鎘積累差異水稻幼苗的Cd吸收和轉(zhuǎn)運比較分析

張標(biāo)金 羅林廣 魏益華 張祥喜 聶根新

摘 ?要 ?為探討鎘（Cadmium， Cd）在籽粒Cd積累量差異較大的2個常規(guī)秈型水稻品種‘黃華占（Cd低積累）和‘IR68144（Cd高積累）幼苗中的吸收和轉(zhuǎn)運特性，分析了在不同濃度Cd脅迫下2個水稻品種幼苗的生長發(fā)育和Cd在根系及地上部的積累特征，以及隨著時間推移Cd在根系和地上部的富集動態(tài)。結(jié)果表明：（1）與‘IR68144相比，‘黃華占更易受到高濃度鎘脅迫的毒害，但低濃度鎘對其生長的促進作用也更強;（2）在不同濃度Cd脅迫下，‘黃華占根系對Cd的吸收能力強于‘IR68144;低Cd條件下，‘黃華占地上部的Cd含量也高于‘IR68144，但高Cd濃度時，‘IR68144的地上部Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)遠遠高于‘黃華占，導(dǎo)致其地上部Cd含量高于‘黃華占;（3）除Cd處理初始階段外，‘黃華占根系的Cd含量都高于‘IR68144;在Cd處理早期，2個品種地上部的Cd含量相當(dāng)，之后‘IR68144的Cd含量更高，其原因可能是其地上部Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)上升。

關(guān)鍵詞 ?水稻;鎘;積累

中圖分類號 ?S511 ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼 ?A

Cadmium Absorption and Transport Analysis of Rice Seedlings

with Different Cd Accumulation Ability

ZHANG Biaojin， LUO Linguang*， WEI Yihua， ZHANG Xiangxi， NIE Genxin

Institute of Quality Safety and Standards of Agricultural Products Research， Jiangxi

Academy of Agricultural Sciences， Nanchang， Jiangxi ?330200， China

Abstract ?In order to investigate the cadmium（Cd）uptake and transport characteristics of rice seedlings from two conventional indica rice varieties‘Huanghuazhan（low Cd accumulation）and‘IR68144（high Cd accumulation）with significant difference in grain Cd accumulation， the influence of concentration gradient of Cd stress on rice seedlings growth and the Cd accumulation features in root and shoot was studied， and the Cd enrichment dynamics of root and shoot over time was analyzed. The results indicated：（1） Compared with‘IR68144， ‘Huanghuazhanwas more vulnerable to cadmium toxicity in high Cd concentrations， but cadmium promoting effect on its growth with low Cd concentrations was stronger too.（2） In the concentration gradient Cd stress， the root Cd absorption ability of‘Huanghuazhanwas stronger than that of‘IR68144. In low Cd concentration stress， the Cd content of‘Huanghuazhanshoot ?was also higher than that of‘IR68144， but shoot Cd transfer coefficient of‘IR68144was much higher than that of‘Huanghuazhanat high Cd concentration， and as a result， its shoot Cd content was higher than that of‘Huanghuazhan. （3） Except the initial stage of Cd stress， the Cd content of‘Huanghuazhanroot was higher than that of‘IR68144. Cd concentration in shoots of the two cultivars was similar at the early stage of Cd stress， but later， the Cd content of‘IR68144was higher. The reason was that its shoot Cd transfer coefficient was increasing.

Key words ?Rice（Oryza sativa L.）; Cadmium（Cd）; Accumulation

doi ?10.3969/j.issn.1000-2561.2015.10.004

近年來，我國土壤重金屬污染問題日益嚴(yán)重，其中以鎘（Cadmium， Cd）污染問題尤為突出。環(huán)境保護部和國土資源部于2014年發(fā)布的“全國土壤污染狀況調(diào)查公報”顯示，我國630萬平方公里土地的Cd點位超標(biāo)率高達7%;在耕地中，Cd在所有污染物中排第一位。2002年農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心對全國市場稻米的安全抽檢發(fā)現(xiàn)Cd超標(biāo)率高達10.3%。這些超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品極易通過食物鏈引起人畜慢性中毒。因此，稻米Cd污染已對我國水稻生產(chǎn)和人體生命健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

研究表明，水稻（Oryza sativa L.）不同品種和同一植株的不同器官對鎘的積累能力存在顯著差異[1-3]。然而，目前對不同水稻品種間Cd積累差異的機理尚不清楚。一般認為，調(diào)控Cd在水稻地上部及籽粒中積累的環(huán)節(jié)有3個：（1）根系對Cd的吸收能力;（2）由木質(zhì)部調(diào)控的Cd從根部向地上部的運輸;（3）Cd從韌皮部向籽粒中的轉(zhuǎn)運[4]，但其中起決定性作用的環(huán)節(jié)以及Cd積累的控制機理還不明確。因此，本研究以籽粒Cd積累量差異較大的兩個常規(guī)秈型水稻品種‘黃華占和‘IR68144為試驗材料，設(shè)計不同Cd濃度梯度和不同時間效應(yīng)的Cd積累試驗，以探討不同水稻品種幼苗根部對Cd的吸收和向地上部轉(zhuǎn)運能力的差異，為探索籽粒Cd低積累水稻的Cd控制機制提供參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?供試品種

經(jīng)過前期Cd污染耕地的田間篩選，挑選出2個籽粒Cd積累量差異較大的常規(guī)秈型水稻品種‘黃華占和‘IR68144應(yīng)用于本試驗。在南昌郊區(qū)某土壤全Cd含量為0.273 mg/kg的稻田中作中稻種植收獲的兩品種糙米的Cd含量分別為0.116 mg/kg和0.548 mg/kg。

1.2 ?方法

1.2.1 ?試驗處理 ? 選取飽滿的水稻種子，用去離子水在室溫下浸種48 h，并在30 ℃下催芽24 h，取200粒發(fā)芽勢一致的萌發(fā)種子均勻稀播于裝有石英砂的塑料盆（30 cm×25 cm×8 cm）中。培養(yǎng)10 d后幼苗兩葉期時加入Yoshida營養(yǎng)液[5]。3 d后用含CdCl2的Yoshida營養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)。Cd處理水平試驗的Cd2+濃度為0、0.5、2、10、50、200 μmol/L;Cd處理時間試驗的Cd2+濃度為0.2 μmol/L，所有處理重復(fù)3次。每2 d調(diào)節(jié)一次pH至5.1～5.5，每天用去離子水補充水分蒸發(fā)部分，每4 d更換營養(yǎng)液1次，置于玻璃網(wǎng)室自然光照及溫度下培養(yǎng)。

1.2.2 ?樣品采集與分析 ? Cd處理水平試驗：處理3 d后每盆取樣一半幼苗，在根莖處將植株分離成地上部和根部，根用自來水沖洗干凈后再用去離子水淋洗2次，每次10 s，用吸水紙吸干表面水分，每份樣品隨機取50株的根和葉進行稱重，取平均值，之后所有樣品密封低溫保存?zhèn)溆?。另一半繼續(xù)培養(yǎng)以觀察幼苗生長情況，至第5天記錄其外表情況，每盆隨機取50株，淋洗干凈和吸干水分后稱重，取每株平均值，每盆重復(fù)2次。

Cd處理時間試驗：在開始Cd處理后的6 h、1 d、2 d、4 d、6 d、10 d時每盆取樣，樣品參考前述處理后密封低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

采用火焰原子吸收分光光度法檢測樣品Cd的含量，具體方法參照GB/T 5009.15-2003《食品中鎘的測定》[6]。測定在日立Z-2000型原子吸收分光光度計上完成，所有樣品設(shè)3 個平行樣，測定結(jié)果以平均值計。以“生物成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（湖南大米）”（編號：GBW10045）檢驗不同檢測批次樣品結(jié)果的可靠性。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，Microsoft Office Excel作圖。單株Cd積累量（μg/株）=[單株根重（mg/株）×根Cd含量（mg/kg）+單株地上部重（mg/株）×地上部Cd含量（mg/kg）]/1 000，根富集系數(shù)=樣品根部Cd含量（mg/kg）/營養(yǎng)液Cd濃度（mg/L），地上部轉(zhuǎn)移系數(shù)=樣品地上部Cd含量（mg/kg）/根部Cd含量（mg/kg）。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?Cd脅迫對水稻生長發(fā)育的影響

在不同Cd濃度營養(yǎng)液中生長5 d后，含有50 μmol/L和200 μmol/L Cd2+的營養(yǎng)液中的‘黃華占幼苗葉尖變黃，根表發(fā)黑，但前者受害程度明顯輕于后者，而在Cd2+濃度為10 μmol/L及以下的營養(yǎng)液中，水稻幼苗未發(fā)現(xiàn)黃化和發(fā)黑等Cd毒害現(xiàn)象。從幼苗外表來看，‘IR68144受Cd毒害的程度輕于‘黃華占，只有生長在200 μmol/L Cd2+的營養(yǎng)液中的幼苗出現(xiàn)葉尖變黃現(xiàn)象，且程度較輕;此外，‘IR68144幼苗在50 μmol/L和200 μmol/L

CdCl2的營養(yǎng)液中都出現(xiàn)了根表發(fā)黑現(xiàn)象，說明水稻根系先于葉片表現(xiàn)出Cd毒害現(xiàn)象。另外，0.5 μmol/L和2 μmol/L的Cd2+促進了‘黃華占的生長，與對照相比其鮮重分別增加了20%和33%，而在高濃度Cd脅迫下，短期內(nèi)其生長發(fā)育也未受明顯抑制（表1）?！甀R68144的表現(xiàn)與‘黃華占差異較大，10 μmol/L Cd2+對其生長的促進作用最大，而其他Cd濃度對其單株鮮重的影響較?。ū?）。

2.2 ?Cd處理水平對水稻植株Cd積累的影響

隨著營養(yǎng)液Cd濃度的上升，兩個品種水稻幼苗根部的Cd含量都快速增加，但兩者的Cd含量存在明顯差異，‘黃華占根部的Cd含量顯著高于‘IR68144（圖1），這與它們地上部中的Cd積累規(guī)律相反。2個品種幼苗根部積累Cd能力的差異可由它們根部的Cd富集系數(shù)更直觀的表現(xiàn)出來（圖2）。在所有Cd濃度的營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下，‘黃華占的富集系數(shù)都高于‘IR68144（圖2），說明‘黃華占根部積累鎘的能力明顯強于‘IR68144。但它們的富集系數(shù)都隨著營養(yǎng)液Cd濃度的上升呈下降趨勢，這表明2個品種水稻對根際環(huán)境中高濃度的Cd向根細胞內(nèi)的擴散具有較強的抵抗能力，意味著水稻根部對Cd的吸收是一個主動運輸?shù)倪^程。在200 μmol/L Cd2+濃度下，‘黃華占的富集系數(shù)與50 μmol/L Cd2+條件下相比明顯升高（圖2），且與相同條件下‘IR68144的表現(xiàn)形成了鮮明對比。其可能原因是在超高濃度Cd脅迫下，‘黃華占的根部細胞已受到了嚴(yán)重的毒害，細胞質(zhì)膜作為Cd2+進入細胞的屏障作用降低，而‘IR68144根細胞仍能保持活力。

隨著根部Cd積累量的增加，‘黃華占和‘IR68144地上部組織中的Cd含量也快速升高（圖3）。但與根部表現(xiàn)不同的是，在10 μmol/L及以下的Cd2+濃度下，‘黃華占地上部的Cd含量高于‘IR68144，而在50 μmol/L和200 μmol/L條件下則相反（圖3）。其原因在于2個品種地上部Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)的差異，在含微量Cd的營養(yǎng)液（CK）中，‘黃華占對鎘的轉(zhuǎn)移能力很強;在0.5、2和10 μmol/L的中低量Cd脅迫下，兩品種的轉(zhuǎn)移系數(shù)接近;而在50 μmol/L和200 μmol/L的高濃度Cd脅迫下，‘IR68144的轉(zhuǎn)移系數(shù)快速上升，但‘黃華占保存平穩(wěn)（圖4）。

在10 μmol/L及以下的Cd2+濃度下，‘黃華占單株中Cd的總積累量高于‘IR68144，50 μmol/L時兩者相當(dāng)，而200 μmol/L時因‘黃華占根部Cd含量急劇增加而表現(xiàn)為總積累量高于‘IR68144（圖5）。綜上可見，在Cd脅迫下，‘黃華占能把大量的Cd滯留在根部來減少地上部的Cd積累量，而‘IR68144選擇提高向地上部的轉(zhuǎn)移量來緩解根部的Cd脅迫壓力，這在高濃度Cd脅迫時表現(xiàn)得更加明顯。

2.3 ?Cd處理時間對水稻植株Cd積累的影響

將‘黃華占和‘IR68144置于0.2 μmol/L Cd2+營養(yǎng)液中生長，隨著時間的推移，2個品種根部和地上部的Cd含量都逐漸上升（圖6、7）。除了在第6小時的時間點外，‘黃華占根部的Cd含量均高于‘IR68144，且6 d以后差距進一步擴大（圖6）。在0.2 μmol/L Cd2+營養(yǎng)液中生長的第1天，2個品種地上部Cd含量接近，而2 d以后，表現(xiàn)為‘IR68144高于‘黃華占（圖7）。在培養(yǎng)初期（6 h），‘黃華占的地上部Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)略高于‘IR68144，1 d時兩者相當(dāng)，而2 d以后‘IR68144的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著高于‘黃華占（圖8）。這說明在受到0.2 μmol/L Cd的長時間處理后，‘黃華占根部對Cd的吸收能力強于‘IR68144，而‘IR68144根部Cd向地上部轉(zhuǎn)移的能力更強，表現(xiàn)出更高的轉(zhuǎn)移系數(shù)。

3 ?討論與結(jié)論

本試驗通過比較分析籽粒Cd積累量較低的‘黃華占和積累量較高的‘IR68144幼苗在Cd脅迫下的生物量指標(biāo)、Cd含量以及Cd積累量和轉(zhuǎn)移系數(shù)發(fā)現(xiàn)：（1）高濃度Cd對‘黃華占幼苗的毒害作用更強，而低濃度Cd對‘黃華占幼苗生長的促進作用也表現(xiàn)更明顯;（2）‘黃華占根對Cd的吸收能力強于‘IR68144，但高濃度或長時間Cd脅迫下，‘IR68144中Cd向地上部的轉(zhuǎn)移量高于‘黃華占。由此推測，Cd向地上部的轉(zhuǎn)移能力更強可能是導(dǎo)致‘IR68144籽粒Cd積累量高于‘黃華占的一個關(guān)鍵原因。

如本文前言所述，目前認為，控制水稻籽粒Cd含量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)可能有根的吸收、木質(zhì)部轉(zhuǎn)移和韌皮部轉(zhuǎn)運等3個環(huán)節(jié)。水稻根系對Cd的吸收以及保留能力在Cd向地上部轉(zhuǎn)運的過程中起著重要作用[7-8]。在根的吸收過程中，土壤的Cd含量、Cd形態(tài)、pH和土壤類型等都會對其有所影響[9-10]。而根際微生物和根系分泌物等也與根系Cd的吸收密切相關(guān)[11-12]，它們都能影響根際環(huán)境中Cd的生物有效性。在本試驗中，2個水稻品種根際環(huán)境接近（其細微差別可能在于根際分泌物），但兩者根系Cd吸收能力表現(xiàn)出顯著的差異性，可以推測其根部Cd含量的差異在于2個品種根表吸附的Cd進入細胞并儲存的過程。

通常認為被根系吸收的Cd會通過木質(zhì)部運輸?shù)街参锏钠渌课籟13-14]，且Cd可能隨著木質(zhì)部的蒸騰流向地上部運輸直接輸送至籽粒中[15]，而韌皮部在水稻莖葉等營養(yǎng)器官中的Cd向籽粒積累過程起重要作用[16]，但Cd在植物體中長距離運輸?shù)臋C制仍存在爭議。水稻根系吸收的Cd經(jīng)木質(zhì)部運輸?shù)竭_地上部莖葉，其轉(zhuǎn)移系數(shù)主要受以下幾個因素的影響：（1）根系細胞壁對Cd的吸附及液泡的固定作用;（2）Cd在根系細胞間共質(zhì)體通道的運輸效率以及跨越內(nèi)皮層的能力;（3）木質(zhì)部的裝載，即Cd從木質(zhì)部薄壁細胞轉(zhuǎn)移進入木質(zhì)部流的能力[17]。‘黃華占與‘IR68144的地上部轉(zhuǎn)移系數(shù)具有明顯差異，但該差異主要由何種因素所決定有待進一步研究?？偟膩碚f，水稻的Cd吸收和轉(zhuǎn)運過程是一個復(fù)雜的、綜合的生理代謝反應(yīng)過程，其中許多問題都尚未明確，但本研究的結(jié)果表明，這些過程與遺傳背景具有明顯的關(guān)聯(lián)性。

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