萝卜镉累积的基因型差异、生理响应与甲基化变化研究

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萝卜(Raphanus sativus L.)是起源于我国的一种重要的世界性蔬菜,其栽培面积在所有蔬菜作物种植中居第2位。随着采矿、冶炼等工业的发展以及污泥、污水的农业利用和磷肥的施用,镉(Cd)污染问题日益严重。Cd是生物毒性最强的“五毒”重金属元素之一,对人类和动植物具有强烈毒害作用,蔬菜的Cd污染是降低蔬菜产品质量和危害人体健康的严重问题。如何控制和减轻蔬菜Cd污染已成为一个日益突出的问题。大量的研究表明,植物对Cd的积累和耐性种间和品种间存在着明显的差异。因此,筛选和研究食用器官Cd积累量低的作物品种或基因型,是有效利用自然资源和保证蔬菜安全生产的重要途径。本研究以萝卜为供试材料,在明确镉胁迫下萝卜积累镉能力的基因型差异的基础上,利用水培试验,对抗Cd萝卜品种适应镉胁迫的生理响应及其DNA甲基化水平的影响进行了初步的探讨。主要研究结果如下:1.镉胁迫下萝卜积累镉能力的基因型差异研究采用水培的方法,研究了46个萝卜品种根和地上部Cd积累的差异。结果表明,在50mg/L Cd处理下,不同基因型萝卜的吸收镉能力存在极显著差异。萝卜根系Cd含量变幅为433.1-2838.4ug/g,地上部Cd含量变幅为136.4-521.1ug/g,根系吸收Cd能力显著大于地上部。根据根部Cd含量和地上部Cd含量,初步认为Nau-CW20、Nau-Hm-05-1和RADIS-US是低积累基因型,而Nau-Brz、Nau-Bysj和Nau-Rg则可能是Cd高累积基因型。根部Cd含量与其干重和地上部干重呈显著的负相关。2.萝卜对镉的吸收、累积特性与生理响应研究通过温室水培试验,选择低Cd积累基因型Nau-Hm-05-1,进一步研究不同浓度镉胁迫Cd2+(0-500 mg/L)对其幼苗发芽率、Cd吸收积累特性和抗氧化酶系统的影响。结果表明,随着Cd2+处理浓度的增加,萝卜种子的发芽率和幼苗的生长明显受到抑制。Cd2+胁迫处理浓度为500 mg/L时,萝卜种子的发芽率仅为8%。随着Cd2+处理浓度的提高,幼苗根部和地上部的Cd含量也随之增加。在500 mg/L Cd2+处理下,幼苗根部和地上部的Cd含量是其对照的20和25倍。Cd胁迫也引起萝卜幼苗发生膜脂过氧化作用,丙二醛含量显著增加。Cd胁迫使萝卜幼苗过氧化氢酶(CAT)活性首先增加,然后下降,而超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性显著上升。3.镉胁迫下萝卜基因组DNA甲基化敏感扩增多态性分析应用甲基化敏感扩增多态性(MSAP)技术分析了重金属镉(Cd)胁迫处理后Nau-CW20萝卜基因组DNA甲基化程度的变化。结果表明,经50、250和500 mg/LCdCl2处理后,MSAP比率分别为37%、43%和51%,均高于对照(34%);全甲基化率(双链CmCGG)分别为23%、25%和27%,而其对照为22%,表明重金属CdCl2胁迫后,某些位点发生了重新甲基化。萝卜叶片DNA中总甲基化水平的增加与CdCl2处理浓度呈显著正相关。甲基化变异可分为重新甲基化、去甲基化、不定类型以及与对照相同的甲基化模式等类型,Cd胁迫处理引起的植株基因组DNA甲基化程度的提高主要是重新甲基化。
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