硅缓解烟草幼苗镉毒害的作用效果及机理

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随着工业的发展和人类活动对自然界的破坏,镉污染已经成为对耕地、水资源和食物链的主要威胁。这种污染源于燃烧、采矿、风化以及人类活动等多种行为活动。低浓度镉也能在土壤产生高毒性,被作物吸收后产生毒害威胁。在镉毒害条件中作物表现出代谢紊乱,生长抑制,生物量降低以及氧化损伤等现象,最终导致产量质量大幅度下降。硅(Si)约占地壳的28%和生物圈的0.03%,并且施硅被证明能缓解大量积硅作物如水稻、玉米、高粱的镉毒害,然而以烟草此类低硅积累作物为材料的研究还较少。为探究添施硅对缓解烟草幼苗镉毒害的作用效果及机理,本试验采用Hoagland营养液水培法,以K326为研究材料,分设四个处理(对照,硅,镉,镉+硅),对烟苗生长参数、光合指标、多种抗逆酶活性及与根系吸水有关物质进行测定分析,具体研究结果如下:(1)施硅能缓解镉胁迫对烟苗生物量的影响。与单加镉处理相比,硅处理后根系干鲜重分别提高了147%、33.3%;在叶片鲜重、干重方面,镉+硅比单镉处理的烟苗重量分别增加了60.59%、37.66%;茎干重、鲜重方面,添施硅与单镉处理对比,其重量分别增加了290%、79.13%。除此之外,经研究发现硅也能显著减弱镉胁迫对烟苗根系生长的抑制作用,在单株根总长度、单株根平均直径及根尖数方面,与单镉处理相比,添施硅处理后分别增长了54.62%、45.58%、40.75%;根单株根表面积和单株根体积方面,营养液中加硅与纯镉处理相比分别显著提高了48.45%、125.93%。(2)施硅能降低烟苗地上部和根系中的镉含量。镉处理后烟苗地上部和根系镉含量均会显著增加。但是营养液中添硅会明显减少烟苗根系和地上部干、鲜样中的镉含量,与单镉处理相比,根系干、鲜样镉含量分别降低了39.97%、66%。地上部干、鲜样镉含量分别降低了20%、31.01%。其中特别重要的一点是:在鲜重条件下,硅对叶片和根系镉浓度的降低幅度要大于干重,说明硅的施加显著提高了水分含量,这可能是硅增强烟苗抗镉毒害的一个重要作用机理。(3)施硅能缓解镉毒害对烟苗光合参数及光合色素的影响。镉毒害能显著抑制烟草的光合作用。而营养液中添施硅能减弱镉毒害对烟草光合性能的影响。具体来说,营养液中添硅的烟苗在镉毒害下的Pn、Tr及Gs与单镉处理相比分别提高了62.84%、49.19%、38.76%,而Ci变化与前三者不同,与单镉处理相比,镉毒害烟苗中增施硅元素的Ci值降低了25.09%。营养液中添施硅能缓解烟草因镉毒害引发的光合色素含量损失,在镉毒害处理中营养液中加硅的烟苗与单独施镉相比其Chla、Chlb、Car含量分别提高了56.87%、28.22%、16.44%,其叶绿体色素含量的总体增幅也十分显著,达到了39.06%。(4)施硅对镉毒害下烟苗抗氧化系统的影响。与单镉处理相比,经施硅处理的烟苗在镉胁迫后SOD、APX、GR和POD活性均有显著增强,分别提升了20.33%、20.27%、42.08%、35.54%,而对于CAT活性,镉+硅与单镉处理之间无显著差异。MDA含量方面,施硅能显著降低叶片的MDA含量,仅是单独镉处理的45.06%。(5)硅增加根系渗透调节物质的含量,促进根系吸水,提高烟苗含水量。镉毒害下,硅处理叶片RWC提高了9.1%,从而导致硅处理叶片的组织中Cd2+浓度降低,进而缓解镉毒害。硅促进根系吸水是其缓解植物抗非生物胁迫的一个重要机理。其中根系渗透物质的积累是促进根系吸水的动力,因此对水分吸收相关的渗透势调节物质进行了研究测定,结果表明:硅处理后烟苗根系中脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白分别提升了150%、14.40%、5.81%。综合来看,添施硅通过减少烟苗镉含量累积,提高叶片含水量,提高根系渗透调节物质含量,保护烟叶光合系统,提高抗逆酶活性来缓解镉对烟苗生长的抑制作用。本研究结果将对解析硅缓解烟苗镉毒害提供新的思路。
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