镉对水稻及种植土壤影响的研究进展

稻米镉污染已成为影响全球粮食安全的重大问题,介绍镉对水稻的影响以及土壤承载镉的阈值2个方面的研究现状,从镉对水稻生长过程中的形态、生理特性、种植土壤及其微生物的影响、水稻在吸收镉过程中几个主要途径及参与水稻运输镉过程的运输蛋白家族等方面,结合土壤对镉的钝化与解毒机制,分析了水稻镉污染的有效缓解途径,并整理了相关的土壤修复措施,并对未来研究进行展望。

大环内酯类和高表达玉米C_(4)-PEPC基因对水稻耐旱性的影响

为揭示可变剪接机制参与植物耐旱性的内在机制,以高表达转玉米C_(4)型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPC)基因(C_(4)-PEPC)水稻(PC)和受体"Kitaake"(WT)为材料,通过盆栽和水培试验,研究外施可变剪接抑制剂大环内酯类(pladienolide B, PB)联合干旱处理下,功能叶片的光合参数、总可溶性糖及其组分、主要抗氧化酶活性以及抗氧化物质含量、Ca^(2+)、NO、H_(2)O_(2)、ABA含量、与蔗糖非发酵1 (sucrose nonfermenting-1,SNF1)相关蛋白激酶(SNF1-related protein kinase 3s, SnRK3s)以及剪接因子基因表达的变化。结果表明:在盆栽试验中,与单独自然干旱处理(drought stress, DS)相比,在孕穗期外施0.5μmol L^(–1)PB联合干旱处理(DS+PB),显著下降了供试水稻的产量及其构成因子的数值,其中,在DS+PB处理下, PC的株高、穗数、每穗实粒重和单株产量均显著高于WT。在水培试验中,与10%PEG-6000模拟干旱处理(PEG)相比,外施0.5μmol L^(–1) PB和10%PEG-6000模拟干旱处理(PEG+PB),均显著降低了供试水稻功能叶片的净光合速率(Pn)、相对含水量、总可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD酶活性、POD酶活性、CAT酶活性、PEPC酶活性、糖组分(蔗糖、葡萄糖、果糖含量)、Ca^(2+)、NO和H_(2)O_(2)的含量,其中, PC中3个糖组分以及钙离子含量始终高于WT。与PEG处理相比, PEG+PB处理也导致水稻叶片内糖信号SnRK2s基因(SAPK8和SAPK9)和3个SnRK1基因表达量下降,其中PC的SAPK8、SAPK10、OsK1a和OsK24表达均高于WT;进一步10mmolL^(–1)EGTA钙离子螯合剂引入实验证明,钙离子通过调节剪接因子相关基因的表达参与水稻干旱响应。相关性分析也表明,PC中钙离子含量分别与叶片可溶性蛋白含量、ABA含量以及剪接因子RS33的表达水平呈显著或极显著相关。综上,可变剪接参与水稻干旱响应,水稻可通过叶内糖信号SnRK1s和SnRK2s基因以及钙离子,参与调节剪接因子相关基因的表达,对水稻耐旱起积极的作用。与WT相比, PC的增益效果更强,这与其内源高钙离子和糖组分含量密切相关。

干旱条件下外源蔗糖对高表达玉米C4型pepc水稻种子萌发的影响

为揭示外源蔗糖参与干旱胁迫下高表达转玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC)基因(C4-pepc)水稻(简称:PC)种子萌发的生理机制,该研究以PC及其未转基因野生型受体‘Kitaake’(简称:WT)的种子为材料,研究外施不同浓度蔗糖联合模拟干旱(10%PEG-6000)处理下,其种子发芽参数、总可溶性糖及可溶性蛋白含量、蔗糖非发酵1(sucrose nonfermenting-1,SNF1)相关蛋白激酶(SNF1-related protein kinase 1s,SnRK1s)基因以及PEPC基因表达等参数的变化。结果表明:(1)PEG-6000模拟干旱处理均显著抑制两材料发芽,但明显促进胚根的生长;外施蔗糖则呈现浓度效应,高浓度蔗糖(>150 mmol·L-1)进一步加剧了干旱对发芽的抑制效应,而低浓度(<30 mmol·L-1)则可缓解干旱的抑制,但与WT(<30 mmol·L-1)相比,促进PC水稻萌发的外施蔗糖浓度(<6 mmol·L-1)更低,且各处理的发芽表现与其α-淀粉酶活性的动态表现一致。(2)与WT相比,外施3 mmol·L-1蔗糖联合干旱处理下,显著提高了PC种子的发芽率,且伴随PC内源蔗糖含量、总可溶糖和可溶性蛋白含量显著增加;且外施3 mmol·L-1蔗糖使PC中内源C3-pepc基因表达下调,而外源导入C4-pepc基因表达显著增加。(3)与WT相比,干旱处理下外施3 mmol·L-1蔗糖,PC的糖信号相关基因SnRKs亚家族基因(包括SnRK1s:OsK1a OsK24 OsK35和SnRK2s:SAPK6)的表达也显著增加。研究发现,外施低浓度蔗糖通过上调PC水稻种子中可溶性糖和可溶性蛋白含量,增强SnRK1s亚家族基因和外源C4-pepc基因的表达,提高了α-淀粉酶活性,从而缓解了干旱胁迫对PC种子萌发的抑制。

高代转玉米C_(4)-pepc基因水稻株系形态和产量特性及其聚类分析

为获得高光效的转C_(4)型PEPC(磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶phosphoenolpyruvate carboxylase,PEPC,EC.1.1.31)基因水稻(简称PC)高代的稳定株系,选取2019—2020年种植的同一株系的PC材料,分析PC材料的形态、光合参数、酶活性以及产量构成因子等的变化特点,并将各参数进行聚类分析。结果表明,PC高代材料的PEPC酶活性、净光合速率以及产量构成因子等指标的确存在年度间和株系间的变化,其中变异系数表现为产量构成因子<净光合速率<PEPC酶活性。聚类分析结果表明,指标间存在基本一致的关系,并可分为3类,即Ⅰ类型:高PEPC酶活性,高光合参数和中等产量水平类型;Ⅱ类型:低PEPC酶活性,低光合参数和高产类型;Ⅲ类型:中等PEPC酶活性,中等光合和低产量类型。其中PEPC酶活性和净光合速率存在极显著相关关系(P<0.01)。可见,经过形态、高光效特性和产量构成因子等的同步筛选,可在PC中选择出高PEPC酶活性、高净光合速率且具有较高单株产量的稳定株系。

5-氮杂胞苷对高表达转玉米C_(4)-PEPC基因水稻耐旱性的影响

为了揭示DNA甲基化在高表达转C4-PEPC基因水稻植株对干旱耐性的作用,以高表达转玉米C4型磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)基因(C4-PEPC)水稻(PC)和受体Kitaake(WT)为材料,通过发芽、水培和盆栽试验,研究了施用不同浓度的DNA甲基化抑制剂5-氮杂胞苷(5-azaC)联合干旱处理下,水稻芽期、苗期和生育后期,种子发芽率,苗期叶片的相对含水量、丙二醛、脯氨酸、总可溶性糖及其组分及总可溶性蛋白含量、PEPC酶活性以及C4-PEPC、与蔗糖非发酵1(SNF1)相关蛋白激酶(SNF1-related protein kinase 1s,SnRK1s)基因以及甲基转移酶基因表达的变化、剑叶的光合参数,并最后考察产量构成因子的变化,结果表明:5-azaC对水稻芽期和苗期干旱胁迫作用浓度呈现剂量效应,即低浓度促进,而高浓度抑制,其中作用浓度:芽期<苗期;而对芽期和苗期有促进和抑制的2个浓度外施于水稻生育后期的水稻植株后,则出现恶化的效应,表现为矮化、剑叶的净光合速率和单株产量下降。在缓解干旱抑制的浓度下,PC苗期的缓解效果好于WT,这种差异的表现与其内源蔗糖、SnRK1s基因以及OsMET1b的表达差异同步,而且PC叶片C4-PEPC表达对不同浓度的5-azaC处理也呈现剂量效应。综上,DNA甲基化参与了水稻干旱响应,但不同生育期表现不同,其中糖信号在调节DNA甲基化增强PC干旱耐性起重要作用。