不同价态硒对镉胁迫下烟草的缓解作用研究
作者单位：河南农业大学
学位级别：硕士
导师姓名：黄五星
授予年度：2024年
学科分类：07[理学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0901[农学-作物学] 0713[理学-生态学]
摘 要：镉(Cd)是世界上毒性最大的重金属之一。土壤镉污染增加植物对镉的吸收与积累,通过食物链传递被人体摄入后可引发健康问题。硒是一种动物和人体必需的微量营养元素,对植物也是一种有益元素。适宜浓度的硒不仅能提高植物产量和改良品质,同时还能减少植物对镉的吸收与转运,降低不同器官内的镉积累,并且能够缓解镉对植物的氧化损伤。烟草作为一种重要的经济作物,在镉污染环境下其叶片和根系较易积累镉。目前,关于硒对镉胁迫下烟草的缓解作用研究极少,其机制尚不清楚。因此本研究拟明确不同价态硒(亚硒酸盐与硒酸盐)对镉胁迫下烟草的缓解作用,以不同价态硒调控烟草镉吸收与积累为主线,并从烟草的生理与转录组调控两个层面分析可能的缓解途径及差异,为揭示不同价态硒缓解烟草镉胁迫的可能机制提供理论依据。主要研究结果如下: 1、通过水培试验,研究了亚硒酸钠和硒酸钠对镉胁迫下K326(镉叶片积累型品种)和Maxopka(镉根系积累型品种)的生物量、硒含量、镉含量以及不同亚细胞组分镉含量的影响。结果显示,与单独镉胁迫相比,施加亚硒酸钠对K326和Maxopka根系的生物量增加142.2%和111.6%,叶片的生物量增加26.3%和24.2%,而施加硒酸钠对K326和Maxopka根系的生物量增加100.0%和74.4%,叶片的生物量增加38.9%和42.1%。与单独镉胁迫相比,亚硒酸钠相较于硒酸钠更易在烟草根部积累,且亚硒酸钠和硒酸钠对K326和Maxopka根系与叶片镉含量的影响程度不同,其中亚硒酸钠倾向于降低根系镉含量,K326和Maxopka根系镉含量分别降低23.4%和15.3%,而硒酸钠倾向于降低叶片镉含量,K326和Maxopka叶片镉含量分别降低26.4%和29.5%。与单独镉胁迫相比,亚硒酸钠和硒酸钠对K326根系与叶片的亚细胞组分镉含量影响不同,其中根系表现为增加可溶组分的镉含量(41%和31%),降低细胞壁的镉含量(55%和63%)与细胞器的镉含量(5%和6%),而K326叶片表现为增加细胞壁镉含量(47%和51%),降低可溶组分的镉含量(38%和36%)与细胞器的镉含量(15%和13%),增加向地上部分的转运;在Maxopka中,亚硒酸钠和硒酸钠均通过强化根系和叶片细胞壁镉滞留,降低可溶组分和细胞器内镉含量,抑制镉在植物内的转运,以维持细胞内环境稳态。 2、通过水培试验,研究了亚硒酸钠和硒酸钠对镉胁迫下K326(镉叶片积累型品种)和Maxopka(镉根系积累型品种)的光合作用(光合色素含量与光合特性参数)、活性氧代谢系统(活性氧含量、抗氧化酶活性与抗氧化物质含量)以及矿质元素含量的影响。结果显示,与单独镉胁迫相比,施加亚硒酸钠和硒酸钠均显著增加镉胁迫下K326和Maxopka叶片的叶绿素a、叶绿素b与类胡萝卜素含量,减轻对净光合速率、气孔导度与蒸腾速率的抑制作用。亚硒酸钠和硒酸钠通过调控K326和Maxopka的超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性及谷胱甘肽与非蛋白质巯基物质含量,从而降低K326(根系降低32.5%和19.5%,叶片降低25.9%和37.5%)与Maxopka(根系32.5%和19.5%,叶片降低25.9%和37.5%)细胞内的活性氧水平,并改善镉胁迫对烟草体内矿质元素吸收与转运的抑制。此外,与亚硒酸钠相比,硒酸钠对镉胁迫下K326和Maxopka叶片的光合作用、活性氧清除系统及矿质元素吸收的缓解效应更明显。 3、通过转录组学测序,分析了亚硒酸钠和硒酸钠对镉胁迫下K326(镉叶片积累型品种)和Maxopka(镉根系积累型品种)的缓解机制。结果显示,在K326和Maxopka中,亚硒酸钠和硒酸钠下调了PCR、HMA和ABC等镉转运基因的表达,上调了超氧化物歧化酶与过氧化氢酶基因以及矿质元素转运基因(YSL和MGT)的表达,从而抑制镉吸收与转运相关蛋白的表达,提高活性氧的清除能力,维持烟草体内矿质元素含量的平衡。此外,亚硒酸钠和硒酸钠响应镉胁迫的代谢通路在K326和Maxopka间存在差异,其中K326中是倍半萜类与三萜类生物合成代谢通路,而Maxopka是碳代谢通路,因此,亚硒酸钠和硒酸钠对镉胁迫下烟草的缓解作用主要体现在两方面,一是通过调控次生代谢物合成和碳代谢过程,增强烟草对镉胁迫的抗性,二是通过降低膜脂过氧化程度,此外,强化碳同化代谢功能,缓解镉胁迫对烟草生长的抑制作用。 以上结果表明:(1)不同价态硒均可改善镉胁迫下烟草的生长,降低镉含量,改变亚细胞镉含量。亚硒酸盐更易在烟草根部积累,并降低烟草根系镉含量,而硒酸盐则倾向于降低叶片镉含量,同时不同价态硒对烟草不同器官的亚细胞组分镉含量的影响存在差异,亚硒酸盐和硒酸盐通过强化根系细胞壁镉滞留或增加叶片可溶组分镉含量,以维持细胞内环境稳态。(2)不同价态硒能提升镉胁迫下烟草
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