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化途徑被認為是解決人類缺鋅問題的最經(jīng)濟有效的方法。然而水稻鋅營養(yǎng)生理特性和籽粒鋅富集的生理機制還遠未清楚，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)具有快速進行同位素比值測定的能力。但如何準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測定標準溶液中鋅同位素比值和68Zn示蹤劑量的技術(shù)體系，為進一步研究68Zn在生物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化與代謝機制提供技術(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、運輸和籽粒鋅積累的特征。試驗結(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20倍之多，可見水稻從外界吸收鋅是一種逆濃度梯度的運輸過程。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輸特征以及劍葉涂抹鋅處理對籽粒鋅含量影響的特征進行研究。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)運的68Zn高達植株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)運更多的68Zn到地上部，但是轉(zhuǎn)運上去的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。生殖生長時期，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，而IR64則來自于莖桿和根系兩者，這與苗期實驗的結(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)運入籽粒。從劍葉向籽粒中轉(zhuǎn)運的68Zn量，不論其處理時期(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)運能力和籽粒鋅富集密切相關(guān)，特別是生殖生長時期鋅從莖桿向籽粒的韌皮部再轉(zhuǎn)運過程。
　　 ⑷通過穩(wěn)定性同位素示蹤方法，運用營養(yǎng)液培養(yǎng)對兩種基因型水稻不同時期供應(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％)。將水稻整個生育期分成4個時期，

10、通過公式計算可知，開花期以前吸收的鋅再轉(zhuǎn)運入籽粒的量在富集型水稻IR68144中為63％，而對照品種IR64中52％。兩種基因型水稻時期Ⅱ和時期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)運到籽粒(糙米和谷殼)中。因此，時期Ⅱ和時期Ⅲ是水稻鋅利用效率最高的時期。同時，土培實驗表明，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)鋅素通過韌皮部運輸?shù)脑倮?，而不是外界吸收的鋅通過木質(zhì)部的直接運輸，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，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，高鋅處理則會使之下降，但三種鋅源之間差異不顯著

14、。同時，碾磨實驗表明，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，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間的增加而減少