丛枝菌根真菌降低旱稻吸收累积镉的机理研究

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工农业生产污染物的大量排放不断加剧我国农田土壤的镉(Cd)污染,对农作物安全造成威胁。水稻是我国第一大粮食作物,具有吸收累积Cd的特性,Cd的富集严重影响水稻的产量和品质,进而通过食物链进入人体危害人体健康。丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是一类能与90%以上的陆生植物形成互惠共生体的关键微生物,它在寄主植物的重金属吸收与防御中发挥着重要作用,有效地提高了农产品的质量和安全性。由于我国淡水资源匮乏,发展旱稻生产对节水、抗旱具有重要意义。因此,本实验以旱稻(Oryza sativa L.)为研究对象,通过土培和水培实验,从不同生理生化层面探究丛枝菌根真菌降低旱稻镉吸收和转运的影响及机制,为提高镉污染地区的稻米产量及品质提供理论依据和实用技术。主要研究结果如下:(1)以旱优3号为供试作物,通过土培实验,研究根内球囊霉(Rhizophagus intraradices简称RI)和摩西球囊霉(Funneliformis mosseae简称FM)在未添加Cd、低Cd(2 mg kg-1)和高Cd(10 mg kg-1)污染土壤中对旱稻的生物量、镉累积、光合速率、光合色素含量、活性氧含量、抗氧化系统、叶肉细胞超微结构和根系解剖结构等生理生化的影响。结果表明,FM、RI均能与旱稻形成良好的共生关系且不受Cd污染的影响。Cd胁迫显著抑制了旱稻的生长,降低旱稻的光合速率和光合色素含量,严重影响植物的光合作用。高镉胁迫打破了旱稻的活性氧平衡,超氧阴离子(O2.-)、过氧化氢(H2O2)和丙二醛(MDA)含量显著增加,脂质过氧化程度加深,激活了旱稻的氧化应激反应,谷胱甘肽(GSH)、抗坏血酸(AsA)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)含量增多。同时Cd污染损害了叶肉细胞超微结构和根系的解剖结构,叶肉细胞内叶绿体变形严重,淀粉粒膨胀增多,根系外皮层脱落,中柱破裂。在Cd污染情况下接种AMF显著提高了植物地上部和根部生物量,促进了旱稻生长。同时,低镉(2 mg kg-1)污染下接种RI和高镉(10 mg kg-1)污染下接种RI和FM都显著降低了旱稻地上部和根部Cd含量,证明了AMF能够降低旱稻对镉的吸收累积。另外,AMF缓解了Cd对光合作用的抑制效果,并且可以调节旱稻适应保护性机制,进一步通过提高植物氧化物酶和非酶氧化物的活性来减少Cd胁迫下脂质过氧化对旱稻的毒害。同时,AMF接菌处理缓解了Cd对叶肉细胞的毒害,旱稻根系呈现出更完整的组织结构,进一步证实了AMF能提高旱稻对Cd毒的耐受性,并且RI菌在高镉污染下效果更好。(2)以旱优3号为供试作物,通过水培实验,研究根内球囊霉(Rhizophagus intraradice)在未添加Cd和50μmol L-11 Cd污染中对旱稻的株高、根长、Cd积累的影响,以及对根细胞壁不同多糖组分的含量和这些组分Cd积累量的影响,同时探究对根细胞壁果胶甲基酯酶(PME)活性和官能团特征吸收峰以及根部苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性、木质素含量和根系解剖结构、超微结构的作用机制。结果表明,RI能与旱稻形成良好的共生关系且不受Cd污染的影响。而Cd污染显著抑制了旱稻的株高和根长,提高了地上部和根部的Cd积累,并且Cd2+主要积累在根部。Cd胁迫还导致了旱稻根细胞壁多糖组分含量的变化,果胶和纤维素1(HC1)的总糖和糖醛酸含量增加。并且Cd胁迫下细胞壁的多糖链C-C和C-O,蛋白质中的-NH2、纤维素中的-COOH和果胶中的-OH特征峰发生了一定程度的偏移。同时,旱稻根系结构受到严重损伤,中柱溃烂、中柱直径和面积变小,根细胞的膜系统破坏明显,细胞膜内陷发生严重的质壁分离,线粒体变小甚至解体,细胞质分布混乱,根细胞壁扭曲变形。在Cd污染情况下接种AMF显著提高了旱稻的株高和根长,降低了地上部的Cd含量,促进了旱稻生长。并且根细胞壁中的果胶和HC1的总糖和糖醛酸含量进一步增加,显著提高了根细胞壁对Cd的结合。AMF还提高了果胶和HC1中Cd的浓度,说明AMF可以在旱稻重塑的细胞壁中重新分配Cd。此外,AMF处理对旱稻根细胞壁中吸附固定Cd2+的功能基团有一定影响,对细胞壁纤维素等多糖进行改性,影响细胞壁多糖的结构。并且蛋白质中的-NH2、纤维素中的-COOH和果胶中的-OH是AMF作用的主要位点。另外,AMF处理增加了旱稻根外皮层厚度和中柱、木质部面积,中柱形态完整,根细胞质壁分离程度缓解,根细胞壁进一步变厚,抵御了Cd的进入。
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