【摘 要】
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玉米是一种重要的粮食、经济和饲料作物,在我国乃至全球进行了大面积的种植。土壤镉（Cd）污染是土壤重金属污染物中最普遍的污染物,严重威胁到玉米幼苗的生长发育和人的身体健康。本试验通过盆栽的方式,并设置400μM和800μM两个Cd胁迫浓度,探究外源丙三醇对Cd胁迫下玉米幼苗的生长、光合特性、活性氧代谢、抗氧化能力、矿质元素吸收及RNA转录水平的影响,阐明丙三醇对玉米幼苗在Cd胁迫下的响应及缓解机理,
【基金项目】
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国家重点研发计划（2018YFD0300103）； 东北农业大学“青年才俊”项目（17QC36）；
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玉米是一种重要的粮食、经济和饲料作物,在我国乃至全球进行了大面积的种植。土壤镉（Cd）污染是土壤重金属污染物中最普遍的污染物,严重威胁到玉米幼苗的生长发育和人的身体健康。本试验通过盆栽的方式,并设置400μM和800μM两个Cd胁迫浓度,探究外源丙三醇对Cd胁迫下玉米幼苗的生长、光合特性、活性氧代谢、抗氧化能力、矿质元素吸收及RNA转录水平的影响,阐明丙三醇对玉米幼苗在Cd胁迫下的响应及缓解机理,并为玉米抗逆性栽培提供理论基础和技术支持。得出的主要研究结果如下:（1）外源丙三醇促进了Cd胁迫下玉米幼苗的生长发育。Cd胁迫下,玉米幼苗株高显著降低,地上部和根系干鲜重与对照相比显著降低,根系生长受到抑制;而外源丙三醇促进了Cd胁迫下玉米幼苗地上部干鲜重、根系干鲜重及玉米株高的增加,同时改善了根系特征参数,减轻了Cd胁迫对玉米根系发育的抑制作用。（2）外源丙三醇提高了Cd胁迫下玉米叶片的光合酶活性和光合效率,使碳水化合物含量增加。在Cd胁迫下,外源丙三醇增加了玉米叶片的叶绿素a、叶绿素b及叶绿素a+b的含量,使Ru BP羧化酶和PEP羧化酶活性增强,从而显著提高了叶片净光合速率（Pn）,叶片胞间二氧化碳浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）及气孔导度（Gs）也均有一定程度的提高,叶绿素荧光参数的初始荧光（Fo）、热耗散的量子比率（Fo/Fm）降低,PSⅡ最大光化学效率（Fv/Fm）与光合性能指数（PIabs）增加,这有利于降低Cd对玉米叶片光合机构的损伤;由于玉米光合碳同化能力的提高,最终使玉米叶片蔗糖和总碳水化合物含量显著增加。（3）外源丙三醇增强了Cd胁迫下玉米幼苗活性氧清除能力和抗氧化系统的平衡。外源丙三醇降低了Cd胁迫下玉米叶片和根系中H2O2、MDA的含量,使叶片和根系的电解质泄漏率（EL）降低,从而减轻了活性氧对细胞膜的损伤,维持了Cd胁迫下细胞膜的正常结构和功能。而外源丙三醇的施用增加了Cd胁迫下玉米叶片和根系SOD、POD、CAT及APX活性,Cd胁迫下外源丙三醇对玉米根系抗氧化酶活性的增加幅度较小;同时外源丙三醇也促进了Cd胁迫下抗氧化系统非酶物质抗坏血酸（As A）和还原性谷胱甘肽（GSH）的含量,抗氧化酶活性和抗氧化物质含量的提高有利于细胞内活性氧的清除,提高玉米幼苗对Cd的抵抗能力。（4）外源丙三醇调控了Cd胁迫下玉米幼苗对Cd的吸收、分布和转运,并促进了必需矿质元素的吸收。Cd胁迫下,叶面喷施丙三醇降低了玉米幼苗地上部Cd的含量,但增加了根系中Cd的含量,转运系数（TF）降低,在玉米根系的不同亚细胞组分中,细胞壁和可溶性组分中的Cd含量增加,细胞器中Cd含量降低,在玉米叶片的亚细胞组分中,细胞器和可溶性组分中的Cd显著降低,细胞壁中的Cd含量略微增加。Cd胁迫抑制了玉米植株对必需矿质元素的吸收,而外源丙三醇一定程度促进了玉米地上部和根系中Mg、Ca、Mn、Fe和Zn含量的增加。（5）对所有处理玉米叶片进行转录组测序,并对差异表达基因分析显示:CK组和Glycerol处理组上调基因有123个,下调基因有115个;CK组和Cd400处理组上调基因有865个,下调基因有696个;CK组和Cd800处理组上调基因有408个,下调基因有354个;Cd400组和Cd400+Glycerol处理组上调基因有121个,下调基因有49个;Cd800组和Cd800+Glycerol处理组上调基因有48个,下调基因有31个。（6）对差异表达基因进行富集分析发现,在CK组和Glycerol处理组,差异基因主要富集在苯丙烷生物合成、氮代谢、淀粉和蔗糖代谢、光合生物的固碳作用等通路中。CK组和Cd400处理组、CK组和Cd800处理组差异基因都主要富集在光合作用、光系统、谷胱甘肽代谢、氧化还原过程等通路中。Cd400处理组和Cd400+Glycerol处理组、Cd800处理组和Cd800+Glycerol处理组共同富集在苯丙烷生物合成、植物-病原相互作用及光合作用相关通路上,推测外源丙三醇缓解玉米幼苗Cd胁迫的分子机制可能与苯丙烷生物合成、植物-病原相互作用及光合作用途径有关。
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