铁提高水稻抗重金属镉毒害的机制

针对目前农业生产中，植物可食部位微量元素含量下降，而有害元素累积超标的现状，在发现外源铁的供应能够增加水稻组织中铁含量，同时减少镉累积的研究基础上，以超高产品种水稻（沈农265）为试材，在营养液和土壤培养条件下，利用根部和根外供应铁的方式，为水稻提供正常和高铁（但对水稻生长并不产生毒害作用）的环境，以正常铁营养的水稻为对照，研究高铁供应条件下，水稻根系质外体铁对共质体中镉含量的影响和质外体铁氧化物对镉的结合形态与能力，明确质外体铁对水稻吸收镉的物理屏障作用；研究高铁供应条件下，植物体内铁对镉诱导的氧化胁迫、亚细胞超显微结构破坏和光合作用、呼吸作用以及水分代谢失调的缓减作用，明确铁提高水稻抵抗镉毒害的主要生理机制。为下一步从分子生物学角度寻求铁镉交互作用的关键基因，利用育种手段获得高铁低镉的水稻品种奠定理论基础，为农业生产中利用施肥（如铁肥）增加水稻籽粒中铁含量同时减少镉的累积提供科学依

项目人员对项目设计的内容均做了相应的研究，研究结果基本达到了预期目标，现在对项目取得的成果做简单概述。. 水稻对镉的累积能力很强，镉不但抑制水稻生长而且降低稻米产量，其产生的“镉米”更威胁着人类身体健康。土壤和植物体内充足的铁营养在一定程度上降低镉在水稻体内的累积，缓解镉对植物的毒害，但是其中的机理并不明确。本课题从根系铁的物理屏障作用和地上部生理过程两方面，研究铁抑制水稻对镉的吸收，缓解镉对水稻毒害的机理。. 研究结果表明，水稻根系表皮质外体是铁沉积的主要部位，而根表质外体中镉含量远远低于根中共质体，尽管铁沉积在根表质外体但并没有将镉固定在其中，说明根系质外体铁对镉进入水稻并没有起到明显的物理屏障作用。适量的外源铁可以在一定程度上提高水稻叶片叶绿素含量相对值（SPAD）、叶绿体单位反应中心吸收的光能（ABS/RC）、光能向电子受体运输的潜能（PI），以及水稻生长前期光合系统II（PII）的潜在最大光合能力（Fv/Fm），利于维持较高的光合速率和生物量，还能缓解镉对水稻光合作用的抑制以及对叶绿体结构的破坏作用。但是外源供应过量铁，显著降低水稻的光合速率，破坏水稻叶绿体结构，且镉的存在加重高量铁的不利影响。铁镉互作显著抑制对方对水稻脂质过氧化和抗氧化保护酶的影响，单独供应镉降低根系中丙二醛（MDA）和可溶性蛋白含量，而同时供应铁时这种降低作用消失，高镉和铁互作，增加了水稻根系中MDA和可溶性蛋白含量，降低了超氧化物岐化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性。. 可见，虽然根部质外体铁并不能完全阻挡镉进入水稻体内，但水稻体内适量增加的铁却能抑制镉对水稻正常生理过程的干扰，主要体现在铁缓解了镉对光合电子传递和叶绿体结构的破坏，阻止了镉诱导水稻脂质过氧化的产生。这些结果揭示了Fe提高水稻抗重金属Cd的重要生理机制，为农业生产中利用施肥（如铁肥）增加水稻籽粒中铁含量同时减少镉累积提供科学依据，也为人类利用育种手段获得高铁低镉的水稻品种奠定理论基础。