鎘脅迫對陸地棉生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響及其耐鎘性的遺傳研究.pdf

1、鎘是毒性最強(qiáng)和農(nóng)田受污染最普遍的重金屬之一。鎘在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移性較為活躍，不僅嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，并可通過食物鏈富集危害人體健康.因此，土壤鎘修復(fù)已成為保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和持續(xù)高效的利用土地資源的一項(xiàng)重要科學(xué)任務(wù).治理鎘污染的土壤最有效的途徑就是培育和種植非食用作物或食用器官累積量低的作物品種.這樣既可以逐漸吸收消除土壤中的鎘，又可以合理利用土地，保障土地持續(xù)產(chǎn)出。棉花作為一種重要的經(jīng)濟(jì)作物，主產(chǎn)品是棉纖維，副產(chǎn)品是棉籽，

2、是一種適合用于治理土壤鎘污染的作物之一.
　　 本研究以轉(zhuǎn)基因抗草甘膦棉種質(zhì)系ZD-90、轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲棉品種SGK3和陸地棉標(biāo)準(zhǔn)系TM-1為研究材料，通過二年的模擬大田試驗(yàn)，觀察鎘協(xié)迫下棉花植株在整個生育期內(nèi)的生長狀況，測定相關(guān)的生理和光合作用指標(biāo)，并分析產(chǎn)量、纖維品質(zhì)、種子品質(zhì)以及金屬離子含量及其在細(xì)胞中的分布等，探索棉花修復(fù)鎘污染土壤的可能性及其耐鎘性的生理生化基礎(chǔ).同時，以16份轉(zhuǎn)基因抗蟲棉棉花品種為親本，按完全雙列雜交

3、設(shè)計(jì)配制成1套包括親本、F1和F2的遺傳材料，采用包括加性、顯性和母體效應(yīng)遺傳模型（ADM模型），研究了棉花幼苗耐鎘性的遺傳特點(diǎn)和分子機(jī)理.主要研究結(jié)果如下:
　　 1.鎘脅迫對棉花生長發(fā)育的影響2009～2010年二年不同濃度鎘處理的模擬大田試驗(yàn)結(jié)果表明，低濃度鎘處理對棉花植株生長發(fā)育具有有一定的促進(jìn)作用，但高濃度鎘處理對棉花植株的生長發(fā)育具有明顯的抑制作用，品種間對鎘脅迫的反應(yīng)有顯著差異。棉花植株生理生化指標(biāo)測定結(jié)果表明，在

4、低濃度鎘脅迫下，棉花植株體內(nèi)的抗氧化化物酶如POD、SOD、CAT和APX等迅速升高以對付鎘脅迫所引起的體內(nèi)活性氧的增加而免遭傷害.隨著鎘處理濃度的增加和脅迫時間的延長，植株體內(nèi)累積的MDA量呈逐漸升高趨勢，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a/b和葉綠素總量總體上呈逐漸降低趨勢，葉片凈光合速率先升高后降低，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度逐漸降低，氣孔限制值逐漸升高。
　　 2.鎘脅迫對棉花產(chǎn)量及產(chǎn)量因素的影響參試棉花品種（系）的籽棉和皮棉產(chǎn)量均隨

5、著鎘處理濃度的增加而顯著降低。從產(chǎn)量構(gòu)成因素來看，品種（系）間對鎘處理的反應(yīng)不盡一致.TM-1和SGK3的衣分均隨著鎘脅迫濃度的增加而降低，而ZD-90的衣分在鎘處理后卻反而高于對照;3個參試品種（系）的單株鈴數(shù)均隨著鎘脅迫濃度的增加而顯著降低;TM-1和ZD-90的鈴重均隨著鎘脅迫濃度的增加而顯著降低，而SGK3在濃度處理時的單鈴重反而提高，中高濃度鎘處理后其鈴重隨處理濃度增加而降低.
　　 3.鎘脅迫對棉花纖維品質(zhì)的影響參試

6、品種（系）在鎘處理后的纖維品質(zhì)有所下降，但不同的纖維品質(zhì)指標(biāo)間參試品種（系）的反應(yīng)不盡一致。TM-1和SGK3的纖維長度在低鎘處理濃度時表現(xiàn)增加，在高濃度處理時表現(xiàn)下降，而ZD-90的纖維長度則隨鎘處理濃度增加而增加。3個品種（系）的纖維斷裂比強(qiáng)度在200μM鎘處理下最大，處理間差異均不顯著。馬克隆值均為在鎘處理低濃度時增加，而高濃度處理時降低，處理間差異均不顯著，其中SGK3的馬克隆值高于ZD-90和TM-1。纖維伸長率在處理間差異不

7、顯著，其中ZD-90的纖維伸長率在鎘處理后均低于對照。
　　 4.鎘脅迫對棉花種子品質(zhì)的影響鎘處理后，3個棉花品種（系）的種子物理品質(zhì)均有一定的下降，但不同參試品種（系）間，對鎘脅迫的反應(yīng)各不相同，其中TM-1的籽指、仁指和仁殼比等性狀對受鎘脅迫影響較大，對鎘較敏感;ZD-90和SGK3二個轉(zhuǎn)基因棉品種（系）的種子物理品質(zhì)在處理間差異不顯著，對鎘脅迫反應(yīng)不敏感.高濃度鎘處理后，3個品種（系）種仁蛋白質(zhì)含量均低于低濃度處理，但高于

8、對照;鎘處理后的油分含量與蛋白質(zhì)含量變化相反.蛋白質(zhì)中的氨基酸相對含量受鎘處理影響較小，但參試品種間有一定的差異，其中TM-1鎘處理后的半胱氨酸相對含量增加，而SGK3鎘處理后的半胱氨酸含量相對降低.鎘處理對棉籽油中不同脂肪酸含量的影響表現(xiàn)不一致，其中棕櫚酸含量隨鎘處理濃度的升高而顯著降低，亞油酸含量在不同鎘處理濃度間無顯著差異.3個棉花品種（系）種仁棉酚含量在鎘處理后有不同程度的降低。其中ZD-90和SGK3的棉酚含量均低于TM-1.

9、
　　 5.鎘脅迫對棉花種子顯微和超顯微結(jié)構(gòu)的影響石蠟切片結(jié)果表明，棉花種子種仁表面色素腺體密度隨著鎘處理濃度的升高逐漸降低，結(jié)果與棉酚含量測定結(jié)果相一致.透射電鏡結(jié)果表明，鎘處理濃度越高，種仁細(xì)胞受傷害越嚴(yán)重，表現(xiàn)為細(xì)胞核變得不規(guī)則，染色質(zhì)的凝聚，核仁扭曲和解體;細(xì)胞膜與細(xì)胞壁分離;細(xì)胞壁變厚;細(xì)胞質(zhì)濃縮，細(xì)胞器結(jié)構(gòu)異常，細(xì)胞坍塌解體，對細(xì)胞造成致死性的傷害.電鏡觀察結(jié)合能譜分析確定鎘以晶體或電子致密顆粒形式存在于蛋白質(zhì)中的空

10、泡、細(xì)胞間隙、細(xì)胞質(zhì)以及附著在細(xì)胞壁上.
　　 6.鎘脅迫下鎘及其它金屬元素在棉花體內(nèi)的積累與轉(zhuǎn)運(yùn)不同鎘濃度處理下，棉花各器官和組織鎘含量測定結(jié)果表明，3個參試棉花品種（系）葉柄中累積的鎘含量最高，纖維最低.不同部位累積鎘能力的順序?yàn)?纖維＜種仁＜棉籽殼＜根系＜葉片＜莖稈＜鈴殼＜葉柄.各器官對鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力、富集系數(shù)和對鎘吸收能力的順序一致，說明棉花具有較強(qiáng)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和富集重金屬鎘的能力，并隨著土壤中的鎘含量增加而增加.不同品種

11、（系）間，鎘積累與轉(zhuǎn)運(yùn)有明顯差異，其中SGK3和ZD-90的鎘累積、轉(zhuǎn)運(yùn)能力高于TM-1.鎘與其它金屬元素間相關(guān)分析表明，鎘脅迫促進(jìn)了纖維和棉籽殼對Mg、Mn、Cu、Zn元素的吸收和累積，影響了葉片、葉柄和鈴殼對Mn、Zn元素的吸收和累積，影響了種子和莖稈對Mn、Cu元素的吸收，促進(jìn)了根對Mg、Mn、Zn元素的吸收。
　　 7.棉花耐鎘性的遺傳分析以16份耐鎘性差異明顯的轉(zhuǎn)基因雜交棉及其雙列雜交組合為材料，采用加性、顯性和母體效

12、應(yīng)遺傳模型（ADM模型），對棉花耐鎘相關(guān)生理性狀的遺傳分析。結(jié)果表明，植株幼苗干重、葉片和根系的POD活性值和MDA含量不受加性遺傳效應(yīng)的影響，而是受顯性效應(yīng)和母體效應(yīng)的影響。鎘處理后，幼苗干重的顯性效應(yīng)和母體效應(yīng)均低于對照;葉片POD活性值的顯性效應(yīng)和母體效應(yīng)均隨鎘處理濃度升高而增加;根系POD活性值和MDA含量的顯性效應(yīng)均在200μM鎘處理時達(dá)到最高值。對于這些生理性狀，可根據(jù)母體的總體表現(xiàn)利用雜種優(yōu)勢在處理中后期進(jìn)行選擇.鎘處理后

13、棉花幼苗地上部干重的遺傳率高于對照，而根干重的遺傳率低于對照.說明地上部干重受鎘脅迫影響較小，在處理前期選擇有效，而根干重受影響較大，在處理后期選擇有效。
　　 8.鎘脅迫對棉花基因組DNA甲基化的影響棉花基因組DNA甲基化分析研究表明，鎘處理后，DNA的甲基化程度增加，未發(fā)生甲基化的比例降低，過甲基化的比例逐漸升高，表明鎘脅迫可能誘導(dǎo)棉花基因組整體甲基化水平的提高。鎘處理引起棉花葉片CCGG胞嘧啶甲基化位點(diǎn)數(shù)遺傳頻率下降和變異