(jié)實(shí)率>千粒重。兩品種受影響最大的都為每穗粒數(shù)(p<0.05)。2.4cd對水稻膜結(jié)構(gòu)的影響試驗(yàn)測定了分蘗末期的葉片電導(dǎo)率、丙二醛含量、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量以及分蘗末期及抽穗期水稻葉片的光合速率。結(jié)果顯示,Cd處理使葉片電導(dǎo)率、丙二醛含量、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量都上升了(p<0.05),而葉片的光合速率下降了(p<0.05)(圖4)。葉片電導(dǎo)率的高低可以反映葉片細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整度,膜結(jié)構(gòu)受到破壞時(shí),電解質(zhì)外滲,就會(huì)使電導(dǎo)率上升。Cd處理后,兩品種葉片電導(dǎo)率均上升了,說明Cd處理破壞了兩品種葉片的膜結(jié)構(gòu),而揚(yáng)稻6號葉片膜結(jié)構(gòu)受破壞的程度較深(p<0.05)。MDA是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一,其在植物組織中的積累量可以代表膜脂過氧化作用的程度。在環(huán)境脅迫下,植物細(xì)胞內(nèi)自由基代謝平衡會(huì)受到破壞,造成超氧陰離子自由基積累,膜脂過氧化作用加劇,細(xì)胞膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能受到損害。圖4表明,Cd處理后,兩品種葉片丙二醛含量均上升了,說明Cd處理后葉片膜結(jié)構(gòu)的損害與過氧化作用加劇有關(guān)。而兩品種比較,揚(yáng)稻6號葉片膜脂過氧化的程度較深(p<0.05)。脯氨酸是植物蛋白質(zhì)的組分之一,以游離態(tài)廣泛存在于植物體中,其積累是植物體適應(yīng)逆境的一種表現(xiàn),對植株具有保護(hù)作用。本試驗(yàn)結(jié)果表明,Cd處理后,葉片脯氨酸的含量上升了(p<0.05),說明水稻具有一定的耐Cd性,脯氨酸的積累是水稻適應(yīng)Cd脅迫后作出一種反應(yīng)。Cd脅迫降低了水稻葉片可溶性蛋白含量(p<0.05)?？扇苄缘鞍缀扛呖梢允辜?xì)胞具有高的滲透濃度和功能蛋白的數(shù)量,有助于維持細(xì)胞的正常代謝。而Cd處理降低了水稻葉片可溶性蛋白含量,說明Cd對水稻植株蛋白質(zhì)的代謝也有一定的影響,特別是會(huì)影響到一些酶的表達(dá)和活性的維持,進(jìn)而影響到葉片的光合功能。但可溶性蛋白與水稻耐Cd性的關(guān)系有待進(jìn)一步研究。進(jìn)一步試驗(yàn)表明,Cd脅迫后,無論是在分蘗末期還是在抽穗期,兩品種水稻葉片的光合速率均比對照顯著降低了(p<0.05),其中分蘗末期下降的幅度大于抽穗期(p<0.05)。兩品種比較,揚(yáng)稻6號受影響較大(p<0.05)。3cd脅迫對水稻生長發(fā)育的影響3.1Cd對水稻植株的生長和發(fā)育均有一定的毒害作用,但水稻植株也具有一定的耐Cd性,且不同品種和不同生育時(shí)期耐Cd能力存在差異。前人的研究表明,農(nóng)作物的耐鎘性存在種間差異,禾本科作物耐性相對較強(qiáng),而蔬菜類作物如茄科、葫蘆科、十字花科、百合科等都相對較弱。耐性較強(qiáng)的作物在高濃度重金屬環(huán)境脅迫下,其生長發(fā)育和結(jié)實(shí)等都不受明顯影響或影響較小,而耐性較弱的作物其上述指標(biāo)都會(huì)出現(xiàn)明顯的下降,并在外觀上有受害癥狀,如出現(xiàn)葉斑、葉片黃化、植株變矮等。而王凱容則研究表明,在水稻生長的不同生育時(shí)期,Cd對其毒害作用不同,在幼穗分化前,主要是降低其光合生產(chǎn)力,影響植株生長。從幼穗分化-抽穗期主要是抑制生殖器官的分化,造成穎花敗育。而抽穗以后,主要是干擾植株體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的遷移和再分配。本研究表明,土壤Cd處理對水稻分蘗的發(fā)生、株高、干物質(zhì)積累量和稻谷產(chǎn)量都有一定的影響,但是兩品種受影響的程度不一樣,武運(yùn)粳7號受影響的程度比揚(yáng)稻6號輕,說明Cd對水稻植株的生長具有毒害作用,不同品種受毒害的程度不一樣,即它們對Cd的耐性存在差異。這與前人的研究結(jié)果是一致的。本試驗(yàn)還表明,隨著生育期的推遲,水稻成穗率、株高、和干物質(zhì)的積累量受影響的程度逐漸減輕了,與對照的差異變小了,這說明隨著生育期的推遲,水稻對Cd的耐性具有逐步增強(qiáng)的趨勢,并在生育后期水稻植株有生長補(bǔ)償作用。3.2Cd脅迫影響水稻產(chǎn)量的形成Cd處理后,水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素各指標(biāo)均比對照有明顯的下降。兩個(gè)品種的試驗(yàn)結(jié)果均表明,各項(xiàng)參數(shù)中受影響最大的均為每穗粒數(shù),說明水稻的幼穗分化對Cd脅迫是最敏感的,就水稻產(chǎn)量而言,Cd脅迫對水稻產(chǎn)量形成的影響最主要的是影響水稻幼穗的分化。3.3Cd脅迫對干物質(zhì)積累和產(chǎn)量影響的生理機(jī)理在Cd對作物的毒害生理方面,楊志敏等研究認(rèn)為,Cd脅迫干擾了小麥細(xì)胞的正常代謝功能,使直接參與光合、呼吸作用和CO2固定等有關(guān)的酶活性下降,進(jìn)而影響了營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,降低了小麥細(xì)胞的生長量,從而導(dǎo)致了小麥生物產(chǎn)量的降低。羅立新等認(rèn)為,在Cd脅迫下,小麥葉片中超氧陰離子自由基的積累顯著增加,電解質(zhì)泄漏,巰基的含量下降,表明細(xì)胞質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能都受到了損傷?？紫樯妊芯堪l(fā)現(xiàn),Cd脅迫使葉片玉米SOD和CAT活性降低,蛋白質(zhì)含量下降,MDA含量上升,質(zhì)膜透性增大,生長受到抑制,認(rèn)為Cd脅迫使膜脂過氧化作用加劇。本試驗(yàn)表明,土壤Cd處理后,水稻葉片各生理指標(biāo)都受到了影響。葉片電導(dǎo)率