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苎麻对重金属吸收和积累特征及镉胁迫响应基因表达研究

作　者: 佘玮
导　师: 揭雨成
学　校: 湖南农业大学
专　业: 作物遗传育种
关键词: 苎麻重金属污染土壤镉胁迫响应基因
分类号: S563.1
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

采矿业、工业生产和高强度的农业活动将大量的重金属带入土壤环境,破坏土壤生态系统。重金属通过植物吸收进入食物链,进而在人体内长期累积,严重危害人们的健康。植物修复技术以其操作简便、环境友好、修复成本低廉性和工程处理简易等优点日渐受到人们重视。苎麻又名“中国草”,具有抗逆能力强、繁殖能力强、根系庞大、生物产量高等特点。我国苎麻种质资源十分丰富,为筛选可应用于重金属植物修复的品种提供了有利的条件。选择重金属耐性强、富集量大且还能高产优质的品种对修复重金属污染土壤具有实际意义。苎麻主要作为纺织等工业原料,通过食物链危害人体健康的风险较小,在治理土壤污染的同时还有一定的经济收益。本文首先采用定位试验研究了矿区野生型苎麻对重金属的吸收积累特征；然后采用盆栽试验和大田微区试验相结合的方法研究了重金属镉对苎麻栽培品种生长的影响、筛选耐镉品种的方法和指标、研究了苎麻对重金属镉的吸收积累特征及其品种间差异；最后采用Solexa技术研究苎麻镉胁迫响应基因表达。主要研究结果如下：1、矿区野生型苎麻对重金属吸收和积累特征石门雄黄矿区As污染严重,伴随Cd、Sb污染和轻微的Pb污染；冷水江锑矿区Sb为主要污染物,伴随Cd、As、Pb污染；浏阳七宝山矿区Cd污染严重,伴随Pb、Zn、Cu污染。Sb和As在苎麻不同部位间的分布次序为叶片中含量最高,其余重金属在部位间分布没有规律。所有采样点苎麻地上部的Cd含量比一般植物的Cd含量大2～10倍,As含量大9.9～147.5倍,Sb含量大1.2～338.4倍。苎麻地上部Cd、As含量与土壤中Cd、As总量显著相关,苎麻地上部Pb、Sb、Zn和Cu含量与土壤Pb、Sb、Zn和Cu总量没有显著相关性。Cd富集系数和转移系数最高值为2.07和3：As富集系数和转移系数最高值为1.04和12.42,Sb富集系数和转移系数最高值为1.91和9.04。苎麻生物量大,地上部Cd、Pb、As、Sb、Zn和Cu的积累量分别高达0.11、1.17、0.72、7.97、6.71和1.69 kg／hm2。说明苎麻适合用作矿区复合重金属污染土壤的环境治理和修复。2、苎麻栽培品种对镉适应性和耐性评价盆栽试验和大田微区试验结果表明Cd对苎麻株高、茎粗、皮厚、生物量、叶绿素含量等有显著影响,且浓度越高,影响程度越大。但盆栽试验中,石阡竹根麻、宜春红心麻和川苎1号三个品种在Cd浓度23～46mg／L下的地上部生物量均高于对照；大田微区试验中,石阡竹根麻和川苎1号在25mg／kgCd处理下的生物量较对照分别增加了38%和36%。通过对苎麻耐性指标综合评价,发现盆栽试验和大田微区试验结果一致,建立了以珍珠岩为基质的营养液盆栽试验筛选苎麻耐镉品种的方法和指标。通过聚类分析将供试品种分为3类：高耐型,中耐型和低耐型。3、苎麻栽培品种镉吸收积累特征盆栽试验结果表明苎麻各器官Cd平均含量按大小排序依次为茎皮＞根＞骨＞叶,苎麻地上部Cd含量与土壤Cd浓度呈显著正相关(0.963)。盆栽试验中Cd处理为23、46、91和182mg/L时,苎麻地上部Cd平均含量分别为22.93,37.22,71.27和88.08mg／kg。大田微区试验结果表明茎皮＞麻骨＞叶,茎皮中Cd含量显著高于其它器官。大田微区试验对照(1.65mg／kg、Cd处理25mg／kg和100mg／kg时苎麻地上部Cd平均含量分别为7.75,28.19和45.11 mg／kg。苎麻地上部Cd积累量品种间差异显著,中苎1号和富顺青麻Cd积累量较强,土壤Cd浓度为1.65mg／kg时,种植中苎1号全年每公顷可产原麻2300kg的同时能从土壤中带走Cd 0.25kg／hm2,土壤Cd浓度为25mg／kg和100mg／kg时,种植富顺青麻全年每公顷可产原麻1900kg以上,同时可分别吸附Cd0.76和0.97kg／hm2。以耐性隶属函数值和地上部Cd含量为指标将苎麻品种聚类为4个不同类型,高耐低吸收型、高耐高吸收型、低耐低吸收型和低耐高吸收型。4、苎麻镉胁迫响应基因表达研究构建了对照(未加Cd处理)和100mg／kgCd处理的苎麻根系数字表达基因数据库。通过Solexa测序分别获得了3,654,395和3,572,333个标签(tag,Clean tag分别占测序总数的93.18%和93.76%。通过数据分析,在对照和处理间共筛选到差异表达基因3887个,包含2883个上调基因和1004个下调基因,blast比对发现其中大部分差异表达基因为未知基因,有待进一步发掘利用。对功能已知差异表达基因进行功能注释富集分析,在分子功能上这些基因主要富集在结合功能和催化活性功能,在细胞位置上主要富集在质膜和液泡。苎麻差异表达基因主要富集途径为谷胱甘肽代谢途径以及半胱氨酸、甲硫氨酸代谢途径,共有55个基因上调表达。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-9
缩写词英汉对照  9-14
第一章文献绪论  14-36
  1 土壤重金属污染  14-15
  2 重金属污染土壤修复技术  15-24
    2.1 物理修复  16-17
    2.2 化学修复  17-18
    2.3 生物修复  18-24
  3 植物镉积累特性研究  24-26
    3.1 农作物  24-25
    3.2 木本植物及草本植物  25-26
    3.3 苎麻  26
  4 植物吸收镉的主要影响因素  26-28
    4.1 pH值  27
    4.2 Eh值  27
    4.3 根系分泌物  27-28
    4.4 根际微生物  28
  5 重金属镉对植物毒害及植物耐镉分子机理  28-33
    5.1 重金属镉对植物毒害  28-30
    5.2 植物耐镉分子机理  30-33
  6 目的意义  33-35
  7 技术路线  35-36
第二章矿区野生型苎麻对重金属吸收和积累特征  36-47
  1 材料与方法  36-38
    1.1 调查区概况  36-37
    1.2 样品采集  37
    1.3 样品处理与分析  37-38
    1.4 矿区植被群落  38
  2 结果  38-45
    2.1 矿区土壤重金属含量  38-40
    2.2 苎麻体内重金属含量  40-43
    2.3 苎麻对重金属的富集系数和转运系数  43-44
    2.4 苎麻地上部对重金属的积累量  44-45
  3 讨论  45-47
第三章苎麻栽培品种对镉胁迫适应性和耐性评价  47-66
  1 材料与方法  47-49
    1.1 试验材料  47-48
    1.2 试验设计  48
    1.3 数据收集方法  48-49
    1.4 耐性评价  49
    1.5 数据处理  49
  2 结果  49-63
    2.1 镉对苎麻株高的影响  49-54
    2.2 镉对苎麻生物量的影响  54-57
    2.3 镉对苎麻叶绿素和单株叶片的影响  57-58
    2.4 镉对苎麻主要农艺性状的影响  58-60
    2.5 苎麻栽培品种各性状相关性分析  60-61
    2.6 苎麻栽培品种镉耐性差异  61-63
  3 讨论  63-66
    3.1 镉对苎麻生长的影响  63-64
    3.2 苎麻镉耐性研究  64-66
第四章苎麻栽培品种镉吸收积累特征  66-86
  1 材料与方法  66-67
    1.1 试验材料  66
    1.2 试验设计  66-67
    1.3 样品分析  67
    1.4 数据处理  67
  2 结果与分析  67-82
    2.1 苎麻各器官镉的分配  67-71
    2.2 苎麻地上部镉含量与积累量  71-74
    2.3 苎麻对镉的富集和迁移特性  74-76
    2.4 苎麻镉耐性与地上部镉含量的聚类分析  76
    2.5 不同季别对苎麻吸收积累镉的影响  76-82
  3 讨论  82-86
    3.1 苎麻各器官镉的分配  82-83
    3.2 苎麻镉吸收特征  83-84
    3.3 苎麻镉积累特征  84
    3.4 苎麻镉耐性与富集能力的关系  84
    3.5 苎麻吸收积累镉的季别间差异  84-86
第五章苎麻镉胁迫响应基因表达研究  86-107
  1 材料与方法  86-90
    1.1 材料  86-87
    1.2 方法  87-90
  2 结果与分析  90-103
    2.1 总RNA的提取  90-91
    2.2 测序质量  91
    2.3 表达量分布  91-92
    2.4 测序饱和度  92-93
    2.5 标签(tag)的基因注释、标准化和确定基因表达量  93
    2.6 差异表达基因的筛选  93-94
    2.7 差异表达基因功能注释的富集分析  94-100
    2.8 苎麻镉胁迫响应基因参与的主要代谢途径  100-103
  3 讨论  103-107
    3.1 Solexa技术  103
    3.2 苎麻镉胁迫响应基因表达研究  103-106
    3.3 苎麻镉胁迫响应基因功能富集分析  106-107
第六章结论、创新点及今后研究方向  107-110
  1 本研究主要结论  107-108
    1.1 矿区野生型苎麻对重金属吸收和积累特征  107
    1.2 苎麻栽培品种对镉胁迫适应性和耐性评价  107-108
    1.3 苎麻栽培品种镉吸收积累特征  108
    1.4 苎麻镉胁迫响应基因表达研究  108
  2 创新点  108-109
  3 今后研究方向  109-110
参考文献  110-128
附录  128-129
致谢  129-130
作者简历  130-131

苎麻对重金属吸收和积累特征及镉胁迫响应基因表达研究

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