富鋅水稻鋅營養(yǎng)生理特性的研究.pdf

1、鋅是生物體必需的重要微量營養(yǎng)元素，缺鋅引起的營養(yǎng)失衡問題是目前世界上面臨的主要營養(yǎng)健康問題之一。作為世界上1/2人口的主要糧食作物，水稻籽粒中鋅含量的輕微增加即可有效改善人體鋅素營養(yǎng)狀況。近年來通過遺傳育種或轉(zhuǎn)基因方法來提高水稻籽粒鋅含量的生物強(qiáng)化途徑被認(rèn)為是解決人類缺鋅問題的最經(jīng)濟(jì)有效的方法。然而水稻鋅營養(yǎng)生理特性和籽粒鋅富集的生理機(jī)制還遠(yuǎn)未清楚，這也在一定程度上限制了富鋅品種的選育。本研究以國際水稻所的富鋅水稻為材料，采用溶液培養(yǎng)方

2、法，運(yùn)用穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)，系統(tǒng)研究了富鋅水稻對鋅的吸收運(yùn)輸和再利用特征以及影響其籽粒鋅積累的因素，取得的主要研究結(jié)果如下：
　　 ⑴20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)具有快速進(jìn)行同位素比值測定的能力。但如何準(zhǔn)確有效的測定生物樣品中富集同位素的比例與含量是成功利用穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)的關(guān)鍵。通過對儀器各參數(shù)優(yōu)化，干擾識別和解決方法，儀器穩(wěn)定性等方面的研究，建立了利用Agilent7500a型ICP-

3、MS測定標(biāo)準(zhǔn)溶液中鋅同位素比值和68Zn示蹤劑量的技術(shù)體系，為進(jìn)一步研究68Zn在生物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化與代謝機(jī)制提供技術(shù)支持。
　　 ⑵應(yīng)用穩(wěn)定性同位素示蹤的方法，研究比較了籽粒鋅富集(IR68144)與非富集(IR64)兩種基因型水稻對鋅的吸收、運(yùn)輸和籽粒鋅積累的特征。試驗(yàn)結(jié)果表明：在各種鋅處理下，兩種水稻木質(zhì)部傷流液中鋅的濃度土均始終高于外界溶液中，甚至高達(dá)20倍之多，可見水稻從外界吸收鋅是一種逆濃度梯度的運(yùn)輸過程。兩者相比，

4、籽粒鋅富集型水稻(IR68144)在溶液供應(yīng)68Zn后，短期內(nèi)(兩天)吸收速率迅速增高，鋅向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)量也更大，但是長期(八天)處理下二者吸收差異并不顯著。籽粒鋅富集型水稻(IR68144)木質(zhì)部傷流液中的鋅濃度始終高于非富集型(IR64)，尤其是在足鋅(2μM)和過量鋅(8μM)處理下，IR68144表現(xiàn)出更高的鋅轉(zhuǎn)運(yùn)比率。兩種基因型水稻中68Zn在苗期最新葉和成熟期發(fā)育籽粒中的積累趨勢并無顯著差異，68Zn在IR68144的新葉和

5、籽粒中的濃度始終高于IR64。這些結(jié)果表明，根系吸收的鋅能否向地上部快速轉(zhuǎn)運(yùn)能力和木質(zhì)部的裝載能力可能是籽粒鋅富集的重要影響因素，而根系吸收能力并無明顯影響。
　　 ⑶通過穩(wěn)定性同位素示蹤方法，運(yùn)用營養(yǎng)液培養(yǎng)對富鋅水稻苗期和抽穗后的韌皮部鋅運(yùn)輸特征以及劍葉涂抹鋅處理對籽粒鋅含量影響的特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明富鋅水稻IR68144在分蘗期停止供應(yīng)鋅的情況下，鋅從衰老組織(莖桿和老葉)向新生組織(分蘗和新出葉)轉(zhuǎn)運(yùn)量顯著高于對照品種I

6、R64。IR68144完全展開葉中有71％的68Zn轉(zhuǎn)運(yùn)到新出葉和分蘗中，而瓜64中這一比例僅為63％。缺鋅處理21 d后，IR68144再轉(zhuǎn)運(yùn)的68Zn高達(dá)植株68Zn總量的41.3％，是IR64的1.2倍。雖然IR64根系中68Zn的濃度高于IR68144，而且在缺鋅條件下能從根系轉(zhuǎn)運(yùn)更多的68Zn到地上部，但是轉(zhuǎn)運(yùn)上去的68Zn有很大一部分儲存在莖桿中，未能向新生組織(新出葉和分蘗)轉(zhuǎn)運(yùn)。生殖生長時(shí)期，外界停止供鋅的21 d內(nèi)，兩

7、種水稻籽粒68Zn的積累量均顯著增加，但富集型IR68144中68Zn的增加量顯著高于IR64，達(dá)1.3倍.對比兩種水稻中68Zn在不同部位中的分配比例，在抽穗期外界停止供鋅的情況下，IR68144發(fā)育籽粒中積累的68Zn主要來自于莖桿中儲存68Zn的再轉(zhuǎn)運(yùn)，而IR64則來自于莖桿和根系兩者，這與苗期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相類似。此外，劍葉涂抹的68Zn能通過葉片的韌皮部進(jìn)入籽粒，其糙米中總鋅濃度較對照可顯著提高10％，并且劍葉吸收的68Zn有很大

8、比例直接轉(zhuǎn)運(yùn)入籽粒。從劍葉向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)的68Zn量，不論其處理時(shí)期(孕穗期或開花期)，富集型IR68144都是對照IR64的兩倍。這些結(jié)果表明，鋅從“源”向“庫”的再轉(zhuǎn)運(yùn)能力和籽粒鋅富集密切相關(guān)，特別是生殖生長時(shí)期鋅從莖桿向籽粒的韌皮部再轉(zhuǎn)運(yùn)過程。
　　 ⑷通過穩(wěn)定性同位素示蹤方法，運(yùn)用營養(yǎng)液培養(yǎng)對兩種基因型水稻不同時(shí)期供應(yīng)68Zn穩(wěn)定性同位素，研究根系對68Zn的吸收及其在植物體內(nèi)的分配情況，旨在探明水稻植株不同部位積累鋅的來

9、源問題。結(jié)果表明，兩種基因型水稻成熟期鋅在不同部位中的分布差異很大，富集型水稻IR68144糙米、莖桿和葉片中鋅的濃度顯著高于對照品種IR64，分別達(dá)到1.35、2.05和1.43倍；而IR64根系鋅的濃度約為IR68144的兩倍。兩種基因型水稻不同時(shí)期根系吸收的68Zn主要分布于莖桿(32-62％)中，其次是糙米(10-33％)、葉片(10-27％)和根(2-19％)，很少一部分積累在谷殼中(少于2％)。將水稻整個(gè)生育期分成4個(gè)時(shí)期，

10、通過公式計(jì)算可知，開花期以前吸收的鋅再轉(zhuǎn)運(yùn)入籽粒的量在富集型水稻IR68144中為63％，而對照品種IR64中52％。兩種基因型水稻時(shí)期Ⅱ和時(shí)期Ⅲ吸收的鋅只有一小部分沉積在根系和莖桿中(約20％)，大量的鋅被轉(zhuǎn)運(yùn)到籽粒(糙米和谷殼)中。因此，時(shí)期Ⅱ和時(shí)期Ⅲ是水稻鋅利用效率最高的時(shí)期。同時(shí)，土培實(shí)驗(yàn)表明，三種土壤葉面鋅肥的施用均增加了水稻地上部的鋅含量，且隨著鋅肥施用量的增加，鋅在各部位中的含量隨之增加。但是鋅在莖桿和葉片中含量的增加量要

11、顯著高于糙米和谷殼，尤其是在1％ZnSO4處理下。糙米中鐵、銅、錳等微量元素含量及品質(zhì)指標(biāo)隨葉面噴鋅濃度和土壤類型的不同而變化?？傮w而言，錳的含量受土壤種植條件和葉面噴施鋅肥濃度的影響不大，而銅的含量則因土壤類型而異，呈現(xiàn)出小粉土>青紫泥>黃紅壤的現(xiàn)象，且隨著葉面噴施鋅肥濃度的增加而增加；兩種基因型水稻蛋白質(zhì)含量差異不顯著，且不受葉面噴施鋅肥濃度的影響，但黃紅壤要相對優(yōu)于其他兩種土壤。土壤類型對水稻直鏈淀粉含量的影響很大，小粉土>青紫泥

12、>黃紅壤。這些結(jié)果表明，籽粒灌漿期積累的鋅主要來自于植物體內(nèi)鋅素通過韌皮部運(yùn)輸?shù)脑倮茫皇峭饨缥盏匿\通過木質(zhì)部的直接運(yùn)輸，葉面噴施鋅肥能顯著提高籽粒中的鋅含量，但提高的幅度不及營養(yǎng)器官而且受土壤類型影響。
　　 ⑸采用營養(yǎng)液培養(yǎng)試驗(yàn)，主要研究了三種不同鋅源(硫酸鋅、乙酸鋅和蛋氨酸鋅)和不同鋅水平對兩種基因型水稻組織水平上鋅分布特征的影響。鋅富集型水稻IR68144和對照IR64全株吸收鋅的總量均隨著供鋅水平的提高而增加，但

13、增加幅度在不同部位中差異很大。高鋅(4μM)處理下，大部分鋅儲存在水稻莖桿和葉片中，其鋅濃度較CK條件下(1μM)增加了2～5倍，而籽粒中鋅濃度的增加幅度則較為有限(30％～90％)，而且鋅在籽粒中的分配比率隨著供鋅濃度的增加而降低。乙酸鋅和蛋氨酸鋅處理能提高水稻對鋅的吸收，特別是在低鋅處理下，籽粒鋅含量顯著高于硫酸鋅處理。糙米中錳的濃度對供鋅水平變化不顯著，而鐵、銅的濃度則是在CK下最高，高鋅處理則會(huì)使之下降，但三種鋅源之間差異不顯著

14、。同時(shí)，碾磨實(shí)驗(yàn)表明，兩種基因型水稻籽粒干物質(zhì)損失量和鋅濃度與精米時(shí)間符合指數(shù)方程，呈現(xiàn)出很高的相關(guān)性。當(dāng)籽粒外層損失10％的干物質(zhì)(相當(dāng)于去掉了糊粉層)時(shí)，籽粒鋅的總量損失了近30％左右，而Ca、P元素含量損失更多，說明它們很大一部分是分布在籽粒表面的糊粉層和胚中。兩種基因型水稻籽粒的直鏈淀粉和總蛋白質(zhì)含量隨精米時(shí)間的增加變化很小，而17種氨基酸中除異亮氨酸(Ile)、組氨酸(His)和蛋氨酸(Met)外含量均隨著碾磨時(shí)間的增加而減少