Cd脅迫下雜交水稻對Cd的吸收及其動態(tài)變化

李冰，王昌全*，李枝，李仕貴

1. 四川農業(yè)大學資源環(huán)境學院，四川 成都 611130；2. 四川農業(yè)大學水稻研究所，四川 成都 611130

近年來，工業(yè)“三廢”的大量排放和不合理處置以及大量肥料的施用，特別是磷肥的施用，導致了土壤鎘（Cd）污染日益加劇（Kirkham，2006）。據報道，全國受到重金屬污染的地區(qū)已造成糧食減產1×107t，1.2×107t農產品重金屬含量超標，直接經濟損失200多億，對農民的經濟收人造成了巨大的影響（劉璇等，2008）。特別是在一些糧食種植重點區(qū)域，重金屬污染風險逐年增大(曾希柏等，2013)。

水稻作為一種大宗糧食作物，在全世界每年約有560 Tg的產量，其中40%左右是在中國種植和消費(Yu 等，2006)。Cd污染不僅影響水稻生長發(fā)育和新陳代謝活動（何俊瑜等，2008；史靜等，2013），導致產量下降，更為重要的是它在水稻體中大量積累（趙步洪等，2006；張玉秀等，2008），并沿著食物鏈進入人體（陳志亮等，2001；任繼平等，2003），其產量和品質直接影響著人類糧食安全，危害人類身體健康。大田作物對重金屬的吸收積累，不僅受到土壤性質的影響（普錦成等，2008），而且與礦質營養(yǎng)的基因型差異一樣，具有明顯的種類與種群之間的差異（Liu等，2005；李鵬等，2011）。已有研究表明，水稻吸收積累Cd的能力隨基因型不同存在明顯差異，不同生育時期不同部位對鎘的吸收積累效應差異較大（王凱榮，1996；馮文強等，2008；丁園等，2009）；對于不同的水稻品種，在同一Cd處理濃度下，Cd在水稻體各器官的分配呈現根>莖>葉>籽粒，但Cd在水稻不同器官中的分配比例因水稻的品種不同而有顯著差異（李坤權等，2003；Metwally等，2005；Zhan等，2013）。因此，找出水稻在Cd脅迫下不同部位吸收累積效率和水稻對Cd吸收累積的關鍵時期，比較不同水稻品種之間的差異，結合農業(yè)生產調控技術措施，對降低水稻Cd吸收積累，保障糧食安全具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料選取課題組篩選籽粒Cd質量分數差異較大的2個常規(guī)水稻(Oryza sativa L．)品種D83A/R527（低Cd品種）和輻優(yōu)838（高Cd品種）為研究材料（四川農業(yè)大學水稻研究所提供）。

1.2 試驗設計

本試驗于2011年4月-2011年9月在四川農業(yè)大學雅安校區(qū)甘家壩農場網室內進行。

將精選的水稻種子消毒、洗凈后育苗，待兩葉一心時移植于容器為20 L的黑色塑料桶中，培養(yǎng)于完全營養(yǎng)液中，營養(yǎng)液完全根據國際水稻研究所（IRRI）推薦的配方配制（表1），營養(yǎng)液的起始pH值為5.5～6.0。幼苗先在1/2質量濃度的營養(yǎng)液中培養(yǎng) 7 d，然后進行全營養(yǎng)液培養(yǎng)和不同質量濃度的Cd 處理，設 4 個 Cd 水平：0 mg·L-1、0.50 mg·L-1、1.00 mg·L-1、3.00 mg·L-1，每處理重復 4 次。營養(yǎng)液中Cd以CdCl2.2.5H2O形式加入。培養(yǎng)液每7天更換一次，并用 0.1 mol·L-1NaOH 或 0.1 mol·L-1HCl調節(jié)pH值至5.5～6.0。

表1 水稻常規(guī)營養(yǎng)液配方Table 1 Formula of the Nutrition Solution of Rice Culture in Pot Experiment

分別于水稻分蘗期、孕穗期、灌漿期、成熟期采集水稻樣品，將水稻各部位按要求分開。分蘗期、孕穗期、灌漿期收獲根、莖、葉；成熟期收獲籽粒。將鮮樣分別裝袋，放至烘箱，先在105 ℃殺青15～20 min，再在70～80 ℃下烘干至恒重，以供后期測定Cd含量。

1.3 測定方法

水稻Cd質量分數（mg·kg-1）采用HNO3-HClO4消煮，石墨爐原子吸收法（陳同斌等，2006）測定。

1.4 數據處理

利用Excel 2003和SPSS 13.0對數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種籽粒Cd質量分數差異

不同品種的水稻籽粒 Cd質量分數在不同 Cd處理濃度之間差異明顯，均隨著Cd處理濃度的增加，呈現顯著上升的趨勢（表2）。隨著Cd處理濃度的增加，籽粒Cd質量分數增加幅度總體表現為：輻優(yōu)838﹥D83A/R527（表2）。D83A/R527在3.0 mg·L-1Cd質量濃度脅迫下籽粒內Cd質量分數超過了0.2 mg·kg-1食品污染物限量標準（GB 2762-2012），而輻優(yōu)838在1.0 mg·L-1Cd質量濃度脅迫下籽粒內Cd含量就已超標。

表2 不同水稻品種籽粒Cd質量分數Table 2 Cd Accumulation in Grains of Different Rice Varieties mg·kg-1

兩種水稻品種在不同Cd脅迫下籽粒Cd質量分數差異顯著。在0.5 mg·L-1Cd質量濃度脅迫下，輻優(yōu)838籽粒內Cd質量分數為D83A/R527的2.26倍；隨著Cd處理質量濃度的上升，不同品種水稻籽粒Cd質量分數差異逐漸縮小，1.0～3.0 mg·L-1Cd質量濃度脅迫下，D83A/R527籽粒內Cd質量分數是輻優(yōu)838的50%～60%。

2.2 不同生育期雜交水稻各部位對 Cd吸收的動態(tài)變化

2.2.1 分蘗期各部位對Cd吸收的動態(tài)變化

分蘗期不同水稻品種根、莖、葉內Cd質量分數的分析結果見表3。D83A/R527與輻優(yōu)838在不同Cd質量濃度脅迫下各部位Cd質量分數均表現為：根>莖>葉，其中輻優(yōu)838 各部位Cd質量分數均高于D83A/R527對應各部位質量分數。

D83A/R527各部位在不同Cd處理質量濃度脅迫下根、莖、葉內Cd質量分數差異顯著。各部位Cd質量分數隨著Cd脅迫處理濃度增加而增大，根內Cd質量分數顯著高于莖、葉。D83A/R527在0.5 mg·L-1Cd脅迫下，根內 Cd質量分數為莖的 2.03倍，葉的6.64倍；莖內Cd質量分數為葉內的1.8倍。在1.0 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數是莖、葉內Cd質量分數的2.70倍和4.43倍；莖內Cd質量分數為葉片的1.64倍。根部與莖部Cd質量分數差距在逐步擴大，而根部與葉片、莖部與葉片之間的差距在逐漸縮小。在3.0 mg·L-1Cd處理時，根、莖、葉內Cd質量分數均較高，根內Cd質量分數為莖的2.8倍，其差距進一步擴大；根內Cd質量分數為葉內的4.6倍，莖內Cd質量分數為葉的1.65倍，其差距與1.0 mg·L-1Cd質量濃度處理結果接近。這說明，當中、高濃度 Cd（1.0～3.0 mg·L-1）脅迫時，隨著Cd處理濃度的增加，水稻D83A/R527根、莖、葉內的分配系數較為穩(wěn)定，向地上部分（莖、葉）的運輸處于相對穩(wěn)定的分配狀態(tài)。

表3 分蘗期不同水稻品種不同部位Cd質量分數Table 3 Cd Content in Different Parts Between the Different Varieties of Rice in Tillering Stage mg·kg-1

輻優(yōu)838在0.5 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數是莖內的1.69倍，是葉內的3.21倍；莖內Cd質量分數是葉片的1.89倍。在1.0 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數為莖的2.43倍，為葉內的3.81倍；莖內Cd質量分數為葉的1.57倍。在3.0 mg·L-1Cd脅迫時，根系Cd質量分數是莖內的2.47倍，是葉內的3.70倍；莖內Cd質量分數是葉片的1.50倍。這說明，不管是低濃度Cd處理，還是高濃度Cd處理，輻優(yōu)838體內Cd的分配系數變化不大，莖內Cd質量分數是根部Cd質量分數的1/2左右，葉片Cd質量分數是根部Cd質量分數的1/3左右，葉片Cd質量分數是莖內Cd質量分數的1/2左右。其向地上部分運輸基本上是隨著Cd處理濃度的上升而增加，這可能是輻優(yōu)838收獲部分（籽粒）中Cd積累較多的原因。

輻優(yōu) 838各部位 Cd質量分數均高于D83A/R527對應各部位質量分數。在0.5 mg·L-1Cd脅迫下，水稻D83A/R527根、莖、葉內Cd質量分數分別為輻優(yōu)838的82%、69%和72%。1.0 mg·L-1Cd處理時，D83A/R527根、莖、葉內Cd質量分數為輻優(yōu)838的66%、60%和57%。3.0 mg·L-1Cd處理下，D83A/R527根、莖、葉內Cd質量分數分別為輻優(yōu)838的72%、63%和58%。這進一步說明，在水稻分蘗期，中、高濃度Cd處理，水稻D83A/R527的排異性非常明顯，不僅莖葉部分積累相對較少，且具有較為恒定的比例外，根系Cd的積累也是明顯較低，其毒害作用明顯小于輻優(yōu)838。

2.2.2 孕穗期各部位對Cd吸收的動態(tài)變化

從孕穗期不同水稻品種根、莖、葉內Cd質量分數來看（表4），D83A/R527在0.5 mg·L-1Cd水平下，根內Cd質量分數為莖的2.16倍，為葉內的4.1倍。在1.0 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數為莖內的3.99倍，為葉內的2.59倍。在3.0 mg·L-1Cd處理下，根內Cd質量分數為莖的2.31倍，為葉內的3.39倍。總體表現為，隨著Cd處理濃度的增加，根系積累和分配的比例逐漸擴大。在0.5～1.0 mg·L-1Cd處理濃度下，根內Cd質量分數與莖、葉Cd質量分數之間的分配比例差異明顯；在3.0 mg·L-1Cd處理時，又與低濃度Cd處理（0.5 mg·L-1）的分配趨勢近似。這說明，低吸收累積Cd的水稻品種，根系是吸收積累Cd，過濾Cd毒害的主要器官，且在中等程度脅迫（1.0 mg·L-1Cd）時，根系富集作用更為明顯。

表4 孕穗期不同水稻品種不同部位Cd質量分數Table 4 Cd Content in Different Parts Between the Different Varieties of Rice in Booting Stage mg·kg-1

輻優(yōu)838各部位在不同Cd處理濃度脅迫下根、莖、葉內Cd質量分數差異顯著。在 0.5 mg·L-1Cd脅迫下，葉內Cd質量分數為莖內的60%，為根內的29%。在1.0 mg·L-1Cd處理時，葉內Cd質量分數為莖的71%，為根內的32%左右。在3.0 mg·L-1Cd脅迫下，葉內Cd質量分數為莖內的78%，為根內的36%。由此可以看出，隨著Cd處理濃度的增加，Cd在地上部分（莖、葉）中的分配比例逐漸提高，吸收累積的Cd向地上部分運輸能力越來越強。

2.2.3 灌漿期各部位對Cd吸收的動態(tài)變化

孕穗期不同水稻品種根、莖、葉內Cd質量分數的分析結果見表 5。水稻品種 D83A/R527，在0.5～3.0 mg·L-1Cd處理下，葉片Cd質量分數占根內Cd質量分數的比例相對較為恒定，在20%～25%之間變化；莖內Cd質量分數占根系Cd質量分數比例變化幅度較大，在35%～55%左右變化，且隨著Cd處理濃度的增加，葉片Cd質量分數占根系Cd質量分數的比例逐漸下降；莖內 Cd質量分數以 1.0 mg·L-1Cd處理時，占根系Cd質量分數的比例最高（55%）。這說明，隨著Cd處理濃度的增加，葉片Cd吸收積累的比例明顯下降，莖、葉部分Cd吸收分配的總體比例逐漸下降。

輻優(yōu)838各部位在不同Cd處理濃度脅迫下根、莖、葉內Cd質量分數差異達極顯著水平。在0.5～3.0 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數與莖內Cd質量分數和葉內Cd質量分數的差異明顯小于水稻品種D83A/R527，其總體分配比例變化趨勢基本一致。

表5 灌漿期不同水稻品種不同部位Cd質量分數Table 5 Cd Content in Different Parts Between the Different Varieties of Rice in Filling Stage mg·kg-1

總體來看，低鎘吸收水稻品種D83A/R527根系Cd質量分數與莖、葉內Cd質量分數之間的差異，主要體現在根系Cd質量分數與葉片Cd質量分數之間的差異，Cd從根系—莖—葉的吸收累積效率上，主要表現為根系、莖積累為主，葉片Cd積累相對較少，這樣向地上部分運輸和吸收累積進入籽粒中的Cd就會相對較少。而高Cd吸收累積水稻品種輻優(yōu)838則表現為，從根系—莖—葉的吸收累積效率相對較高，特別是在中、高質量濃度 Cd處理（1.0～3.0 mg·L-1）時，向地上部分（莖、葉）轉運的比例相對較高，且莖、葉之間差異相對較小。

3 結論

（1）隨著 Cd處理濃度的增加，輻優(yōu) 838與D83A/R527籽粒內Cd質量分數均增加，其累積增加量和比例均表現為：輻優(yōu)838>D83A/R527。若在受Cd污染的土壤上種植水稻，應優(yōu)先選擇籽粒Cd積累量少的水稻品種D83A/R527，降低Cd通過食物鏈進入人體的風險。

（2）不同生育期水稻根、莖、葉對 Cd的吸收及其動態(tài)變化的分析結果表明，隨著Cd處理濃度的增加和水稻生育時期的延長，兩種水稻各部位Cd吸收積累量均表現為逐漸增加，其增加比例表現為：輻優(yōu) 838>D83A/R527。在 1.0～3.0 mg·L-1Cd處理時，水稻Cd吸收積累差異較為顯著的時期為灌漿期。輻優(yōu)838的根系向莖、葉轉移效率大于D83A/R527，且D83A/R527主要表現為由根系向莖Cd轉移效率較高，但葉片Cd積累相對較少，這可能是引起成熟期籽粒Cd積累量低的重要原因。灌漿期是水稻籽粒干物質積累的重要時期，也是吸收累積Cd的重要時期，這為篩選低吸收積累水稻品種和調控Cd在水稻籽粒中的吸收累積奠定了重要理論基礎。

KIRKHAM M.B. 2006. Cadmium in plants on polluted soils: Effects of soil factors, hyperaccumulation, and amendments[J]. Geoderma, 137:19-32.

LIU J.G, ZHU Q.S, ZHANG Z.J, et al. 2005. Variations in cadmium accumulation among rice cultivars and types and the selection of cultivars for reducing cadmium in the diet. Journal of Science of Food and Agriculture, 85:147-153.

METWALLY A, SAFRONOVA V I, BELIMOV A A, et al. 2005.Genotypic variation of the response to cadmium toxicity in Pisum sativum L.[J].Journal of Experimental Botany, 56 (409): 167-178.

YU H, WANG J.L, FANG W, et al. 2006. Cadmium accumulation in different rice cultivars and screening for pollution-safe cultivars of rice.Science of the Total Environment, 370: 302-309.

ZHAN J, WEI S.H, NIU R.C, et al. 2013. Identification of rice cultivar with exclusive characteristic to Cd using a field-polluted soil and its foreground application[J]. Environmental Science and Pollution Research, 20: 2645-2650.

曾希柏,徐建明,黃巧云,等. 2013. 中國農田重金屬問題的若干思考[J].土壤學報, 50(1):186-194.

陳同斌, 宋波, 鄭袁明, 等. 2006. 北京市菜地土壤和蔬菜鉛含量及其健康風險評估[J]. 中國農業(yè)科學, 39(8): 1589-1597.

陳志亮, 莫大倫, 仇榮亮. 2001. 鎘污染對生物有機體的危害及防治對策[J]. 環(huán)境保護科學, 27 (4): 37-39.

丁園, 宗良綱, 徐曉炎, 等. 2009. 鎘污染對水稻不同生育期生長和品質的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 18(1):183-186.

馮文強, 涂仕華, 秦魚生, 等. 2008. 水稻不同基因型對鉛鎘吸收能力差異的研究[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 27 (2): 447-45.

何俊瑜, 任艷芳, 朱誠期, 等. 2008. 鎘脅迫對鎘敏感水稻突變體活性氧代謝及抗氧化酶活性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境l 7(3): 1004-1008.

李坤權, 劉建國, 陸小龍, 等. 2003. 水稻不同品種對鎘吸收及分配的差異[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報, 22 (5): 529-53.

李鵬, 葛瀅, 吳龍華, 等. 2011. 兩種籽粒鎘含量不同水稻的鎘吸收轉運及其生理效應差異初探[J]. 中國水稻科學, 25(3):291-296.

劉璇, 張婷婷, 黃馨瑤, 等. 2008. 磁化水對玉米耐受重金屬鎘的影響[J].廈門大學學報(自然科學版), 47 (2): 278-281.

普錦成, 符娟林, 章明奎. 2008. 土壤性質對水稻土中外源鎘與鉛生物有效性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境, 17(6): 2253-2258.

任繼平, 李德發(fā), 張麗英. 2003. 鎘毒性研究進展[J]. 動物營養(yǎng)學報, 15(1): 1-6.

史靜, 潘根興, 夏運生, 等. 2013. 鎘脅迫對兩品種水稻生長及抗氧化酶系統(tǒng)的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 22(5): 832-837.

王凱榮. 1996. 鎘對不同基因型水稻生長毒害影響的比較研究[J]. 農業(yè)生態(tài)環(huán)境, 16 (3):18-23.

張玉秀, 于飛, 張媛雅, 等. 2008. 植物對重金屬鎘的吸收轉運和累積機制[J]. 中國生態(tài)農業(yè)報, 16 (5): 1317-1321.

趙步洪, 張洪熙, 奚嶺林, 等. 2006. 雜交水稻不同器官鎘濃度與累積量[J].中國水稻科學, 20 (3): 306-312.

中華人民共和國衛(wèi)生部. 2012. GB 2762-2012食品安全國家標準: 食品中污染物限量. 北京: 中國標準出版社, 2.