土壤中的Cd对抗虫转基因水稻种植的影响.pdf

第 卷第 期 年 月南京师大学报(自然科学版)()收稿日期:.基金项目:农业部转基因生物新品种培育重大专项()、国家自然科学基金项目().通讯作者:秦红益博士讲师研究方向:环境微生物学研究.:.:./.土壤中的 对抗虫转基因水稻种植的影响钟言欣刘 燕李 磊秦红益韩 成刘 标(.南京师范大学中北学院江苏 丹阳)(.苏州市百信环境检测工程技术有限公司江苏 苏州)(.南京师范大学地理科学学院江苏 南京)(.生态环境部南京环境科学研究所江苏 南京)摘要 外源抗虫基因转入有利于作物减少药肥施用、降低虫害其环境适应性研究具有生态学意义.当前抗虫转基因作物对重金属胁迫的适应潜力尚不清楚.本研究以抗虫转基因水稻()及其非转基因亲本水稻()为研究对象设置添加量分别为、.、和 的土壤()胁迫进行水稻盆栽实验测定水稻分蘖期和成熟期农艺性状、各植株器官 含量、水稻根系氧化酶系活性和根际土壤理化性质.结果显示与相比处理下 与 水稻株高分别降低、地上生物量分别降低、产量分别降低、.胁迫能明显降低水稻株高、生物量及产量.相同 胁迫下 水稻的株高、生物量及产量高于 水稻说明外源 基因的转入能够提高水稻对 胁迫的抗性.外源 基因的转入没有改变 在水稻中的积累模式但是相同 胁迫下 水稻各器官中 含量高于 水稻.丙二醛()含量结果表明分蘖期 水稻具有比 水稻更好的抗 能力而成熟期则相反.其原因可能与植株器官 含量、根系微环境、解毒酶系统有关.综上所述 胁迫与外源基因转入会对水稻农艺性状及各器官 富集产生影响分蘖期 水稻具有比 水稻更强的抗 能力.关键词 转基因水稻镉胁迫氧化酶系活性 富集中图分类号 文献标志码 文章编号()(.)(.)(.)(.):.()()().钟言欣等:土壤中的 对抗虫转基因水稻种植的影响 .().:火山爆发、灰尘、基岩风化等自然现象以及金属加工业、矿产业、污水灌溉等人类活动可造成土壤 污染.我国受 污染的耕地面积约为.表层土壤中()的背景含量异质性较高范围为.是作物生长发育非必需元素过量存在时具有生物毒性会降低农作物的品质与产量同时 会随食物链富集易被人体吸收累积对人体的毒性极高.水稻是世界近一半人口的主要粮食作物也是我国第一大粮食作物同时也是极易吸收富集 的作物.植物对重金属产生适应的主要方式有两种:一是通过分泌物改变根系环境条件.根系分泌物如羧化物、苹果酸、柠檬酸、草酸等有机酸类物质能降低重金属毒害根系微生物也会发生变化.二是通过植物本身抗氧化酶系统发挥重金属解毒作用.当植物处于轻度胁迫时植株体内的活性氧含量较少抗氧化酶系统互相协调保持植物体的正常生理代谢活动.然而严重胁迫环境可能会摧毁整个抗氧化酶系统严重危害植物生长甚至导致植株死亡.外源 基因的转入可以降低作物遭受害虫的危害有利于作物实现其产量潜力的同时也保护了自然环境对抗虫转基因作物的研究具有重要的生态学意义.外源 基因转入后棉花和玉米等作物的株高、分蘖数等农艺性状会发生改变.例如 等研究者表明在欧洲玉米螟危害严重情况下抗虫转基因杂交玉米的产量比非转基因杂交品种提高了.在鳞翅目害虫胁迫下抗虫转基因水稻的产量比非转基因亲本更高.也有研究显示在低虫害胁迫下抗虫转基因水稻产量有所降低.到目前为止对抗虫转基因水稻的研究主要集中在抗虫转基因材料的培育以及抗虫转基因作物种植的生态环境影响抗虫转基因水稻对 胁迫的响应罕见报道外源基因的转入是否会改变 在水稻内的积累模式目前尚不清楚.由此本研究以抗虫转基因水稻及其非转基因亲本为研究材料设置()添加量分别为、.、和 进行水稻盆栽实验.为我国高 背景地区土壤重金属污染平均值 为对作物生长有明显危害的土壤 污染浓度 为土壤污染的极端浓度可用于探究水稻的抗 潜力.通过监测水稻生长株高、生物量、产量等农艺性状测定分蘖期与成熟期水稻根际土壤理化性质水稻根、茎、叶、籽粒等各器官 富集量并从水稻根际土壤理化性质和水稻抗氧化酶系统角度研究两种水稻的抗 机制研究可为 胁迫对抗虫转基因水稻的影响提供实验数据也为抗虫转基因水稻的生态环境安全提供理论依据.材料与方法.试验材料.水稻种子、育苗及其鉴定本实验供试水稻品种为抗虫转基因水稻华恢 号()及其非转基因亲本水稻明恢().水稻种子经 溶液浸泡杀菌、去离子水清洗后备用.杀菌后的种子置于饱和水的滤纸上并于 条件下避光培养 天后均匀撒在装有营养土的育秧盆里进行水稻育苗.水稻出苗约 天时挑取 和 水稻子叶尖部采用农业农村部 号公告指定的定性 方法和 试剂盒分别对水稻品种进行 及 蛋白试纸条鉴定.检测结果明确 水稻经转/基因修饰 水稻叶片中未检测到 蛋白.盆栽土壤及其预处理盆栽试验土壤采集于南京师范大学仙林校区荒山林地内()清理地表枯枝落叶后采集表层土壤()经实验室内研磨过 孔径筛网混匀备用.供试土壤 值为.总氮含南京师大学报(自然科学版)第 卷第 期(年)量为.总有机氮含量为.未检测到().水稻盆栽试验设置及样品采集水稻盆栽试验共设置 个不同 浓度胁迫处理:.、和 其()添加量(形态为(.)分别为.、和 .试验设置不添加 处理()作为对照.每个处理设置 个重复.盆栽实验容器为 材质规格为 .每桶加入.干土当量的供试土壤淹水高度 按处理设置添加 浓度梯度后稳定 天期间覆盖扎有小孔的保鲜膜保水通气.稳定结束后播撒适量复合肥作基肥(施用量为.).将 天苗龄 和 稻秧分别按 株 穴完成移栽记为 天.第 天补充尿素(施用量为 )第 天为水稻分蘖后期排水晾田.在水稻生长的分蘖期(移栽后 天)与成熟期(移栽后 天)进行破坏性采样采集水稻植株和水稻根际土壤.采用抖落法采集水稻根际土壤样品混匀后于 保存待分析.土壤理化性质测定土壤 按照土水比.(/)荡摇均匀后取上清液进行测定.采用 的 浸提土壤滤液中无机氮含量用流动分析仪()测定.土壤经风干过 目筛后采用凯氏定氮法和 氧化法分别测定土壤中的总氮()和总有机碳()含量.土壤有效磷()以氟化铵、盐酸为浸提剂由钼锑抗比色法测定.采用联合浸提火焰原子吸收分光光度计测定吸光值计算土壤有效态 含量.水稻农艺性状测定水稻移栽后每隔 天测定水稻株高.分蘖期及成熟期破坏性采集的水稻植株的根、茎、叶等器官在干燥箱中经 杀青 再于 烘干后分别称重获得生物量干重三者相加为成熟期地上部分生物量.成熟期水稻手工脱粒后采用水漂法根据浮沉状态区分空秕粒和饱粒后者经风干称量计算水稻产量.水稻各器官 含量测定称取适量的水稻根、茎、叶或籽粒样品置于消煮管中加入 浓 摇匀后使用保鲜膜将消煮管管口封好浸泡过夜.再加入 浓 盖好后在低温消煮炉上在 下加热直至消煮管内溶液体积剩大约(约需)时再加入.和 消煮.后把盖子拿掉煮至近干.加入 .若此时溶液澄清透明则直接用.在离心管中定容到 待测定若仍是黄色则可加入适量 和 加热至溶液清亮为止最后蒸发至近干再用.定容到 过滤后使用()测定.水稻根系氧化酶系活性测定对分蘖期与成熟期的水稻根系及叶片中的酶系活性采用上海索桥生物试剂盒提取测定.提取的过氧化氢酶()由紫外分光光度法于 波长处测定过氧化物酶()与超氧化物歧化酶()由可见分光光度法分别于 、波长处测定丙二醛()含量由 与 的吸光度差值确定.数据统计分析本实验采用统计软件 .对数据进行分析统计.采用单因素方差分析()比较不同处理间是否具有统计学差异(.)采用独立样本 检验比较 和 水稻间的显著差异(.)采用双因素方差分析不同浓度 胁迫和水稻品种对水稻农艺性状、土壤理化性质的影响.图表制作采用 .和 软件.结果与分析.水稻生长情况及其农艺性状不同浓度 胁迫影响了水稻生长期内株高转基因水稻 和非转基因亲本水稻 对 胁迫的响应不同(图).不同 胁迫处理下的 和 在移栽后的第 周达到生长期的株高最大值(图 和图).水稻经、.、和 处理的株高最大值分别为.、.、.和钟言欣等:土壤中的 对抗虫转基因水稻种植的影响.而对应处理的 水稻株高最大值分别为.、.、.和.可见水稻株高最大值随 浓度增加呈下降趋势.与 处理下从水稻生长的第 周开始到 周 水稻的株高显著高于 水稻(茎叶谷粒且 处理的根与 处理的茎中 水稻的 总量均高于(图).和 处理下两种水稻植株总()含量显著高于.处理但 和处理间无显著差异(图).、和 处理下 水稻分蘖期植株总()含量分别为.、.和.成熟期分别为.、.和.水稻分蘖期植株总()含量分别为.、.和.成熟期分别为.、.和.其中处理的 水稻植株总()含量显著高于 其余处理下 和 水稻间无显著差异(图).图 水稻植株各部位 浓度及总 富集量(不同字母代表的是不同 胁迫处理间的显著差异 表示未检测到)().水稻根际土壤理化性质分蘖期时不同 浓度胁迫下 水稻根际土壤、与 含量差异显著(表).与 相比.、和 处理的 显著升高处理的 含量显著升高.不同 胁迫下 水稻根际土壤、也差异显著.与 处理相比.与 处理的 显著升高.处理下 含量显著降低同时 处理下 含量显著升高.处理下 水稻的根际土壤 显著高于 水稻.胁迫下 水稻根际土壤中 含量明显低于 水稻.分蘖期水稻根际土壤 值与水稻品种、浓度及其交互影响存在显著关系而根际土壤、与有效 含量仅与 浓度存在显著关系(表).成熟期时与 处理相比.、和 处理下 水稻根际土壤 值显著增加处理下根际土壤中 含量显著增加而根际土壤 值显著下降.与 相比.、和处理下 水稻根际土壤 值显著下降处理下根际土壤 含量显著升高.、.、和 处理下 水稻的 值均显著高于 水稻.处理下 水稻根际土壤的 含量显著低于 水稻(表).成熟期水稻根际土壤 值受水稻品种及其与 浓度的交互作用影响显著水稻根际土壤的 含量明显受到 浓度胁迫独立影响及 浓度胁迫与水稻品种的交互影响根际土壤 值仅受 浓度胁迫的影响根际土壤 值受水稻品种影响(表).可见 胁迫提高了水稻根际土壤 值、值及有效 的含量相比于 种植 水稻的根际土壤 值与 值显著降低.钟言欣等:土壤中的 对抗虫转基因水稻种植的影响表 水稻分蘖期和成熟期根际土壤理化性质 胁迫处理水稻品种/()/()/()/()()/()分蘖期.成熟期.双因素方差分析分蘖期成熟期 胁迫处理.水稻品种.胁迫处理水稻品种.胁迫处理.水稻品种.胁迫处理水稻品种.注:表中、分别表示总氮、铵态氮、总有机碳、有效磷 表示未检测到.表中数据为平均值标准误().不同字母()表示同一生长期内两种水稻不同 胁迫处理间的显著性差异分析方法为单因素方差分析(.).采用双因素方差分析法()对 浓度胁迫和水稻品种之间做比较分析其中 表示膨胀系数.茎、叶籽粒.朱超等的研究结果支持了本观点认为 等重金属在水稻各器官的富集系数由根、茎、叶、糙米依次降低.本研究中处理的 水稻植株总()含量显著高于 其主要原因是 水稻植株生物量较大所致.李玲等研究发现转 基因棉花()的 富集能力略高于对照.这也说明转基因作物的品种对 的富集能力会产生影响.此外根据国家标准()规定谷物镉残留的污染物限量应小于.因此 和 土壤 污染已经存在重金属超标风险.产生量是一种鉴别逆境伤害的指标.本研究发现分蘖期的 水稻具有比 水稻更好的钟言欣等:土壤中的 对抗虫转基因水稻种植的影响抗 能力而成熟期则相反.水稻内生解毒系统由、等多种酶综合作用而成.彭鸥等认为在水稻生育过程中、活性均呈现分蘖期高于乳熟期和齐(孕)穗期的趋势.其研究结果还显示分蘖期 水稻的、酶活性均不如 水稻.这说明尽管 水稻解毒酶活性较高但不足以抵消对应器官中高重金属 积累产生的负效应反而会积累更多 最终表现为分蘖期 水稻具有比 水稻更好的抗 能力.而成熟期 水稻抗 能力弱于 水稻其主要原因是对于成熟期水稻分泌 是最主要的解毒方式而在成熟期时 水稻中 酶活性比 水稻更高的缘故.随着水稻成熟酶活力降低种类减少根际土壤解毒作用重要性增加 而相比 水稻种植 显著降低了土壤 和 值酸性环境会加剧 胁迫对植物地上部分的抑制作用水稻器官中的 和 表现出一定的协同作用弱化了 水稻的整体抗性.另外根系微生物也可能会存在调控作用.总体而言水稻对 的耐受原因多元复杂有待进一步研究.结论本研究结果显示 胁迫与外源基因转入都会对水稻农艺性状及各器官的 含量产生影响.胁迫能明显降低 与 水稻株高、生物量及产量.相同 胁迫下 水稻的株高、生物量及产量高于 水稻这说明外源 基因的转入能够改善水稻农艺性状.从 累积量来看分蘖期 水稻具有比 水稻更好的抗 能力而成熟期则相反.这种现象可能与植株各器官 含量、根系微环境和解毒酶系统三个因素有关.参考文献 .(/):.():.:.:/:.:.():.王宵宵钟文辉李磊等.铜胁迫对抗虫转基因水稻根际土壤微生物的影响.土壤():.史静潘根兴夏运生等.镉胁迫对两品种水稻生长及抗氧化酶系统的影响.生态环境学报():./:.:.贾茵刘才磊兰晓悦等.镉胁迫对小报春幼苗生长及生理特性的影响.西北植物学报():.():.():.:.():.():.():.():.谢小波舒庆尧.用 /试剂盒快速测定转基因水稻 杀虫蛋白含量的研究.中国农业科学():.南京师大学报(自然科学版)第 卷第 期(年)陈希.茶园根际土壤与植物体养分对酸沉降的响应.江西:南昌大学.():.():.郭继斌王莉韩娇等.联合浸提法测定土壤有效态镉.江苏农业科学():.肖家欣.植物生理学实验.安徽:安徽人民出版社.():.张锡洲张洪江李廷轩等.水稻镉耐性差异及镉低积累种质资源的筛选.中国生态农业学报():.黄冬芬.水稻对土壤重金属镉的响应及其调控.扬州:扬州大学.宋新华镉和镉高温对双抗氧化酶转基因水稻生长生理和抗氧化系统的影响.山东:山东师范大学.段苏然施卫明王俊儒.过量表达 基因提高水稻对镉胁迫的耐性.土壤学报:.:.朱超文美兰刘攀峰等.桂林灵川县典型有机水稻田重金属元素分布特征及污染评价.现代地质():.李玲陈进红何秋伶等.个陆地棉种质(系)重金属镉的积累、转运和富集特性分析.棉花学报():.中华人民共和国国家卫生健康委员会国家市场监督管理总局.食品安全国家标准 食品中污染物限量:.北京:中国标准出版社.彭鸥叶长城刘玉玲等.胁迫下水稻叶片 活性和 含量与糙米中 含量的相关性研究.生态毒理学报():.章秀福王丹英储开富等.镉胁迫下水稻 活性和 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