论文总字数：13730字

摘 要

土壤、水体等受到微量金属元素严重污染，植物不可避免地受到重金属胁迫的危害。研究微量金属元素过量积累对植物生长发育的影响具有重要意义。本研究以水稻作为研究材料，通过水培方式对水稻进行培养，幼苗期时用不同浓度的氯化镉处理（CK、10umol/LCdCl₂、75 umol/L CdCl₂、200 umol/L CdCl₂），研究过量镉处理对水稻表型、生物量和生理指标等方面的影响。结果表明，Cd² 对水稻生长发育有抑制作用，随着Cd² 浓度增加，水稻植株的生长、根毛的伸长受到抑制，生物量下降，叶绿素含量、可溶性蛋白含量和根系活力降低，而丙二醛、可溶性糖含量却升高，此外，抗氧化酶系（POD、SOD、CAT）活性也受影响。

关 键 词：水稻，镉胁迫，形态，生物量，生理生化指标

Abstract: Soil and water are seriously polluted by trace metals, which inevitably endanger plant growth and development. Therefore, the research about effects and the mechanism of heavy metals on plants have the vital significance. In this study, rice plants were treated by four different concentration of caldium including 0, 10 umol/L CdCl₂, 75 umol/L CdCl₂, 200 umol/L CdCl₂, phenotype, biomass, biochemical indexes were investigated. The results showed that Cd² inhibited the growth of rice seedlings and root elongation with the increase of Cd² concentration and decreased biomass, chlorophyll content, soluble protein content, root vitality; the contents of malondialdehyde and soluble sugar content increased, and the activities of POD, SOD and CAT were also increased in seedlings under Cd² stress.

Key words: rice seedlings, cadmium stress, morphology, biomass, physiological and biochemical indexes

目 录

1 绪论 5

1.1 前言 5

1.2 植物重金属胁迫的研究进展 5

1.2.1 重金属对植物根系的影响 5

1.2.2 重金属对膜系统的影响 5

1.2.3 重金属对酶系统的影响 6

1.2.4 重金属对遗传的影响 6

1.3 植物镉胁迫的研究进展 6

1.3.1 镉对植物毒害 6

1.3.2 植物对镉胁迫的应答 7

2 实验方法 7

2.1 供试材料及试剂 7

2.2 实验设计 7

2.3 水稻表型和生物量测定 8

2.3.1 水稻表型测定 8

2.3.2 水稻生物量测定 8

2.4 水稻生理指标测定 8

2.4.1 丙二醛含量测定 8

2.4.2 叶绿素含量测定 8

2.4.3 可溶性蛋白含量测定 9

2.4.4 超氧化物歧化酶 (SOD)活性测定 9

2.4.5 根系活力的测定 10

2.4.6 过氧化物(POD)活性测定 10

2.4.7 过氧化氢酶（CAT）活性测定 11

2.5 统计分析方法 11

3 实验结果分析 11

3.1 水稻镉胁迫形态指标的效应 11

3.1.1 镉对水稻株高、根长影响 11

3.1.2 镉对水稻生物量影响 13

3.1.3 镉对水稻根冠比影响 13

3.2 水稻镉胁迫生理指标的效应 14

3.2.1 镉对水稻叶绿素含量影响 14

3.2.2 镉对水稻MDA活性影响 15

3.2.3 镉对抗氧化酶系活性影响 15

3.2.4 镉对可溶性蛋白含量影响 17

3.2.5 镉对可溶性糖含量影响 18

3.2.6 镉对水稻根系活力影响 18

讨论 20

参考文献 21

致谢 23

已取得成果 24

1 绪论

1.1 前言

据统计，水稻是世界上最重要的粮食作物之一，全球有超过40%的人口以大米为主食。而现在稻米的重金属污染日益严峻，据调查发现，在被抽查的多个市场的稻米中有近十分之一遭受镉污染。随着中国重工业的发展以及农民耕作习惯的改变，重金属污染将取代农药，成为危及粮食安全的潜在杀手[1]。过量的重金属通过生物循环被植物所吸收，在植物体内大量累积，不仅引起植物的减产造成巨大的经济损失，还可通过食物链的形式危害动物和人类的健康[2]。

因此，研究重金属对植物的胁迫影响，了解植物重金属污染机制以期找出抗逆性基因，培育出抗逆作物，这不仅会提高作物的经济产量，更对人类健康有所助益。

1.2 植物重金属胁迫的研究进展

金属（如Cu、Zn、Mg、Mn、Fe等）是植物生长发育必需的元素，土壤中缺乏这些元素会直接影响植物的代谢调节活动，但同时环境中这些元素过量也会对植物产生伤害[3]。重金属胁迫是植物在逆境胁迫中经常遇到的一种灾害，对植物各个时期的生长发育均有伤害，严重影响植物的生长和果实的品质产量[4]。研究表明，胁迫程度较低时，可能会抑制植物地上部分生长，根部粗短变脆，根尖和侧根颜色改变；胁迫程度较高时，植物的叶片萎缩，叶子发黄、变白、甚至会失绿或死亡等[5]。

1.2.1 重金属对植物根系的影响

根系直接影响和制约着植物的生存发展。外源污染物进入土壤后，由根系将其吸入细胞内，由于重金属之间会产生拮抗、协同等作用，可造成植物中元素失调，进而引起根系生理代谢失调，根系受害，生长抑制，吸收能力减弱最终导致植物营养亏损[6]。Koeppe等发现，高浓度的Cr可降低玉米和黑麦对Cu的吸收量，Cu会降低大豆幼苗对Cd和Ni的吸收能力[7]。

1.2.2 重金属对膜系统的影响

生物膜是一种选择透过性膜，研究表明，某些重金属能与生物膜上的脂质结合，使细胞膜结构发生改变，膜的通透性机能受损，透性增加，一些抗氧化酶系活性受影响，加快了活性氧自由基的产生，这些活性氧自由基又可诱发生物膜不饱和脂肪酸的过氧化，产生MDA等物质进一步破坏生物膜的结构功能[8]。陈志德等证明了Cd² 可严重损伤植物的细胞膜。目前，丙二醛（MDA）被广泛用作衡量膜脂过氧化损伤的指标，大量实验表明，重金属离子浓度与MDA含量呈密切正相关[9]。Luna等、赵博生等证明，苯甲酸、抗坏血酸等自由基清除剂会降低MDA的生成和对植物的毒害作用。

1.2.3 重金属对酶系统的影响

广义上说，酶是蛋白质的一种，重金属可致酶失活或变性，甚至是完全破坏。曾晓敏等指出，Hg、Cu复合污染可导致茶陵保护性酶活性增强[10]。葛才林等发现镉胁迫会影响抗氧化酶系（如SOD、POD、CAT）活性的改变。在面对Hg胁迫时，一些蔬菜幼苗甚至会诱导产生新的POD同工酶以此来和外界不良环境作斗争[11]。经Cd、Cu处理后的小麦幼苗，其 POD、SOD 酶活因被诱导而升高，但蛋白质的生物合成受到抑制，叶绿素含量也降低[12]。

1.2.4 重金属对遗传的影响

受重金属污染的植物，体内细胞核、核仁遭到破环，染色体发生不同程度的畸变，直接或间接地影响了细胞中DNA和染色体的合成和复制，核酸代谢失调，破坏蛋白质合成机制[13]。彭嘉桂通过研究8种金属对大麦根尖细胞的遗传毒害，得出其都能抑制细胞分裂和染色体畸变。Cd² 对蚕豆根尖细胞分裂有影响，能延长细胞分裂周期，且在一定范围内，Cd² 浓度越高，DNA受损程度越高[14]。

1.3 植物镉胁迫的研究进展

镉是人体非必需元素之一，在自然界中通常以化合物的形式存在，一般含量很低，在正常环境中，不会影响人体健康。但当环境遭受镉污染后，其可在生物体内富集，并通过食物链进入人体引起中毒[15]。在众多污染源中，土壤为最严峻的污染源。尤其是某些工厂附近土壤中含镉浓度很高，这会造成土地的荒废。含镉废渣的堆积使含镉化合物有机会进入土壤和水体。目前，磷肥大面积的投入使用，从长远角度来看土壤、作物和食品中来自磷肥和某些农药的镉，可能会超过来自其他污染源的镉。中国北京西郊污水灌溉区表层每公斤土壤的含镉量竟达到0.52毫克，是当地本底值的5倍左右[16]。

1.3.1 镉对植物毒害

镉对植物有较强的毒性镉对植物的毒害最初表现在根生长的抑制，再进一步阻碍植物整体的生长发育[17]。赵剑虹等对红壤中活性固相镉率大小的研究表明，镉胁迫的形成是一个长期、动态的过程，需要对其进行长期的观察研究[18]。

研究表明，镉毒直接作用于根系，在根尖细胞壁上积累，改变其细胞组分，使之加厚变硬，阻碍细胞正常生长[19]。同时，镉可以和细胞膜相互作用，使膜的选择透过性发生改变，造成细胞内有机物质过量向外渗漏，植株所需的同化物减少，植株生长减慢，生物量降低[20]。刘东华等通过研究Cd² 对洋葱根尖的生长及细胞分裂的影响，认为Cd² 通过影响钙调蛋白参与纺锤丝微管蛋白的组装和拆卸从而阻止了细胞的分裂[21]。

1.3.2 植物对镉胁迫的应答

宝山堇菜、东南景天、油菜、龙葵等野生植物在高浓度镉存在的情况下繁茂生长说明自然界存在极度耐镉的植物，对其机制进行深入研究和揭示，有助于提高作物的经济产量[22]。植物对Cd的抗性主要分为外部斥镉机理和内部解镉机理。内部耐镉机制主要是指细胞内物质对镉的螯合作用、液泡区室化、酶活性的诱导等，将吸收的过量的镉以无毒或毒性较小的形式贮存于根部或原生质体内，从而减少Cd的毒害作用[23]。Shen等发现，耐镉荞麦叶片中积累的大量的镉与草酸以1：3的比例分布于液泡内。外部斥镉机制则是指根系分泌有机酸、酚类物质等将镉离子与根部原生质区隔离开来。很多研究表明，有机酸在植物抵抗镉毒害中起了极其重要的作用。有机酸的分泌既能在根系Cd² 螯合成无毒复合物，又能螯合进入胞质内的Cd² [24]。

2 实验方法

2.1 供试材料及试剂

试验材料为水稻。

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