油菜素内酯介导水稻根表铁膜形成及As/Cd迁移的机制研究

It is of crucial significance in illuminating the mechanism of heavy metal translocation within rice plant, which is frequently polluted by heavy metal. The brassinolide, one of plant hormones, is always used to increase production and resist to disease and insect pest, however, which is rarely focused on heavy metal uptake by plant, especially for rice plant. Furthermore, the iron plaque on root surface shows significant roles in affecting heavy metal adsorption and translocation. Similarity, it also possesses great importance in understanding the mechanism which the iron plaque formation is regulated by brassinolide through. In this project, the experiments will be, taking rice plant and As/Cd as objects of study, conducted using hydroponic culture combined with flooded soil system through spraying brassinolide. The morphology of iron plaque and distribution of elements will be observed via X-ray diffraction and scanning electron microscopy and DCB extraction. The contents of As and Cd in rice plant will be analyzed by LA-ICP-MS, transmission electron microscopy and subcellular elements distribution. The expression profiles and clones of related genes will be carried out for rice plant under As/Cd treatments. The characteristics of iron plaque formation and distribution of As and Cd will be illuminated from the chemical and subcellular level, and the molecular mechanism will be revealed through molecular biology angle for As and Cd translocation within rice plant. These will provide new understanding of farmland ecosystem polluted by heavy metal in the application of plant hormones.

水稻在生长过程中经常受到不同程度的重金属污染，阐明重金属向水稻中迁移的机制具有重要意义。油菜素内酯，经常被用在农作物增产及抗病虫害方面，在影响植物吸收重金属方面少受关注，尤其是在水稻方面；此外植物根表铁膜对重金属吸附及其迁移过程可起到重要的调节作用，明确油菜素内酯对铁膜形成的影响机制同样具有重要的环境学意义。本项目以水稻和As/Cd为例，水培与土壤淹水盆栽试验相结合，通过外援喷施油菜素内酯的方式，水稻根表铁膜的X射线衍射及扫描电镜形貌观测和DCB浸提元素分布分析，植株As/Cd含量以及激光烧蚀连用ICP-MS、透射电镜和亚细胞元素分布分析，水稻响应As/Cd的基因表达谱及相关抗性基因的克隆与分析：从化学方面和亚细胞层次阐明油菜素内酯介导的铁膜形成特点与As/Cd迁移分布规律，从分子生物学角度揭示As/Cd向水稻中迁移的分子机制，为理解植物激素在重金属污染的农田生态系统中的应用提供新的认识。

重金属砷镉农田复合污染严重威胁着粮食安全和人体健康，而油菜素内酯在缓解植物富集重金属方面表现出了相当的潜力，为了探究油菜素内酯在水稻根表铁膜形成方面，及其与铁膜联合作用对水稻吸收富集砷镉中的影响，本研究设计了3个实验（水培试验：水稻苗前期，水稻苗中期；土培试验：水稻全生育期），研究两种类型不同浓度的油菜素内酯Br24和Br28处理，不同浓度铁膜处理，及其相互交叉复合处理对砷镉共同污染条件下水稻吸收砷镉的影响。结果表明：.实验（1）：0.02 μM的Br24与0.2 μM的Br28可显著降低水稻地上部的的砷镉含量；Br28与铁膜的复合处理可显著降低水稻茎叶中的As含量；而0.2 μM的Br24与铁膜的复合处理可以显著降低水稻茎叶中的Cd含量。0.02 μM的Br24与0.2 μM的Br28可显著降低水稻地上部的的砷镉含量；Br28与铁膜的复合处理可显著降低水稻茎叶中的As含量；而0.2 μM的Br24与铁膜的复合处理可以显著降低水稻茎叶中的Cd含量。.实验（2）：复合As、Cd处理与单独As处理相比，可以更加显著的降低水稻对As的吸收累积；油菜素内酯Br24与Br28与铁膜的复合处理显著提高了水稻根表吸附的As量。但Br24与Br28和/或铁膜的处理没有降低水稻对As的吸收。复合As、Cd处理与单独Cd处理相比，显著的降低水稻对Cd的吸收累积；单独Cd处理条件下，油菜素内酯Br24与Br28与铁膜的共同作用显著提高了水稻根表吸附的Cd量。As、Cd、复合处理下，Br24可显著降低水稻地上部对Cd的吸收；单独Cd处理下，铁膜的诱导处理可显著降低水稻茎叶对Cd的吸收。.实验（3）：砷镉复合处理显著降低了水稻的生物量和稻米的产量，两种油菜素内酯Br24和Br28不能影响水稻根表铁膜的形成量，但降低了铁膜对砷镉的吸附，Br24和Br28也不能降低水稻对砷镉的吸收富集，但外源硫酸亚铁的单独处理，及其与Br24、Br24的复合处理可以显著降低砷镉向稻米中的富集迁移，并且使水稻稻米中Cd的积累量降到国家标准（0.2 mg kg-1）以下。.水培试验与土培试验结果有一定的差异性，水稻茎叶对砷镉的吸收并不能指征水稻籽粒对砷镉的累积量，我们后续仍然会集中在土培条件下不同浓度油菜素内酯与Fe的共同作用，对不同时期水稻吸收累积方面的研究。