水稻重金属积累的品种与环境效应及调控技术研究

【摘要】土壤重金属污染是全球性的环境与农产品安全生产问题。重金属被吸收后积累在作物的可食用部位,通过食物链富集威胁人类健康。水稻作为全世界最重要的粮食作物之一,也是人类摄取重金属的主要来源。培育重金属低积累水稻品种、调控植株重金属吸收与转运、控制与降低籽粒重金属积累,是实现重金属中／轻度污染农田粮食安全生产的有效途径。而筛选低积累水稻种质、明确重金属积累与耐性的机理是培育低重金属积累品种的基础。本研究在分析评估浙江省不同水稻产区土壤重金属污染现状的基础上,筛选水稻籽粒低重金属积累品种(系),构建预测籽粒重金属含量的回归模型；探讨降低水稻籽粒重金属含量的安全生产综合配套技术及其调控机理。同时,探讨了镉耐性和低积累相关的特异蛋白。主要研究结果如下：1.水稻籽粒重金属含量的品种和环境效应分析评估了种植于浙江省不同水稻产区的144份水稻新品种(系)的籽粒重金属含量的环境与品种间差异。结果表明,籽粒重金属含量存在显著的环境与品种间差异。分别有5.3%和0.4%籽粒样品铅和镉含量超过FAO/WHO规定的最大阈值,而铬和铜没有出现超标情况。不同类型水稻品种间,杂交稻籽粒镉含量显著高于常规稻。逐步多元线性回归分析表明,土壤pH值及有效态重金属含量显著影响籽粒重金属含量,应用回归模型得出水稻安全生产土壤有效态镉、铬和铅的最大允许值分别为0.200、0.372和22.093mgkg-1。筛选到可在中、轻度污染地区种植的籽粒重金属低积累水稻品种(系)秀水817、嘉优08-1和春优689。2.镉、铬、铅和铜复合污染对籽粒及不同生育期茎叶中重金属含量的影响以筛选到的籽粒重金属低积累(秀水817)和高积累(浙大821)品种为材料,盆栽试验研究了铅、镉、铬和铜复合污染对水稻产量、籽粒重金属含量及不同生育期茎叶重金属含量的影响及品种间差异。结果表明,高浓度铅和镉处理显著降低两品种产量,其中秀水817减产更严重；铜处理对两品种产量没有显著影响。土壤铅、镉、铬和铜含量显著影响籽粒重金属含量,但只有籽粒镉含量与镉处理水平呈显著正相关,且浙大821显著高于秀水817。收获期叶和茎中重金属含量与籽粒重金属含量具有相似的趋势,但根中除镉外,铬和铜含量也随处理水平的提高而增加。回归分析结果显示,除灌浆期叶片和苗期茎中铬含量外,籽粒镉和铬分别与不同生育期叶和茎中镉和铬含量呈显著正相关,建立了籽粒镉和铬含量与不同生育期叶、茎镉和铬含量的回归模型,并预测了安全稻米生产不同生育期叶和茎中镉和铬含量的临界值。3.水稻根系蛋白表达谱对镉毒害响应的品种间差异及外源硅的影响采用TMT(TandemMassTags,液质串联质谱标记)标记的定量比较蛋白组学技术,探讨了5μMCd胁迫对浙大821和秀水817水稻品种根系蛋白表达谱的影响及品种间差异,同时研究了硅缓解镉毒害的机理。结果表明,浙大821耐镉性显著强于秀水817。虽然秀水817根系镉含量显著高于浙大821,但地上部含量无显著差异。鉴定到与浙大821耐镉相关的蛋白21个,分别参与防御、转运、代谢和信号转导等过程,构成有关镉耐性的综合网络。镉处理后,在两品种中均上调表达的蛋白35个。鉴定到与金属转运相关的蛋白25个,包括液泡ATPase和H+-焦磷酸化酶、参与细胞壁合成的β-扩张蛋白前体和UDP-葡萄糖6-脱氢酶及F1F0-ATPase抑制蛋白,秀水817中这些蛋白的上调表达或只在浙大821中下调表达可能有助于根系镉向液泡转移,从而降低向籽粒的转运。4.谷胱甘肽(GSH)、硒和锌不同组合处理对水稻镉、铬复合毒害的缓解效应研究了单独或复合施用GSH、硒(Se)和锌(Zn)对水稻镉和铬复合毒害(HM)的缓解作用。与对照相比,HM显著降低水稻幼苗株高、叶绿素含量(SPAD)和生物量,抑制叶片CAT和APX及叶和根的H+-ATPase活性,提高叶片SOD和POD活性,增加MDA积累量。不同缓解剂处理对HM胁迫缓解效果以HM+GSH+Zn和HM+GSH最佳,两者显著缓解了HM引起的生长抑制和氧化胁迫。与单独HM处理相比,HM+GSH+Zn和HM+GSH显著降低铬的吸收和转移,但对镉含量没有显著影响；提高H+-ATPase活性及铁、锌和锰的吸收与转移,减少MDA积累。另外,外源GSH和GSH+Zn对HM引起的氧化胁迫也具有显著缓解效果,表现为与HM处理相比,抑制根/叶SOD和叶POD活性,提高叶APX和叶／根CAT活性。5.不同氮肥类型、GSH、硅、硒和锌对水稻籽粒重金属含量的影响以筛选到的籽粒重金属低与高积累品种为材料,试验于2011-2012年在嘉兴重金属污染稻田进行,研究以(NH4)2SO4为氮肥同时叶面喷施GSH、硅、硒和锌(简称AR)对籽粒重金属积累的影响。结果进一步佐证了我们之前的结果,秀水817和嘉优08-1为籽粒低镉积累品种。AR显著降低镉、铬、铜和铅在高积累和低积累品种籽粒中的积累,同时对产量无显著影响。2011年试验结果显示,与对照相比,AR处理显著降低叶镉、铬和铜以及茎杆镉和铜含量；2012年的结果与上年相一致,除茎杆中铜含量显著增加外,颖壳、叶片和茎杆中镉、铬和铜含量在AR处理后均显著下降。6.不同氮肥类型、GSH、硅、硒和锌处理对水稻籽粒蛋白表达谱及稻米品质的影响采用双向电泳(2-D)和MADLI-TOF质谱技术,比较研究了对照和AR处理对R8097(高镉积累品种)和秀水817(低积累品种)籽粒蛋白表达谱及籽粒品质和氨基酸含量的影响及品种间差异。与对照相比,氨基酸、直链淀粉和蛋白质含量在AR处理后增加或无显著差异。分析比较蛋白表达谱的品种间差异,鉴定到与重金属低积累相关蛋白点30个,根据功能主要分为贮藏蛋白、能量代谢、防御、解毒、信号转导和转录等。其中7个蛋白点,其在R8097表达表现为：对照条件下表达量高于秀水817,但在AR处理后表达下调或完全抑制CARvs对照)：另有2个蛋白点,对照条件下表达量低于秀水817,而AR处理后表达上调。另外21个蛋白点,AR处理后,两品种均上调(7个)或均下调(7个),及在秀水817中不变但在R8097中上调表达(7个)。
【作者】曹方彬；
【导师】邬飞波；
【作者基本信息】浙江大学，作物学，2014，博士
【关键词】水稻；重金属；品种；环境效应；复合污染；回归分析；缓解措施；蛋白质组学；

【参考文献】
[1]冯先敏.基于人物角色感性意象的移动端界面设计研究[D].华中科技大学,设计艺术学,2013,硕士.
[2]包祖达.台州市椒江区种粮大户发展对策研究[D].南京农业大学,农村与区域发展,2011,硕士.
[3]刘钊.演化计算在搜索与优化问题中的应用[D].中国地质大学,2004.
[4]王亚军.伊犁盆地构造演化与油气成藏[D].西北大学,矿产普查与勘探,2013,博士.
[5]巨涛.Survivin在甲状腺癌中的表达与细胞凋亡指数的关系[D].河北医科大学,外科学（专业学位）,2014,硕士.
[6]孔飞,张保会,王艳婷.基于行波波形相关性分析的直流输电线路纵联保护方案[J].电力系统自动化,2014,20:108-114.
[7]金红.中行大连分行票据融资业务风险管理研究[D].大连理工大学,工商管理,2004,硕士.
[8]谢琬.民事执行检察监督的现状考察与制度构建[D].华中科技大学,法律,2013,硕士.
[9]周尚羚.央视纪录片《超级工程》的中译英交替传译经验探讨[D].兰州大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[10]项威.茶树萜类代谢上游基因表达的代谢前体调控和茶树转基因体系初探[D].安徽农业大学,食品科学,2012,硕士.
[11]杨翠玲.三脲衍生物的合成及组装研究[D].西北大学,无机化学,2014,硕士.
[12]李津娜.OSAS模式间歇低氧大鼠PMN凋亡及与血管内皮细胞交互影响机制的研究[D].天津医科大学,内科学（专业学位）,2014,博士.
[13]张钰.离子液体修饰的金属硫化物纳米粒子及其氧化石墨烯复合物的制备与光电转换性能[D].辽宁大学,2014.
[14]宋克志,李福献,朱雷敏,王梦恕.隧道二衬结构受力影响因素的敏感性分析[J].公路交通科技,2014,02:86-91.
[15]付艳丽.永乐油田产能建设项目化管理研究[D].东北石油大学,项目管理（专业学位）,2013,硕士.
[16]马当先,穆志纯,王绍波,王长松.CBR及KDD技术在中厚板轧制负荷分配建模中的应用[J].北京科技大学学报,2005,01:98-101.
[17]袁新成.柳亚子（1912-1936）诗歌研究[D].山东大学,中国古代文学,2013,硕士.
[18]崔岩菲.水处理多级絮凝耦合关系研究[D].山东建筑大学,市政工程,2013,硕士.
[19]董兴辉.针刺内关穴对健康青年人脑电图变化的研究[D].黑龙江中医药大学,针灸推拿学（专业学位）,2014,硕士.
[20]孙国庆.从吴华林诉北京地铁运营有限公司案谈城市轨道交通运输工具运行致害之侵权责任研究[D].北京交通大学,经济法学,2013,硕士.
[21]李辉,赵猛,赵斌,杨超,唐显虎.双馈风电机组转速观测及容错控制策略[J].电力系统自动化,2011,01:77-82.
[22]杨晓兰.基于CVM的金沙遗址旅游资源非使用价值评估研究[D].首都师范大学,旅游管理,2014,硕士.
[23]张倩.影响库尔勒香梨开花与果实生长的气象条件分析[D].新疆师范大学,自然地理学,2013,硕士.
[24]张书林.基于反应谱特征的地震动分类方法研究[D].哈尔滨工业大学,结构工程,2013,硕士.
[25]赵建英.基于华裔美国文学作品的跨文化培训设计[D].上海外国语大学,英语语言文学,2012,硕士.
[26]曹丹丹.长株潭城市群生态绿心地区法制建设研究[D].中南林业科技大学,环境与资源保护法学,2013,硕士.
[27]安凯,邢进生,邱祖廉.模糊神经网络的二阶段变半径随机搜索算法[J].自动化学报,2000,05:616-622.
[28]何鸣,王皓,谢红福.基于数据中心的故障信息管理系统[J].电力系统自动化,2008,18:104-107.
[29]陈伟.建立上海土地储备机制综合平衡运作模式的研究[J].上海企业.2005(03)
[30]任其昌,袁友伟.数据挖掘在包装产品网络营销中的应用[J].包装工程,2001,03:40-41.
[31]王桂红.东西部新建本科学校门户网站发展比较研究[D].云南大学,公共事业管理,2012,硕士.
[32]赵颖斯.创新网络中企业网络能力、网络位置与创新绩效的相关性研究[D].北京交通大学,企业管理,2014,博士.
[33]刘旭.不同黏结材料与金属全冠黏结界面的实验研究[D].大连医科大学,口腔修复,2012,硕士.
[34]单珊.论苏拉的宪政改革[D].湖南师范大学,世界史,2014,硕士.
[35]郁葱.脊髓GluN1在急性阿片药物诱导痛觉过敏中的作用及调节机制[D].重庆医科大学,组织工程与细胞工程,2014,博士.
[36]刘昕.宋代讼学和讼师及其对州县司法审判的影响研究[D].湘潭大学,法律,2011,硕士.
[37]理查德·布罗海德,尼古尔·洛克耶,杨玉良.当代大学与政府的关系[J].世界教育信息,2014,05:15-20.
[38]胡建.牛蒡多糖的提取纯化及其抗氧化性研究[D].扬州大学,食品科学,2011,硕士.
[39]徐晨.纳兰词艺术探微[D].安徽大学,古代文学,2013,硕士.
[40]姚金亮.基于VB的企业工资管理信息系统设计与实现[D].吉林大学,软件工程,2014,硕士.
[41]陈友宝,周斌杰,钟光祥,夏春年.一锅法合成乙酰化羟基肉桂酸衍生物[J].浙江化工,2014,07:23-26.
[42]张珂.基于G.729A的多路语音处理系统的设计与实现[D].西安科技大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[43]史建华.微波促进条件下炔烃参与的氢胺化加成及偶联反应研究[D].安徽大学,有机化学,2013,硕士.
[44]刘群.水上交通肇事逃逸行为的刑法分析[D].大连海事大学,法律,2014,硕士.
[45]李小宁.锌胁迫对小麦种子萌发及幼苗生理生化特性的影响[D].西北师范大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[46]徐元龙.提高企业职工养老保险参保率问题研究[D].吉林财经大学,行政管理学,2014,硕士.
[47]葛迪.HK280型平地机发动机舱热管理换热过程的分析与优化[D].吉林大学,工程热物理,2013,硕士.
[48]袁振兴.汽车保险市场需求的影响因素实证分析[D].浙江工商大学,保险（专业学位）,2014,硕士.
[49]刘学武.高频脉冲电镀镍钴合金内应力、形貌和结构及耐磨性的研究[D].北京交通大学,2014.
[50]黄俊辉,谈健,杨俊义,李琥,韩俊.基于电力系统运行模拟的江苏输电网规划方案网损实证分析[J].电力系统自动化,2014,17:39-42+117.