不同镉积累型水稻品种苗期镉积累及转运变化特征

邓伟 张玉烛 敖和军 方宝华 刘洋 李强

（1湖南农业大学农学院，长沙410128；2湖南省水稻研究所，长沙410125；3国家杂交水稻工程技术研究中心，长沙410125；*通讯作者：yuzhuzhang＠hotmail．com；aohejun＠126．com）

镉（Cd）是生物毒性最强的重金属元素之一，被国际癌症研究协会列为IA级致癌物，在联合国环境规划署提出的12种具有全球性意义的危险化学物质中位居榜首[1]。水稻作为我国最重要的口粮作物，近年来遭受Cd等重金属污染的严重威胁。镉污染严重影响水稻生长和产量、品质形成，并且通过镉含量超标大米进入食物链，危害人体健康。因此，阻止镉进入水稻体内，控制稻米镉积累成为当前保障我国粮食和食品安全的重要内容。研究表明，镉主要以离子形式通过根系吸收进入水稻中，一部分进入木质部并随蒸腾流向上分配到茎叶中，另外一部分再通过韧皮部进入穗部和籽粒中并积累于此，从而使得稻米中含有重金属镉[2]。因此，根系吸收、木质部装载和韧皮部转运是决定稻米镉含量的三个关键环节[3－4]，也成为了稻米镉污染防治的研究重点。

离子吸收动力学及其参数的提出在对植物矿质元素的代谢研究和描述中具有重要作用。植物离子吸收动力学参数可以定量地描述根系吸收离子的效率，表现根系对矿质元素离子的吸收特征，以及建立数学模型来描述离子迁移转运，并为预测植物对离子的吸收提供依据[3]。20世纪50年代，Epstein等[4]首次发现Michaelis－Menten酶动力学方程（米氏方程）可以适用于大麦根系的离子吸收过程。近年来，众多研究也发现，水稻、玉米、油菜、生菜和烟草等作物吸收镉离子的过程也符合米氏方程，而且不同作物或同一作物不同品种间的最大吸收速率和米氏常数也存在较大差异[5－9]。水稻是镉富集能力最强的大宗农作物，在一定的时间和镉浓度范围内，其在不同镉浓度梯度或时间威胁下对镉的吸收均可用动力学曲线来描述。何俊瑜等[10]利用同位素示踪技术研究发现，镉敏感型水稻品种及其突变体幼苗根系镉积累的浓度动力学特征也符合米氏方程，在短时间（210 min）和长时间（96 h）内的镉积累量变化均是一条饱和曲线，并且发现Cd在两类水稻幼苗中的吸收和分配具有很大差异。王龙等[5]在对19份水稻核心种质和5份水稻品种的幼苗镉离子吸收动力学特性的研究中发现，不同基因型水稻幼苗根系和地上部分的镉离子吸收动力学特征均符合米氏方程，两者对镉离子的吸收存在不同的阻控机制，镉离子吸收特性和转运效率在基因型间存在着丰富的遗传多样性。

众多研究发现，水稻对镉的吸收主要集中在苗期，对水稻镉积累进行阻抑调控的措施也主要针对这一时期[11]。此外，低镉积累品种的选育和研究是降低稻米镉积累最有效的措施。但是，目前关于不同镉积累型水稻品种在苗期的镉吸收积累动力学特征的比较研究尚未有报道。因此，本文采用4个不同镉积累型水稻品种作为供试材料，通过水培试验重点研究水稻苗期镉在植株体内的积累转运分配差异及其时间动力学特征，以期探明水稻对镉的吸收积累差异机制，为筛选低吸收、低转运，适合大面积推广的品种提供数据支撑和理论依据，从而促进我国稻米安全生产。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试水稻品种为湖南省农科院多年研究筛选出的不同镉积累型晚稻品种，其中，高镉积累品种2个：玉针香（A1）和天优华占（A2）；低镉积累品种 2个：湘晚籼 12号（B1）和金优 59（B2）。

1.2 试验方法

1．2．1 材料培养

于2017年3－6月在湖南省水稻研究所温室内通过水培试验完成。水稻种子用10%的强氯精溶液消毒后用清水冲洗干净并置于30℃培养箱中催芽，破胸后播种到无镉污染的秧田中。长至3叶1心期时选择均匀一致的秧苗洗净移栽到不含镉的水培溶液中，培养至苗期（5叶1心期）时将无镉营养液替换为镉含量为0．05 mmol/L（5．621 mg/L）的含镉营养液，开始进行镉吸收时间动力学试验。水培盆长66 cm、宽41 cm、高16 cm，装有营养液10 L，每盆种4个品种（4行），每个品种6丛。水培营养液参照国际水稻研究所（IRRI）推荐的配方制备，Cd溶液由优级纯的CdCl2·2．5H2O配制而成，营养液pH值用1．0 mol/L的NaOH和HCl溶液调节至 5．0～5．5，每 2 d 调 1 次，营养液每 5～7 d 换 1 次。

1．2．2 镉吸收时间动力学试验

镉吸收时间动力学试验设置11个时间段：即分别在镉胁迫 0．5、1、1．5、2、4、8、16、24、36、48 和 72 h 后取水稻植株和营养液样品，检测根、茎叶和营养液中的镉含量，每个处理3次重复。植株取样后用自来水冲洗干净，再用去离子水冲洗2遍并用滤纸吸干水分。接着将根和茎叶（地上部）分离，根使用20 mmol/L的Na2－EDTA溶液浸泡15 min除去表面吸附的镉离子，然后用去离子水冲洗干净，滤纸吸干水分后装入信封置于烘箱中105℃杀青30 min，再80℃烘干至恒质量，称量干物质量后使用万能粉碎机将样品粉碎，用于消化检测根和茎叶中的镉含量。

1.3 取样方案及计算方法

1．3．1 测定指标及方法

1．3．1．1 干物质量 水稻苗期，取植株根系及地上部分烘干至恒质量后称重。

1．3．1．2 根和茎叶镉含量 样品用不锈钢植物样品粉碎机磨碎后，采用浓硝酸－高氯酸（V∶V=4∶1）混合液消化后使用ICP－MS测定根和茎叶的镉含量[12]。

1．3．1．3 镉转运速率 单位时间内地上部镉积累量与根系干质量的比值，可以用来反映镉从地下部向地上部转运的快慢及运输能力[13]。

1．3．2 时间动力学模型及参数拟定

本研究采用Epstein等[4]发现的Michaelis－Menten动力学方程来描述植物器官对镉离子的吸收过程，公式如下：

式中，I为植物器官吸收离子的累积量（μg），Imax为植物器官吸收离子的最大累积量（μg），反应了器官对离子吸收的内在潜力，其值越大，则对离子吸收的潜力越大；T为试验镉胁迫时间；Km为米氏常数（h），即离子吸收累积量达到最大累积量1/2时的试验时间，表示对离子的亲和力，Km值越小，则说明植株器官对离子的亲和力越大；α为植株器官对离子的实际吸收能力，α值越大，表示植株器官对镉的吸收能力则越强[9]。

1.4 数据处理与分析

利用Excel 2011和SPSS 17．0软件对数据进行处理和统计分析，采用Excel 2011和Sigmaplot 12制作图表。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种分蘖期根系及地上部分镉积累量时间差异

由图1可知，苗期不同镉积累型水稻品种的根系和地上部分镉吸收时间（72 h内）动力学过程均符合米氏方程。4个品种苗期的根系镉积累量在72 h内的变化趋势均表现为一条饱和曲线（R2为 0．82～0．96，图 1－a），品种A1和B2表现为镉胁迫开始8 h内迅速上升，8～36 h内镉累积速率变缓，36 h后镉积累量趋于饱和。高镉积累品种A2的根系镉积累量在72 h内小于A1和B1，并未达到饱和状态，呈现出快速增加趋势。低镉积累品种B1在8 h后镉积累量即趋于饱和状态。镉胁迫72 h之后低镉积累品种B1镉积累量显著低于品种A1、A2 和 B2，分别低 89．0%、82．7%和 82．6%。4 个品种苗期地上部镉积累量在72 h内的变化趋势也表现为一条饱和曲线（R2为 0．88～0．99，图 1－b），即镉胁迫 16 h内各品种镉累积量呈现出快速增加趋势，16～36 h呈缓慢增加趋势，之后趋于平稳，其中高镉积累品种A2在10 h内的地上部镉积累量小于低镉积累品种B2。水稻根茎叶整体镉累积量随着镉胁迫时间的变化趋势与根系相似（图1－c），镉胁迫72 h之后各品种镉累积量表现为 A1＞ B2＞ A2＞ B1，差异显著（P＜0．05）。

图1 不同品种水稻苗期根系及地上部分镉吸收积累量差异比较

表1 不同品种水稻苗期对镉的时间动力学参数

2.2 不同水稻品种分蘖期根系及地上部分镉吸收时间动力学参数特征

用Michaelis－Menten动力学模型进行拟合得到的根系、地上部分及整体植株镉吸收时间动力学参数见表1。根系镉吸收动力学参数中Imax和Km值都表现为A1＞A2＞B1＞B2，说明高镉积累品种的根系镉吸收潜力和镉离子亲和力都大于低镉积累品种，其中高镉积累品种中玉针香大于天优华占，低镉积累品种湘晚籼12号大于金优59。综合分析Imax和Km值，各品种的α值表现为A2＞A1＞B2＞B1，说明在分蘖期，低镉积累品种湘晚籼12号对镉的实际吸收能力较低，而高镉积累品种天优华占在苗期后镉吸收潜力较大。水稻苗期镉胁迫的72 h内，地上部分镉吸收动力学参数中I－max大小表现为 A1＞A2＞ B2＞B1，Km 大小则表现为A2＞A1＞B2＞B1，α 值表现为 A1 ＞B2＞ A2＞ B1，表明高镉积累品种玉针香将镉从根系转运到地上部的能力要强于低镉积累品种湘晚籼12号和金优59，而高镉积累品种天优华占在分蘖初期镉的转运能力较低。整体而言，不同镉积累型水稻品种α值表现出与地上部分相似的规律，即A1＞B2＞A2＞B1，低镉积累品种湘晚籼12号的镉吸收效率最低，有利于实际种植推广。

2.3 不同水稻品种苗期不同时段镉转运速率差异

镉转运速率是单位时间内地上部镉积累量与根系干质量的比值，可以用来反映镉从地下部向地上部转运的快慢及运输能力。表2显示了不同水稻品种苗前期根系不同时间段向地上部分的转运速率。从表2可以看出，苗期不同时间段Cd胁迫处理下，品种A1、A2、B1 和 B2 的转运速率分别介于 0．24～2．51、0．27～3．30、0．17～2．94和0．22～1．73 mg/（kg·h）之间，整体而言，低镉积累品种镉转运速率显著低于高镉积累品种，即低镉积累品种根部吸收的Cd向地上部转运的能力较低，不利于镉的吸收和转化。同一水稻品种，镉转运速率随着胁迫时间延长呈显著下降趋势，下降速率由低到高依次表现为B2＜A1＜A2＜B1。镉胁迫72 h后，各品种转运速率达到最低，数值介于0．17～0．27 mg/（kg·h）之间，B1品种镉转运速率显著低于A1、A2和B2，分别低29%、37%和 23%，差异显著（P<0.05）。

图2 地上部镉含量、根部镉含量以及镉转运速率的相关性

表2 不同水稻品种苗期不同时间段对镉的转运速率影响

2.4 水稻苗期镉含量与镉转运速率的相关性分析

图2显示了根系镉含量、地上部镉含量及根部向地上部的转运速率三者之间的相互关系。通过关联分析发现，不同水稻品种根系镉含量、地上部镉含量及根部向地上部的转运速率三者之间均呈极显著正相关关系，相关系数分别为 0.70、0.76、0.84（图 2）。其中，地上部分镉含量与镉转运速率的相关系数大于根系镉含量与镉转运速率的相关系数，说明吸收和转运速率一般是成正比的，因此筛选低吸收、低转运的品种具有可行性。

3 讨论与结论

同种植物不同品种对同一金属元素的吸收特性是不同的，其时间动力学参数也不尽相同。因此，时间动力学实验常用来研究同种植物不同基因型（生态型）对镉的吸收特征，以期揭示此类植物根系对镉的吸收机理[14]。本研究分析了不同镉积累型水稻品种在苗期镉吸收及转运时间动力学特征。研究指出，对于高镉积累品种而言，玉针香苗期根系的镉积累量在镉胁迫的早期（胁迫开始后4 h和36 h内）便已大于2个低镉积累品种，且36 h后的差异不断增大。而天优华占的根及地上部分镉积累量却在胁迫后的72 h左右才开始接近低镉积累品种金优59，但未达到饱和状态，72 h后的差异不断增大。因此，高镉积累品种可能表现为积累速率快，如玉针香，也有可能表现为积累时间长，如天优华占，低镉积累品种也可分为积累速率慢型和积累时间短型两类，归纳起来即可分为速率型（镉积累速率对镉积累总量起主导作用）、时间型（镉积累时间对镉积累总量起主导作用）和兼顾型三种。

镉从根部向茎部的运输以及在地上部的积累是个比较复杂的过程，本研究发现，高低镉积累品种苗期72 h内的根和地上部的镉积累曲线均表现为一条饱和曲线，即开始是快速过程，后期过程稍慢，呈曲线特征变化[15]。原因可能在于开始阶段重金属与根细胞壁结合，可被其他离子交换，同时大量的反应载体蛋白也有利于重金属转运能力的提高[16]。也有部分学者指出，水稻镉积累过程可能呈现出“不同生长阶段非等阶梯度式增加”模式，即从苗期到成熟期水稻植株或器官中的镉积累量总体表现为不断增加的趋势，但是并非匀速增加，而是呈非等阶梯度式增加，其全生育期即各个生长阶段都可以看成是由很多个大小不同的饱和曲线叠加而成，每个阶梯（饱和曲线）都包括一个上升期和平稳期，且每个上升期的长短、上升幅度以及平稳期的长短各不相同。

本研究只对不同镉积累型水稻品种苗期的镉吸收积累及转运时间动力学特征进行了探讨，在今后的研究中需要进一步探讨水稻完整生育期内镉吸收时间动力学特征。不同基因型品种镉转运速率也存在显著差异。本研究表明，苗期镉胁迫72 h后，Cd低积累品种湘晚籼12号根部向地上部分转运速率较高积累品种玉针香低，这可能与不同水稻品种根系对镉的亲和力以及镉吸收转运相关酶的特性等有关。湘晚籼12号根系对镉的滞留作用较强，吸收的Cd大部分保留在根系中，未向地上部转运，而镉高积累品种玉针香与之相反，这可能是造成玉针香和湘晚籼12号镉积累差异的主要原因之一。