基于食品安全的蔬菜和水稻砷吸收阻控研究

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砷(Arsenic,As)是自然界中广泛存在的有毒类金属。随着我国工业化和城市化的发展,大量砷被排放到环境中,其中大部分进入土壤,引起土壤砷污染。砷在环境中多以无机砷形式存在,常见的无机砷有五价砷酸盐(Arsenate,As V)和三价亚砷酸盐(Arsenite,As III),As V主要存在于透气性良好的有氧土壤中,而As III主要存在于水淹的还原环境,如淹水稻田中。此外,在淹水稻田中还存在一定量的有机砷,包括一甲基砷和二甲基砷等。砷被作物吸收,经食物链传递,最终进入人体,威胁人体健康。因此,改善土壤质量、保障食品安全,对于保障居民健康至关重要。空心菜(Ipomoea aquatica Forsk)是一种被广泛食用的叶类蔬菜,但它易在其可食部分积累砷和镉。因此,采取必要的措施降低污染土壤上空心菜的砷镉积累非常重要。蜈蚣草(Pteris vittata)是一种砷超富集植物,可用于砷污染的植物修复,降低土壤中的砷总量或有效砷含量。基于此,本课题利用温室盆栽实验,探究了不同磷条件下蜈蚣草对空心菜砷镉积累的影响。采取轮作的农艺措施,分别在不添加磷、添加可溶性磷和添加难溶性磷灰石(phosphate rock,PR)的砷镉复合污染土上种植蜈蚣草两个月后,再种植空心菜一个月,所有样品收获后测定植物生物量、植物砷和镉的含量、土壤中砷镉的总量和有效态以及轮作过程中土壤p H的变化。结果表明,蜈蚣草辅以PR的施用降低空心菜地上部砷积累达42%;此外,不论哪种磷条件下,蜈蚣草都提高了土壤p H(从5.07-5.39上升至5.69-5.75),从而降低了土壤有效镉含量,进而降低空心菜的镉积累达24-44%。除蔬菜外,水稻也易吸收砷。水稻(Oryza sativa)是世界上最重要的粮食作物之一,是世界上约一半人口赖以生存的主食。然而,水稻因自身的生物学特性和淹水的种植环境,较其它谷类作物更易吸收积累砷,威胁人体健康。在稻米中,砷的主要赋存形态有无机的As V和As III,以及有机的MMA和DMA。在这些砷形态中,无机砷的毒性高于有机砷,因此,降低稻米中无机砷的积累对保障人体健康至关重要。蜈蚣草关键砷代谢基因Pv ACR3;1在植物中的异源表达可显著降低植物地上部的砷积累。基于此,在本研究中,我们将Pv ACR3;1基因导入水稻,并得到了3个转Pv ACR3;1基因纯合株系(L2、L4和L7)。在5μM As III水培处理下,转基因株系根部砷积累比野生型对照高127-205%,而砷向地上部的转运系数比野生型低。20μM As V水培结果与之类似,说明不论是As III还是As V处理下,Pv ACR3;1都能将砷滞留在水稻根部,从而限制了砷向地上部的转运。此外,淹水土培条件下,Pv ACR3;1降低水稻地上部砷含量达72-83%,而不影响营养元素(Mn、Zn、Cu)的吸收。更重要的是,表达Pv ACR3;1后,水稻籽粒砷总量下降了28-39%,无机砷含量下降了26-46%,有效阻控了水稻对砷的吸收和积累。综上所述,我们提供了一种降低污染土上叶类菜砷镉积累的方法:在复合污染土壤中,利用蜈蚣草作为修复植物、利用PR作为缓释磷肥和改良剂,通过蜈蚣草和蔬菜轮作,可降低蔬菜中砷镉的积累;此外,我们还发现在水稻中表达Pv ACR3;1能介导水稻根中砷的区隔化,导致砷滞留在根部从而显著降低水稻籽粒总砷和无机砷的含量,为培育低砷水稻提供了重要的基因资源和可行的方法。相关研究对保障食品安全和人体健康具有重要意义。
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