在我国,发展生物能源、种植能源植物存在着与粮争地的矛盾,利用重金属污染土地开发能源植物既可以缓解矛盾,同时兼有修复污染土地的作用。多花黑麦草(Lolium multiflorum L.)又称为一年生黑麦草,可与水稻轮作,具有生长快、分布广、生物量高的特点。近年有报道指出黑麦草可用于转化生物乙醇,是一种有待开发的能源植物。本研究以多花黑麦草为材料,在种子萌发期初步筛选出不同耐镉性品种,结合盆钵实验进一步鉴定出两个镉极端耐受型品种,并检验了上述两个品种对Cd胁迫的耐受和积累差异。水培条件下,探究了上述两品种在Cd胁迫下的生理响应。在此基础上,为促进Cd胁迫下多花黑麦草的快速生长,开展了施加外源GSH缓解Cd毒害作用机理的研究。主要研究结果如下。1.梯度镉(0-1000 μmol L-1)处理的种子萌发试验,分别比较了种子萌发中的多个参数的绝对值和相对值,利用隶属函数法综合评价了 21个供试品种的耐镉性。结果表明,品种间的耐镉性差异显著(P<0.01)。21个多花黑麦草品种对镉的耐受性可分为耐镉型、中度耐镉型、低耐镉型和镉敏感型四个不同类型。其中,IdyⅡ、Jaianto、Hitachihikari 为耐镉型品种,Nioudachi、Wasehope、Doraian、Harukaze、Tachiwase为Cd敏感型品种。在镉胁迫下,各供试品种的根长、种子发芽势和种子活力受到不同程度的抑制,其对耐镉性的影响权重高于其它参数。2.盆钵土培试验,进一步分析了萌发实验中筛选出的不同耐Cd型的10个品种在模拟土壤40 mg kg-1 Cd处理时的耐Cd指数和Cd吸收、转运特征。结果表明,不同品种中,IdyⅡ耐Cd指数最高,Harukaze的最低,Cd的吸收在品种间差异显著。根据Person’s相关分析结果(P<0.05),耐Cd指数与Cd的积累量呈显著正相关,转运系数与根中Cd浓度显著负相关。IdyⅡ为耐Cd高Cd积累品种,Harukaze为Cd敏感低积累型品种。模拟梯度Cd处理(20、40、80 mg kg-1)的盆钵实验,上述两个品种培养90 d,结果表明,植株体内Cd浓度和Cd积累总量,IdyⅡ皆高于Harukaze。种植这两个品种后,土壤中的Cd浓度较种植前皆有降低趋势,但未达显著水平(P<0.05),但种植IdyⅡ后的土壤中Cd浓度低于种植Harukaze的土壤Cd浓度,表明IdyⅡ可以作为首选的品种种植在Cd污染土壤中,兼具有修复污染土地的作用。3.以IdyⅡ(相对耐Cd型)和Harukaze(相对Cd敏感型)为实验材料,植株幼苗在Cd浓度为0-100 μmol L-1的水培条件下生长12 d,比较了 Cd胁迫下两个品种的生理响应。结果表明,Cd处理显著影响根系和地上部中的Cd浓度及积累量,品种间差异显著。相同Cd处理浓度条件下,IdyⅡ根系和地上部镉浓度含量均低于相应的Harukaze品种,Cd的转运系数在Harukaze中随Cd处理浓度增加持续升高。过量的Cd抑制了两个品种幼苗的生长和光合色素含量,但抑制效应Harukaze强于IdyⅡ。Cd≥25 μmol L-1时,IdyⅡ根系和叶片中膜脂过氧化水平均低于Harukaze,非蛋白巯基含量趋势与此相反。故IdyⅡ对Cd的耐受性强于Harukaze。Cd胁迫下多花黑麦草对Zn、Fe、Mn、Mg的吸收、转运差异取决于品种、Cd处理浓度及组织部位。50 μmol L-1 Cd胁迫下,两个品种耐镉性及镉吸收差异与Cd转运效率、组织中非蛋白巯基含量及膜脂过氧化水平有关。4.水培条件下,以IdyⅡ和Harukaze为实验材料,于25 μmol L-1和50 μmol L-1 Cd胁迫下分别施加外源200 μmol L-1 GSH,分析了幼苗对Cd吸收、组织内亚细胞分布及Cd化学形态变化的差异。结果表明,外源GSH作用下,植株根系Cd浓度显著增加,Harukaze根中Cd浓度显著高于IdyⅡ;根系吸收的Cd主要富集在亚细胞组份中的细胞壁上。外源GSH作用下,叶片中Cd浓度降低,且吸收的Cd主要位于可溶态中。外源GSH作用下,显著增加了根中细胞壁在亚细胞组份的比例,IdyⅡ品种中增加的比例高于Harukaze。Cd胁迫下施加外源GSH,Harukaze根中80%乙醇提取态的Cd浓度显著降低;同时显著增加了两个品种根中2%HAC提取态或0.6 mol L-1 HCl提取态的Cd浓度,且品种间差异显著,上述两种Cd形态占总形态的比例在GSH作用下大幅度增加,其中Harukaze增加比例高于IdyⅡ。外源GSH作用下,叶片中不同提取态的Cd浓度降低或显著降低,但80%乙醇提取态仍占58%-76%。外源GSH作用下,多花黑麦草根系通过增加细胞壁固定Cd的作用及增强可溶性、高毒Cd的形态向难溶性、低毒Cd形态的转移,从而降低Cd向地上部的转运。5.以IdyⅡ和Harukaze为实验材料,研究了 50 μmol L-1 Cd胁迫下施加外源200μmol L-1 GSH,黑麦草幼苗组织中巯基化合物及Cd吸收的响应。结果表明,Cd胁迫下,IdyⅡ根系及叶片中总巯基化合物浓度均显著高于相应的Harukaze品种。外源GSH处理6天和10天,两个品种根中Cd浓度及GSH含量显著升高,且品种间差异显著。此外,GSH作用下,植物络合素中PC3或PC4及总巯基化合物浓度显著降低,其中Harukaze降幅高于IdyⅡ品种。两个品种在外源GSH作用下,GSH(PC1)及总巯基化合物浓度显著增加,叶片中Cd浓度降低。150 μmol L-1 BSO预处理显著抑制两个品种巯基化合物的合成,显著增加了 Cd在Harukaze中的转运。外源GSH作用下,大分子巯基化合物(PC3、PC4)合成减少降低了与Cd2+的络合作用是根系增加Cd吸收的因素之一。6.于 50 μmol L-1 Cd 胁迫下施加外源 200 μmol L-1 GSH,分析了 IdyⅡ 和 Harukaze幼苗组织中抗氧化系统的变化。结果表明,外源GSH作用下,显著降低了 Cd胁迫下植株根系和叶片中O2-和H202的积累。同时,两个品种SOD和POD活性的差异,取决于处理时间和组织部位。幼苗处理3 d和6 d,外源GSH显著提高了 Cd胁迫下IdyⅡ根系及叶片中CAT活性。不同处理时间,与单独Cd胁迫相比,施加外源GSH,IdyⅡ根中MDHAR活性显著提高,Harukaze根系及叶片中MDHAR活性也表现同样的趋势。处理中后期(6 d和12 d),两品种根系及叶片中APX活性在外源GSH作用下较其相应Cd胁迫显著升高;同时,Harukaze根系及叶片中GR的活性亦显著提高,这加快了 Harukaze根系和叶片中ASA-GSH的循环及二者再生,从而大幅提高了 Cd胁迫下根系及叶片中ASA/DHA及GSH/GSSG比值,维持了植株体内氧化还原稳态。7.以IdyⅡ为材料,在水培条件下,从形态学角度研究了 50 μmol L-1Cd胁迫及外源200 μmol L-1 GSH作用下,黑麦草根系形态参数、叶绿体超微结构的变化。结果表明,外源GSH作用下,促进了植株对水分的吸收,显著增加了根长、根表面积、根体积进而形成发达的根系,有利于增加该品种对Cd的吸收。与单独Cd胁迫比,施加外源GSH,多花黑麦草叶片中Fe的吸收显著增加,同时维持了叶绿体的稳态结构,有助于增强多花黑麦草叶片的光合作用,促进地上部生长。