镉积累差异水稻幼苗的Cd吸收和转运比较分析

张标金 罗林广 魏益华 张祥喜 聂根新

摘  要  为探讨镉（Cadmium， Cd）在籽粒Cd积累量差异较大的2个常规籼型水稻品种‘黄华占（Cd低积累）和‘IR68144（Cd高积累）幼苗中的吸收和转运特性，分析了在不同浓度Cd胁迫下2个水稻品种幼苗的生长发育和Cd在根系及地上部的积累特征，以及随着时间推移Cd在根系和地上部的富集动态。结果表明：（1）与‘IR68144相比，‘黄华占更易受到高浓度镉胁迫的毒害，但低浓度镉对其生长的促进作用也更强;（2）在不同浓度Cd胁迫下，‘黄华占根系对Cd的吸收能力强于‘IR68144;低Cd条件下，‘黄华占地上部的Cd含量也高于‘IR68144，但高Cd浓度时，‘IR68144的地上部Cd转移系数远远高于‘黄华占，导致其地上部Cd含量高于‘黄华占;（3）除Cd处理初始阶段外，‘黄华占根系的Cd含量都高于‘IR68144;在Cd处理早期，2个品种地上部的Cd含量相当，之后‘IR68144的Cd含量更高，其原因可能是其地上部Cd转移系数上升。

关键词  水稻;镉;积累

中图分类号  S511          文献标识码  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

近年来，我国土壤重金属污染问题日益严重，其中以镉（Cadmium， Cd）污染问题尤为突出。环境保护部和国土资源部于2014年发布的“全国土壤污染状况调查公报”显示，我国630万平方公里土地的Cd点位超标率高达7%;在耕地中，Cd在所有污染物中排第一位。2002年农业部稻米及制品质量监督检验测试中心对全国市场稻米的安全抽检发现Cd超标率高达10.3%。这些超标农产品极易通过食物链引起人畜慢性中毒。因此，稻米Cd污染已对我国水稻生产和人体生命健康构成严重威胁。

研究表明，水稻（Oryza sativa L.）不同品种和同一植株的不同器官对镉的积累能力存在显著差异[1-3]。然而，目前对不同水稻品种间Cd积累差异的机理尚不清楚。一般认为，调控Cd在水稻地上部及籽粒中积累的环节有3个：（1）根系对Cd的吸收能力;（2）由木质部调控的Cd从根部向地上部的运输;（3）Cd从韧皮部向籽粒中的转运[4]，但其中起决定性作用的环节以及Cd积累的控制机理还不明确。因此，本研究以籽粒Cd积累量差异较大的两个常规籼型水稻品种‘黄华占和‘IR68144为试验材料，设计不同Cd浓度梯度和不同时间效应的Cd积累试验，以探讨不同水稻品种幼苗根部对Cd的吸收和向地上部转运能力的差异，为探索籽粒Cd低积累水稻的Cd控制机制提供参考。

1  材料与方法

1.1  供试品种

经过前期Cd污染耕地的田间筛选，挑选出2个籽粒Cd积累量差异较大的常规籼型水稻品种‘黄华占和‘IR68144应用于本试验。在南昌郊区某土壤全Cd含量为0.273 mg/kg的稻田中作中稻种植收获的两品种糙米的Cd含量分别为0.116 mg/kg和0.548 mg/kg。

1.2  方法

1.2.1  试验处理   选取饱满的水稻种子，用去离子水在室温下浸种48 h，并在30 ℃下催芽24 h，取200粒发芽势一致的萌发种子均匀稀播于装有石英砂的塑料盆（30 cm×25 cm×8 cm）中。培养10 d后幼苗两叶期时加入Yoshida营养液[5]。3 d后用含CdCl2的Yoshida营养液继续培养。Cd处理水平试验的Cd2+浓度为0、0.5、2、10、50、200 μmol/L;Cd处理时间试验的Cd2+浓度为0.2 μmol/L，所有处理重复3次。每2 d调节一次pH至5.1～5.5，每天用去离子水补充水分蒸发部分，每4 d更换营养液1次，置于玻璃网室自然光照及温度下培养。

1.2.2  样品采集与分析   Cd处理水平试验：处理3 d后每盆取样一半幼苗，在根茎处将植株分离成地上部和根部，根用自来水冲洗干净后再用去离子水淋洗2次，每次10 s，用吸水纸吸干表面水分，每份样品随机取50株的根和叶进行称重，取平均值，之后所有样品密封低温保存备用。另一半继续培养以观察幼苗生长情况，至第5天记录其外表情况，每盆随机取50株，淋洗干净和吸干水分后称重，取每株平均值，每盆重复2次。

Cd处理时间试验：在开始Cd处理后的6 h、1 d、2 d、4 d、6 d、10 d时每盆取样，样品参考前述处理后密封低温保存备用。

采用火焰原子吸收分光光度法检测样品Cd的含量，具体方法参照GB/T 5009.15-2003《食品中镉的测定》[6]。测定在日立Z-2000型原子吸收分光光度计上完成，所有样品设3 个平行样，测定结果以平均值计。以“生物成分分析标准物质（湖南大米）”（编号：GBW10045）检验不同检测批次样品结果的可靠性。

1.3  数据处理

采用SPSS 17.0软件对数据进行统计分析，Microsoft Office Excel作图。单株Cd积累量（μg/株）=[单株根重（mg/株）×根Cd含量（mg/kg）+单株地上部重（mg/株）×地上部Cd含量（mg/kg）]/1 000，根富集系数=样品根部Cd含量（mg/kg）/营养液Cd浓度（mg/L），地上部转移系数=样品地上部Cd含量（mg/kg）/根部Cd含量（mg/kg）。

2  结果与分析

2.1  Cd胁迫对水稻生长发育的影响

在不同Cd浓度营养液中生长5 d后，含有50 μmol/L和200 μmol/L Cd2+的营养液中的‘黄华占幼苗叶尖变黄，根表发黑，但前者受害程度明显轻于后者，而在Cd2+浓度为10 μmol/L及以下的营养液中，水稻幼苗未发现黄化和发黑等Cd毒害现象。从幼苗外表来看，‘IR68144受Cd毒害的程度轻于‘黄华占，只有生长在200 μmol/L Cd2+的营养液中的幼苗出现叶尖变黄现象，且程度较轻;此外，‘IR68144幼苗在50 μmol/L和200 μmol/L

CdCl2的营养液中都出现了根表发黑现象，说明水稻根系先于叶片表现出Cd毒害现象。另外，0.5 μmol/L和2 μmol/L的Cd2+促进了‘黄华占的生长，与对照相比其鲜重分别增加了20%和33%，而在高浓度Cd胁迫下，短期内其生长发育也未受明显抑制（表1）。‘IR68144的表现与‘黄华占差异较大，10 μmol/L Cd2+对其生长的促进作用最大，而其他Cd浓度对其单株鲜重的影响较小（表1）。

2.2  Cd处理水平对水稻植株Cd积累的影响

随着营养液Cd浓度的上升，两个品种水稻幼苗根部的Cd含量都快速增加，但两者的Cd含量存在明显差异，‘黄华占根部的Cd含量显著高于‘IR68144（图1），这与它们地上部中的Cd积累规律相反。2个品种幼苗根部积累Cd能力的差异可由它们根部的Cd富集系数更直观的表现出来（图2）。在所有Cd浓度的营养液培养条件下，‘黄华占的富集系数都高于‘IR68144（图2），说明‘黄华占根部积累镉的能力明显强于‘IR68144。但它们的富集系数都随着营养液Cd浓度的上升呈下降趋势，这表明2个品种水稻对根际环境中高浓度的Cd向根细胞内的扩散具有较强的抵抗能力，意味着水稻根部对Cd的吸收是一个主动运输的过程。在200 μmol/L Cd2+浓度下，‘黄华占的富集系数与50 μmol/L Cd2+条件下相比明显升高（图2），且与相同条件下‘IR68144的表现形成了鲜明对比。其可能原因是在超高浓度Cd胁迫下，‘黄华占的根部细胞已受到了严重的毒害，细胞质膜作为Cd2+进入细胞的屏障作用降低，而‘IR68144根细胞仍能保持活力。

随着根部Cd积累量的增加，‘黄华占和‘IR68144地上部组织中的Cd含量也快速升高（图3）。但与根部表现不同的是，在10 μmol/L及以下的Cd2+浓度下，‘黄华占地上部的Cd含量高于‘IR68144，而在50 μmol/L和200 μmol/L条件下则相反（图3）。其原因在于2个品种地上部Cd转移系数的差异，在含微量Cd的营养液（CK）中，‘黄华占对镉的转移能力很强;在0.5、2和10 μmol/L的中低量Cd胁迫下，两品种的转移系数接近;而在50 μmol/L和200 μmol/L的高浓度Cd胁迫下，‘IR68144的转移系数快速上升，但‘黄华占保存平稳（图4）。

在10 μmol/L及以下的Cd2+浓度下，‘黄华占单株中Cd的总积累量高于‘IR68144，50 μmol/L时两者相当，而200 μmol/L时因‘黄华占根部Cd含量急剧增加而表现为总积累量高于‘IR68144（图5）。综上可见，在Cd胁迫下，‘黄华占能把大量的Cd滞留在根部来减少地上部的Cd积累量，而‘IR68144选择提高向地上部的转移量来缓解根部的Cd胁迫压力，这在高浓度Cd胁迫时表现得更加明显。

2.3  Cd处理时间对水稻植株Cd积累的影响

将‘黄华占和‘IR68144置于0.2 μmol/L Cd2+营养液中生长，随着时间的推移，2个品种根部和地上部的Cd含量都逐渐上升（图6、7）。除了在第6小时的时间点外，‘黄华占根部的Cd含量均高于‘IR68144，且6 d以后差距进一步扩大（图6）。在0.2 μmol/L Cd2+营养液中生长的第1天，2个品种地上部Cd含量接近，而2 d以后，表现为‘IR68144高于‘黄华占（图7）。在培养初期（6 h），‘黄华占的地上部Cd转移系数略高于‘IR68144，1 d时两者相当，而2 d以后‘IR68144的转移系数显著高于‘黄华占（图8）。这说明在受到0.2 μmol/L Cd的长时间处理后，‘黄华占根部对Cd的吸收能力强于‘IR68144，而‘IR68144根部Cd向地上部转移的能力更强，表现出更高的转移系数。

3  讨论与结论

本试验通过比较分析籽粒Cd积累量较低的‘黄华占和积累量较高的‘IR68144幼苗在Cd胁迫下的生物量指标、Cd含量以及Cd积累量和转移系数发现：（1）高浓度Cd对‘黄华占幼苗的毒害作用更强，而低浓度Cd对‘黄华占幼苗生长的促进作用也表现更明显;（2）‘黄华占根对Cd的吸收能力强于‘IR68144，但高浓度或长时间Cd胁迫下，‘IR68144中Cd向地上部的转移量高于‘黄华占。由此推测，Cd向地上部的转移能力更强可能是导致‘IR68144籽粒Cd积累量高于‘黄华占的一个关键原因。

如本文前言所述，目前认为，控制水稻籽粒Cd含量的关键环节可能有根的吸收、木质部转移和韧皮部转运等3个环节。水稻根系对Cd的吸收以及保留能力在Cd向地上部转运的过程中起着重要作用[7-8]。在根的吸收过程中，土壤的Cd含量、Cd形态、pH和土壤类型等都会对其有所影响[9-10]。而根际微生物和根系分泌物等也与根系Cd的吸收密切相关[11-12]，它们都能影响根际环境中Cd的生物有效性。在本试验中，2个水稻品种根际环境接近（其细微差别可能在于根际分泌物），但两者根系Cd吸收能力表现出显著的差异性，可以推测其根部Cd含量的差异在于2个品种根表吸附的Cd进入细胞并储存的过程。

通常认为被根系吸收的Cd会通过木质部运输到植物的其他部位[13-14]，且Cd可能随着木质部的蒸腾流向地上部运输直接输送至籽粒中[15]，而韧皮部在水稻茎叶等营养器官中的Cd向籽粒积累过程起重要作用[16]，但Cd在植物体中长距离运输的机制仍存在争议。水稻根系吸收的Cd经木质部运输到达地上部茎叶，其转移系数主要受以下几个因素的影响：（1）根系细胞壁对Cd的吸附及液泡的固定作用;（2）Cd在根系细胞间共质体通道的运输效率以及跨越内皮层的能力;（3）木质部的装载，即Cd从木质部薄壁细胞转移进入木质部流的能力[17]。‘黄华占与‘IR68144的地上部转移系数具有明显差异，但该差异主要由何种因素所决定有待进一步研究。总的来说，水稻的Cd吸收和转运过程是一个复杂的、综合的生理代谢反应过程，其中许多问题都尚未明确，但本研究的结果表明，这些过程与遗传背景具有明显的关联性。

参考文献

[1] 李坤权， 刘建国， 陆小龙， 等. 水稻不同品种对镉吸收及分配的差异[J]. 农业环境科学学报， 2003， 22（5）： 529-532.

[2] 曾  翔， 张玉烛， 王凯荣， 等. 不同品种水稻糙米含镉量差异[J]. 生态与农村环境学报， 2006， 22（1）： 67-69， 83.

[3] 杜丽娜， 李  军， 彭  义， 等. 不同水稻品种中镉及微量元素含量的差异分析[J]. 沈阳农业大学学报， 2012， 43（2）： 229-232.

[4] Clemens S， Palmgren M G， Kramer U. A long way ahead： understanding and engineering plant metal accumulation[J]. Trends Plant Sci， 2002， 7（1）： 309-315.

[5] Yoshida S， Forno D A， Cock J H， et al. Laboratory manual for physiological studies of rice[M]. The International Rice Research Institute， Philippines， 1972： 57-63.

[6] GB/T 5009.15-2003中华人民共和国国家标准 食品中镉的测定[S]. 北京： 中国标准出版社， 2004.

[7] Nocito F F， Lancilli C， Dendena B， et al. Cadmium retention in rice roots is influenced by cadmium availability， chelation and translocation[J]. Plant cell Environ， 2011（34）： 994-1 008.

[8] Rodda M S， Li G， Reid R. The timing of grain Cd accumulation in rice plants： the relative importance of remobilisation within the plant and root Cd uptake post-flowering[J]. Plant Soil， 2011， 347（1/2）： 105-114.

[9] Street R A， Kulkarni M G， Stirk W A， et al. Effect of cadmium on growth and micronutrient distribution in wild garlic（Tulbaghia violacea）[J]. South Afri J Bot， 2010， 76： 332-336.

[10] Fan Z L， Ji H， Yang F， et al. Accumulation characteristics of Cd and Pb in rice grain and their security threshold values in paddy field under different soil types[J]. Ecol Environ Sci， 2010， 19（4）： 792-797.

[11] 施积炎， 陈英旭， 林  琦， 等.根分泌物与微生物对污染土壤重金属活性的影响[J]. 中国环境科学， 2004， 24（3）： 316-319.

[12] 吴  佳， 涂书新. 植物根系分泌物对污染胁迫响应的研究进展[J]. 核农学报， 2010， 24（6）： 1 320-1 327.

[13] Uraguchi S， Mori S， Kuramata M， et al. Root-to-shoot Cd translocation via the xylem is the major process determining shoot and grain cadmium accumulation in rice[J]. J Exp Bot， 2009， 60（9）： 2 677-2 688.

[14] Alexander L， Michal M， Marek V， et al. Root responses to cadmium in the rhizosphere： a review[J]. J Exp Bot， 2011， 62（1）： 21-37.

[15] Maria G， Martina L. Comparison of uptake and distribution of cadmium in different cultivars of bread and durum wheat[J].Crop Science， 2004， 44： 501-507.

[16] Uraguchi S， Kamiya T， Sakamoto T， et al. Low-affinity cation transporter（OsLCT1）regulates cadmium transport into rice grains[J]. PNAS， 2011， 108（52）： 20 959-20 964.

[17] Clemens S. Toxic metal accumulation， responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants[J]. Biochimie， 2006， 88： 1 707-1 719.