镉胁迫对水稻植株生长的影响

镉胁迫对水稻植株生长的影响

重金属cd最重要的生化特征是与基亲和力强，与其他侧链和碳酸盐其他亲和力强。因此，它可以干扰各种酶的活性，被认为对植物是有毒的。据报道,作物种植在受重金属Cd污染的土壤中,能使作物生长迟缓、植株矮小,叶片失绿甚至发生死亡,影响到产量。在生理上,主要是干扰一些关键酶的活性及各种代谢过程,改变细胞膜的透性,诱导脯氨酸积累和一些未知蛋白质的形成,破坏叶绿体的结构,抑制叶绿素的合成,降低光合作用,干扰蒸腾作用及CO2固定,还会干扰植物和微生物的共生关系,降低植物对病害的抵抗能力等。植物对Cd也有一定的耐性,且存在种间和品种间差异。关于Cd对水稻的毒害作用及水稻对Cd的耐性,国内外已有一些研究报道,但对水稻叶片生理活性的影响研究较少,本实验以扬稻6号和武运粳7号2个水稻品种为材料,研究Cd对植株生长及叶片生理活性的影响及水稻植株对Cd的耐性,旨在探明Cd影响水稻植株生长的生理机制。1材料和方法1.1试验材料扬稻6号、武运粳7号1.2cd/土比及装土量的确定盆栽试验:选用无Cd污染的土壤,土壤部分理化性质见表1。土壤风干后过筛,然后向土壤中加CdCl2,使土壤中Cd/土比为100mg/kg,以不加Cd的处理为对照。土壤准备好以后分别加入塑料盆内,盆钵口径30cm、底径20cm、高30cm,每盆装土15kg。秧苗移栽前,盆钵土面上保持2~3cm水层1个月,使土壤与加入的Cd进行平衡。1.3概念2.7分样,及时对盆钵土表面保持水层水稻种子催芽后,先在无污染秧田育秧,30d后将秧苗移栽到处理好的盆内,每盆3穴,每穴1株,每处理5盆。移栽后全生育期盆钵土面上保持水层2~3cm。盆栽施肥3次:移栽前3天,移栽后18天及抽穗前5天,前2次每次每盆施1.5g尿素(含N46%)和1.5gK2HPO4·3H2O,第3次每盆施3g尿素和2gK2HPO4·3H2O。1.4植株干重、理化指标、总糖含量、可溶性蛋白指标的测定茎蘖动态分析:从移栽后第15天开始,每隔15d数取每盆茎蘖数,求平均值。株高测定:于分蘖末期(拔节始期)、抽穗期,每处理3盆,每盆随机选10个单茎,测量株高。干物质积累量的分析:分蘖末期(拔节始期)、抽穗期和成熟期取水稻植株样品,先用自来水小心洗净根系泥土,然后用去离子水清洗整个植株,用吸水纸吸干表面水分,分为根、茎、叶、穗(籽粒)。根、茎、叶、穗(抽穗期)分别在70℃烘至恒重后测定干物重。籽粒干重由自然风干后测定。产量构成因素分析:于成熟期数取每盆有效穗数,求平均值得每盆穗数;每处理选取3盆,每盆随机10穗,数取每穗上的粒数,求平均值得每穗粒数;用饱粒数占总粒数的比例作为结实率;取30粒自然风干的籽粒称取重量,重复3次,求平均值作为千粒重。叶片电导率的测定:于分蘖末期,每处理3盆,每盆选2~3个单茎,取最上一片完全展开叶1g左右,剪成1cm片断,先用去离子水洗一次,然后放入20ml去离子水中,3h后,用电导仪(DDS-11A型)测量溶液的电导率。叶片丙二醛含量的测定:用TBA法。叶片脯氨酸含量的测定:用茚三酮法。叶片可溶性蛋白含量的测定:用考马斯亮蓝法。叶片光合速率的测定:氧电极法。2结果与分析2.1对水稻植株的毒力镉对水稻植株分蘖和株高均有一定的影响(图1)。土壤Cd处理抑制了水稻分蘖的发生(p<0.05),但对开花期每盆的成穗率影响较小(p>0.05)。对株高的影响也是分蘖期较明显,株高显著下降(p<0.05);而开花期却比对照有所增加(p>0.05)。说明镉对水稻植株的生长具有一定的毒害作用,尤其是水稻植株较幼嫩时,受毒害较明显,而后期(开花期)显示出较高的耐镉性。两品种比较,在分蘖末期武运粳7号分蘖数受影响较大,扬稻6号株高受影响程度较大,而开花期两品种受影响均很小,没有明显差异(p>0.05)。2.2植株干物质的积累和籽粒的产量Cd处理对两品种植株各器官干物质积累和籽粒产量都有一定的影响(图2),即降低了植株各器官的干物质的积累和籽粒的产量。与分蘖和株高的表现一致,干物质的积累量在前期(移栽——抽穗期)受影响较大(p<0.05),而成熟期影响减小。两品种比较,武运粳7号干物质积累和产量受影响的程度均小于扬稻6号(p<0.05)。2.3武运县与扬稻6号、扬稻7号的关系Cd降低了水稻两品种每盆穗数、每穗粒数、结实率和千粒重,其中对扬稻6号影响的顺序为每穗粒数>结实率>每盆穗数>千粒重,而对武运粳7号影响的顺序为每穗粒数>每盆穗数>结实率>千粒重。两品种受影响最大的都为每穗粒数(p<0.05)。2.4cd对水稻膜结构的影响试验测定了分蘖末期的叶片电导率、丙二醛含量、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量以及分蘖末期及抽穗期水稻叶片的光合速率。结果显示,Cd处理使叶片电导率、丙二醛含量、脯氨酸含量和可溶性蛋白含量都上升了(p<0.05),而叶片的光合速率下降了(p<0.05)(图4)。叶片电导率的高低可以反映叶片细胞膜结构的完整度,膜结构受到破坏时,电解质外渗,就会使电导率上升。Cd处理后,两品种叶片电导率均上升了,说明Cd处理破坏了两品种叶片的膜结构,而扬稻6号叶片膜结构受破坏的程度较深(p<0.05)。MDA是膜脂过氧化的主要产物之一,其在植物组织中的积累量可以代表膜脂过氧化作用的程度。在环境胁迫下,植物细胞内自由基代谢平衡会受到破坏,造成超氧阴离子自由基积累,膜脂过氧化作用加剧,细胞膜系统的结构和功能受到损害。图4表明,Cd处理后,两品种叶片丙二醛含量均上升了,说明Cd处理后叶片膜结构的损害与过氧化作用加剧有关。而两品种比较,扬稻6号叶片膜脂过氧化的程度较深(p<0.05)。脯氨酸是植物蛋白质的组分之一,以游离态广泛存在于植物体中,其积累是植物体适应逆境的一种表现,对植株具有保护作用。本试验结果表明,Cd处理后,叶片脯氨酸的含量上升了(p<0.05),说明水稻具有一定的耐Cd性,脯氨酸的积累是水稻适应Cd胁迫后作出一种反应。Cd胁迫降低了水稻叶片可溶性蛋白含量(p<0.05)。可溶性蛋白含量高可以使细胞具有高的渗透浓度和功能蛋白的数量,有助于维持细胞的正常代谢。而Cd处理降低了水稻叶片可溶性蛋白含量,说明Cd对水稻植株蛋白质的代谢也有一定的影响,特别是会影响到一些酶的表达和活性的维持,进而影响到叶片的光合功能。但可溶性蛋白与水稻耐Cd性的关系有待进一步研究。进一步试验表明,Cd胁迫后,无论是在分蘖末期还是在抽穗期,两品种水稻叶片的光合速率均比对照显著降低了(p<0.05),其中分蘖末期下降的幅度大于抽穗期(p<0.05)。两品种比较,扬稻6号受影响较大(p<0.05)。3cd胁迫对水稻生长发育的影响3.1Cd对水稻植株的生长和发育均有一定的毒害作用,但水稻植株也具有一定的耐Cd性,且不同品种和不同生育时期耐Cd能力存在差异。前人的研究表明,农作物的耐镉性存在种间差异,禾本科作物耐性相对较强,而蔬菜类作物如茄科、葫芦科、十字花科、百合科等都相对较弱。耐性较强的作物在高浓度重金属环境胁迫下,其生长发育和结实等都不受明显影响或影响较小,而耐性较弱的作物其上述指标都会出现明显的下降,并在外观上有受害症状,如出现叶斑、叶片黄化、植株变矮等。而王凯容则研究表明,在水稻生长的不同生育时期,Cd对其毒害作用不同,在幼穗分化前,主要是降低其光合生产力,影响植株生长。从幼穗分化-抽穗期主要是抑制生殖器官的分化,造成颖花败育。而抽穗以后,主要是干扰植株体内营养物质的迁移和再分配。本研究表明,土壤Cd处理对水稻分蘖的发生、株高、干物质积累量和稻谷产量都有一定的影响,但是两品种受影响的程度不一样,武运粳7号受影响的程度比扬稻6号轻,说明Cd对水稻植株的生长具有毒害作用,不同品种受毒害的程度不一样,即它们对Cd的耐性存在差异。这与前人的研究结果是一致的。本试验还表明,随着生育期的推迟,水稻成穗率、株高、和干物质的积累量受影响的程度逐渐减轻了,与对照的差异变小了,这说明随着生育期的推迟,水稻对Cd的耐性具有逐步增强的趋势,并在生育后期水稻植株有生长补偿作用。3.2Cd胁迫影响水稻产量的形成Cd处理后,水稻产量构成因素各指标均比对照有明显的下降。两个品种的试验结果均表明,各项参数中受影响最大的均为每穗粒数,说明水稻的幼穗分化对Cd胁迫是最敏感的,就水稻产量而言,Cd胁迫对水稻产量形成的影响最主要的是影响水稻幼穗的分化。3.3Cd胁迫对干物质积累和产量影响的生理机理在Cd对作物的毒害生理方面,杨志敏等研究认为,Cd胁迫干扰了小麦细胞的正常代谢功能,使直接参与光合、呼吸作用和CO2固定等有关的酶活性下降,进而影响了营养物质的吸收,降低了小麦细胞的生长量,从而导致了小麦生物产量的降低。罗立新等认为,在Cd胁迫下,小麦叶片中超氧阴离子自由基的积累显著增加,电解质泄漏,巯基的含量下降,表明细胞质膜的结构和功能都受到了损伤。孔祥生等研究发现,Cd胁迫使叶片玉米SOD和CAT活性降低,蛋白质含量下降,MDA含量上升,质膜透性增大,生长受到抑制,认为Cd胁迫使膜脂过氧化作用加剧。本试验表明,土壤Cd处理后,水稻叶片各生理指标都受到了影响。叶片电导率