水稻鉻脅迫耐性的遺傳分析與還原型谷胱甘肽緩解鉻毒害的機理研究.pdf

1、鉻(Cr)是一種過渡金屬元素，在土壤、水體和大氣中均有分布，具有多種氧化態(tài)，以三價和六價最為穩(wěn)定。隨著環(huán)境污染的加劇，農(nóng)田土壤的鉻含量逐漸提高，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與農(nóng)產(chǎn)品安全造成了嚴(yán)重威脅。本研究以親本在鉻積累存在明顯差異的雜交組合(ZYQ8/JX17)構(gòu)建的一個水稻DH群體為材料，確定與鉻耐性相關(guān)的數(shù)量性狀位點和鑒定耐鉻性差異顯著的株系;進而以耐鉻株系117和鉻敏感株系41為材料，通過外源添加還原型谷胱甘肽(reduced Glutathio

2、ne，GSH)的方式，研究其對鉻形態(tài)、吸收、轉(zhuǎn)運、累積和分布的影響，并從抗氧化系統(tǒng)、細胞活性和超微結(jié)構(gòu)、巰基化合物、水分與養(yǎng)分吸收以及有機酸分泌等方面了解水稻鉻毒害的緩解作用和相關(guān)機理。主要研究結(jié)果如下:
　　 1鉻脅迫下水稻DH群體各株系的生長表現(xiàn)和鉻耐性相關(guān)性狀的QTL定位
　　 以一個水稻雙單倍體(Double Haploid，DH)群體為材料，利用數(shù)量性狀位點(Quantitative Trait Loci，QT

3、L)定位分析，研究了鉻脅迫下不同株系的生長和鉻含量差異。結(jié)果表明，鉻處理下，親本ZYQ8和JX17的株高、根長、葉綠素含量和地上部干重均降低，而根干重稍有增加;群體的平均株高、根長和地上部干重均表現(xiàn)下降，而平均根干重和葉綠素含量影響較小。水稻鉻含量根顯著高于地上部，且群體各株系間差異顯著。鑒定到多個與鉻耐性相關(guān)的QTL位點，但它們只能解釋不到10％的表型變異;鑒定到兩個與鉻含量相關(guān)的QTL位點，它們均位于第10號染色體的同一遺傳區(qū)間，可

4、解釋近11％的表型變異。另外，鋅含量與鉻含量呈正相關(guān)，但相關(guān)的QTL位點只能解釋很小的含量變異。
　　 2水稻DH群體不同鉻耐性株系的鑒定
　　 利用權(quán)重分析法對鉻脅迫下水稻DH群體各株系的生長表現(xiàn)進行了研究，從中鑒定到鉻耐性差異顯著的株系。在考察的生長性狀中，鉻脅迫對地上部干重的影響最大，對葉綠素含量的影響最小。株系117和101的加權(quán)綜合分值最高，41和49的分值最低。根部鉻含量株系117顯著大于41，而根部鉻累積量

5、兩株系恰好相反。鉻脅迫顯著抑制兩親本及群體各株系的鋅含量，親本的地上部鋅含量下降較多，而根部含量受影響較小。由此可以認為，株系117和101的耐鉻性較強，而株系41和49耐鉻性較弱。
　　 3外源谷胱甘肽對水稻鉻毒害的緩解效應(yīng)與最適濃度篩選
　　 研究了外源添加GSH對緩解水稻鉻毒害的效應(yīng)。結(jié)果顯示，在無鉻脅迫條件下，外源GSH并不影響水稻生長和葉綠素含量。在鉻脅迫培養(yǎng)液下，外源添加GSH具有緩解鉻脅迫抑制水稻生長的作用

6、，且在一定范圍內(nèi)隨著GSH濃度的增加，緩解效果增強，在鉻離子與GSH濃度比為1∶3或1∶5時效果較好，當(dāng)兩者的濃度比超過1∶10時，水稻根系生長受到抑制。外源GSH提高水稻根的鉻含量，但降低地上部的鉻含量。結(jié)果表明，適宜濃度的GSH可緩解水稻的鉻毒害，銘離子與GSH的濃度比為1∶3(100μM Cr6+/300μM GSH)，具有最佳的緩解作用。
　　 4 GSH緩解鉻脅迫對水稻抗氧化系統(tǒng)、細胞活性和超微結(jié)構(gòu)的影響
　　

7、 從抗氧化系統(tǒng)、細胞活性和亞細胞水平上研究了水稻DH株系117和41對鉻脅迫的響應(yīng)和外源GSH的緩解作用。結(jié)果表明，鉻脅迫下，水稻DH群體的兩株系(117和41)的光合色素含量顯著下降，而丙二醛含量顯著上升;外源添加GSH后，以上兩種性狀均得到明顯恢復(fù)。鉻脅迫影響抗氧化酶活性，且影響程度因株系和組織而異，株系117的抗氧化能力強于株系41。外源添加GSH緩解鉻毒害對抗氧化酶活性的影響。鉻脅迫嚴(yán)重影響水稻根尖細胞活性，而外源添加GSH可使

8、這種影響明顯減小。鉻脅迫導(dǎo)致水稻葉肉細胞葉綠體腫脹變形，基粒數(shù)目減少、片層結(jié)構(gòu)松散;根系細胞結(jié)構(gòu)變形，胞質(zhì)變疏，液泡體積劇增和核仁消失;外源添加GSH后，以上水稻超微結(jié)構(gòu)均得到不同程度的恢復(fù)。
　　 5 GSH對鉻脅迫下水稻巰基化合物含量、水分和養(yǎng)分吸收以及根系有機酸分泌的影響
　　 研究了鉻脅迫下水稻DH群體的兩個鉻脅迫耐性不同的株系(117和41)的水分和養(yǎng)分吸收、植株含巰基化合物含量和根系有機酸分泌的影響，并分析了

9、外源添加GSH對上述性狀在鉻脅迫下的緩解作用。結(jié)果顯示，GSH顯著改善鉻肋迫下水稻對水分的吸收，并明顯減輕鐵(Fe)和錳(Mn)的吸收抑制。鉻脅迫下根部鋅含量增加，說明鉻損傷了根細胞，使其失去完整性和選擇性。鉻脅迫影響水稻根際有機酸分泌，且株系間差異顯著;外源添加GSH增加根系分泌乙酸和蘋果酸，且耐性株系117的增加幅度明顯大于敏感株系41，啟示出GSH對鉻毒害的緩解作用與這兩種有機酸分泌有關(guān)。本研究未檢測到植物螯合肽(Phytoche

10、latins，PCs)，但發(fā)現(xiàn)鉻脅迫影響水稻體內(nèi)GSH和半胱氨酸(Cys)水平，并在葉片中發(fā)現(xiàn)了一種與PC3出峰時間相近的物質(zhì)，值得進一步對此進行化學(xué)鑒定。
　　 6 GSH對水稻根際鉻形態(tài)及其吸收、轉(zhuǎn)運、累積和分布的影響
　　 研究了外源GSH對鉻離子形態(tài)變化以及在水稻組織、細胞、亞細胞水平分布的影響。結(jié)果表明，添加GSH顯著降低培養(yǎng)液中的Cr6+含量，啟示出GSH可能具有改變鉻離子形態(tài)的作用。水稻根系對鉻離子的吸收存

11、在時間效應(yīng)，外源添加GSH后，水稻根的鉻含量增加，而地上部的鉻含量減少，從而間接證明鉻的吸收和轉(zhuǎn)運并非以Cr6+為主。水稻根系表皮、皮層以及維管束組織中均有鉻的分布，而外源添加GSH后，使鉻離子主要分布在根表，證明表皮細胞能固定和區(qū)隔一部分鉻離子，從而緩解其對植物的毒性。鉻主要累積在細胞壁上，其次在可溶性成分（以液泡為主）中，說明細胞壁和液泡是水稻體內(nèi)Cr的主要分布器官。外源添加GSH后，地上部各亞細胞組分以及根部可溶性成分中的鉻離子含