不同锌效率水稻品种对石灰性土壤锌的活化和生物有效性的影响及其机制的研究

摘要

水稻缺锌是普遍的问题，这与土壤中锌的生物有效性有密切的关系。我国有40％的土壤缺锌，主要发生于石灰性土壤。前期研究发现石灰性土壤中HCO<,3><'->是引发水稻缺锌的重要因子，不同水稻品种对石灰性土壤缺锌耐性与其对HCO<,3><'->的耐性大小相关。本研究以锌高效水稻品种IR36和锌敏感水稻品种IR26为材料，采用水培、根箱和室内模拟的试验方法，运用同位素示踪技术、高效液相色谱分析技术、ICP-MS技术等，较系统地研究了不同锌效率水稻品种对石灰性土壤中锌活化和生物有效性的影响及其机制。通过研究取得如下主要结果： 1、通过土培试验研究不同锌效率水稻品种对石灰性土壤锌的吸收和利用差异。石灰性土壤抑制了两种水稻品种的生长和锌的吸收，但是IR36表现出一定的耐性。与红壤对照相比，生长在石灰性土壤上的两种水稻品种株高分蘖都有所减少，但是以IR26更为严重。种植水稻两个月后三种土壤中水溶态锌以及DTPA提取态锌都有不同程度的提高，而且IR36明显高于IR26。在石灰性紫色土中，与对照(不种植物)相比，在种植IR36一个月和两个月后土壤DTPA提取态锌含量分别增加了67.31％和32.24％，而IR26增加较小。在棕色石灰性土壤中，IR36分别增加了69.70％和92.23％，而IR26则只增加了3.03％和15.53％。锌高效水稻品种对石灰性土壤pH的影响明显高于锌敏感水稻品种，这可能也是锌高效水稻品种对石灰性耐性机制之一。 2、采用模拟试验研究了柠檬酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸和草酸对土壤中锌营养物质的活化能力。结果表明，有机酸对土壤中锌的活化能力与降低土壤pH成正相关。在五种有机酸中以柠檬酸和苹果酸对石灰性土壤中锌的活化能力较高，苹果酸浓度(100mM)，柠檬酸(50mM)时对红壤中锌的活化达到最高，然而对于石灰性紫色土随着苹果酸、柠檬酸浓度的增加(0～200mM)对土壤中锌的活化能力逐渐增加。对于棕色石灰性土，(0～200mM)范围内随着苹果酸浓度的增加，对土壤中锌的活化能力逐渐增加，而柠檬酸浓度在100mM时土壤中锌的活化能力达到最高点。由此表明，根际土壤中有机酸的浓度和种类对石灰性土壤中锌的活化以及植物的吸收有着很大的影响。 3、通过模拟试验研究锌在石灰性土壤中吸附行为，以及pH(3.0、6.0、9.0)和低分子有机酸(柠檬酸/苹果酸：30、60、90mM)分别对土壤吸附锌解吸行为的影响。研究结果表明三种土壤对锌的吸持能力表现为石灰性紫色土>棕色石灰性土壤>红壤。降低石灰性土壤pH促进了土壤中吸附锌的解吸，提高了锌的生物有效性。特别是在pH 3.0时差异更加显著。通过等温方程模拟常数表明石灰性土壤相对红壤对锌具有较高的吸附力，解析能力较弱，从而降低了土壤中锌的生物有效性，导致生长在石灰性土壤上植物缺锌。与红壤相比较，有机酸显著增加了两种石灰性土锌的解吸量和解析率，特别是当柠檬酸浓度为30mM时以对石灰性紫色土的解吸影响最为显著。这与土壤pH、有机质含量、CEC、CaCO<,3>％等有着一定关系，还需进一步的研究探讨。 4、采用同位素示踪技术研究了HCO<,3><'->对不同锌效率水稻品种在高亲和(低锌水平0～160nM)和低亲和(高锌水平0～80gM)两种浓度梯度条件下吸收动力学的影响。试验结果表明，两种锌效率水稻品种根系吸收动力学参数Km值为6～18μM(低亲和吸收系统)和9～48nM(高亲和吸收系统)；HCO<,3><'->加入后，两种锌效率水稻品种根系和地上部对<'65>Zn<'2+>的吸收和转运率提高1～5倍。在吸收试验的90分钟内，随着吸收液锌浓度的增加，HCO<,3><'->促进IR36根系和地上部锌含量成线性增加；IR26根系和地上部锌含量的增加受到明显抑制。HCO<,3><'->条件下两种水稻品种的Vmax值显著增加，IR36增加是IR26的2倍。由此表明，水稻中锌的吸收和转运受到跨膜蛋白的调控，HCO<,3><'->处理显著促进了锌高效水稻品种根系和地上部跨膜蛋白对锌的亲和力和转运率，从而增加了锌高效水稻品种锌吸收和转运，增加了对高浓度HCO<,3><'->的耐性。 5、采用水培试验研究了外源有机酸对不同锌效率水稻品种根系生长和锌吸收的影响。外源柠檬酸浓度水平为(0，10，30，60，120mM)。预处理为对照(Zn 1.0μM，pH6.0)和10mM HCO<,3><'->(zn 1.0μM，pH8.0)。研究结果表明，高浓度柠檬酸严重抑制了两种锌效率水稻品种根系的生长，IR36耐性高于IR26。处理四天后在柠檬酸浓度为10mM时，两种锌效率水稻品种根系表现出一定的耐性， IR36高于IR26。但随着柠檬酸浓度的增加，两种不同锌效率水稻品种根系的生长和锌的吸收受到明显抑制。根长度、根表面积、根体积和根尖数等根系参数明显减小。随着柠檬酸浓度的增加，根系中有机酸(草酸、酒石酸和乙酸)含量逐渐减少；而叶片中有机酸(草酸、酒石酸、琥珀酸、苹果酸、柠檬酸、乙酸)含量逐渐增加。与对照相比，HCO<,3><'->增加了两种锌效率水稻品种叶片中有机酸积累；增加了有机酸在IR26根系的积累，而IR36中减少。锌高效水稻品种通过减少根系有机酸的积累而提高根系对高浓度有机酸和HCO<,3><'->的耐性，但随着有机酸浓度的增加根系的生长受到严重抑制，使植物生长产生毒害现象。 6、采用水培试验比较了两种不同锌效率水稻品种在高浓度HCO<,3><'->和呼吸抑制剂条件下根系生长的差异，探索HCO<,3><'->和呼吸抑制剂对根系生长的影响与有机酸代谢的关系。试验结果证明，HCO<,3><'->抑制了锌敏感品种IR26根系和地上部干重、根长、根系锌含量、根系活力和根系细胞质膜透性，从而抑制了根系的正常生长。相反地，HCO<,3><'->对锌高效水稻品种IR36起到了促进作用，增加了对高HCO<,3><'->的耐性。HCO<,3><'->显著地促进了锌敏感水稻品种IR26体内草酸、苹果酸、柠檬酸、琥珀酸、乙酸和乳酸的积累，但是降低了其在锌高效水稻品种IR36体内的积累。呼吸抑制剂(丙二酸MC)严重地抑制了两种锌效率水稻品种根系生长、有机酸积累和锌在植物体内地吸收和运输。与呼吸抑制剂处理相比较，HCO<,3><'->+呼吸抑制剂处理减少了呼吸抑制剂对植物生长的抑制作用。锌高效水稻品种IR36对呼吸抑制剂的耐性明显高于锌敏感水稻品种IR26。呼吸抑制剂对两种锌效率水稻品种根系生长的抑制作用与HC03_对锌敏感水稻品种的抑制作用相似。由此推断，高浓度HCO<,3><'->+抑制锌敏感水稻品种根系有机酸代谢，导致根系有机酸大量积累，从而抑制根系生长和锌的吸收转运。 7、采用水培和模拟试验研究了不同HCO<,3><'->+处理条件下两种锌效率水稻品种根系分泌有机酸，及其对石灰性土壤中重金属的提取能力的影响。研究结果表明，缺锌和HCO<,3><'->+促进了IR36的根系生长及其对锌营养的吸收；对IR26起到了抑制作用。两种锌效率水稻品种根系分泌物在组成间没有差异(苹果酸、草酸和酒石酸)，但在含量上有显著差异。与对照相比较，缺锌和HCO<,3><'->+增加了IR36根系有机酸的分泌，而IR26受到抑制，以HCO<,3><'->+作用更加显著。根系分泌有机酸降低土壤的pH，增加了石灰性土壤中锌的有效性，是锌高效水稻品种对HCO<,3><'->+和石灰性土壤的适应机制之一。 8．通过根箱试验研究不同锌效率水稻品种以及外源有机酸对石灰性土壤锌迁移和生物有效性的影响。外源柠檬酸浓度为0、0.1、1.0、10mM。试验结果表明，与红壤相比，两种石灰性土壤中有效性锌含量相对较低，抑制了两种锌效率水稻品种的生长(株高、根长、干重和叶绿素含量)和对锌的吸收，对IR26的抑制作用明显高于IR36。比较植株不同部位锌含量，结果表明根系锌含量明显高于叶鞘和叶片。与非根际土壤相比较，柠檬酸处理降低石灰性土壤pH，提高土壤中可溶性有机质含量，显著增加了石灰性土壤根际中锌的有效性。与IR26相比较，种植IR36后这种活化作用更加明显。由此推断不同锌效率水稻品种根系分泌物以及外源有机酸促进了石灰性土壤锌的迁移和生物有效性，同时也证明了不同锌效率水稻品种根系分泌物对提高石灰性土壤中锌生物有效性的差异性影响。

目录

致谢

第一篇文献综述

第一章环境中锌及其生理功能

1.1引言

1.2锌在环境中的分布

1.3锌在人体中的生理功能

1.4提高人体锌营养的方法

1.5植物中锌的吸收和生理功能

第二章植物对石灰性土壤耐性及其机制

2.1引言

2.2石灰性土壤中的影响植物锌吸收的主要因素

2.3水稻对石灰性土壤缺锌的适应性机制

2.4小结

第二篇试验部分

第三章研究意义和研究内容

3.1研究意义

3.2国内外研究概况与发展趋势

3.3研究内容

第一部分 石灰性土壤中锌的生物活化:第四章不同锌效率水稻品种对石灰性土壤中锌的活化与利用

4.1引言

4.2材料与方法

4.3结果与分析

4.4讨论

第一部分 石灰性土壤中锌的生物活化:第五章有机酸对石灰性土壤锌的活化

5.1引言

5.2材料与方法

5.3结果与分析

5.4讨论

第一部分 石灰性土壤中锌的生物活化:第六章石灰性土壤中锌吸附解吸行为及影响因素的研究

6.1引言

6.2材料与方法

6.3结果与分析

6.4讨论

第二部分 不同锌效率水稻品种对锌吸收转运特性的差异:第七章HCO3-对不同锌效率水稻品种锌吸收动力学的影响

7.1引言

7.2材料与方法

7.3结果与分析

7.4讨论

第二部分 不同锌效率水稻品种对锌吸收转运特性的差异:第八章外源有机酸对不同锌效率水稻品种根系生长和锌吸收的影响

8.1引言

8.2材料与方法

8.3结果与分析

8.4讨论

第三部分 不同锌效率水稻品种对石灰性土壤中锌的活化机制:第九章HCO3-和呼吸抑制剂对不同锌效率水稻品种根系生长和锌吸收的影响

9.1引言

9.2材料与方法

9.3结果与分析

9.4讨论

第三部分 不同锌效率水稻品种对石灰性土壤中锌的活化机制:第十章HCO3-对不同锌效率水稻品种根系分泌有机酸及其对石灰性土壤中锌提取能力的影响

10.1引言

10.2材料与方法

10.3结果与分析

10.4讨论

第三部分不同锌效率水稻品种对石灰性土壤中锌的活化机制:第十一章根系分泌物以及外源有机酸对石灰性土壤锌迁移和生物有效性的影响

11.1引言

11.2材料与方法

11.3结果与分析

11.4讨论

第三篇总结与展望

第十二章综合讨论与展望

12.1全文主要研究结论

12.2展望

12.3本论文的创新点

参考文献