持续淹水对水稻镉吸收的影响及其调控机理

陈江民，杨永杰，黄奇娜，胡培松，唐绍清，吴立群，王建龙1,，邵国胜



持续淹水对水稻镉吸收的影响及其调控机理

陈江民1,2，杨永杰2，黄奇娜2，胡培松2，唐绍清1,2，吴立群3，王建龙1,3，邵国胜2

（1湖南农业大学/南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128；2中国水稻研究所/水稻生物学国家重点实验室，杭州 311400；3湖南金健种业科技有限公司，长沙 410128）

【目的】研究持续淹水对不同镉（Cadmium，Cd）积累水稻品种Cd 含量的影响，通过分析持续淹水条件下土壤有效性Cd、植株Cd含量以及水稻根系Cd吸收转运关键基因表达，揭示持续淹水对水稻Cd积累的作用及其调控机制。【方法】采用水稻品种辐品36（FP36，Cd高积累品种）和中嘉早17（ZJZ17，Cd低积累品种），盆栽条件下（外源加入1.5 mg·kg-1CdCl2）于水稻分蘖始期开始持续淹水处理，分蘖盛期取样分析植株Cd 含量及Cd 转运相关基因表达情况，测定土壤中有效性Cd、Fe、Mn含量和根膜Cd、Fe和Mn含量。相同处理继续培养至水稻完熟期，收获植株和稻米并测定Cd含量和产量。【结果】在Cd污染土壤条件下，与正常灌溉处理相比，持续淹水显著降低了分蘖盛期水稻FP36和ZJZ17的Cd含量，根部降幅分别为39.5%和33.9%，地上部降幅分别为62.1%和71.7%。在完熟期也表现相同作用效果，持续淹水显著降低完熟期水稻FP36和ZJZ17根部、地上部和稻米中Cd含量，FP36根部、地上部和稻米分别降低36.4%、43.7%和36.8%，ZJZ17分别降低62.5%、61.5%和55.4%。研究发现，持续淹水显著降低了两个水稻品种的土壤有效性Cd含量（降幅分别为12.1%和17.7%）和根膜中Cd 的含量（降幅分别为52.2%和43.1%）。Cd胁迫下，持续淹水增加了土壤有效性Fe（增幅分别为23.7%和10.3%）和有效性Mn含量（增幅分别为24.5%和43.9%），也使根膜中Fe（增幅分别为83.1%和81.5%）和Mn含量（增幅分别为41.5%和27.7%）显著增加。更为重要的是，持续淹水显著下调了两个水稻品种根部（58.3%和58.0%）和（21.6%和17.8%）基因的相对表达量。【结论】持续淹水通过降低土壤有效性Cd含量和抑制Cd吸收基因表达（和）的双重调控作用，降低了水稻对Cd的吸收和积累。

水稻；镉；转运蛋白；铁；锰

0 引言

【研究意义】镉（Cadmium，Cd）是一种危害性极强的有毒重金属元素，能通过土壤-水稻食物链系统进入人体，对人体造成潜在危害[1-2]。在中国、韩国、日本等以水稻为主食的国家，稻米是人体Cd摄入的最主要的来源[3]。因此，开展水稻Cd低积累调控技术及其机制研究，对Cd污染稻田水稻安全生产，以及水稻Cd低积累基础理论研究都具有十分重要的意义。【前人研究进展】近几十年来，国内外学者已经通过工程治理、品种筛选[4-5]、土壤Cd钝化/活化[6]、营养调控[7-8]、生物修复[9]等措施降低稻米Cd吸收和积累，取得了可喜的成果。然而，水分作为水稻最重要的产量限制因素和生态调节因子，能够影响甚至掩盖这些调控措施[10-11]。因此，水分管理措施因其无二次污染、可操作性强、无附加经济投入、有效性高且不影响水稻正常收获而备受关注。杨锚等[11]研究发现，相比60%田间持水量，淹水处理能够显著降低稻田土壤水溶态Cd含量和有效性Cd含量，且随着时间的延长而更加显著。陈喆等[12]研究表明全生育期淹水能够降低水稻Cd 积累，结合配施硅肥能够使重度Cd污染（4.1 mg·kg-1）土壤生产出安全大米。杨定清等[13]认为，关键期（孕穗期—灌浆期）淹水是一种既节约水又保证产量，同时降低稻米Cd含量的办法。张丽娜等[14]研究后建议，为了生产Cd含量安全的稻米，尽量避免在Cd污染土壤中开展水稻旱作栽培。这些结果均表明，淹水处理能够降低稻米Cd的毒害风险。Huang等[15]研究表明，持续淹水处理增加了土壤有效性锰（Manganese，Mn）和有效性铁（Iron，Fe）的含量。淹水处理能够通过增加水稻根膜Mn和Fe的含量，竞争性的抑制Cd进入水稻[16]。也有研究表明淹水条件通过改变了土壤pH、有效硫含量、氧化还原电位（Eh）等，改变了土壤有效性Cd含量，影响了水稻对Cd的吸收[15, 17-19]。但是，土壤是一个复杂的Cd容纳体系，从土壤化学角度分析持续淹水对稻米Cd的影响，往往出现截然不同甚至相反的结果[15,18]。Huang等[15]分析了淹水处理对稻田土壤有效性Cd含量的影响，发现短期淹水增加了土壤有效性Cd含量，而随着时间的延长Cd有效性逐渐降低。张雪霞等[18]研究表明，随着土壤水分的增加，水稻分蘖期和成熟期根际土壤有效性Cd含量增加。当Cd含量为50—100 mg·kg-1，淹水条件下紫色土壤溶液Cd的含量随Eh的下降而增大[20]。【本研究切入点】本研究拟从水稻Cd 吸收和转运特性开展研究，揭示持续淹水对水稻Cd吸收和积累的影响及调控机制。最新研究表明，OsIRT1 和OsNramp1转运子被证实在水稻吸收Cd过程中发挥着重要作用[21-22]。最新报道的OsNramp5位于水稻内皮层和外皮层细胞膜上，也是一种重要的Cd转运体[23-24]。主要在水稻根部维管组织细胞膜表达，参与了水稻Cd的积累和毒害响应[25]。因此，持续淹水可能通过调控这些基因的表达，或同时调控土壤Cd有效性含量，降低水稻对Cd的吸收、装载及积累。然而，这一假设至今还没有被证实。【拟解决的关键问题】本研究选用两个Cd积累差异的水稻品种，分析持续淹水对两个水稻品种Cd积累的影响，结合土壤和根膜中Fe和Mn元素含量的变化，分析水稻Cd吸收和转运相关基因表达，尝试从水稻自身特性分析其调控机制。

1 材料与方法

1.1 供试品种和试验设计

试验于2016年在中国水稻研究所富阳试验基地网室中进行，网室四周通风，顶部用透明农膜覆盖以防雨水干扰。采用盆栽土培试验，所用桶高30 cm，直径30 cm，内部装有10.0 kg稻田黏壤土。盆栽用土装桶前，经风干粉碎过筛（筛孔径为 0.3 cm×0.3 cm），土壤pH（H2O）为6.01，土壤有机质含量为28.6 g·kg-1，总氮含量为1.88 g·kg-1，阳离子交换量（CEC）为15.6 cmol·kg-1，有效性Cd含量为0.072 g·kg-1。

供试品种为辐品36（FP36）和中嘉早17（ZJZ17）。这两个品种由研究团队于2013—2015年在125个籼稻品种中筛选而来，多年多点试验证实FP36为高Cd积累品种，ZJZ17为低Cd积累品种。30℃条件下浸种48 h，清洗干净后35℃催芽24 h，撒播于塑料容器中土培育秧，水稻幼苗长至三叶一心时（培养21 d），选取整齐一致的秧苗进行移栽，每桶种植4穴，每穴2株，待返青后（5 d）开始处理。

试验设置了两种水分灌溉模式，持续淹水（continuous flooding，CF）和正常间歇灌溉（CK），CF措施指在整个水稻生长期间（收获前7 d停止加水），土表始终保持3 cm以上的厚水层，保持长期的淹水状态。CK采用常规处理，即待落干后加水，再落干再加水直至成熟。依据南方土壤重金属Cd污染水平，设置Cd浓度为1.5 mg·kg-1，于水稻移栽前加入CdCl2并搅拌均匀，以不加Cd处理为对照，每处理重复3桶。整个生长过程中，除水分管理外，其他管理措施均一致。试验于分蘖盛期（处理20 d）进行第一次取样，测定土壤有效性Cd、Fe和Mn含量和水稻根膜Cd、Fe和Mn的含量，分析植株Cd含量，并测定相关基因表达量，继续培养至水稻完熟期进行第二次取样，测定植株和稻米Cd含量，分析产量。

1.2 测定方法

1.2.1 株高和有效蘖 每个处理取水稻6株，测量水稻株高和分蘖。

1.2.2 干物质重及产量性状分析 将上述6株样品分为地上部和根部，105℃杀青1 h后继续80℃烘干至恒重，待冷却至室温后称重。摘取穗子剥下米粒，测定产量、结实率和千粒重。

1.2.3 土壤有效性Cd、Fe和Mn含量测定 土壤有效性Cd、Fe和Mn提取采用DTPA法，方法参见Bailey等[26]的方法。充分提取后离心并过滤，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES，Optima 2100DV，PerkinElmer，USA）测定有效性Cd、Fe和Mn的含量。生物学重复3次。

1.2.4 根膜Cd、Fe和Mn含量测定 根膜Cd采用DCB法提取[27]。提取1 h后过滤，用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES，Optima 2100DV，PerkinElmer，USA）测定根膜Cd、Fe和Mn的含量。生物学重复3次。

1.2.5 植株Cd 含量测定消煮参见周全等[28]的方法。用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES，Optima 2100DV，PerkinElmer，USA）测定Cd的含量。生物学重复3次。

1.2.6 重金属转运蛋白基因相对表达量的测定 测定方法参见周全等[28]的方法。引物序列：fw: 5′-CATGTCCGTCATGGCCAAGT rev:3′-TGTCTGCA GCTGATGATCGAG；fw: 5′-GTGATTGCT TCCGATATTCCA rev:3′-CAACCTCCAGTTTCCTTA CCC；fw: 5′-TTCGTGATGGCGGCGTGC TT rev:3′-CCCGTCCTTGATTCCTCTGACTGAT；fw: 5′-AGAAACTACCCTGATGATTGG rev:3′- GCTGTAACATTGGTGGTAAGT。生物学重复3次。

1.3 数据统计分析

采用SAS 9.1软件进行数据分析和处理。ANOVA显著性方差分析，不同小写字母代表处理间差异显著（＜0.05），相同字母代表处理间差异不显著。

2 结果

2.1 持续淹水对不同Cd积累水稻品种产量性状的影响

如表1所示，从水稻完熟期产量性状可知，在没有外源Cd加入的情况下，相比间歇灌溉（CK），持续淹水（continuous flooding，CF）显著降低了FP36的结实率和产量，降幅分别为38.2%和40.2%，显著增加了水稻FP36品种的有效穗数，增加幅度为19.0%，而对株高、地上部干重、根干重、每穗粒数、千粒重无显著影响。CF处理对ZJZ17株高、有效穗数、地上部干重、根干重、每穗粒数、结实率、千粒重以及产量均无显著影响；在有Cd的情况下，相比CK，CF处理能够显著增加FP36地上部和根部干重，增幅分别为24.1%和46.4%，对株高、有效穗、每穗粒数、结实率、千粒重以及产量均无显著影响。相比CK处理，CF处理对ZJZ17株高、有效穗数、地上部干重、根干重、每穗粒数、结实率、千粒重以及产量也均无显著影响。值得一提的是，由表1可知，ZJZ17的结实率为70.0%左右，而FP36的结实率仅为30.0%左右，是由于水稻品种在开花期遭遇南方高温的缘故，结实率和产量均受到严重影响。

2.2 持续淹水对不同Cd积累水稻品种分蘖盛期和完熟期Cd含量的影响

如图1所示，在分蘖盛期，在没有外源Cd加入的情况下，相比间歇灌溉（CK），持续淹水（CF）对两个水稻品种根部和地上部Cd含量无显著影响；在有Cd 的情况下：（1）FP36表现出高Cd积累特性，ZJZ17表现出低Cd积累特性。ZJZ17植株根部和地上部Cd含量均低于FP36，在CK条件下分别降低约75.5%和49.1%，在CF条件下，ZJZ17根部和地上部Cd含量分别比FP36降低约73.3%和61.9%。（2）CF处理能够显著降低两个水稻品种根部和地上部Cd含量。相比CK，CF处理能够显著降低FP36根部和地上部Cd含量，降低幅度分别为39.5%和62.1%；能够显著降低ZJZ17根部和地上部Cd含量，降低幅度分别为33.9%和71.7%。

如图2所示，在水稻完熟期，在没有外源Cd加入的情况下，相比间歇灌溉（CK），持续淹水（CF）对两个水稻品种根部、地上部以及稻米中Cd含量无显著影响；在有Cd 的情况下：（1）ZJZ17仍旧表现出Cd低积累特性，其根部、地上部和稻米中的Cd含量均低于FP36，在CK条件下分别降低约33.2%、40.0%和33.2%，在CF条件下，ZJZ17根部、地上部以及稻米中Cd含量分别比FP36降低约60.7%、59.0%和52.9%。（2）CF处理能够显著降低两个水稻品种根部、地上部以及稻米中Cd含量。相比CK，CF处理显著降低FP36根部、地上部和稻米中Cd含量，降幅分别为36.4%、43.7%和36.8%。CF处理显著降低了ZJZ17根部、地上部以及稻米中的Cd含量，降低幅度分别为62.5%、61.5%和55.4%。以上结果表明，无论是高Cd积累水稻品种，还是低Cd积累水稻品种，持续淹水均显著降低了水稻对Cd的吸收。

表1 持续淹水对完熟期不同Cd积累水稻品种产量性状的影响

图1 持续淹水对分蘖盛期不同Cd积累水稻品种植株地上部（A）和根部（B）Cd含量的影响

图2 持续淹水对完熟期不同Cd积累水稻品种植株根部（A）、地上部（B）以及稻米（C）Cd含量的影响

2.3 持续淹水对土壤和根膜Fe、Mn以及Cd含量的影响

如图3所示，在水稻分蘖盛期，在没有外源Cd加入的情况下，相比CK处理，CF处理对两个水稻品种土壤有效性Cd含量和根膜Cd含量无显著影响；在有Cd 的情况下，相比CK，CF处理能够显著降低两个水稻品种土壤有效性Cd含量和根膜Cd含量。CF处理显著降低FP36和ZJZ17 的土壤有效性Cd含量，降幅分别为12.1%和17.7%。CF处理显著降低了FP36和ZJZ17根膜Cd含量，降低幅度分别为52.2%和43.1%。另外，两个水稻品种的土壤有效性Cd 含量和根膜Cd含量相差不大，说明两个不同Cd积累水稻品种Cd吸收差异是植株自身特性，而不是由土壤或根膜Cd差异导致的。

根膜Fe和Mn含量的增加，能够竞争性的抑制水稻Cd的吸收。如图4所示，在水稻分蘖盛期，在没有外源Cd加入的情况下，相比CK处理，CF处理对FP36根膜Fe和Mn含量无显著影响，CF处理对ZJZ17根膜Mn含量也无显著影响，而显著增加了ZJZ17的根膜Fe含量，增加幅度为80.5%；在有Cd的情况下：（1）相比CK处理，CF处理显著增加FP36和ZJZ17的根膜Fe含量，增加幅度分别为83.1%和81.5%。（2）相比CK处理，CF处理显著增加FP36和ZJZ17的根膜Mn含量，增加幅度分别为41.5%和27.7%。

进一步测定土壤有效性Fe和Mn含量，表明无论有没有Cd存在，持续淹水（CF）均能够增加土壤有效性Fe和Mn的含量。（1）在没有外源Cd加入的情况下，相比CK处理，CF处理显著增加FP36和ZJZ17的土壤有效性Fe含量，增幅分别为17.2%和17.1%，显著增加ZJZ17的土壤有效性Mn含量，增幅为49.0%。（2）在有Cd的情况下，相比CK处理，CF处理显著增加FP36的土壤有效性Fe含量，增幅为23.7%，显著增加了FP36和ZJZ17的土壤有效性Mn含量，增幅分别为24.5%%和43.9%（图4）。这些结果均表明，持续淹水能够显著增加土壤和根膜中Fe和Mn的含量，从而竞争性的抑制水稻对Cd的吸收和积累。

2.4 持续淹水对不同Cd积累水稻品种基因表达量的影响

研究表明，、、和等基因编码的Cd转运蛋白在水稻Cd吸收和转运过程中，发挥着重要作用。如图5所示，在水稻分蘖盛期，在没有外源Cd加入的情况下，相比CK处理，CF处理能够显著下调FP36和ZJZ17根部基因的相对表达，幅度分别为40.4%和74.3%，显著下调FP36的基因的相对表达量，降低幅度为75.0%，显著上调了ZJZ17的Os基因的相对表达量，增加幅度为53.8%。

图3 持续淹水对分蘖盛期不同Cd积累水稻品种土壤有效性Cd含量（A）和根膜Cd含量（B）的影响

图4 持续淹水对分蘖盛期不同Cd积累水稻品种根膜Fe含量（A）、根膜Mn含量（B）、土壤有效性Fe含量（C）和土壤有效性Mn含量（D）的影响

图5 持续淹水对分蘖盛期不同Cd积累水稻品种OsLCD（A）和OsNramp1（B）的影响

而在有Cd的情况下，相比CK处理，CF处理能够显著下调ZJZ17的基因的相对表达，降低幅度为17.8%。CF处理显著下调了FP36和ZJZ17的基因的相对表达量，下调幅度分别为58.3%和58.0%。结果表明，持续淹水环境下，和基因表达受抑制很可能是水稻镉积累降低的重要分子机理之一。

如图6所示，在水稻分蘖盛期，在没有外源Cd加入的情况下，相比CK处理，CF处理上调了FP36根部基因的相对表达量，显著上调了ZJZ17根部基因的相对表达量；在有Cd的条件下，CF处理均显著上调了两个水稻品种根部基因的相对表达。在没有外源Cd加入的情况下，相比CK处理，CF处理显著下调了基因的相对表达，而上调了ZJZ17中基因的相对表达。在有Cd的条件下，相比CK处理，CF处理显著上调了FP36和ZJZ17 的基因的相对表达量，上调幅度分别为70.7%和50.0%。结果表明，淹水处理未通过调控和基因表达来降低水稻对Cd的吸收。

图6 持续淹水对分蘖盛期不同Cd积累水稻品种OsIRT1（A）和OsNramp5（B）的影响

3 讨论

水分作为水稻生产投入量最大的因子，其在土壤中的含量调控着水稻的营养吸收、生理代谢以及抗逆性质[10, 29]，淹水处理可有效控制水稻Cd积累已被大量研究所证实[11-16]。陈喆等[12]研究表明，全生育期淹水显著降低了水稻品种湘早籼45号和丰源优299糙米Cd含量，降低幅度分别为71.9%和76.5%。相比水稻旱作，全生育期淹水降低糙米Cd含量约62.4%[14]。王定清等[13]研究表明，全生育期淹水显著降低稻米Cd含量，降幅为34.1%—48.1%（其效果在不同试验区有所差异），关键期（孕穗期—灌浆期）淹水降低稻米Cd 含量28.2%—43.1%，并建议水稻关键期淹水是一种既不影响水稻机械收割，又能控制稻米Cd积累的办法。正因如此，全生育期淹水控制水稻Cd积累已在日本有较为广泛的推广应用[21, 30]。但持续淹水灌溉有许多不足之处，如浪费水资源，无法抑制无效分蘖，特别是在秸杆还田条件下，水稻分蘖期持续淹水会造成水稻的僵苗不发，加重病虫害，影响水稻产量和品质，机械化操作受限等[14, 31]。因此，持续淹水难以在中国推广应用。

本研究结果表明，持续淹水是一种有效控制稻米Cd积累的方法，从分蘖盛期Cd含量降低幅度分析，地上部（65%）＞根膜（45%）＞根部（35%）＞土壤（15%），表明在土壤Cd进入植株体内的整个过程中，持续淹水参与调控了整个Cd吸收环节。而且，无论是高Cd积累品种还是低Cd积累品种，持续淹水均显著降低了稻米Cd含量，降低幅度分别为36.8%和55.4%（图1—2）。因此，需深入探究淹水处理降低水稻Cd积累的内在机制，通过利用这些内在机理，以期采用其他途径来达到相同效果。

从土壤学角度分析，持续淹水是通过降低土壤有效性Cd含量降低植物对Cd的吸收[11, 16]。Huang等[15]认为淹水前期（50—80 h，不同土壤背景的时间不等）土壤有效性Cd含量剧烈增加，后期土壤有效性Cd含量逐渐降低。本研究淹水处理的时间较长（20 d），显著降低了水稻分蘖盛期土壤有效性Cd含量，结果与纪雄辉等[16]的研究类似。反过来，也证实间歇灌溉（无数次的短期淹水处理）通过增加土壤有效性Cd含量增加了水稻Cd的积累。另外，持续淹水也能增加土壤有效性Fe和Mn含量，以及根膜中Fe和Mn的含量（图3），竞争性的抑制水稻Cd的吸收。淹水条件下，土壤Eh值较低，土壤Fe和Mn被还原，在水稻根表形成根膜[32]。根膜Fe和Mn含量的增加竞争性抑制水稻根系对Cd的吸收[16, 19]。前人研究认为淹水处理降低水稻Cd积累主要是通过硫酸盐转化为硫化物，形成难溶性CdS，从而降低土壤中有效性Cd来实现的[15, 18]。如前人所述，持续淹水影响土壤元素特性，只是调控水稻Cd 积累的机理之一，持续淹水调控水稻Cd吸收的分子机理则更为关键。

持续淹水通过调控水稻Cd共质体转运，影响水稻对Cd的吸收和积累。众所周知，水稻根系吸收、转运和装载Cd的过程中，共质体运输途径起决定性作用[33]。本试验结果表明，持续淹水通过下调水稻根系和的基因相对表达量，降低了水稻对Cd的吸收（图5）。研究表明，OsNramp1是一种膜载蛋白，基因超表达增加了水稻根部Cd含量，也促进Cd向地上部的转运，增加地上部Cd含量[22]。OsLCD也主要定位在水稻根部维管组织细胞膜，该基因缺失突变体地上部Cd含量较低且Cd耐性较高，并证实OsLCD在水稻根部Cd吸收过程具有重要作用[25]。因此，持续淹水通过下调这两个关键基因表达，抑制了水稻对Cd的吸收。和基因受影响因素较复杂，对持续淹水降低水稻Cd的作用并不明显（图6）。研究认为，OsIRT1主要定位在根部伸长区表皮、外皮层以及内皮层细胞膜上，涉及水稻Cd的吸收，受根际缺Fe条件诱导性表达[34]。特别是在土壤持续淹水（缺氧）条件下，土壤Eh值降低，Fe3+被还原成Fe2+，淹水条件下DMA（2’-deoxymugineic acid）分泌不足时，水稻就会采用不同于Fe吸收策略-I的方式，诱导基因表达来吸收Fe2+以应对淹水环境[34]。本试验结果表明，无论有没有Cd存在，持续淹水均上调了基因的相对表达，因此认为表达上调与水稻Fe2+吸收有关，而水稻Cd含量则是土壤Cd有效性降低与表达上调平衡后的结果。另外，OsNramp5主要定位在表皮、外皮层、皮层外围以及木质部薄壁细胞膜上，主要吸收Fe、Cd、Mn，且相比其他基因对水稻Cd积累影响较大[23-24]。本试验结果表明，Cd存在条件下持续淹水上调了表达量，推测可能是由于该基因受外界Cd含量影响较敏感[28]。在有Cd的条件下，淹水条件下土壤中有效性Cd含量低，两个水稻品种的表达相比CK较高，而在没有Cd存在的条件下，两个水稻品种的表达量就不一致（图6），该基因就不能反映持续淹水的内部调控机制。因此，持续淹水条件下OsLCD和OsNramp1对水稻Cd积累的贡献较大且其表达受影响较小，可为将来低Cd积累水稻品种选育等提供启示。

水分管理调控水稻Cd积累的措施，是目前所有方法中最经济、省时省力、无二次污染、不影响水稻正常生产的办法。然而，本研究还是未能将稻米Cd含量控制在国家安全标准范围之内。从完熟期的结果可以得出，持续淹水条件下，低积累水稻品种的ZJZ17稻米Cd含量虽然远低于FP36 稻米Cd含量（1.0 mg·kg-1），但仍有0.4 mg·kg-1。尽管在开花期遭遇南方高温，FP36的结实率受到严重影响（结实率仅为30%左右），可能会对FP36稻米Cd 积累产生影响，但并没有影响持续淹水降低稻米Cd 积累的趋势。另外，本研究中持续淹水对完熟期ZJZ17稻米Cd含量降幅（60%）要显著高于FP36的降幅（40%），这表明结合水分管理措施，选择合适的品种，以及合理施肥、轮作、生物修复等综合调控，更能有效降低稻米Cd的积累。

4 结论

持续淹水能够显著降低不同Cd积累水稻品种Cd的含量，降低土壤中有效性Cd含量和根膜中Cd的含量。研究发现，持续淹水增加了土壤有效性Fe和Mn含量和根膜中Fe和Mn的含量，竞争性的抑制水稻对Cd的吸收，持续淹水还下调了水稻和基因的表达。因此，持续淹水对水稻Cd积累的有效控制，是通过降低土壤有效性Cd含量和抑制Cd吸收基因表达的双重调控作用来实现的。

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（责任编辑 杨鑫浩）

Effects of Continuous Flooding on Cadmium Absorption and Its Regulation Mechanisms in Rice

CHEN JiangMin1, 2, YANG YongJie2, HUANG QiNa2, Hu PeiSong2, TANG ShaoQing1, 2, WU LiQun3,WANG JianLong1, 3, SHAO GuoSheng2

(1Hunan Agriculture University/Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops, Changsha 410128;2China National Rice Research Institute/State Key Laboratory of Rice Biology, Hangzhou 311400;3Hunan Jinjian Seed Industry Science & Technology Co., Ltd., Changsha 410128)

【Objective】The objective of this experiment is to study the effects of continuous flooding on cadmium (Cd) uptake in rice. By analysis of alteration of soil available Cd, plant Cd content and Cd uptake related gene expression under continuous flooding condition in different Cd accumulation rice varieties, further to reveal the effects and detail regulation mechanism on Cd uptake with continuous flooding management in rice. 【Method】Pot experiments (exogenous 1.5 mg·kg-1CdCl2) were carried out by using rice varieties of Fupin36 (FP36, high Cd accumulation) and Zhongjiazao 17 (ZJZ17, low Cd accumulation). Plantlets were treated by continuous flooding management at early tillering stage and sampled at middle tillering stage. Cd content of plant root and shoot, soil available Cd, Fe and Mn content, root plaque Cd, Fe and Mn content and Cd uptake related gene expression of rice were analyzed. The same treatment was continued until mature stage, plantlets and milled rice were harvested to determine Cd content and yield traits. 【Result】Compared with the control, the results showed that continuous flooding sharply reduced Cd contents of FP36 and ZJZ17 under pollution condition at middle tillering stage, the root Cd content decreased by 39.5% and 33.9%, shoot Cd content decreased by 62.1% and 71.7%, respectively. Continuous flooding also significantly reduced Cd content of rice root, shoot and milled rice at mature stage. The management reduced root, shoot and milled rice Cd content of FP36 by 36.4%, 43.7% and 36.8%, respectively, it also showed a decrease of 62.5%, 61.5% and 55.4% in ZJZ17. Furthermore, the soil available Cd of FP36 and ZJZ17 significantly decreased by 12.1% and 17.7%, and root plaque Cd content decreased by 52.2% and 43.1% under continuous flooding treatment, respectively. While soil available Fe content (23.7% and 10.3%) and Mn content (24.5% and 43.9%) of FP36 and ZJZ17 significantly increased. Root plaque Fe (83.1% and 81.5%) and Mn content (41.5% and 27.7%) were also elevated under continuous flooding. Simultaneously, the relative expression of(58.3% and 58.0%) and(21.6% and 17.8%) genes were also down-regulated by continuous flooding in rice roots.【Conclusion】Continuous flooding decrease Cd uptake by decreasing soil available Cd content and down-regulating Cd uptake genes expression ofandin rice.

rice; cadmium; transport protein; iron; manganese

2016-12-16；接受日期：2017-03-23

国家自然科学基金（31571616）、国家公益性行业（农业）科研专项（201403015）、中国农业科学院协同创新工程项目（CAAS-XTCX2016018）、湖南省农业科学院早稻低镉新品种选育、绿色性状基因聚合与种质创新（2014AA10A603）

陈江民，Tel：0571-63372691；E-mail：343965743@qq.com。杨永杰，Tel：0571-63372691；E-mail：yangyongjie@caas.cn。陈江民和杨永杰为同等贡献作者。通信作者王建龙，Tel：0571-63370692；E-mail：wjl9678@126.com。通信作者邵国胜，Tel：0571-63370692；E-mail：shaoguosheng@caas.cn