外源谷氨酸在缓解水稻镉胁迫和降低水稻植株镉含量中的应用制造技术

本发明专利技术公开了外源谷氨酸在缓解水稻镉胁迫和降低水稻植株镉含量中的应用。本发明专利技术通过向培养水稻幼苗的水培溶液中外源加入谷氨酸的方式，证明了外源谷氨酸具有促进镉胁迫下水稻的生长，缓解镉对水稻的毒害的作用，如提高镉胁迫下水稻叶绿素的生物合成和水稻生物量，改善镉诱导的氧化应激；并进一步发现外源谷氨酸能够抑制镉的吸收和转运，从而减少水稻植株内镉的积累，并减轻其对水稻的毒性。

Application of exogenous glutamate in alleviating cadmium stress and reducing cadmium content in rice plants

【技术实现步骤摘要】
外源谷氨酸在缓解水稻镉胁迫和降低水稻植株镉含量中的应用
本专利技术涉及作物生理
，尤其涉及外源谷氨酸在缓解水稻镉胁迫和降低水稻植株镉含量中的应用。
技术介绍
镉(Cd)是自然界中普遍存在的重金属和有毒污染物之一。Cd的积累会对动物、植物和微生物产生毒害作用，并通过食物链进入人体，影响人类健康。进入植物体内的Cd会破坏植物细胞膜的渗透性，抑制植物的呼吸作用、光合作用以及酶活性，从而降低作物的品质和产量。Cd的生物半衰期为10至30年，随着人的年龄增长，Cd在人体内累积也在增加。即使在低水平Cd摄入量的情况下，也会造成严重的健康风险。人体中过量摄入Cd，会通过血液循环传输至身体各个器官组织中，导致肾功能障碍、骨质疏松症、心血管疾病和癌症。Cd几乎存在于所有食物来源中，因此阻止农作物对Cd的吸收是重要的食品安全问题之一。水稻是最重要的粮食作物之一，超过一半的世界人口以水稻为主食，中国是重要的水稻生产和消费国之一。水稻对重金属胁迫相对敏感。Cd胁迫严重影响水稻植株的产量和品质。食用较高含量Cd的稻米，会致使Cd在人体内蓄积，从而诱发“痛痛病”。Cd从地下部被植物吸收后，通过木质部转运至地上叶片，从而对叶片中的光合系统及叶绿素合成产生毒害作用，表现为叶绿素含量随着Cd浓度增加而下降，伴随着明显的黄化、退绿的表型。越来越多的研究表明，重金属的胁迫作用会对植物光合作用一直产生明显的作用，并且其抑制效应与处理的浓度和时间成正相关性。Cd从根部被植物吸收后，一部分Cd通过体内转运系统运输至地上部。一般来说，植物中的Cd吸收及转运是由负责金属转运蛋白介导的。现在已经鉴定了几种Cd的转运蛋白，包括：NRAMP家族的两个成员OsNramp1和OsNramp5，它们负责将Cd从土壤吸收到根细胞中；OsIRT1和OsIRT2，它们在调节Cd的根吸收中发挥重要作用；OsHMA2，参与木质部吸收和Cd的根向茎转运；OsHMA3，通过将Cd螯合到液泡中，从而影响水稻中Cd的根向茎转运；OsLCT1，介导地上部节点中的Cd，从木质部到韧皮部的转运。谷氨酸(Glu)是一种酸性氨基酸，分子内含两个羧基，化学名称为α-氨基戊二酸。目前，关于如何解决水稻重金属胁迫(特别是Cd胁迫)的研究还相对较少，而涉及谷氨酸在水稻中响应重金属Cd胁迫的研究更是未见报道。
技术实现思路
本专利技术提供了外源谷氨酸在缓解水稻镉胁迫和降低水稻植株镉含量中的新用途，为改善水稻镉胁迫现状和减少镉从水稻植株的根部向地上部运输提供解决方案。具体技术方案如下：本专利技术提供了外源谷氨酸在缓解水稻镉胁迫中的应用。进一步地，所述外源谷氨酸通过如下(1)～(8)中的至少一种来缓解水稻镉胁迫：(1)提高镉胁迫下水稻的总叶绿素含量、生物量和株高；(2)降低镉胁迫下水稻根部和茎部中的镉含量；(3)提高镉胁迫下水稻中四吡咯生物合成途径中的中间产物的含量；(4)提高镉胁迫下水稻中四吡咯生物合成途径中基因的表达量；(5)降低镉胁迫下水稻中应激相关的游离态氨基酸的含量；(6)降低镉胁迫下水稻中双氧水、单线态氧和丙二醛的含量；(7)降低镉胁迫下水稻中过氧化氢酶、过氧化物酶和谷胱甘肽S-转移酶的含量；(8)降低镉胁迫下水稻根部镉吸收转运蛋白基因的表达量。进一步地，(2)中，所述茎部即是地上部；(3)中，所述中间产物为ALA、Proto、Mg-Proto和Pchlide中的至少一种；(5)中，游离态氨基酸为脯氨酸，精氨酸和γ-氨基丁酸中的至少一种；(8)中，所述镉吸收转运蛋白基因为OsNramp1，OsNramp5，OsIRT1，OsIRT2，OsHMA2和OsHMA3中的一种。本专利技术还提供了外源谷氨酸在降低水稻植株镉含量中的应用。进一步地，本专利技术还提供了外源谷氨酸在降低镉胁迫下水稻植株镉含量中的应用。进一步地，本专利技术所述的水稻或水稻植株可以为幼苗期的水稻，也可以为非幼苗期的水稻。进一步地，所述外源谷氨酸以液体形式通过外源施入的方式作用于水稻的根系。本专利技术还提供了一种水稻幼苗的培育方法，包括以下步骤：将水稻种子浸种、催芽，发芽12～16天后，将浓度为2～4mmol/L的谷氨酸水溶液施用于水稻的根部，进行水稻幼苗的水培。作为优选，所述谷氨酸水溶液中谷氨酸的浓度为3mmol/L。进一步地，所述谷氨酸水溶液的施加方式为：向培养水稻幼苗的水培溶液中加入谷氨酸水溶液。在浸种时，用次氯酸钠溶液对水稻种子进行消毒，次氯酸钠溶液的质量浓度为2％。所述水培的条件为光照14小时，黑暗10小时，相对湿度40％-60％，光照时温度为30±2℃，黑暗时温度为26±2℃。本专利技术通过在水培溶液中加入谷氨酸水溶液进行为期一周的水培处理，发现：外源施入的谷氨酸水溶液不仅显著减少水稻中的镉积累含量、缓解了镉胁迫对水稻生长的抑制作用；还提高了镉胁迫下叶绿素的生物合成和生物量；显著改善了镉诱导的氧化应激，降低了双氧水(H2O2)、单线态氧(1O2)和丙二醛(MDA)的含量，增加了抗氧化酶(过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和谷胱甘肽S-转移酶(GST))的活性；同时，应激相关的游离态氨基酸(脯氨酸，精氨酸和γ-氨基丁酸)的含量也显著降低。本专利技术进一步证明了外源谷氨酸可以抑制镉诱导的水稻根部中镉吸收转运蛋白基因OsNramp1，OsNramp5，OsIRT1，OsIRT2，OsHMA2和OsHMA3的表达。本专利技术还提供了一种缓解水稻镉胁迫损伤的方法，在水稻幼苗培养阶段，将浓度为2～4mmol/L的谷氨酸水溶液施用于水稻幼苗的根部。作为优选，所述谷氨酸水溶液中谷氨酸的浓度为3mmol/L。进一步地，所述水稻的品种可以为OryzasativaL.ssp.japonicacv.Nipponbare(日本晴，镉敏感品种)。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过向培养水稻幼苗的水培溶液中外源加入谷氨酸的方式，证明了外源谷氨酸具有促进镉胁迫下水稻的生长，缓解镉对水稻的毒害的作用，如提高镉胁迫下水稻叶绿素的生物合成和水稻生物量，改善镉诱导的氧化应激；并进一步发现外源谷氨酸能够抑制镉的吸收和转运，从而减少水稻植株内镉的积累，并减轻其对水稻的毒性。附图说明图1为外源谷氨酸对水稻的总叶绿素含量、生物量和株高的影响；其中，A为生长示意图；B为叶色示意图；C为总叶绿素含量；D为生物量；E为株高。图2为外源谷氨酸对镉胁迫下水稻根部和茎部中的镉含量的影响；其中，A为根和茎中的镉含量；B为根和茎中的谷氨酸含量。图3为外源谷氨酸对镉胁迫下水稻四吡咯生物合成途径中的中间产物含量的影响；其中，中间产物分别为叶片中ALA、Proto、Mg-Proto、Pchlide和Heme的含量。图4为外源谷氨酸对镉胁迫下水稻四吡咯生物合成途径中基因表达量的影响；其中，A为叶片中四吡咯合成Fe-和Mg-共有途径基因的相对表达量；B为叶片中四吡咯合成Fe-途径基因的相对表达量；C为叶片中四吡咯合成Mg-途径基因的相对表达量。图5为外源谷氨酸对镉胁迫下水稻中应激相关的游离态氨基酸的含量的影响；其中，A为根中应激相关的游离态氨基酸(Pro、Arg和GABA)含量；B为茎中应激相关的游离态氨基酸(Pro、Arg和GABA)含量。图6为外源谷氨酸对镉胁迫下水稻中双氧水、单线态氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.外源谷氨酸在缓解水稻镉胁迫中的应用。

【技术特征摘要】
1.外源谷氨酸在缓解水稻镉胁迫中的应用。2.如权利要求1所述的外源谷氨酸在缓解水稻镉胁迫中的应用，其特征在于，所述外源谷氨酸通过如下(1)～(6)中的至少一种来缓解水稻镉胁迫：(1)提高镉胁迫下水稻的总叶绿素含量、生物量和株高；(2)降低镉胁迫下水稻根部和茎部中的镉含量；(3)提高镉胁迫下水稻中四吡咯生物合成途径中的中间产物的含量；(4)降低镉胁迫下水稻中应激相关的游离态氨基酸的含量；(5)降低镉胁迫下水稻中双氧水、单线态氧和丙二醛的含量；(6)降低镉胁迫下水稻根部镉吸收转运蛋白基因的表达量。3.外源谷氨酸在降低水稻植株镉含量中的应用。4.如权利要求1～3任一项所述的应用，其特征在于，所述外源谷氨酸以溶液形式通过外源施入的方式作用于水稻的根系...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋萌，黄建中，舒庆尧，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33