蔬菜作物积累硝酸盐的基因型差异及环境意义

城郊土壤富营养化已成为目前城郊农业生态系统可持续发展不可回避的环境问题之一,氮、磷养分富集是城郊土壤富营养化的重要表现形式,因土壤氮素积累而引起的蔬菜可食部位硝酸盐超标是一个亟待解决的技术难题.本文综述了不同蔬菜种及品种间吸收积累硝酸盐的基因型差异及其差异形成的生理生化机制,指出充分利用我国丰富的蔬菜种质资源,以植物吸收积累硝酸盐的基因型差异为理论基础,筛选弱吸收低积累蔬菜作物品种,是削减、控制蔬菜可食部位硝酸盐含量的关键性技术,有可能缓解城郊区脆弱生态环境条件下集约化生产对硝酸盐农艺阻控措施的依赖.     

植物吸收、转运和积累镉的机理研究进展

重金属镉(Cd)虽然不是植物生长的必需矿质元素,但依然能被植物吸收。且部分植物具有富集镉的特点,从而导致农产品镉含量超标,并通过食物链危害人类健康。研究植物吸收、转运和积累Cd的机理,对于培育低镉作物品种、降低农产品镉含量,以及选育超富集镉植物,修复镉污染土壤具有重要意义。从影响植物吸收Cd的因子,植物吸收、转运和积累Cd的机理以及植物拒Cd和富集Cd的分子机制等方面进行综述,以期为低镉作物的研究以及Cd污染土壤的综合治理提供一些参考。     

植物防御素调控水稻镉积累的新机制

镉是我国农产品的主要重金属污染物之一。随着我国土壤重金属污染问题日益突出, 包括稻米在内的农产品重金属超标时常发生。如何防控重金属在作物可食部位的积累, 在保证农产品安全的同时将农田重金属进行移除修复, 已成为我国农业生产急需解决的问题。最近, 中科院上海生命科学院植物生理生态所龚继明研究组和中国水稻所钱前研究组克隆到1个特异调控镉在水稻(Oryza sativa)叶片中积累的主效QTL基因CAL1。CAL1编码1个植物防御素类似蛋白, 通过与镉进行螯合, 将镉从维管束木质部薄壁细胞中分泌出来, 进入木质部参与长距离转运, 从而定向调控镉在水稻叶片等营养器官的积累而不影响籽粒镉的积累。该研究加深了人们对重金属镉在植物体内的转运和再分配机理的认识, 同时也为培育秸秆镉高积累而籽粒镉含量达标的“修复型”水稻品种提供有价值的新基因。研究成果具有重要的理论意义和应用价值。     

水稻镉积累特性的生理和分子机制研究概述

我国的稻米镉超标对国民身体健康造成严重威胁, 而选育低镉积累的水稻(Oryza sativa)品种是降低稻米镉含量行之有效的策略, 因此有必要了解水稻对镉的积累特性及其生理过程和相关功能基因。该文概述了镉在水稻根部的吸收、木质部中的装载与运输、茎节中的分配、叶片中再分配以及籽粒镉积累等过程的生理和分子机制研究进展, 以期为低镉水稻的选育和安全生产提供理论参考。     

基于定量评价方法研究不同水稻品种的镉积累差异

为筛选出高产且适用于粮食安全生产的镉低积累水稻品种，本研究以18个早、中、晚熟稻品种为供试材料，比较了不同品种水稻在中轻度镉污染农田的生长情况以及对镉吸收、积累差异，并通过综合定量评价方法进行评估。结果表明：根据综合定量筛选评价方法将糙米镉浓度、稻谷产量、转运系数和秸秆积累量作为评价指标并赋予不同权重，通过计算综合得分筛选出的高产且镉低积累水稻品种有JR-9(沪香粳106)、JR-2(沪早香软1号)、JR-7(8333)、JR-15(宝农34)和JR-8(南梗9108);品种JR-8水稻产量最高，品种JR-9、JR-7和JR-15水稻产量均显著高于其他品种；不同水稻品种的稻米镉含量差异较大，JR-9、JR-15、JR-7稻米镉含量显著低于其他水稻品种；品种JR-2转运系数最低，更多的镉保留在秸秆中，表现出最高的秸秆积累量，最终成为候选品种。本研究采用的综合定量评价方法可对高产、低Cd的水稻品种进行科学评价，并初步筛选了5个适用于中轻度Cd污染农田推广的Cd低积累水稻品种，其稻米Cd含量达到国家粮食安全限量标准。     

镉胁迫下杞柳对金属元素的吸收及其根系形态构型特征

采用水培方法,研究了杞柳(Salix integra)2个品种在0-90 μmol/L Cd处理下不同组织对Cd的吸收和积累规律,探讨了镉胁迫下杞柳根系形态学功能响应特征以及对矿质离子吸收的影响。结果发现,镉在杞柳2个品种不同组织的含量均表现为根>韧皮部>木质部>叶。2个品种地上部组织对镉的吸收和积累规律相似:在0-70 μmol/L Cd处理浓度范围内,随着溶液Cd浓度的增加,叶、木质部、韧皮部中镉的含量逐渐增加,到50 μmol/L时,镉在地上部组织的含量达到最高,当Cd处理浓度达90 μmol/L时,地上部各组织中Cd含量出现下降趋势。而2个品种根系对Cd的吸收则不同,"微山湖"品种在溶液Cd达70 μmol/L时,根系镉的积累量最大,在90 μmol/L时,根系Cd的积累量明显下降;"一枝笔"品种根系在0-90 μmol/L范围内,根系Cd的积累量均为增加趋势。通过分析2个品种根系形态学参数变化发现,Cd胁迫抑制了杞柳2个品种根的伸长,促进了"微山湖"品种根的径向生长,导致根系平均直径增加;进一步对叶片矿质营养状态分析发现, Ca、Mn的吸收受镉胁迫的影响较大,在高浓度镉胁迫下(50-70 μmol/L)"微山湖"和"一枝笔"对Ca和Mn的吸收明显下降;Cd胁迫对Fe在叶片的含量影响不明显;同时发现,在50 μmol/L Cd处理下,Cu²⁺在叶片的积累明显增加。由此可见,杞柳2个品种间对镉的吸收和积累差异主要体现在根系,地上部对镉毒害的响应差异不大。     

不同类型镉积累水稻细胞镉化学形态及亚细胞和分子分布

利用水培试验结合亚细胞组分分级分离和凝胶过滤等技术,研究了水稻根和叶中镉的化学结合形态及其亚细胞和分子分布,比较了低镉积累品种“广源占No.3”和高镉积累品种 “珍桂矮”的差异.结果表明：随着营养液中镉浓度的升高,根和叶亚细胞镉含量显著上升,大部分镉积累在细胞壁（F_Ⅰ）和细胞可溶部分（F_Ⅲ）.高镉积累品种“珍桂矮”根和叶中可溶部分镉含量显著高于低镉积累品种“广源占No.3”.根和叶各种形态镉中,以氯化钠提取态占优势,其次是醋酸提取态,盐酸提取态镉含量最低.与“广源占No.3”相比,“珍桂矮”中迁移性较强的去离子水和乙醇提取态镉比例较高.凝胶过滤结果表明,两种类型的水稻可溶部分镉的出峰位置与样品流份中可溶性蛋白的出峰位置大致相同.可溶部分中的镉大多与分子量为3kD的物质结合,属于植物鳌合肽（PCs）或低分子量物质.“广源占No.3” 根系中镉与PCs配合的组分（Cd-PCs）含量远小于“珍桂矮”.“广源占No.3”细胞可溶部分较低的镉含量以及根系中较少的Cd-PCs形成量,降低了镉的移动及其向地上部转运的可能性.     

硒和碲对缓解糜子镉毒害及减少籽粒镉积累的调控效应

提高糜子(Panicum miliaceum)镉耐受性与低积累能力对镉污染地区糜子的安全生产具有重要意义。该研究以镉耐受和镉敏感糜子品种为材料, 通过苗期水培和全生育期盆栽试验, 分析不同形态硒和四价碲对镉胁迫下糜子生长、根系形态、镉吸收转运和籽粒矿质营养含量的影响。结果表明, 外源添加硒和碲能缓解镉毒害, 其中有机硒缓解效果较好。与单独镉处理相比, 硒和碲能够促进根系直径增加并抑制镉吸收, 最高可使根系镉含量降低33%。此外, 硒和碲能够增加细胞壁和液泡中镉的占比, 提高镉耐受性。叶面喷施硒提高了糜子籽粒中锌、锰和钼等矿质营养元素含量。无机四价硒能更有效地抑制镉从营养器官向籽粒的转运, 在5 mg·kg^-1镉处理下, 可使镉敏感和镉耐受品种籽粒镉含量分别降低11.3%和20.3%。综上, 外源添加硒能够显著提高糜子镉耐受性并减少籽粒镉积累。研究结果可为镉污染地区糜子的安全生产提供参考。     

镉在莲各器官中累积规律的研究

莲子是我国重要的特产优质资源, 但莲等水生植物容易吸收积累重金属。为了探究莲对重金属镉的吸收积累特点, 利用盆栽外施不同浓度的镉(0, 1.0 mg·kg-1, 2.5 mg·kg-1)培养两个莲子品种, 检测分析镉对莲子生物量的影响及莲各器官中镉的含量。结果表明: 随着外施镉浓度的增加, 两种莲子生物量下降, 各器官中镉含量增加, 且与土壤镉含量呈正相关。各器官中镉含量差异明显, 根部镉含量最高, 莲壳中最低。根据GB 2762-2017, 当镉浓度为1 mg·kg–1时, 莲子中镉含量符合食品中污染物限量标准, 故莲可以在镉低污染区域种植。     

水稻土施硅对土壤-水稻系统中镉的降低效果

水稻中镉的积累造成人类健康的风险,增加水稻硅素能减轻镉中毒症状,降低稻米镉积累,但是硅对重金属的作用机理尚不清楚。主要研究了在中度和高度镉污染的土壤中,通过施用固态和液态的富硅物质对土壤-水稻系统中镉的吸收和转运的影响,探明决定镉和硅在根与芽的质外体和共质体中的作用机理。试验结果表明:(1)在中度和高度污染的土壤中,镉在土壤-作物系统中的转移和积累情况是不同的,可以通过富硅物质中的单硅酸与镉离子的相互作用,增加镉在硅物质表面的吸附来减少镉在土壤中的流动;(2)富硅物质可以降低水稻根和芽中镉的积累,在高度镉污染的情况下,施用硅可以使镉大量积累在水稻根及其共质体中,并降低根及其共质体中镉的转换和积累;(3)新鲜土壤中水萃取态的单硅酸含量与镉在土壤-作物系统中的流动性、转运以及积累等主要参数密切相关。     

两个桃树品种对土壤中不同镉水平的响应

以不同品种桃(Amygdlus persica(L.)Batsch)"大久保(Okubao)"和"丽春(Lichun)"为试材,研究了不同土壤镉水平下桃树对镉及矿质养分的吸收.结果表明:随着镉浓度增大,品种间镉、大量元素、微量元素的含量差异显著(P＜0.05);桃树器官中镉积累量为根＞茎＞叶＞果实;土壤中镉浓度为10 mg·kg-1时,大久保外果皮中镉积累量最大,较对照增加了226.78%,而丽春桃果实组织中镉积累量在处理前后没有明显变化;当土壤镉浓度超过20 mg·kg-1时,2品种均不能正常座果.土壤镉浓度为100 mg·kg-1,胁迫时间为9个月后,大久保桃树体死亡;土壤Cd浓度＜20 mg·kg-1时促进大量元素K、N、Ca、Mg 和微量元素Zn、Cu、Mn、Fe吸收,＞20 mg·kg-1时抑制其吸收,但丽春根和大久保茎中Fe 元素含量呈现持续上升趋势,且Cd 100 mg·kg-1时Fe的吸收值达最大.     

‘新选七叶’油菜对土壤3种重金属的吸收和累积特征

以‘新选七叶’油菜为研究对象,采用土培方法,研究在不同浓度重金属(镉、铅、汞)胁迫下,油菜对重金属的吸收和积累特征,并探讨重金属在土壤—蔬菜间的迁移情况。结果表明:不同重金属在植物不同部位的分布和积累规律存在差异,镉和汞在植株上的积累规律为根叶茎,而铅在植株上的积累规律为根茎叶。油菜根部对重金属的累积能力远高于茎和叶,根部对三种重金属的吸收富集能力为镉汞铅。油菜各部位重金属含量与土壤重金属浓度呈显著正相关(r20.859)。以蔬菜可食部位重金属含量的最大限量为标准(GB 15201-1994、GB 14935-1994、GB 2762-1994),计算得出土壤中对应的镉、铅、汞临界值分别为0.362、43.62、2.892μg/g。     

玉米与番茄间作对土壤镉吸收的影响

为探究间作对作物吸收重金属镉(Cadmium,Cd)的影响,以Cd相对高积累番茄(中蔬4号)和相对低积累玉米(金珠蜜甜玉米)为试验材料,在Cd 3.70 mg/kg的污染水平下以单作、限制性间作、间作3种种植方式进行了盆栽试验,研究间作后作物各部位Cd积累差异及其形成原因。结果表明,番茄和玉米间作和限制性间作所产番茄根、茎、叶中Cd含量均有所提高(叶中Cd含量从13.52mg/kg分别升高至24.94mg/kg和27.30mg/kg);与未种植作物的对照组相比,非单作条件下番茄根围土壤的pH有所下降,酸性磷酸酶活性上升,而脲酶活性下降,且间作组变化幅度较大;间作还能改变作物根围微生物种群结构,提高对重金属吸收有促进作用的微生物种群的丰度,最终实现Cd高积累番茄对Cd的吸收能力提高。研究结果可为利用间作模式修复土壤重金属污染和保障食品安全提供参考。     

水稻籽粒镉积累QTL定位及候选基因分析

水稻(Oryza sativa)是全世界重要的经济作物之一, 稻田镉(Cd)污染和镉积累问题严重威胁世界水稻的产量和品质以及人类健康, 如何降低水稻中镉积累已成为热点问题。以籼稻品种华占(HZ)为父本、粳稻品种热研2号(Nekken2)为母本, 连续自交多代后得到120个重组自交系群体, 对其镉积累进行检测和分析, 同时利用遗传图谱进行QTL作图。结果共检测到7个QTLs, 分别位于水稻第2、3、9和12号染色体上, 其中1个LOD值高达4.97。对这些QTL区间内与耐金属离子胁迫相关的候选基因进行定量分析, 发现LOC_Os02g50240、LOC_Os02g52780、LOC_Os09g31200、LOC_Os09g35030和LOC_Os09g37949这5个基因在双亲间的表达量差异显著, 结合亲本对不同金属离子的浓度积累数据, 推测LOC_ Os02g50240、LOC_Os09g31200及LOC_Os09g35030的高表达可能极大地提高了水稻对镉离子的吸收和胁迫耐受能力。通过QTL挖掘和分析, 发现这些基因与水稻籽粒的镉积累有关, 可能影响水稻耐镉胁迫的能力。研究结果为进一步筛选和培育耐镉胁迫的水稻品种创造了条件, 为阐明水稻镉积累的分子调控机制奠定了基础。     

镉在土壤-植物-人体系统中迁移积累及其影响因子

环境镉(Cd)污染对微生物、植物、动物和人体均可产生较大的危害。食物链是镉对普通人群造成健康危害的主要途径之一。污染土壤中的镉通过植物根系吸收与体内转运最终在植物可食部分中积累。Cd通过食物链进人人体并在体内蓄积受许多因素的影响,这些影响因素主要有3个方面：土壤性质(土壤含镉量、pH、有机质、粘土矿物和土壤养分状况),植物特性(包括基因型差异、根际过程和植物生理机制)和人体微量元素营养状况等因素。本文就镉在食物链中迁移积累及其调控机理的研究进展进行简要的综述。     

玉米与番茄间作对土壤镉吸收的影响（英文）

为探究间作对作物吸收重金属镉(Cadmium,Cd)的影响,以Cd相对高积累番茄(中蔬4号)和相对低积累玉米(金珠蜜甜玉米)为试验材料,在Cd 3.70 mg/kg的污染水平下以单作、限制性间作、间作3种种植方式进行了盆栽试验,研究间作后作物各部位Cd积累差异及其形成原因。结果表明,番茄和玉米间作和限制性间作所产番茄根、茎、叶中Cd含量均有所提高(叶中Cd含量从13.52mg/kg分别升高至24.94mg/kg和27.30mg/kg);与未种植作物的对照组相比,非单作条件下番茄根围土壤的pH有所下降,酸性磷酸酶活性上升,而脲酶活性下降,且间作组变化幅度较大;间作还能改变作物根围微生物种群结构,提高对重金属吸收有促进作用的微生物种群的丰度,最终实现Cd高积累番茄对Cd的吸收能力提高。研究结果可为利用间作模式修复土壤重金属污染和保障食品安全提供参考。     

嫁接诱导大豆低镉富集性状及遗传稳定性

通过野外小区实验,从8个大豆品种中筛选出2个低镉富集品种作为砧木,2个高镉富集品种作为接穗植物,研究嫁接当代以及接穗子代镉富集性状的变化,探明嫁接诱导镉富集性状变异的机制及其遗传稳定性。结果表明:大豆的镉富集性状表现出显著的品种间差异,以低镉富集品种(铁丰29和东鲜1号)作砧木,可以使接穗大豆植株(青仁黑1号和中黄38)地上部分镉含量降低50%~70%;高通量测序和qRT-PCR分析显示,嫁接诱导了相关硫代谢基因的差异表达,与自根植株相比,嫁接植株的APX2、PAPRa、SAM1a和ATPs基因表达水平均显著下调,分别达72.53%、67.62%、42.37%和75.78%,APK4表达量则显著上调2.83倍;以阻控效果最好的青仁黑1号-东鲜1号为例,接穗子代遗传了接穗当代的低镉富集性状,对照亲本,子代籽粒镉含量的降低率仍有30%~50%。研究证明:嫁接可以通过调控含硫化合物的合成与代谢,影响作物地上部分的Cd富集性状,且这种性状可以在子代中稳定遗传。     

土壤中镉、铅、锌及其相互作用对作物的影响

通过作物盆栽模拟试验(砂壤质褐土、pH值8.2)揭示：土壤中分别施入镉(CdCl2)、铅[Pb(CH3COO)2]或锌(ZnSO4)其影响表现为,植物各器官镉的含量超过对照植物的数倍至500倍。土壤镉浓度<5ppm和<10ppm分别造成某些蔬菜和水稻的污染。铅主要积累在植物根部,土壤铅污染对作物的影响较小。锌主要积累在植物叶片和根部,对水稻产生生长抑制的土壤锌浓度临界值不大于200ppm,此浓度对旱作无影响。土壤中同时施入镉和铅,植物对镉的吸收增加。而土壤中镉的增加却减少了植物体内铅的含量。土壤中由于镉、锌或铅、锌相互作用的结果,水稻对它们的吸收都有增加。在旱地土壤锌浓度的增高,降低了植物对镉、铅的吸收。镉、铅、锌同时施入土壤由于相互作用的结果,除锌之外,植物对镉、铅的吸收有明显下降。评价土壤重金属污染,不仅要看它们的含量及其存在形态,而且要分析它们之间的相互作用(促进或拮抗)特点。     

硒对植物吸收转运镉影响机制的研究进展

硒是人和动物必需的微量营养元素之一,在植物中可抵御体内自由基伤害、提高作物产量和质量,并且可以有效缓解植物重金属的胁迫和积累。综述了在不同植物中硒对镉吸收转运影响的研究进展,探讨了硒缓解镉胁迫的机制,以期为采取措施降低农产品镉污染提供参考。     

利用富镉基质栽培快速比较不同叶菜镉累积能力的差异

利用穴盘育苗技术,通过设置不同基质镉浓度水平和育苗时间,获得不同叶菜对镉累积能力数据,并与田间条件下相关结果进行比较、验证,探讨通过富镉基质栽培比较叶菜镉累积能力的可行性。结果表明: 供试叶菜品种地上部镉含量和生物富集系数(BCFs)值随基质镉浓度和培养时间变化显著。多因素方差分析表明,叶菜品种、育苗天数和基质镉含量以及因素间交互作用对叶菜BCFs均有显著影响,而叶菜品种对总变差的贡献最多,是叶菜BCFs值差异的主导因素,控制着叶菜BCFs值的绝对水平。育苗10 d且基质镉含量1.0 mg·kg^-1条件下,穴盘基质栽培和田间试验中叶菜BCFs的相关系数最大(R²=0.90),且该条件下的聚类分析以及单因素方差分析结果也与田间结果最为吻合,试验结果具有较好的稳定性。表明育苗10 d且基质镉含量1.0 mg·kg^-1条件下富镉基质栽培得到的结果能够相对真实地反映不同叶类蔬菜田间种植时的镉累积能力,可用于今后镉低累积型蔬菜的快速筛选。