农田铜污染对水稻籽粒灌浆结实的影响机理及其调控

Copper (Cu) is one of the main heavy metal pollutants in farmland in Jiangxi Province. To alleviate or control the damage of Cu to rice growth, and improve the yield and quality of the rice, pot experiments with Cu-contaminated soils will be carried out. This project will demonstrate the effects of the toxicity of copper pollution (TCP) in farmland on the division rate and the number of endosperm cell of rice after flowering, and identify the degree of influence on rice grain storage size. Moreover, the effects of the TCP on the photosynthesis, assimilate substance transport, grain filling rate, grain filling time and grade of filled grain at rice heading stage will be studied, to discover the difference of effect on the influence index of rice source-sink-translocation. The changes in the activities of Sucrose-starch-metabolism-related enzymes (i.e., NI, SAI, SuSase, ADPGPPase, SSS, SBE) and the content of endogenous hormones (ABA, ETH, GA, CTK) will be measured. The proposed study will provide the theory and methodology of Sucrose-starch metabolism related enzymes and endogenous hormones how to complete controlling rice grain filling, and provide the theoretical basis and effective technical support for improving rice yield and quality, and therefore increasing the income of the farmers and ensuring food safety.

针对江西省铜矿附近污染农田水稻产量低、品质差，存在食品安全隐患等问题，以不同程度铜污染土壤和铜矿附近污染农田土壤为研究对象，通过盆栽试验，研究水稻开花后胚乳细胞分裂增殖速率和胚乳细胞数目，明确农田铜污染及其调控措施对水稻籽粒库容大小形成的影响程度；研究水稻抽穗后光合作用、同化物的转运、籽粒灌浆速率和灌浆时间及籽粒充实程度，分析农田铜污染及其调控措施对水稻籽粒灌浆期间“源-库-流”关系指标的影响差异；研究水稻灌浆过程中蔗糖-淀粉代谢关键酶（NI、SAI、SuSase、ADPGPPase、SSS和SBE）的活性和相关内源激素（ABA、ETH、GA、CTK）含量的变化规律，明确蔗糖-淀粉代谢过程中关键酶和相关内源激素在铜污染及其调控措施影响下如何调控水稻籽粒灌浆，其作用发生了哪些变化等机理，为提高铜污染农田水稻的产量和品质，提高农民收益和保证食品安全提供理论依据和行之有效的调控措施。

针对江西省铜矿附近污染农田水稻产量低、品质差，存在食品安全隐患等问题，以不同程度铜污染农田土壤为研究对象，通过盆栽试验，研究铜污染和不同调控措施对水稻开花后胚乳细胞分裂增殖、水稻抽穗后光合作用、同化物的转运、籽粒灌浆、水稻灌浆过程中蔗糖-淀粉代谢关键酶的活性和相关内源激素含量的变化规律以及对水稻产量品质的影响。研究结果表明：（1）两年试验结果表明，铜浓度200 mg•kg-1时，水稻产量比CK分别减产31.2%和39.5%，规律基本一致。外施SSi和喷施1.5%硫酸钾溶液后水稻产量均显著增加。（2）铜污染使胚乳细胞数目减少。外施SSi和喷施钾肥使胚乳细胞增殖速率增大和到达最大增殖速率的时间提前，胚乳细胞数目增加，其中早晚稻均以SSi配施效果最佳。（3）铜污染导致水稻叶片光合特征参数、叶片光合同化物含量及茎叶干物质量显著下降。外施SSi和喷施1.5%硫酸钾溶液显著提高铜胁迫下叶片光合特征参数、干物质积累和叶片蔗糖合成酶（SS）和可溶性淀粉合成酶（SSS）的活性。（4）稻田不同铜含量对弱势粒灌浆影响大于强势粒。铜浓度200 mg•kg-1时，强、弱势粒灌浆活跃期以及到达最大灌浆速率的时间均明显缩短，强弱势粒中SS、SSS、ADPG焦磷酸化酶（AGPase）以及淀粉分支酶（SBE）活性显著下降，最终生长量A值明显低于CK。外施SSi和施钾处理强弱势粒的最大灌浆速率，达到最大灌浆速率时的生长量均高于对照，强、弱势粒SS、SSS、AGPase、SBE酶活性提高。（5）外施SSi和施钾处理抑制水稻籽粒中ABA的形成，促进IAA、GAs和CTK的形成。（6）外施SSi和施钾处理促进氮磷钾硅养分吸收与积累。（7）谷壳与糙米铜含量随稻田土壤铜含量增加而增加，铜浓度200 mg•kg-1时，糙米铜含量超出食品质量铜的临界值（<10 mg•kg-1）。而外施SSi和喷施1.5%硫酸钾溶液显著提高水稻品质。相关分析表明强、弱势粒灌浆过程中SS、SSS以及SBE均是影响稻米产量品质的关键酶，籽粒中ABA、IAA、CTK、GAs对籽粒灌浆起重要的调节作用。研究成果可为进一步合理利用铜污染土壤提供理论依据。