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持续小剂量污染及其引起的生态效应是污染生态学领域关注的重要热点问题。本研究以三个蚕豆品种——K0883,K0502,K0697(分别以A、B、C表示)为实验材料,在大田模拟重金属污染——铅(Pb,污染浓度分别为40 mg·kg<-1>,250mg·kg<-1>,)、镉(Cd,污染浓度分别为10 mg·kg<-1>,60 mg·kg<-1>,)以及复合污染(60 mg·kg<-1>+20 mg·kg<-1>)条件下,对持续经历污染的蚕豆两个世代(第四和第五代)的种群数量特征(包括株高、分枝数、第一结荚高、单株果实数、单株豆荚重、单株种子重、种子20个豆荚含种子数、50个种子重、主根长、根瘤数)、生理生态特征(包括叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量、磷酸化酶活性、总蛋白含量)以及分子生态特征(热激蛋白和微卫星)进行分析,得到如下研究结果:
(1)在两个世代中,蚕豆种群的数量性状都发生了显著性变化。植株矮化,主根长降低,果实数和果实重量降低。这种变化随着污染物的不同以及污染浓度的不同在世代间存在着差异。以在40mg/kgPb污染下的株高为例,A品种在第四世代降低了48.0%,而在第五世代下降了43.9%;B品种在第四世代下降了28.7%,在第五世代下降了55.3%;C品种在第四世代下降了21.7%,而在第五世代下降了36.0%。
(2)在重金属持续污染条件下,蚕豆种群光合作用受到抑制,呼吸作用得到促进。以在250mg/kgPb处理条件下的蛋白含量为例,A品种在第四世代降低了31.3%,在第五世代下降了26.7%;B品种在第四世代下降了16.9%,在第五世代下降了19.8%;C品种在第四世代下降了17.5%,而在第五世代下降了18.9%。
(3)对蚕豆种群热激蛋白HSP(Heat Shock Protein)分析表明,不同蚕豆品种及其不同世代条件下受污染影响时诱导热激蛋白表达的量不同。以在10m/kgCd污染下的HSP为例,B品种在第四世代增加了24.0%,而在第五世代无显著性变化。这种量上的差异性可以预警种群水平上的变化。SSR分子标记表明,经历污染后蚕豆种群遗传多样性的增减因品种的不同和处理条件的不同在世代间存在着差异。以在40mg/kgPb处理条件下的Shannon指数为例,在第四世代A品种增加,B品种和C品种都下降,而在第五世代三个品种都增加。
(5)利用摄动分析对不同蚕豆品种的综合抗性进行比较,结果表明,在本研究中,同一品种在不同污染条件下的抗性不同,不同品种间的适应性水平也存在着差异。综合本研究的所有指标三个品种抗性水平从大到小依次为:C>B>A。两个世代的结果一致。
(6)两个世代间无论是在数量性状、生理生态还是分子上的特征变化趋势都一致,只是程度不一样。数量性状上第五世代的变化幅度小于第四世代,生理生态上第五世代的变化幅度大于第四世代,分子水平上第五世代的遗传多样性低于第四世代,第五世代HSP相对含量的变化幅度小于第四世代。