自二十世纪以来,无论是我国还是全世界范围内,农田土壤镉污染问题越来越普遍。土壤镉污染不仅严重威胁农业安全生产,还可以通过食物链的富集作用对人体健康带来潜在的危害。因此,保障镉污染土壤的农业安全生产及利用超积累植物修复镉污染土壤都具有十分重要的现实意义和应用前景。油菜作为我国重要的油料作物之一,具有悠久的栽培历史和种植经验,在社会经济发展中占有十分重要的地位。本文拟利用我国丰富油菜种质资源,筛选获得镉积累水平差异显著的两个油菜品种,分析品种间根际土壤镉生物有效性与镉吸收、运输、积累的差异以及抗氧化系统能力与镉积累的关系,并评价各油菜品种对镉污染土壤修复的潜能。现主要结论如下:1.高、低镉积累油菜品种的筛选采用营养液培养筛选结合盆栽土培复筛,分析了49个冬油菜品种地上部生物量和镉含量。营养液培养条件下,0.2 mg/L镉处理时,49个油菜品种地上部单株干重范围为2.56-7.15 g/株,平均为4.71 g/株,变异系数为28.1%;地上部干重镉含量为7.10-23.14 mg/kg,平均为14.31 mg/kg,变异系数为8.5%。0.5 mg/L镉处理时,49个油菜品种地上部单株干重范围为1.33-5.21 g/株,平均为3.36 g/株,变异系数为28.8%;地上部干重镉含量为19.05-55.22 mg/kg,平均为31.10 mg/kg,变异系数为23.1%。盆栽条件下(0.64 mg/kg Cd),49个油菜品种地上部单株干重范围为3.17-7.85g/株,平均为5.32 g/株,变异系数为20.9%;地上部干重镉含量为2.24-6.82 mg/kg,平均为4.04 mg/kg,变异系数为25.6%。由此说明,不同油菜品种地上部干重和镉含量因基因型不同而存在显著差异。以地上部单株干重及其镉含量作为高、低镉积累油菜筛选指标,综合考虑营养液培养和土壤培养试验结果,经聚类分析,确定6号品种即L351为高镉积累品种、12号品种即L338为低镉积累品种,其在0.2 mg/L镉处理时地上部干重镉含量分别为23.14 mg/kg和7.10 mg/kg,其在0.5 mg/L镉处理时干重镉含量分别为44.62 mg/kg和19.05 mg/kg,其在盆栽0.64 mg/kg镉处理时干重镉含量分别为5.78 mg/kg和3.63 mg/kg。2.高、低镉积累油菜品种镉吸收、运输及积累差异的分子机制采用营养液培养试验,分析高镉积累品种L351和低镉积累品种L338镉吸收、运输及积累差异的分子机制。0.03 mg/L镉处理下,低镉积累品种L338地上部和根系干重镉含量分别为4.29 mg/kg和32.52 mg/kg,高积累品种L351则分别为7.06mg/kg和15.98 mg/kg;0.30 mg/L镉处理下,低镉积累品种L338地上部和根系干重镉含量分别为23.76 mg/kg和179.12 mg/kg,高积累品种L351则分别为49.80 mg/kg和128.83 mg/kg,即高镉积累品种地上部能够积累更多的镉而根部较少。非损伤微测技术和根系镉吸收动力学试验表明,高镉积累品种L351根系镉吸收能力较弱,因此根系镉吸收能力并不是导致地上部镉积累差异的关键过程。木质部浓度及时间镉运输动力学分析表明,高、低镉积累油菜品种地上部镉含量与木质液镉浓度呈现极显著正相关性(R2分别为0.92和0.95),高镉积累品种L351具有更强的木质部镉转运能力。进一步分析说明,两个品种根系镉吸收基因IRT1和木质部镉运输基因HMA2和HMA4基因表达水平与生理水平上结果的趋势一致。因此,本研究表明油菜品种木质部镉运输能力是决定地上部镉积累的关键过程。3.高、低镉积累油菜品种抗氧化系统响应镉胁迫的差异与机制采用营养液培养,分析高镉积累品种L351和低镉积累品种L338响应镉胁迫的差异及其与地上部镉积累关系。高镉积累品种L351镉积累量高于品种L338,随着镉浓度升高而更加显著,达到1.83倍。高镉品种L351地上部有较高活性的抗氧化酶CAT、APX、GR、DHAR和较高含量的GSH、As A,平均分别比低镉积累品种L338高出50.77%、44.65%、47.57%、14.11%、58.52%、20.54%,根部则表现为11.36%、18.81%、47.65%、16.67%、45.68、14.82%。低镉积累品种L338根部抗氧化酶基因Bn CAT、Bn APX、Bc GR、Bo DHAR的表达水平受镉胁迫而下降,表明在基因水平上根部比地上部更容易受到镉胁迫抑制,但高镉积累品种L351抗氧化酶基因表达受镉胁迫影响不大。因此,本研究表明抗氧化酶系统及谷胱甘肽循环体系在油菜响应镉积累及镉胁迫中发挥重要的作用。4.高、低镉积累油菜品种根际过程对土壤镉有效性的影响采用根箱土壤培养试验,分析高镉积累品种L351和低镉积累品种L338不同生育期根际过程对土壤镉有效性的影响。不同镉浓度处理下,两个油菜品种非根际土p H随着生育期延长有下降趋势但变化幅度不大,且两品种间也无显著差异。低镉处理下(1.2 mg/kg),低镉积累品种L338根际土p H低于高镉积累品种L351,其在苗期达到显著水平;高镉处理下(12 mg/kg),则相反,高镉积累品种L351根际土p H在4个生育期均显著低于低镉积累品种L338。不管镉水平高低,两个油菜品种非根际和根际土壤有效镉含量均随着生育期延长而下降,高镉积累品种L351根际土壤有效镉含量均显著高于低镉积累品种L338。由此说明,低镉处理下,低镉积累品种L338根系因其较强的活化和吸收土壤镉能力,导致其根际有效镉含量低于品种L351;高镉处理下,高镉积累品种L351品种根际酸化作用明显强于低镉积累品种L338,土壤酸化可以提高土壤镉的生物有效性即土壤有效镉含量,所以根际土壤酸化作用也是油菜品种活化土壤镉而促进镉积累的一种机制。5.高、低镉积累油菜品种的扩大筛选及其在镉污染土壤修复中的应用采用营养液培养试验,分析165个油菜品种地上部干重和镉含量,筛选出高镉积累品种14个、低镉积累品种8个;采用盆栽土壤试验模拟镉污染土壤,比较22个高、低镉积累油菜品种对镉污染土壤的修复效率。营养液培养条件下,0.3 mg/L镉处理时,165个油菜品种地上部单株干重为0.59-1.40 g/株,平均为0.99 g/株,变异系数为17.0%,品种间干重差异显著;165个油菜地上部干重镉含量为19.57-57.51mg/kg,平均为37.99 mg/kg,变异系数为21.9%,品种间镉含量差异显著,且均超过国家规定镉安全阈值;以地上部生物量和镉含量为指标,筛选出生物量较高且镉含量差异显著的油菜品种22个,其中高、低镉积累品种分别有14、8个。盆栽条件下,1.2 mg/kg镉处理时,22个油菜品种各组织器官干重大小顺序依次为茎秆>籽粒>角果壳>根系,镉含量高低则表现为茎秆>根系>角果壳>籽粒。22个油菜品种籽粒镉含量为0.09-1.06 mg/kg,以相似作物花生国家规定的镉安全阈值0.5 mg/kg为标准,22个油菜品种籽粒镉含量超标率达36.36%。除品种112外,营养液培养筛选的高、低镉积累品种吸镉能力与其对镉污染土壤修复效率保持一致。22个油菜品种对镉污染土壤修复效率为1.80-6.88%,平均为3.50%,其中品种102对镉污染土壤修复效率较高且符合安全生产要求,是一种理想的镉污染土壤修复材料。