水稻体内Cd 与Cu、Fe、Si、Zn 元素的关系研究

佟 倩，张秀双，魏晓敏，纪薇薇，王 紫，沈 洋，郭素华

（辽宁省盐碱地利用研究所，辽宁 盘锦 124010）

本试验选取东北地区大面积种植的32 个粳稻品种，在镉污染土壤条件下，其表现出的对Cd积累的差异，引起了我们强烈的关注，这种差异性的产生可以为以后筛选出低镉积累水稻品种提供了可能， 但对于产生这种差异的原因还需要我们进一步的探讨［1-3］。 本文拟通过Cd 与其他元素的关系入手， 探讨是否由于不同品种水稻对不同元素的喜好不同， 导致大量积累该元素同时抑制了对Cd 的积累，从而表现出不同品种水稻对Cd 积累的差异［4-9］。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验于2018 年5 月至11 月在沈阳农业大学土地与环境学院网室内进行， 供试土壤为无污染棕壤， 采集自沈阳农业大学稻作所试验基地（南地）， 均采自0～20 cm 耕层。 土壤运回网室后风干，过3 mm 筛。取部分土样，进一步磨碎，分别过1 mm 和0.25 mm 尼龙筛， 用于测定土壤基本性质指标（表1）。

表1 供试土壤基本性质

1.2 供试水稻

供试水稻幼苗由沈阳农业大学稻作所提供，水稻品种选自不同地域（辽宁、吉林、黑龙江及日本）且遗传背景差异较大，品种编号和名称如表2所示。 稻种催芽后，先在无污染的稻田育秧，后将带蘖秧苗移栽到塑料盆内，插秧2 株／盆。

表2 供试水稻品种

1.3 样品采集与分析

水稻成熟后，将整个植株从盆钵中取出，使植株与土壤脱离，用不锈钢刀将根系和地上部分开，地上部称鲜重后直接装入纸袋，105 ℃杀青20 min，70 ℃烘干。鲜根系连同少量土壤一起装入尼龙网袋，先用自来水冲洗，将根系与粘在根上的土壤分离，然后用蒸馏水将根系冲洗3 遍，用吸水纸吸干水分，再杀青，并烘干。 将烘干的根系和地上部取出，称量干重，两者相加记作总生物量，取下植株穗上的籽粒并称重，记作籽粒产量，籽粒进一步脱壳，分为精米和颖壳。分别将根、茎叶、精米和颖壳粉碎，过0.25 mm 尼龙筛，供化学分析用。

采用硝酸、硫酸、高氯酸三酸消煮，比例为1∶1∶8 消煮植株样品，称样品0.5 g 左右，置于50 ml三角瓶中，加入10 ml 混合酸，冷消化过夜。次日，将烧杯置于电热板上，先低温（100 ℃左右）消煮1 h，后高温（200 ℃左右）砂浴消化至溶液颜色变为无色并冒白烟后， 再继续蒸发至体积2 ml 左右，冷却，加20%稀硝酸2 ml，溶解沉淀，定容至25 ml 容量瓶。消煮液中Cd 含量用等离子发射光谱仪ICP-OES（VISTA-MPX，USA）测定［10-11］。

2 结果与讨论

2.1 水稻根系中Cd 与Cu、Fe、Si、Zn 元素之间的关系

在测定水稻根系中Cd 含量的同时， 也对水稻不同部位中的Cu、Fe、Si、Zn 含量进行了测定，以方便分析Cd 与Cu、Fe、Si、Zn 元素之间的关系。如图1 所示， 可以看出水稻根系中Cd 与Cu、Fe、Si、Zn 元素间均存在线性关系， 其中与Fe、Cu 之间成显著正相关关系， 相关系数分别为：0.73、0.71；与Si 成显著负相关关系，相关系数为：0.46；而与Zn 关系不显著， 但Cd 与Zn 间有一定的正相关趋势。

通过相关系数可以得出，在水稻生长过程中，根系部位首先从土壤中吸收养分及各种元素，在吸收的同时， 由于元素之间存在的协同及拮抗作用，导致对某种元素的吸收或多或少的受到影响。由图1 可见，Cd 与Cu、Fe 表现为协同作用， 即吸收Cd 的同时促进对Cu、Fe 的吸收， 但这种促进作用并不是所有的品种都符合这样的趋势， 同时也受不同水稻品种的基因型影响形成并不促进反而抑制的作用。 Cd 与Si 表现为拮抗作用，即吸收Cd 的同时降低了对Si 的吸收， 或者可以说成吸收Si 的同时降低了对Cd 的吸收， 而这种拮抗作用也正是国内外学者改良Cd 污染土壤， 降低Cd污染危害的一个方向， 以施加硅肥的方式最为普遍［12-16］。 Cd 与Zn 的相关性并不显著，不能明确说明Cd 与Zn 之间的关系，但表现出的趋势为协同作用，由于同为二价阳离子，在水稻吸收的同时两者共同吸收并相互影响不大， 因此表现出一定的协同作用也可以解释。

2.2 水稻茎叶中Cd 与Cu、Fe、Si、Zn 元素之间的关系

如图2 所示， 水稻茎叶中其Cd 含量与Cu、Fe、Si、Zn 含量之间同样存在线性关系，但均不显著，相关系数分别为：0.45、0.40、0.19、0.07。同时相关的趋势并没有太大的变化， 同样Cu、Fe 与Cd之间表现出正相关的趋势， 而Si 与Cd 之间表现出负相关趋势，Zn 则表现出偏向为负相关的趋势。

虽然在水稻根系中各元素间表现出了明显的协同作用和拮抗作用， 但随着水稻根系的吸收固定了大量的元素，向茎叶中的迁移量减少，因此在茎叶中不仅Cd 含量减少，同时Cu、Fe、Si、Zn 的含量也显著减低。 并且由于不同品种水稻的基因型不同， 对各种元素的喜好不同导致对不同元素的吸收量也不相同，进而影响了Cd 与Cu、Fe、Si、Zn含量的关系，并没有表现出显著的趋势，但根据大致的趋势可以看出，Cd 与Zn 之间已有一定的变化，由根系中的正相关趋势转变为负相关的趋势，这一点变化的原因并不明确， 但可以看出Cd-Zn之间已经体现出拮抗作用的趋势［17-19］。

2.3 水稻籽粒中Cd 与Cu、Fe、Si、Zn 元素之间的关系

如图3 所示，水稻籽粒中Cd 与Cu、Fe、Si、Zn元素之间同样存在线性相关关系， 但显著性发生一定变化，相关系数分别为：0.60、0.17、0.55、0.52。Cd 与Cu 表现为显著正相关，Cd 与Si、Zn 表现为显著负相关，Cd 与Fe 关系并不显著，但表现为正相关趋势。

经过茎叶的积累， 进入水稻籽粒的各种元素的含量进一步减少， 但各种元素间所表现出的相关性也发生了一定变化。 尤其表现为Cd 与Zn 之间的变化，由根系中的正相关趋势，到茎叶中的负相关趋势，再到籽粒中的显著负相关趋势，逐渐的变化表现出更为明显的拮抗作用， 这种作用也与国内外学者的研究结果相似， 虽然这种拮抗作用并未达成共识， 尤其在不同作物间表现的结果各不相同， 但在水稻体内表现的拮抗作用却被大量报道。而在水稻各部位间表现出的变化鲜有报道，分析这种变化的原因， 可能是由于在水稻吸收元素后向上迁移的过程中各种元素被不断固定，导致各种元素的迁移量不断减少， 同为二价阳离子的Cd 与Zn 在向上部迁移的过程中形成了竞争，进而导致进入籽粒中的含量发生变化， 因此形成了Cd-Zn 拮抗作用的不断加剧，最终在籽粒中表现最为明显［20］。

3 小结

本研究表明，Cd 与Cu、Fe、Si、Zn 元素之间存在相关的线性关系， 并且这种线性关系在水稻的不同部位表现也不尽相同。Cd 与Cu、Fe 在水稻的不同部位均表现为正相关关系， 虽然显著性发生变化，但正相关的趋势没有变化。 而与Si 则恰恰相反， 在水稻的不同部位均表现为负相关关系，虽然显著性发生变化， 其负相关趋势没有变化。与Zn 在水稻的不同部位表现出的相关性变化最大，在根系中表现为正相关趋势，在茎叶中表现为负相关趋势，而在籽粒中则表现为显著负相关趋势， 这种变化也逐渐加剧了Cd-Zn 间的拮抗作用。

由此可见， 根据水稻不同部位中Cd 与Cu、Fe、Si、Zn 元素之间的关系，我们可以推测不同品种水稻吸收Cd 的差异的原因。 由于不同基因型水稻对Si、Zn 两种元素的喜好不同， 一些品种的水稻表现为大量吸收Si、Zn 两种元素中的一种或两种， 而另外一些品种的水稻则表现为大量吸收Cu、Fe 两种元素中的一种或两种，因此根据Cd 与Cu、Fe、Si、Zn 元素之间的关系， 表现为协同作用的则增加了Cd 在水稻体内的积累， 而表现为拮抗的则抑制了Cd 在水稻体内的积累， 进而表现出不同品种水稻对Cd 吸收的差异， 因此可以说这种差异产生的原因与不同品种水稻吸收Si、Zn元素的能力有关。 刘敏超研究发现不同的水稻基因型品种其根表形成的铁锰氧化物胶膜数量不一样，导致不同水稻品种吸收镉量存在显著性差异；李正文研究发现不同品种水稻对Cu 和Cd 的吸收积累有同步的趋势，而高Si 品种显示出抑制重金属Cu 和Cd 积累的倾向；龚伟群研究表明水稻在吸收Cd 的同时在排斥对Zn 的吸收，受土壤类型、Cd 污染水平和水稻品种基因型的影响。 以上研究均可表明不同品种水稻吸收镉的差异与Cd同其他元素间的相互作用有关， 这就要求我们在筛选低镉积累水稻的同时也要注意该品种对其他元素的吸收能力的大小。

图3 籽粒中Cd 与Cu、Fe、Zn、Si 相关性

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