砷镉复合污染条件下硫对小麦砷镉积累的影响及其生理生化机制

In the interest of better food safety, it is important to reduce arsenic (As) and cadmium (Cd) accumulation in the edible parts of crops and vegetables. Recent studies have showed that sulfur (S) application could alleviate As and Cd toxicity to plants and restrict As and Cd translocation to shoots. However, the effects of S on As and Cd uptake, translocation and accumulation in plants is unknown when the plants grown in soil contaminated with both As and Cd. The influence of S on As and Cd accumulation in wheat grains is unclear so far. In this project, we will study the effects of S on As and Cd accumulation and distribution in wheat plants exposed to As and Cd under hydroponics and pot experiments. Furthermore, we will provide further insights into the physiology and biochemical mechanisms of the influence of S on As and Cd accumulation in wheat plants through 1) study the fractions of As and Cd in the soil and their bioavailability to wheat, 2) determine the As and Cd chemical forms and subcellular distribution in different parts of wheat plants, 3) analyze the relationship between As accumulation, Cd accumulation and phytochelatins concentration in wheat plants, 4) study the role of phytochelatins synthase gene and ABCC transporter gene expression in As and Cd accumulation in wheat plants.

减少农作物可食部位砷镉积累，对保障食品质量安全具有重要意义。研究表明，在植物对砷/镉的吸收与代谢过程中，硫与砷/镉之间存在着显著的相互作用，外源硫的施加可以分别减少砷和镉向植物地上部的转移。然而，在砷镉复合污染条件下，硫是否可以同时降低小麦籽粒中砷镉的含量以及硫对植物砷镉吸收、转运和积累的影响尚未见报道。本项目拟通过水培和土培试验，研究硫对小麦体内砷镉吸收、积累和分布的影响。并从土壤中砷镉的赋存形态及其生物有效性、砷镉在植物组织和细胞水平的分布、砷镉在植物体内存在的化学形态、植物体内非蛋白巯基化合物（半胱氨酸、谷胱甘肽和植物螯合肽）的变化、植物螯合肽合成酶基因和ABCC转运蛋白基因的表达与砷镉积累的关系等方面深入研究硫对小麦砷镉积累的影响机制。

土壤中砷和镉的生物化学行径通常相反，使得同时降低农作物对砷和镉的积累变得异常困难。本项目通过土壤和溶液培养相结合的方式，探究了砷镉复合污染下硫对小麦生长和小麦籽粒砷镉积累的影响及其机制，以期为生产上降低籽粒中砷镉的积累提供理论及实践依据。.土壤盆砵试验中，砷镉复合污染条件下，施加硫处理显著增加了小麦根际土壤镉的生物有效性，对砷的生物有效性无显著影响。施加硫处理增加了小麦籽粒的生物量，并显著降低了小麦籽粒中砷镉的含量，秸秆-籽粒和根系-秸秆间砷镉转运系数因施硫显著降低。施加硫显著增加了小麦的净光合速率和小麦的抗氧化胁迫能力，并显著增加了小麦对氮、磷和硫的吸收量。这些结果表明施硫可以降低砷镉从根系和秸秆往籽粒的转运并增加小麦的产量。.氯化钙溶液培养试验中，小麦根系半胱氨酸（Cys）、谷胱甘肽（GSH）和植物络合素（PC2和PC3）的含量在一定浓度的砷或镉处理后显著增加。BSO（L-丁硫氨酸-亚砜亚胺，体内谷胱甘肽合成抑制剂）处理显著抑制了小麦体内GSH和PCs的合成，进而增加了砷、镉对小麦的毒害。BSO处理显著降低了小麦根系砷镉的含量，增加了砷镉往地上部的转运。此外，BSO处理对小麦砷积累和转运的影响相比镉更为明显。这些结果表明，非蛋白巯基化合物GSH和PCs在小麦砷、镉耐性和积累方面起着重要的作用。.营养液培养试验中，砷镉复合处理下，与缺硫相比，加硫处理显著缓解了砷镉对小麦的毒害，并且显著降低了砷镉往地上部的转运。加硫显著增加了小麦根系巯基化合物（Cys、GSH和PCs）的含量，并增加了TaABCC1基因TaHMA3-B和TaHMA3-D基因的表达。各细胞组分中砷镉含量测定结果显示，加硫处理时，小麦根系可溶性组分中砷和镉含量显著增加，细胞器和细胞壁中砷和镉的含量降低。这些结果表明，硫会通过增加植物体内巯基化合物的合成和诱导相关转运蛋白基因的表达将细胞中的砷镉往液泡中区隔化，从而缓解了砷镉对植物的毒害并限制了砷镉向地上部的转运。