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多年生黑麦草对重金属镉的抗性机理研究

作　者: 刘俊祥
导　师: 孙振元
学　校: 中国林业科学研究院
专　业: 园林植物与观赏园艺
关键词: 多年生黑麦草镉积累抗性谷胱甘肽植物络合素
分类号: S688.4
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文研究了多年生黑麦草（Lolium perenne）对镉的积累特性和Cd²⁺对多年生黑麦草的毒性效应，在此基础上，证明了谷胱甘肽和植物络合素在多年生黑麦草中对Cd²⁺的解毒作用，并通过外源GSH的调节达到了提高多年生黑麦草对Cd²⁺抗性的目的，得到的主要结果如下。1.5、10、20mg/LCd²⁺处理多年生黑麦草18天，根中的镉浓度分别为4.65、4.71、6.21mg/gDW，地上部的镉浓度分别为0.34、0.43、0.62mg/gDW，镉转运系数分别为0.07、0.09、0.10，地上部镉的富集系数分别为67.68、43.15、31.22，地上部镉的分布比例分别为27.05%、32.24%、42.52%，地上部积累镉的总量分别为0.20、0.24、0.31mg/10株。随着Cd²⁺处理浓度的升高，多年生黑麦草对镉的转运系数、镉在地上部的分布比例和地上部镉的富集总量显著升高，多年生黑麦草对镉表现出持续富集的能力。多年生黑麦草地上部的镉富集浓度超过了镉超富集植物要求的100mg/kg的标准，但转运系数小于1，因此，多年生黑麦草仍属于镉的高积累植物，而不是超富集植物。2.对多年生黑麦草进行0（CK）、5、10、20mg/LCd²⁺处理，多年生黑麦草的生长速率受Cd²⁺的显著影响，处理后18天，5、10、20mg/LCd²⁺处理分别较对照显著下降了33.94%、45.23%、53.89%。Cd²⁺处理下，多年生黑麦草植株的含水量、地上部生物量、地下部生物量和根冠比均较对照显著降低。多年生黑麦草根系的各项生长参数均受Cd²⁺的显著抑制。Cd²⁺处理下，地上部的钾、镁浓度较对照显著降低。3.5mg/LCd²⁺处理多年生黑麦草6天，结果表明Cd²⁺处理未导致光合色素含量的变化，气体交换参数和叶绿素荧光参数均受到显著的影响。Pn在处理后3和6天分别较0天显著下降了24.4%和23.4%，非气孔因素对Pn的降低起到了主要作用。实际光化学效率（ΦPSII）、相对电子传递效率（rETR）和光化学淬灭系数（qP）在处理后6d较0天显著下降，叶片PSII的光化学反应能力显著降低。非光化学淬灭系数（qN）和调节性能量耗散（Y（NPQ））在处理后6d显著升高，能量热耗散的加强起到了光保护的作用。4.5mg/LCd²⁺处理多年生黑麦草6天，叶片中的GSH浓度逐渐升高，根系中的谷胱甘肽浓度先升高后降低，植物络合素合成速度的加快导致了谷胱甘肽的过度消耗。随着Cd²⁺处理时间的延长，多年生黑麦草根系和叶片中的植物络合素浓度逐渐升高，根系中植物络合素的浓度要大于叶片。Cd²⁺处理下，多年生黑麦草根系中PC3的巯基占总巯基数量的比例最大，处理后6天占总巯基的83.35%，叶片中GSH的巯基比例最大，处理后6天占总巯基数量的46.08%。多年生黑麦草根、叶中总巯基（T-SH）的浓度随着处理时间的延长显著升高，根中总巯基的浓度与镉浓度极显著正相关。5.对5mg/LCd²⁺处理的多年生黑麦草施加外源GSH，结果表明外源GSH的调节可提高多年生黑麦草对Cd²⁺的抗性。外源GSH促进了Cd²⁺胁迫下多年生黑麦草的生长，处理后24天，Cd²⁺+0.5mMG、 Cd²⁺+1mMG处理下的地上部、地下部生物量和根冠比均较Cd²⁺处理显著升高。外源GSH减轻了根系的氧化胁迫，处理后12天，Cd²⁺+0.5mMG、Cd²⁺+1mMG处理下根中的MDA含量较Cd²⁺处理显著降低。外源GSH减轻了Cd²⁺对Ca²⁺吸收的抑制作用，提高了Cd²⁺处理下多年生黑麦草的光合能力。6.对5mg/LCd²⁺处理的多年生黑麦草施加外源GSH抑制剂（BSO），结果表明，Cd²⁺+BSO处理下多年生黑麦草叶绿素b、类胡萝卜素含量较Cd²⁺处理显著降低，植物络合素对光合色素具有保护作用；根、叶中的MDA含量显著高于Cd²⁺处理；叶中的SOD、POD、CAT、APX、MDHAR、GR、GPX活性和根中的POD、CAT活性均低于Cd²⁺处理；在多年生黑麦草的叶片和根系中，Cd²⁺BSO处理下的ASA的含量较Cd²⁺处理降低，DHA的含量较Cd²⁺处理升高；谷胱甘肽和植物络合素对Cd²⁺胁迫下多年生黑麦草的抗氧化系统有保护作用，进而减轻了Cd²⁺导致的氧化胁迫。处理后24天，BSO显著降低了Cd²⁺处理下多年生黑麦草的Pn、Gs、和Tr，地上部的Mg浓度和根系中的K浓度亦较Cd²⁺处理显著降低。Cd²⁺+BSO处理下的多年生黑麦草地下部生物量和根冠比均较Cd²⁺处理降低，处理后6、12、24天，地下部生物量分别较Cd²⁺处理下降了3.65%、3.77%和17.86%，根冠比分别较Cd²⁺处理下降了5.00%、5.56%和22.22%。Cd²⁺+BSO处理下，多年生黑麦草根系、叶片中的Cd浓度均较Cd²⁺处理降低，Cd转运系数较Cd²⁺处理升高，GSH和PCs参与了多年生黑麦草对Cd²⁺的吸收和转运。综上，本研究评价了多年生黑麦草对Cd的富集能力，探明了Cd²⁺对多年生黑麦草的毒性效应，建立了外施GSH提高Cd²⁺抗性的方法，最终揭示了GSH代谢在多年生黑麦草抗Cd²⁺机理中的作用。

全文目录

摘要  5-8
Abstract  8-18
第一章绪论  18-34
  1.1 引言  18-31
    1.1.1 研究背景  18-19
    1.1.2 国内外研究现状及评述  19-31
  1.2 研究目标和主要研究内容  31-33
    1.2.1 关键的科学问题和研究目标  31-32
    1.2.2 主要研究内容  32-33
  1.3 研究技术路线  33-34
第二章镉胁迫下多年生黑麦草的生长和镉积累特性  34-52
  2.1 材料与方法  34-37
    2.1.1 植物材料培养  34-35
    2.1.2 实验设计  35
    2.1.3 实验方法  35-36
    2.1.4 数据处理  36-37
  2.2 结果与分析  37-49
    2.2.1 Cd 在多年生黑麦草中的积累特性  37-41
    2.2.2 Cd~(2+)对多年生黑麦草生长速率的影响  41
    2.2.3 Cd~(2+)对多年生黑麦草植株含水量的影响  41-42
    2.2.4 Cd~(2+)对多年生黑麦草生物量和根冠比的影响  42-44
    2.2.5 Cd~(2+)对多年生黑麦草根系生长的影响  44-46
    2.2.6 Cd~(2+)对多年生黑麦草矿质元素浓度的影响  46-49
  2.3 小结与讨论  49-52
第三章镉胁迫下多年生黑麦草的光合生理  52-60
  3.1 材料与方法  52-55
    3.1.1 材料培养  52-53
    3.1.2 实验设计  53
    3.1.3 实验方法  53-54
    3.1.4 数据处理  54-55
  3.2 结果与分析  55-58
    3.2.1 Cd~(2+)对多年生黑麦草气体交换参数的影响  55-56
    3.2.2 Cd~(2+)对多年生黑麦草光合色素的影响  56
    3.2.3 Cd~(2+)对多年生黑麦草叶绿素荧光参数的影响  56-58
  3.3 小结与讨论  58-60
第四章镉胁迫下多年生黑麦草植物络合素的变化  60-70
  4.1 材料与方法  60-63
    4.1.1 材料培养  60-61
    4.1.2 实验设计  61
    4.1.3 实验方法  61-62
    4.1.4 数据处理  62-63
  4.2 结果与分析  63-68
    4.2.1 多年生黑麦草根中 Cd 浓度的变化  63
    4.2.2 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草巯基化合物浓度的变化  63-64
    4.2.3 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草总巯基浓度的变化  64-66
    4.2.4 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草各巯基化合物的巯基比例变化  66-67
    4.2.5 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草根中总巯基浓度与 Cd 浓度关系  67-68
  4.3 小结与讨论  68-70
第五章外施 GSH 对镉胁迫下多年生黑麦草生长和生理特性的影响  70-83
  5.1 材料与方法  70-72
    5.1.1 植物材料培养  70
    5.1.2 试剂  70-71
    5.1.3 实验设计  71
    5.1.4 实验方法  71-72
    5.1.5 数据处理  72
  5.2 结果与分析  72-80
    5.2.1 外源 GSH 对 Cd~(2+)胁迫下多年黑麦草巯基化合物浓度的影响  72-74
    5.2.2 外源 GSH 对多年生黑麦草 Cd 积累特性的影响  74-76
    5.2.3 外源 GSH 对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草丙二醛含量的影响  76-77
    5.2.4 外源 GSH 对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草矿质元素浓度的影响  77-78
    5.2.5 外源 GSH 对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草气体交换参数的影响  78-79
    5.2.6 外源 GSH 对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草生物量的影响  79-80
  5.3 小结与讨论  80-83
第六章 GSH 抑制剂对多年生黑麦草抗镉生理机制的影响  83-105
  6.1 材料与方法  83-89
    6.1.1 植物材料培养  83-84
    6.1.2 试剂  84
    6.1.3 实验设计  84
    6.1.4 实验方法  84-89
    6.1.5 数据处理  89
  6.2 结果与分析  89-102
    6.2.1 谷胱甘肽抑制剂对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草巯基化合物浓度的影响  89-91
    6.2.2 谷胱甘肽抑制剂对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草光合色素的影响  91-92
    6.2.3 谷胱甘肽抑制剂对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草抗氧化系统活性的影响  92-97
    6.2.4 谷胱甘肽抑制剂对多年生黑麦草 Cd 积累特性的影响  97-99
    6.2.5 谷胱甘肽抑制剂对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草矿质元素浓度的影响  99-100
    6.2.6 谷胱甘肽抑制剂对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草气体交换参数的影响  100-101
    6.2.7 谷胱甘肽抑制剂对 Cd~(2+)胁迫下多年生黑麦草生物量的影响  101-102
  6.3 小结与讨论  102-105
第七章结论与讨论  105-109
  7.1 结论  105-106
  7.2 讨论  106-107
  7.3 展望  107-109
参考文献  109-122
在读期间的学术研究  122-123
致谢  123

多年生黑麦草对重金属镉的抗性机理研究

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