外源Mg2+对不同水稻品种苗期Cd2+吸收转运特性的影响

普天贇， 何腾兵，， 滕 浪， 付天岭， 高珍冉， 秦 松， 罗德强

(1.贵州大学农学院， 贵阳 550025； 2.贵州大学新农村发展研究院， 贵阳 550025；3.贵州省农业科学院土壤肥料研究所， 贵阳 550025；4.贵州省农业科学院水稻研究所， 贵阳 550025)

水稻(OryzasativaL.)、小麦(TriticumaestivumL.)等禾谷类作物籽粒中易积累Cd，水稻在低Cd2+浓度下表现出比高Cd2+浓度下更高的Cd积累潜力[1]，容易丧失食用价值，且水稻对Cd2+有较强的生理耐受能力和富集能力，因而水稻籽粒中的Cd积累量常常较高，成为“毒大米”。莫争等[2]研究发现，重金属中Cd2+在水稻中的转移能力最强，在水稻植株不同部位的积累分布依次为：根部>根基茎>主茎>穗>籽实叶部，而在Cd2+胁迫下会影响水稻对Ca2+、K+和Mg2+的吸收。许多离子如Mg2+、Ca2+、Mn2+、Fe2+、Cu2+和Zn+等可以抑制Cd2+在植物体内的转移[3-4]，且外源添加N、Mg、P、S和Se能减轻Cd对某些酶和组织的有害影响[5]，从而达到缓解Cd2+胁迫的作用；也有研究表明，Cd2+诱导的根毛细胞膜电位的去极化，不仅减弱了阳离子摄取的驱动力，还可部分阻断Ca2+和K+的内向电导，从而降低K+和Ca2+的摄取[6]；但是否阻碍水稻对Mg2+的摄取需要证实。植物中Mg2+和Cd2+胁迫之间的关系复杂。研究表明，增加或减少水培植物的Mg2+供应可以减轻Cd的毒害[7]；但在缺Mg2+条件下水稻幼苗的上部和根部Cd含量高于正常生长的水稻幼苗[8]；也有研究认为，水稻种子在Cd2+胁迫下添加Mg2+诱导并促进植物生长使根系与芽中的Cd积累减少[9]。但从相关研究报道中很难得出关于Mg2+影响水稻吸收和转运Cd2+的一致性结论。

贵州属于高Cd地球化学背景区，土壤中Cd平均含量为0.659 mg·kg-1[11]，且贵州大部分属喀斯特地区，土壤中富含Ca2+、Mg2+、CO32-/HCO3-、SO42-、NO2-等[12-14]，特别是水中的Ca2+、Mg2+占主导地位[15-16]。田茂苑[17]研究发现，黄壤性水稻土和红壤性水稻土Cd污染风险格局与稻米Cd污染风险格局能够很好的重合，但石灰土性水稻土受Cd污染风险最大，而稻米受Cd污染的风险却较小，呈现出水稻土Cd污染风险格局与稻米Cd污染风险格局的不一致性。畅凯旋等[18]研究表明，喀斯特地区稻米Cd超标率较低，且喀斯特地区中性土壤Cd的有效态占比较低，从而降低水稻对Cd的吸收，但未指明喀斯特地区Mg2+对水稻Cd2+吸收的影响；也有研究表明，施用含Mg材料的调理剂与肥料能够降低水稻根系对Cd2+的吸收，可有效地降低水稻籽粒中Cd的含量[19-20]。因此本研究模拟喀斯特地区土壤与稻田灌溉水中不同浓度的Mg2+含量，进一步探讨Mg2+能否降低水稻苗期对Cd2+的吸收。目前研究大多集中在不同浓度Cd2+长期(15～42 d)胁迫下水稻Cd含量的差异[21-22]，本研究采用本地常栽种的水稻品种[23]红优2号、黑糯72与杂交品种C两优华占、宜香优2115相对比，探究在短期胁迫(7 d)下水稻幼苗各部位Cd含量受不同浓度Mg2+影响的动态变化过程以及在两种Cd2+浓度胁迫下添加不同浓度Mg2+对水稻苗期根系Cd2+吸收及转运的影响，探讨在短期镉胁迫下添加外源Mg2+对水稻Cd2+吸收的机理，为非喀斯特地区施用含Mg2+材料修复治理不同程度Cd污染稻田土壤提供理论依据，也为贵州Cd地质高背景环境下筛选低富集Cd的水稻品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试水稻品种为籼稻：红优2号、宜香优2115、C两优华占；粳稻：黑糯72。其中红优2号与黑糯72为贵州本地选育品种，C两优华占为两系杂交品种，宜香优2115三系杂交品种；水稻种子与幼苗均由贵州省农业科学院水稻研究所提供。

1.2 试验设计

1.2.1水稻幼苗的培育

取籽粒饱满且大小相当的4个水稻品种种子若干，用10%的H2O2消毒浸泡15 min，用超纯水反复冲洗5～8遍后继续用超纯水浸泡24 h(期间换水4次)，将种子均匀铺洒在滤纸上并放入28 ℃的恒温电热培育箱中避光催芽萌发，1 d后将露白萌发的种子转移至温度为25 ℃、相对湿度为95%的人工气候室内避光培养48 h。将水稻幼苗转移至装有1/4水培营养液[24]的水培箱中继续培养，幼苗间隔一定的距离，以保证有足够生长空间。待水稻幼苗长至3叶1心时选择出长势一致的水稻秧苗进行水培试验处理。

1.2.2水培试验

水培试验于2019年6月12日至2019年6月19日进行，水稻秧苗在贵州省农业科学院水稻研究所温室大棚中进行水培，植株在昼夜温度为35 ℃和20 ℃，相对湿度为60%～70%的避雨环境下生长。采用国际水稻研究所提供的水培营养配方培养，处理所用试剂为分析纯氯化镉(CdCl2)、氯化镁(MgCl2)。水培容器为1 000 mL棕色广口瓶，瓶口用定植棉固定。选择长势一致的3叶1心的水稻秧苗，用蒸馏水清洗根系后移栽至装有1 L营养液的广口瓶中，每瓶有4株幼苗，每2 d用NaOH与HCl调节pH值至5.75，设置2个Cd2+浓度(1 mg·kg-1、2 mg·kg-1)(简称为：Cd 1、Cd 2)，4个Mg2+浓度(0、0.5、1、2 g·kg-1)(简称为：Mg 0、Mg 1、Mg 2、Mg 3)，在2个Cd离子水平下添加4种不同浓度Mg2+培养，1个空白对照(Cd 0 Mg 0)，共计9个处理(Cd 0 Mg 0,Cd 1 Mg 0,Cd 1 Mg 1,Cd 1 Mg 2,Cd 1 Mg 3,Cd 2 Mg 0,Cd 2 Mg 1,Cd 2 Mg 2,Cd 2 Mg 3)，每个处理重复3次。每2 d更换一次营养液，每次更换营养液添加相应Mg2+与Cd2+处理，共换3次营养液，培养7 d。

图1 不同水稻品种幼苗胁迫第3天长势情况

1.3 样品采集与分析

在水稻苗期取水稻植株样品(每瓶取2株)，先用自来水小心清洗根系，再将水稻根系用0.02 mol·L-1的EDTA溶液浸泡15 min，除去根表Cd2+，用超纯水冲洗整个水稻植株3次，吸干水分，然后将水稻根系、叶鞘、叶片分开，称取鲜重后在110 ℃下杀青再在70 ℃下烘干至恒重，粉碎并过100目筛。植物中Cd含量用HNO3-H2O2消解，用原子吸收分光光度计(ICE-3500)测定Cd含量，每个样品重复3次，同时质控样为芹菜标准物质(GBW 10048)。试验过程中均使用优级纯药品与超纯水。

1.4 数据处理

叶鞘-根系转移系数(TF叶鞘-根)=叶鞘中Cd含量/根系Cd含量；

叶片-叶鞘转移系数(TF叶片-叶鞘)=叶片中Cd含量/叶鞘Cd含量；

分配系数=(各器官Cd的累积量/整个植株Cd累积量)×100%。

试验数据为3次重复平均值，采用Microsoft Excel 2010软件和SPSS 22.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 Mg对苗期水稻根系、叶鞘及叶片Cd2+吸收的影响

由图2可知，在Cd 1与Cd 2胁迫下，各品种水稻根系对Cd2+的吸收能力为：贵州本地水稻品种<杂交水稻品种，添加Mg2+对红优2号和C两优华占根系Cd2+吸收C两优在Cd 2中呈下降趋势，而黑糯72和宜香优2115根系对Cd2+的吸收则呈降低趋势，且黑糯72的根系对Cd2+的吸收能力比其他品种弱。在Cd 1与Cd 2浓度胁迫下，添加不同浓度Mg2+处理水稻根系对Cd2+吸收的差异均到达显著水平(p<0.05)，在Cd 1 Mg 3处理时各品种水稻根系中的Cd含量大小为：C两优华占>红优2号>宜香优2115>黑糯72，与Cd 1 Mg 0相比分别下降25.66%、40.81%、69.97%及70.17%；在Cd 2 Mg 3处理下各品种水稻根系中Cd含量大小为：C两优华占>红优2号>黑糯72>宜香优2115，与Cd 2 Mg 0相比分别下降43.91%、51.27%、68.19%及76.65%。综上所述，Cd2+胁迫下添加Mg2+能够降低根系对Cd2+的吸收，且在高Cd2+浓度(Cd 2)水平下，相同Mg2+浓度处理，水稻根系中Cd2+含量下降幅度要比低Cd2+浓度水平(Cd 1)下的要大，即高Cd浓度胁迫下添加Mg2+使水稻根系中Cd含量下降效果最好。综上，Cd2+胁迫下添加Mg2+能够降低水稻幼苗根系对Cd2+的吸收。

图2 在Cd2+胁迫下Mg2+对水稻幼苗根系Cd2+吸收的影响

由图3可知，在Cd 1和Cd 2胁迫下，各品种水稻叶鞘对Cd2+的吸收能力为：贵州本地水稻品种<杂交水稻品种，在Cd 1胁迫下，红优2号叶鞘中Cd含量随着Mg2+浓度的增加呈先增后降的趋势，其他品种Cd含量则随着Mg2+浓度的增加而逐渐减少。在Cd 1 Mg 3处理下各水稻叶鞘Cd含量大小为：C两优华占>宜香优2115>红优2号>黑糯72，与Cd 1 Ca 0相比分别降低47.37%、52.97%、33.30%、58.67%，在Cd 2 Mg 3处理下各水稻叶鞘Cd含量大小为：黑糯72>红优2号>宜香优2115>C两优华占，与Cd 2 Ca 0相比分别降低48.16%、48.13%、60.78%、75.51%。综上，Cd2+胁迫下添加Mg2+能够降低水稻叶鞘中Cd的含量，且在高Cd2+浓度水平(Cd 2)下，相同Mg2+浓度处理水稻叶鞘中Cd含量下降幅度要比低Cd2+浓度水平(Cd 1)下的大，即高Cd2+浓度胁迫下添加Mg2+水稻叶鞘中Cd含量下降效果最好。

图3 在Cd2+胁迫下Mg2+对水稻幼苗叶鞘Cd2+吸收的影响

由图4可知，水稻叶片中Cd含量在Mg 1处理下本地品种低于杂交品种，但在Mg 2、Mg 3处理下各个水稻品种叶片中的Cd含量相差不大。在添加Mg2+后，各处理水稻叶片中Cd的含量与Cd 1 Mg 0、Cd 2 Mg 0相比均显著下降，且随着Mg2+浓度的增加而降低，分别在Cd 1 Mg 3与Cd 2 Mg 3时，下降幅度最大。在Cd 1 Mg 3处理下水稻叶片Cd含量：黑糯72>宜香优2115>C两优华占>红优2号，与Cd 1 Mg 0相比分别下降36.08%、60.59%、72.85%、53.22%；在Cd 2 Mg 3处理下水稻叶片Cd含量：黑糯72>宜香优2115>红优2号>C两优华占，与Cd 2 Mg 0相比分别下降56.31%、63.35%、52.67%、75.52%。综上，在Cd2+胁迫下Mg2+能够降低水稻叶片中Cd含量。在高浓度Cd2+(Cd 2)胁迫下添加Mg2+使水稻叶鞘中Cd含量下降效果最好。

图4 在Cd2+胁迫下Mg2+对水稻幼苗叶片Cd2+吸收的影响

2.2 Mg对苗期水稻各器官Cd分配差异的影响

由图5可知，在两种不同浓度Cd2+的胁迫下，所有品种水稻苗期各器官Cd的分配系数表现为根>叶鞘>叶片，说明水稻植株吸收的Cd主要分配于根中(>40%)，其次为叶鞘、叶片(<15%)。在Cd 1、Cd 2的胁迫下，随着Mg2+浓度的升高，水稻品种C两优华占的根部Cd分配比也逐渐升高，而地上部分的Cd的分配系数却呈下降趋势，说明植株内的Cd更多的积累于地下部；水稻品种红优2号在Cd 1胁迫下随着Mg2+浓度的升高，其根部Cd分配系数变化较为稳定，且在Cd 2胁迫下其根部Cd分配系数随着Mg2+浓度的升高变化不大，说明Mg2+对红优2号植株体内Cd的分配影响很小；但通过观察水稻品种黑糯72的Cd分配比例可以发现，在Cd 1、Cd 2的胁迫下，随着Mg2+浓度的升高，水稻根部的Cd分配比例呈下降趋势，说明植株内的Cd更多的积累于地上部。

图5 4个水稻品种不同器官Cd的分配系数

本研究发现，在Cd胁迫下，黑糯72、宜香优2115和C两优华占根部Cd分配系数明显低于红优2号，但黑糯72叶片的Cd分配系数明显高于其他水稻品种叶片的Cd分配系数。不同水稻品种苗期所吸收并积累在植株中的Cd在各个器官的分配比例存在显著差异，产生这样的结果可能是不同的水稻品种对Cd胁迫的耐受度存在差异，即表现在水稻通过调节Cd在其各器官的分布以降低Cd对根部胁迫压力的能力差异上。

2.3 Mg对Cd在水稻苗期各器官转移系数的影响

重金属转移系数可以体现重金属从植物根部向地上部的转移特性，即反映出植株向地上各个器官运输重金属的能力，转移系数越大，说明重金属在植株中的转移能力越强。如表1、表2所示，在两种浓度Cd2+胁迫下，随着加入的Mg2+浓度增加，品种红优2号、黑糯72以及宜香优2115的叶鞘-根系转移系数呈递增趋势，在Cd 1胁迫下转移系数分别增加了13.63%、62.30%和57.81%；在Cd 2胁迫下转移系数分别增加了4.08%、66.7%和68.52%，而C两优华占则相反，各器官转移系数都在逐渐降低，在Cd 1和Cd 2胁迫下分别下降了40%和56.79%；在两种浓度Cd2+胁迫下，随着加入的Mg2+浓度增加，品种红优2号、C两优华占以及宜香优2115的叶片-叶鞘系转移系数呈递减趋势，在Cd 1胁迫下转移系数分别降低了35.35%、50.00%和14.29%；在Cd 2胁迫下转移系数分别降低了0.90%、12.00%和4.55%，而黑糯72在Cd 1胁迫下叶片-叶鞘系转移系数下增加了62.30%，在Cd 2胁迫下减少14.86%。

从表1、表2可以看出，各品种水稻幼苗的叶鞘-根系转移系数均大于叶片-叶鞘转移系数，说明Cd在水稻植株的转移中，Cd主要集中分布在水稻根部，在向地上部转移的过程当中，转移到水稻叶片部位的Cd要比转移到叶鞘中的少，且4个水稻品种中，黑糯72对Cd的转移能力最强，红优2号对Cd的转移能力最弱，也验证了上一节中Mg2+对红优2号植株体内Cd的分配影响很小，而黑糯72内的Cd更多的积累于地上部的结论。但Mg2+对水稻C两优华占Cd的转移影响最大，抑制了Cd2+由根系向地上部的转移。

表1 红优2号与黑糯72不同器官Cd的转移系数

表2 C两优华占与宜香优2115不同器官Cd的转移系数

由表3可知，添加不同浓度的Cd2+，水稻根系与叶鞘中Cd积累量呈显著正相关，不同水稻品种间相关性大小关系为宜香优2115>黑糯72>红优2号>C两优华占，其中宜香优2115根系与叶鞘的相关系数最大(R2=0.966 9)，说明添加Mg2+能有效促进宜香优2115根系中的Cd2+向叶鞘中转移，但对C两优华占(R2=0.806 9)根系中Cd2+向叶鞘中转移的促进作用最小。

表3 不同水稻品种根部与叶鞘中Cd含量相关性分析

2.4 Mg对苗期不同水稻品种各器官中Cd含量相关性

由表4可知，添加不同浓度的Cd2+，4个水稻品种的叶鞘与叶片中的Cd含量呈显著正相关，与水稻根系与叶鞘中Cd积累量呈显著正相关有一致性。不同水稻品种间的相关性强弱为宜香优2115(R2=0.978 7)>黑糯72(R2=0.911 6)>C两优华占(R2=0.895 9)>红优2号(R2=0.840 7)，说明Mg2+对宜香优2115叶鞘中Cd向叶片中转移的促进作用最强，对C红优2号的促进作用最弱。由此得出，Mg2+能够增加宜香优2115叶鞘中Cd2+向叶片转移的移动性，增加水稻叶片中Cd的含量，Mg2+能有效促进宜香优2115中的Cd2+向叶片中移动性，增加了水稻地上部Cd风险，与其他水稻品种相比，Mg2+对C两优华占Cd2+移动的促进性最弱，使得C两优华占的大部分Cd积累在根系中，叶鞘与叶片中的Cd风险较小，也验证了红优2号对Cd2+的转移能力最弱的结论。

表4 不同水稻品种叶鞘与叶片中Cd含量相关性分析

3 讨 论

水稻对Cd2+的吸收主要通过质外体途径与共质体途径进入根系维管柱中，其中质外体途径属于被动运输，随着Cd2+浓度差异的增加，被动吸收越多[19-20]，本试验结果与之一致；而共质体途径则属于主动运输，通过能量代谢使钙载体蛋白进入植物根系，最后通过胞间连丝进入根系维管柱中，需要消耗大量能量[21]。李延等[22]研究发现，水稻根、茎、叶不同部位的含Mg量与供Mg2+浓度呈正相关关系；Ding等[23]还发现，Mg2+具有较高的水化半径，Mg2+和其他阳离子如K+、Ca2+、Mn2+、和Al3+等有拮抗作用而产生阳离子竞争关系，可以推测Mg2+与Cd2+半径相近且电性相同，共同竞争水稻根系的离子吸附位点，从而降低水稻对Cd2+的吸收。

本试验中，在2种Cd2+浓度胁迫下通过外源增加Mg2+可显著降低Cd2+在水稻幼苗根系和地上部器官中的含量，因此推测在Cd胁迫下Mg2+降低水稻对Cd2+的吸收能力主要有3个原因，第一是Cd2+与Mg2+相互竞争能量，Cd2+和Mg2+在主动运输过程中消耗了大量能量从而减少了对镉的吸收；第二是Cd2+与Mg2+竞争离子吸附点，Mg2+与Cd2+因半径相近电性相同，共同竞争水稻根系离子吸附位点，降低水稻对Cd2+的吸收；第三是Cd与Mg竞争非选择性阳离子通道，减少对Cd2+的吸收并且减弱Cd在水稻各器官中的转移能力[30]。

在2种Cd2+浓度胁迫下，苗期中4个品种水稻的各器官对Cd的富集量的大小表现为：根系>叶鞘>叶片，这与赵步洪[25]，范中亮等[26]的研究结果相一致，且水稻根系中所积累的Cd含量占水稻所吸收Cd2+总量的45%～90%[27]，但不同浓度Cd2+处理下，水稻各器官中Cd含量在品种间存在显著差异[34]。

Liu J等[35]研究表明，籼稻茎叶和籽粒中Cd含量普遍高于粳稻，其中糙米中Cd含量呈现籼型杂交稻>粳型杂交稻>常规籼稻>常规粳稻[36]。说明水稻品种对Cd2+的吸收能力为杂交稻>常规稻，籼稻>粳稻，本研究的结果与之一致，说明不同水稻品种对Cd的耐受性存在差异。本研究还发现，外地杂交水稻品种在相同Cd2+浓度胁迫下比贵州本地水稻品种各部位Cd含量高，本地品种水稻根系Cd含量为红优2号>黑糯72，但黑糯72叶鞘与叶片中的Cd含量均为最高，说明在黑糯72根系中Cd易向地上部位转移，杂交品种根系、叶鞘及叶片Cd含量均显示C宜香优2115>C两优华占，说明各水稻品种之间Cd的吸收分配特点有差异。此外，还发现了一个相关联的因果关系：Mg2+对杂交水稻C两优华占Cd2+移动的促进性最弱，且在Cd2+胁迫下添加Mg2+后根系的分配比例提高，使得大部分Cd积累在根系中，也导致Cd2+从根系到地上部的转移能力减弱，即叶鞘-根系、叶片-叶鞘转移系数在逐渐下降，从而该品种水稻叶鞘与叶片中的Cd含量相较于其他三个水稻品种最少，地上部Cd风险也最小。本研究还发现，水稻各器官Cd转移系数与Mg处理浓度无显著相关性，这与龙小林等[37]的结论相一致，说明Cd向叶片的转运能力主要是由水稻品种的基因型决定，受Cd2+胁迫等环境因素影响较小。

4 结 论

在Cd2+胁迫下，Mg2+能够显著降低水稻根系、叶鞘及叶片中Cd含量，且在添加2 mg·kg-1浓度的Mg2+处理下降低Cd含量的效果最为显著。在Cd2+胁迫下各水稻品种对Cd的吸收能力有明显差异，吸收强弱关系为：C两优华占>红优2号>宜香优2115>黑糯72，杂交品种比本地品种对Cd的吸收能力强。水稻根系、叶鞘及叶片中Cd含量关系为：根系>叶鞘>叶片，且根系对叶鞘及叶片中Cd与Mg含量均有显著影响。