不同杂交类型甘蓝型油菜在重金属污染土中的适应性研究.pdf

华北农学报():收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目()国家科技创新 重大项目农业生物育种重大专项()作者简介:彭多姿()女湖南浏阳人硕士主要从事油菜育种研究通信作者:张振乾()男河南南阳人副教授博士主要从事油菜育种研究元妙新()男浙江丽水人高级工程师主要从事环境污染修复技术研究不同杂交类型甘蓝型油菜在重金属污染土中的适应性研究彭多姿黄颢源范占煌戴 悦元妙新张振乾(.湖南农业大学 农学院湖南 长沙.中节能大地(杭州)环境修复有限公司浙江 杭州)摘要:土壤重金属污染严重影响中国农业的发展和农产品安全植物修复是当前广受关注的土壤修复方式油菜是一种理想的修复植物 为了筛选出适宜作为修复植物的油菜育种材料采用盆栽试验以 营养土环境为对照组设置不同污染土配比的(污染土营养土)、(污染土营养土)、(污染土 营养土)个污染土环境分别研究了(自交种)、沣油(杂交种)和 沣油(三交种)种不同杂交类型的甘蓝型油菜在不同配比重金属污染土环境下的生理特性与相关基因表达量的差异 结果发现:在不同重金属污染土配比环境下 沣油 鲜质量和干质量最高且高于对照组 污染土环境下 叶绿素含量最高其余均为 沣油 叶绿素含量最高 除含 污染土环境下沣油 可溶性蛋白含量最高其余均为 沣油 可溶性蛋白含量最高 在 和 污染土环境下 沣油 的 活性最高 含量低于 和沣油 个抗重金属相关基因(、和)在 沣油 叶片中的表达量均高于 和沣油在污染土环境下 和 基因在 沣油 叶片中的表达量也高于沣油 和、沣油 和 沣油 在不同配比的污染土环境下均能正常生长发育三交油菜 沣油 在含和污染土环境下的表现更佳 从育种材料的基因型和生物学特性方面进行研究分析常规材料与杂交材料在重金属抗性方面的差异及不同杂交类型间的差异发现杂交种优于常规材料而三交种优于杂交种关键词:甘蓝型油菜重金属抗氧化酶植物修复中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.(.().):.()()().()()().华 北 农 学 报 卷 .().:.土壤重金属污染问题日益严重土壤中富集的重金属不仅会对植物的生长发育、产量、品质产生不利影响 还会严重影响其加工食品的质量和安全 重金属污染土壤修复常用的方法有休耕、物理修复、化学改良修复和生物修复等 生物修复操作简单、成本低、效果明显且不会引起二次污染 植物修复是生物修复的一种具有应用性较好、清除重金属污染物较彻底、成本低廉、操作简单、安全清洁、环境友好等优点是近年来研究的热点 油菜(.)是中国南方地区第二大作物不与水稻争地种植技术简单生物量远较蜈蚣草、野趾草等超富集修复植物大且有较强的吸收累积镉能力且重金属主要积蓄于粕饼中毛油中重金属含量符合相关标准不存在消费风险可实现边修复边生产 杨洋等研究发现重金属在不同类型油菜间的吸收积累及转运情况差异显著芥菜型油菜适合、污染的土壤而甘蓝型油菜对、的吸收积累效果最好适合用来修复重金属复合污染的土壤 范占煌等研究结果发现甘蓝型油菜在高浓度镉存在的土壤中仍能生长、结实且不影响菜籽油的食用价值是一种理想的修复植物 当前的研究多为不同基因型如甘蓝型油菜、白菜型油菜和芥菜型油菜 之间的差异和不同类型甘蓝型油菜不同品种 的修复效果研究及同一材料不同生育期及部位间重金属累积情况其中甘蓝型油菜栽培面积较大因而相关研究较多但不同甘蓝型油菜杂交类型油菜对修复作用影响相关的研究较少为明晰不同杂交类型油菜在修复重金属污染土壤中的差异本研究以自交系、单交油菜沣油 和三交油菜 沣油 为材料通过盆栽试验比较在不同材料不同重金属污染土配比环境下的苗期长势、生理特性差异以及光合作用相关基因(、和)和 抗 金 属 性 相 关 基 因(、和)的表达量差异以期找出适宜的重金属污染土壤油菜类型为后续的修复研究及新品种选育提供参考 材料和方法.试验材料沣油(国审油)、自交系 和三交油菜 沣油 均由湖南农业大学农学院提供.试验设计设计盆栽试验用营养土和污染土混合以(营养土)生长环境为对照组 ()设置不同污染土配比的(污染土 营养土)、(污染土营养土)、(污染土营养土)个污染土环境肥水、光照等其余条件均保持一致每个生长环境下每个材料种 盆每盆留苗 株营养土:由基质土、优质锯末、进口椰糠、蛭石、珍珠岩混合发酵而成含氮含磷含钾重金属污染土:由中节能大地环保公司提供采集自温州填埋场 主要成分:干物质.有机质 /水溶性总盐量./镉含量为./铬含量为 /、镍含量为/、铅含量 /、砷和汞含量分别./以农用地土壤污染国家控制标准()为依据镉超标.铬超 期彭多姿等:不同杂交类型甘蓝型油菜在重金属污染土中的适应性研究 标.铅超标.试验方法.样品制备 油菜生长 后取新鲜叶片于 冰箱保存用于测定生理生化指标取新鲜叶片提取 反转成 于 冰箱保存备用.干质量测定将油菜植株测鲜质量后置于烘箱 杀青 烘 至恒质量并称质量.生理生化指标测定分别采用蒽酮法测定可溶性糖含量考马斯亮蓝 染色法测定可溶性蛋白含量乙醇浸提法测定叶绿素含量氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶()活性愈创木酚法测定过氧化物酶()活性、过氧化氢法测定过氧化氢酶()和丙二醛()含量.提取和反转录用 试剂盒提取(全式金生物北京)用 生物分析仪检测 质量(美国)用 ()试剂盒(翌圣生物上海)反转合成.基因表达情况分析用 设计引物由湖南擎科生物技术有限公司合成(表)利用全式金荧光定量试剂盒(全式金生物北京)进行定量 扩增反应 利用 ()试剂盒(翌圣生物上海)进行荧光定量 具体操作参照说明书.试验仪器 紫外分光光度计(元析上海)冷冻离心机(元析上海)生物分析仪(美国)凝胶成像仪(美国)荧光定量 仪(美国)仪(美国).数据处理 采用 方法计算基因相对表达量用 .处理数据 作图表 基因引物序列.基因名称 引物序列()():结果与分析.不同油菜干鲜质量的差异分析不同污染土配比对油菜干鲜质量的影响如图不同污染土配比下 沣油 和 鲜质量均高于对照组且随着污染土比例的增加先升高后降低沣油 鲜质量均低于对照组呈持续下降的趋势 沣油 干质量均高于对照组呈先升高后下降的趋势沣油 干质量均低于对照组趋势为先下降后升高再下降 干质量先下降后升高再下降在 污染土配比下高于对照组 在含污染土配比环境中 沣油 的鲜质量显著高于(.)在和 污染土配比环境中 沣油 的干质量和鲜质量均显著高于沣油 和(.)不同小写字母表示同一处理下不同材料间差异显著(.)图 同 (.).图 不同污染土配比处理对油菜干、鲜质量的影响.华 北 农 学 报 卷.生理指标分析.不同油菜可溶性糖含量的差异分析不同污染土配比对油菜可溶性糖含量的影响如图 发现不同污染土配比下油菜可溶性糖含量变化均较小 个材料可溶性糖含量均无显著差异说明这 个材料的可溶性糖含量受到重金属污染土环境影响较小图 不同污染土配比处理对油菜可溶性糖含量的影响.不同油菜可溶性蛋白含量的差异分析不同污染土配比下油菜叶片中可溶性蛋白含量差异如图 沣油 可溶性蛋白含量随着污染土比例的增加先升高后降低在含 和 污染土配比环境下低于对照组沣油 可溶性蛋白含量先降低后升高再降低在含有 和 污染土配比环境下低于对照组 可溶性蛋白含量变化趋势和沣油 一致在 污染土配比环境下低于对照组 在含 和 污染土配比环境中 沣油 和沣油 可溶性蛋白含量均显著高于 除在 污染土配比环境下沣油 可溶性蛋白含量最高与 沣油 和 有显著差异图 不同污染土配比处理对油菜可溶性蛋白含量的影响.不同油菜叶绿素含量的差异分析不同污染土配比对油菜叶绿素含量的影响如图 随着污染土比例的增加油菜叶绿素含量呈先升高后降低的趋势 营养土环境中 沣油 叶绿素含量最高显著高于 在 污染土环境下 叶绿素含量显著高于 沣油 和沣油 在 和 污染土配比环境中 沣油 叶绿素含量均显著高于沣油 和 图 不同污染土配比处理对油菜叶绿素含量的影响.不同油菜抗氧化酶活性和 含量的差异分析 不同污染土配比下油菜叶片中、活性和 含量(以解质量外)差异如图 和 活性均随着污染土比例增加先升高后降低且在含 污染土配比环境下均低于对照组 活性和 含量随着污染土比例增加而逐渐升高 在含 和 污染土配比环境下 沣油 的 活性均最高除 污染土配比环境下 沣油 的 活性均最高其余污染土环境下沣油 的 活性最高不同污染土配比环境下 沣油 的 含量均最低.相关基因表达情况分析.不同油菜光合作用相关基因表达量的差异分析 不同污染土配比下的油菜叶片中、和 个光合作用基因表达情况如图 和 基因在不同污染土配比环境下的油菜叶片中均下调表达 在污染土环境下 基因仅在沣油 叶片中上调表达 基因在 叶片中的表达量最高在 沣油 叶片中的表达量最低 基因在 叶片中的表达量最高在沣油 叶片中的表达量最低 在含污染土环境下 基因仅在 沣油叶片中上调表达 基因在 叶片中的表达量最高在 沣油 叶片中的表达量最低 基因在沣油 叶片中的表达量最高在 叶片中的表达量最低 在含 污染土环境下 基因在 个材料中均上调表达其中在沣油 叶片中的表达量最高在 叶 片 中 的 表 达 量 最 低 和 基因在 沣油 叶片中的表达量最高 期彭多姿等:不同杂交类型甘蓝型油菜在重金属污染土中的适应性研究 图 不同污染土配比处理对油菜、活性和 含量的影响.图 不同污染土配比处理下光合作用相关基因在不同类型油菜叶片中表达情况.不同油菜抗重金属相关基因表达量的差异分析不同污染土配比下的油菜叶片中 个抗重金属相关基因、和 的表达情况如图 所示、基因表达量随着污染土比例升高在 个材料叶片中先降低后升高 和 基因表达量均在污染土配比下的 沣油 叶片中达最高值 在含 污染土环境下 和 基因在 沣油 和 叶片中表达量均显著高于沣油 在含 和 污染土配比环境中 个基因在 沣油 叶片中的表达量均最高在 叶片中的表达量最低以上差异均达显著水平.基因表达与生理指标的相关性分析.污染土环境下油菜光合相关基因表达量与生理指标的相关性分析 对污染土环境下不同油菜叶片的基因表达量与生理指标进行相关性分析结果如表 所示基因表达量与可溶性蛋白和叶绿素的关系更密切 基因在 中的表达量与鲜质量、可溶性蛋白含量呈显著负相关其中与可溶性蛋白含量的相关性最大在 沣油 中的表达量与可溶性蛋白含量呈显著正相关 基因在 沣油 中的表达量与可溶性糖呈显著正相关 基因表达量与生理指标的关系较 和 基因更密切且在 中的相关性普遍低于沣油 和 沣油 基因在 沣油 中的表达量与鲜质量呈显著正相关、与干质量、叶绿素含量呈显著正相关与可溶性蛋白含量呈显著负相关其中与可溶性蛋白的相关性最大在沣油 中的表达量与各个生理指标均呈负相关其中与叶绿素的相关性最大在 中的表达量与干质量呈显著负相关与叶绿素呈显著负相关其中与叶绿素的相关性最大.污染土环境下油菜重金属胁迫相关基因表达量与酶活性的相关性分析 对污染土环境下不同油菜叶片的基因表达量与酶活性进行相关性分析结果如表 所示 基因表达量与 和 的关系最密切 基因在 个油菜中的表达 华 北 农 学 报 卷图 不同污染土配比处理下抗重金属相关基因在不同类型油菜叶片中表达情况.表 光合作用相关基因表达量与生理指标之间的相关性分析.基因不同类型油菜 鲜质量 干质量 叶绿素含量可溶性糖含量 可溶性蛋白含量 沣油.沣油.沣油.沣油.沣油.沣油.注:.表 同:.表 重金属胁迫相关基因表达量与酶活性之间的相关性分析.基因不同类型油菜 活性 活性 活性 含量 沣油.沣油.沣油.沣油.沣油.沣油.沣油.沣油.期彭多姿等:不同杂交类型甘蓝型油菜在重金属污染土中的适应性研究 量均与 和 有较高的相关性其余基因在 沣油 和 中的表达量也与 和 有较高的相关性 另外各个基因的表达量与沣油 中的 关系最密切其中 基因的相关性最大与沣油 中的 关系最密切其中 基因的相关性最高 结论与讨论土壤中重金属元素在进入植物体后极易在体内富集会影响植物的各项生理指标延缓植物生长甚至会使植物死亡 甘蓝型油菜较其余植物相比具有更高的生物量更能耐受土壤中的重金属胁迫但不同类型的油菜对重金属胁迫的适应能力不同 本研究发现 种甘蓝型油菜在不同配比重金属污染土环境下均能正常生长发育表明油菜对重金属具有较强的耐性其中三交油菜 沣油 的干鲜质量最高且均显著高于对照组说明其生长力更强对重金属具有更高的耐性适合种植在重金属污染的土壤中叶绿素含量的高低可反映出光合能力的强弱叶绿素含量的增加可以明显提高植物的光合能力 而过量的重金属离子会影响叶绿素的合成和光合相关基因的表达水平抑制植物的光合作用破坏生理过程阻碍植物的生长和发育 本研究发现 和 基因在不同污染土配比环境下的油菜叶片中的表达量均受到抑制而在高浓度的重金属污染土环境下诱导了 基因的表达 此外通过相关分析发现光合相关基因表达量与可溶性蛋白和叶绿素含量有较高相关性在含 和 污染土环境下 沣油 的叶绿 素 含 量 最 高 在 含 污 染 土 环 境 下 基因在 沣油 叶片中的表达量最高在含 污染土环境下和 基因在 沣油 叶片中的表达量最高 结果表明在含 和 污染土环境下 沣油 的光合能力更强有助于积累更多的干物质从而提高对重金属的耐受性植物在重金属胁迫下会产生大量的活性氧()为了免受 的侵害油菜会采取防御机制产生大量的、和来帮助清除活性氧物质减少重金属对机体的损伤提高对重金属的适应能力 张敏发现在 胁迫下 和 活性均随胁迫浓度增加呈先增后降趋势本研究结果与其一致且在 和污染土配比环境下 沣油 的 活性最高 含量是评估抗氧化剂对重金属胁迫的破坏程度的重要指标重金属胁迫下当油菜膜脂过氧化产生的 含量逐渐增多说明膜脂过氧化作用逐渐增强膜受害程度逐渐加重给油菜组织细胞带来极大的损伤 本研究中 含量随着重金属污染土比例的增加而升高说明重金属使油菜机体受到了损伤但是 沣油 的 含量最低说明受到的损伤更小 此外通过相关性分析发现 抗重金属相关基因表达量与抗氧化酶活性和 具有较高的相关性且在 和 污染土配比环境下 个抗重金属基因在 沣 油 叶 片 中 的 表 达 量 最 高 说 明 沣油 对重金属的适应能力更强以上结果表明 种不同杂交类型的油菜在重金属污染土环境下均能正常生长且具有一定的适应能力其中 沣油 在重金属土壤中的抗逆能力最强可能更适合作为土壤修复植物在不同污染土配比环境下 沣油 鲜质量和干质量均高于对照组 鲜质量均高于对照组沣油 鲜质量和干质量均低于对照组且 沣油 鲜质量和干质量均显著高于 和沣油 除含 污染土环境下 叶绿素含量最高外其余 沣油 的叶绿素含量均最高 除含 污染土环境下沣油 可溶性蛋白含量最高外其余 沣油 的可溶性蛋白含量均最高 在 和 污染土环境下 沣油 的 活性均最高 含量均低于 和沣油 个抗重金属相关基因(、和)在 沣油 叶片中的表达量均高于 和沣油 在 污染土环境下 和 基因在 沣油 叶片中的表达量也高于 和沣油 参考文献:李永华 杨林生 姬艳芳 孙宏飞 李海蓉 王五一.铅锌矿区土壤植物系统中植物吸收铅的研究.环境科学():.:./.:.():.张聪 张弦.土壤重金属污染修复技术研究进展.环境与发展():.:././.():.谢斯斯.土壤重金属镉污染及其修复措施.资源节约与环保():.:./.华 北 农 学 报 卷.():.郑瑶 刘瑜君 宋静雯 张悦桐.植物修复技术在重金属污染土壤修复中的应用.中国高新科技():.:././.():.苏徳纯 黄焕忠.油菜作为超累积植物修复镉污染土壤的潜力.中国环境科学():.:./.:.().():.黎红亮 杨洋 陈志鹏 周细红 曾清如 廖柏寒.花生和油菜对重金属的积累及其成品油的安全性.环境工程学报():.:./.():.武琳霞 丁小霞 李培武 姜俊 周海燕 印南日 白艺珍 陈小媚.我国油菜镉污染及菜籽油质量安全性评估.农产品质量与安全():.:./.():.杨洋 黎红亮 陈志鹏 廖柏寒 曾清如.郴州尾矿区不同油菜品种对重金属吸收积累特性的比较.农业资源与环境学报():.:./.():.范占煌 张振乾.甘蓝型油菜在镉污染土壤修复中的应用研究.中国农学通报():.:./.():.卞建林 郭俊娒 王学东 杨俊兴 杨军 陈同斌曹柳 成永霞 任战红 王杰 周小勇.两种不同镉富集能力油菜品种耐性机制.环境科学():.:./.():.孟晓飞 郑国砥 陈同斌 杨俊兴 郭俊娒 刘杰.两种油菜配施水溶性壳聚糖修复典型铅污染农田土壤.环境科学():.:./.():.湛润生 王莉 岳新丽 田宏先 王瑞霞.镉胁迫对芥菜型油菜幼苗生理特性的影响.种子():.:./.():.弭宝彬 刘碧琼 戴雄泽 肖伟 张竹青 周火强汪端华.不同基因型芥菜对 种重金属累积差异性研究.中国农学通报():.:./.():.费维新 荣松柏 初明光 段劲生 江莹芬 吴新杰李强生 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