水稻品种对镉砷累积的差异研究

吕本春,杨志新,付利波,陈检锋,尹 梅,陈 华,王 伟,王应学,王志远,杨 伟,苏振喜

(1.云南省农业科学院农业环境资源研究所,昆明 650205;2.云南农业大学资源与环境学院,昆明 650201;3.昆明市农产品质量安全中心,昆明 650118;4.云南省农业科学院粮食作物研究所,昆明 650205)

【研究意义】水稻是世界上最重要的粮食作物之一,中国有60%以上的人口以稻米为主食。中国耕地土壤点位超标率为19.4%,其中土壤As、Cd超标率分别达2.7%、7.0%[1]。与其他谷类作物相比,水稻似乎具有更高的Cd和As积累能力[2]。云南矿产资源丰富,土壤重金属污染问题较为严峻,因此低累积Cd、As水稻品种的筛选有利于实现当地农田水稻的安全生产与利用。【前人研究进展】有研究表明,水稻吸收Cd的最大速度分别是小麦和玉米的6.5和2.2倍,水稻是吸收Cd能力最强的作物之一[3],而由于其特殊的淹水生长环境,水稻比其它粮食作物更容易在籽粒中吸收和积累As[2]。随着环境污染的日益加剧,湖北、湖南、江西和四川等地都有Cd和As污染的相关报道[4]。在湖南、广西和四川等中西部省份,水稻土中Cd的平均浓度分别高达0.73、0.70和0.46 mg/kg[5]。而在吉林、湖南和江西等省份发现糙米中As的平均浓度超过了风险筛选值[6]。张慧娟等[7]研究表明水稻吸收累积重金属具有品种和种质遗传差异,且不同基因型水稻品种对Cd、As吸收也存在显著差异。李坤权等[8]研究结果发现,籼型水稻籽粒中Cd的浓度显著高于粳型水稻。蒋彬等[9]研究发现全国不同地区的水稻品种籽粒Cd、As含量存在极显著的基因型差异,同时筛选出一系列低Cd、As水稻品种。单天宇等[10]研究发现在参试的6个水稻品种中,金优268籽粒Cd、As含量均最低,分别为0.05、0.31 mg/kg。柳赛花等[11]通过综合BLUP值筛选出镉砷同步低累积最优品种Y两优19。因此,可通过种植和筛选水稻品种,来减少水稻籽粒中Cd、As含量。【本研究切入点】稻田土壤环境中Cd、As的化学行为与生物有效性的变化相反,同时水稻对Cd、As的吸收积累也存在较大差异[12]。当前Cd低积累水稻品种筛选的研究较多,但对于Cd、As低积累水稻品种筛选和改良的研究却很少,且对影响水稻品种Cd、As积累差异性的内外机理尚不明确。【拟解决的关键问题】从先前研究中选出10个在当地种植后适应性强、推广面积大、品质好的引进品种,结合当地水稻种植制度进行水稻重金属Cd、As筛选试验,旨在明确不同水稻品种对Cd、As响应的差异,同时筛选出低积累Cd、As水稻品种,为当地水稻生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地点位于云南省东川区(102°47′～103°18′E,25°57′～26°32′N)。年平均气温25 ℃,年平均降水量600～700 mm,试验土壤为冲积土。土壤基本理化性质:pH 8.29,有机质含量33.89 g/kg,碱解氮含量110.44 mg/kg,有效磷含量15.19 mg/kg,速效钾含量76.52 mg/kg,全氮含量2.15 g/kg,全磷含量1.25 g/kg,全钾含量30.39 g/kg,阳离子交换量3.53 cmol/kg,土壤中Cd含量1.34 mg/kg,有效态Cd含量0.60 mg/kg,土壤中As含量21.10 mg/kg,有效态As含量1.31 mg/kg。用《土壤环境质量标准》(GB 15618—2018)进行测定,土壤中重金属Cd、As含量筛选值在本研究区域分别为0.8、20 mg/kg,Cd、As分别超标1.68、1.06倍,故属于轻度重金属Cd、As复合污染稻田土壤。

供试水稻品种共10个(表1),均为当地种植适应性强、推广面积大、品质好的引进品种,供试水稻品种由云南省农业科学院环境资源研究所提供。

1.2 试验设计

采用大田试验,研究上述10个水稻品种对Cd、As吸收与积累的影响,试验田共有10个水稻处理,采用随机区组排列,每个品种3次重复,共30个小区,每个小区种植156穴,行间距30 cm×30 cm,小区面积3 m×4 m=12 m2,试验田四周设保护行,保护行栽插对应小区品种,小区间、小区与保护行间留操作走道。

试验于2020年4月13日播种育秧,5月14日同规格移栽,9月4日采集稻谷样品,9月5日收割。田间管理按大田常规操作进行。

1.3 样品采集与测定方法

采用5点取样法采集0～20 cm表层土壤样品,土样自然风干后,研磨、过筛备用。土壤全Cd含量采用HCl-HNO3-HF-HClO4进行4酸消解,原子吸收分光光度法测定[11];土壤全As含量采用王水进行消解,原子荧光分光光度法测定[11];土壤有效Cd采用0.01 mol/L CaCl2浸提,用石墨炉原子吸收分光光度法测定[13];有效As采用0.5 mol/L NaHCO3浸提后用原子荧光分光光度法测定[13]。

水稻收获期采集样品,在每个小区中随机选取3株水稻。植株样品用清水冲洗干净后,再用去离子水洗净,将植株根系、茎叶、谷壳、糙米分离,在105 ℃烘箱杀青30 min,75 ℃烘箱烘干至恒重,称量质量,粉碎备用。植株全Cd含量采用HNO3-HClO4进行2酸消解,石墨炉原子吸收分光光度法测定;植株全As含量采用HNO3-HClO4-H2SO4进行消解,原子荧光分光光度法测定。

1.4 数据处理

Cd或As累积量=水稻各部位生物量×各部位Cd或As金属含量

Cd和As在不同器官下转运系数的计算公式为:

TF糙米/谷壳=糙米含量/谷壳含量

TF糙米/茎叶=糙米含量/茎叶含量

TF茎叶/根=茎叶含量/根含量

采用Microsoft Excel 2021软件进行所有数据的平均值、标准差处理,不同品种之间指标差异采用Duncan新复极差法检验(P<0.05)。相关性分析采用SPSS 26.0软件进行,并利用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种的农艺性状

由表2可知,对于农艺性状而言,不同水稻品种差异显著。不同水稻品种产量最大值为最小值的2.91倍,株高最大值为最小值的1.17倍,千粒重最大值为最小值的1.40倍,结实率最大值为最小值的1.24倍。在所有水稻品种中,中浙优8号农艺性状最优。

表2 供试水稻品种农艺性状Table 2 Agronomic characters of the tested rice cultivar

2.2 不同水稻品种生物量

由图1可知,不同水稻地上部和地下部生物量差异显著。地上部生物量最大值是其最小值的2.12倍,地下部生物量最大值是其最小值的2.47倍。整体上,水稻地上部分生物量大于地下部分生物量,且中浙优8号地上部分和地下部分生物量均最大。

2.3 不同水稻品种各器官Cd和As含量差异

从图2～3可知,不同水稻品种各器官Cd、As含量差异显著,Cd在水稻体内含量排序总体上为根>谷壳>茎叶>糙米。而As在水稻体内的含量排序总体上为根>茎叶>谷壳>糙米。

图2 水稻品种不同器官Cd含量Fig.2 Cd content in different tissues of rice cultivars

根部Cd含量范围和平均值分别为0.061(MHLY177)～0.136(YHJ7)mg/kg和0.099 mg/kg,品种之间根部Cd含量最大值为最小值的2.23倍。根部As含量范围和平均值分别为34.67(ZZY1)～70.22(QY676)mg/kg和48.64 mg/kg,品种之间根部As含量最大值为最小值的2.03倍。

茎叶Cd含量范围和平均值分别为0.008(ZZY1和MHLY177)～0.028(YHJ2)mg/kg和0.014 mg/kg,品种之间茎叶Cd含量最大值为最小值的3.50倍。茎叶As含量和平均值分别为4.26(ZZY8)～8.23(YHJ2)mg/kg和5.65 mg/kg,品种之间茎叶As含量最大值为最小值的1.93倍。

柱上不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05),下同。Different lowercase letters above the bars indicate significant differences among treatments(P<0.05).The same as below.图1 水稻品种地上部和地下部生物量Fig.1 Biomass of shoot and root of rice cultivars

谷壳Cd含量范围和平均值分别为0.057(YHH1)～0.074(YHJ2)mg/kg和0.063 mg/kg,品种之间谷壳Cd含量最大值为最小值的1.30倍。谷壳As含量范围和平均值分别为1.60(ZZY1)～2.37(YHJ2)mg/kg和1.84 mg/kg,品种之间谷壳As含量最大值为最小值的1.48倍。

糙米Cd含量范围和平均值分别为0.005(YHJ2和YHJ3)～0.020(ZZY10)mg/kg和0.011 mg/kg,品种之间糙米Cd含量最大值为最小值的4.0倍。糙米As含量范围和平均值分别为0.158(ZZY8)～0.215(YHX3)mg/kg和0.187 mg/kg,品种之间糙米As含量最大值为最小值的1.36倍。在参试水稻的品种中,糙米Cd含量均未超过国家食品安全标准(≤0.2 mg/kg),而YHX3、YHJ7和YHJ3糙米中As含量超过国家食品安全标准(>0.2 mg/kg)。

2.4 不同水稻品种各器官Cd和As累积量差异

从图4～5可知,不同水稻品种各器官Cd、As累积量差异显著。Cd在水稻体内的累积量总体上为谷壳>茎叶>根>糙米。As在水稻体内的累积量总体上为根>茎叶>谷壳>糙米。

图4 水稻品种不同器官Cd累积量Fig.4 Cd accumulation in different tissues of rice cultivars

根部Cd累积量范围和平均值分别为0.31(MHLY177)～1.38(ZZY8)μg/株和0.71 μg/株,品种之间根部Cd累积量最大值为最小值的4.45倍。根部As累积量范围和平均值分别为200(MHLY177)～501(QY676)μg/株和337 μg/株,品种之间根部As累积量最大值为最小值的2.51倍。

茎叶Cd累积量范围和平均值分别为0.45(ZZY1)～1.47(YHJ2)μg/株和0.76 μg/株,品种之间茎叶Cd累积量最大值为最小值的3.27倍。茎叶As累积量范围和平均值分别为241(ZZY10)～436(YHJ2)μg/株和313 μg/株,品种之间茎叶As累积量最大值为最小值的1.81倍。

图3 水稻品种不同器官As含量Fig.3 As content in different tissues of rice cultivars

图5 水稻品种不同器官As累积量Fig.5 As accumulation in different tissues of rice cultivars

谷壳Cd累积量范围和平均值分别为0.57(YHX3)～2.03(YHJ7)μg/株和1.13 μg/株,品种之间谷壳Cd累积量最大值为最小值的3.53倍。谷壳As累积量范围和平均值分别为19.35(YHX3)～58.49(YHJ7)μg/株和32.68 μg/株,品种之间谷壳As累积量最大值为最小值的3.02倍。

糙米Cd累积量范围和平均值分别为0.048(YHJ2)～0.579(ZZY10)μg/株和0.275 μg/株,品种之间糙米Cd累积量最大值为最小值的12.06倍。糙米As累积量范围和平均值分别为1.81(YHJ2)～6.69(YHJ7)μg/株和4.25 μg/株,品种之间糙米As累积量最大值为最小值的3.70倍。

在所有水稻品种中,YHJ2品种糙米Cd、As累积含量最低,因此YHJ2有利于实现重金属Cd、As复合污染土壤的安全利用。

2.5 不同水稻品种Cd和As各器官中的转运差异

从图6可知,不同水稻品种各器官Cd转运系数差异显著。TF糙米/茎叶变化范围和平均值分别为0.181～1.742 mg/kg和0.948 mg/kg,TF糙米/谷壳变化范围和平均值分别为0.075～0.302 mg/kg和0.172 mg/kg,TF茎叶/根变化范围和平均值分别为0.089～0.297 mg/kg和0.141 mg/kg,除YHH1、YHJ2、YHJ3外,Cd转运系数总体表现为TF糙米/茎叶>TF糙米/谷壳>TF茎叶/根,说明Cd从茎叶到糙米迁移最容易,从谷壳到糙米次之,从根部到茎叶最困难。

图6 不同水稻品种Cd转运系数Fig.6 Cd transport coefficients of different rice cultivars

从图7可知,不同水稻品种各器官As转运系数差异显著。TF糙米/茎叶变化范围和平均值分别为0.024～0.039 mg/kg和0.034 mg/kg,TF糙米/谷壳变化范围和平均值分别为0.082～0.115 mg/kg和0.103 mg/kg,TF茎叶/根变化范围和平均值分别为0.069～0.143 mg/kg和0.119 mg/kg,除QY676、YHJ7外,As转运系数总体表现为TF茎叶/根>TF糙米/谷壳>TF糙米/茎叶,说明As从根部到茎叶迁移最容易,从谷壳到糙米次之,从茎叶到糙米最困难。

图7 不同水稻品种As转运系数Fig.7 As transport coefficients of different rice cultivars

在所有水稻品种中,YHJ2品种中Cd和As从根向茎叶(TF茎叶/根)的转运系数最高,而茎叶向糙米和谷壳向糙米转运系数最低,说明YHJ2品种有利于Cd、As从根向茎叶转运,但由于Cd、As受到茎叶和谷壳拦截作用,因此Cd、As向糙米转运能力降低,这符合低积累Cd、As水稻品种的特征。

2.6 水稻对Cd、As吸收和累积的相关性

由表3可知,产量与糙米Cd呈极显著正相关(P<0.01,下同),与糙米As呈极显著负相关,与Cd从根-茎叶转运系数(TF茎叶/根)呈显著负相关(P<0.05,下同),与Cd从茎叶-糙米转运系数(TF糙米/茎叶)、谷壳-糙米转运系数(TF糙米/谷壳)、及As从茎叶-糙米转运系数(TF糙米/茎叶)均呈极显著正相关。说明水稻产量与Cd、As在地上部分转运呈显著正相关。

表3 不同水稻品种对Cd、As吸收和累积的相关性Table 3 Correlation coefficient of Cd and As uptake and accumulation among different rice cultivars

糙米Cd与TF糙米/茎叶、TF糙米/谷壳呈极显著正相关,糙米As与TF茎叶/根、TF糙米/茎叶、TF糙米/谷壳无显著相关性,谷壳Cd与TF茎叶/根呈极显著正相关,与TF糙米/茎叶、TF糙米/谷壳分别呈显著和极显著负相关,谷壳As与TF糙米/茎叶、TF糙米/谷壳呈极显著负相关,糙米Cd与糙米As无显著相关性。说明Cd在水稻糙米中积累与Cd在水稻体内迁移转运有关,而由于谷壳对As的拦截作用,使得As在水稻糙米中积累与As在水稻体内迁移转运关系不明显,同时水稻糙米Cd与As之间无必然的联系。

3 讨 论

3.1 水稻生长状况对Cd、As积累的差异

在土壤中,As以水合阴离子的形式存在于孔隙水中,而Cd以金属阳离子的形式存在于孔隙水中[14]。

低浓度的Cd、As对植物的生长发育有积极的刺激作用,当浓度达到或超过一定量时就会抑制植物生长,且呈现出随着浓度升高抑制作用提高的趋势[15]。单天宇等[10]研究发现,水稻产量是衡量水稻品质的重要指标之一。本研究发现,不同水稻品种的产量间存在显著差异,且糙米Cd与产量呈极显著正相关,而糙米As与产量呈极显著负相关。这可能与糙米Cd总体浓度较低,而As总体浓度较高有关。本研究结果表现出水稻产量越高,其糙米中Cd、As含量则越低的趋势。这与周歆等[16]研究发现,产量较高的品种糙米As的含量较低的结论相似。糙米As含量降低也可能与水稻较高的产量对As有较强的稀释作用有关[17]。然而Yu等[18]研究发现,超过50%的供试品种在高Cd胁迫下比低Cd胁迫下产生更大或相似的籽粒产量,这说明不能仅仅将产量下降作为谷物Cd、As毒性的指标。

3.2 水稻土壤环境对Cd、As积累的差异

Yang等[19]研究发现,植物对重金属的吸收与外界环境有关。有研究表明,土壤淹水可通过降低氧化还原电位加强S2-与Cd的共沉淀,从而促进CaCO3、有机质等物质对Cd的吸持,增加还原态的Fe、Mn等阳离子,这些阳离子与Cd形成竞争性吸附,增加的Mn2+还可通过OsNRAMP5 转运体抑制水稻根系Cd吸收[14]。同样在淹水条件下,吸附在Fe、Mn等氧化物上的As会被释放到土壤溶液中,As在土壤中生物有效性增加,As5+逐步还原成As3+,同时水稻可通过水通道转运体OsLis1主动吸收[20]。本研究发现,在Cd、As复合污染农田中,水稻糙米Cd平均含量(0.011 mg/kg)远低于国家食品安全标准(≤0.2 mg/kg),糙米Cd的最大值(0.020 mg/kg)仅为标准值的10%。而水稻糙米As平均含量(0.187 mg/kg)接近国家食品安全标准(≤0.2 mg/kg),糙米As的最大值(0.215 mg/kg)为标准值的1.08倍,这与姚保民等[14]发现早稻具有较高As积累能力的结论相似。这可能是水稻长期处于淹水环境下(云南分为旱季和雨季,夏秋为雨季),Cd的活性显著降低,As活性则显著增加,导致水稻糙米中As的含量较高,Cd的含量较低。相反,谈宇荣等[21]研究发现水稻在旱作条件下,糙米Cd含量较高,而As含量较低,说明外界水分环境是影响水稻糙米对Cd、As吸收的主要原因之一。

3.3 水稻生理过程对Cd、As积累的差异

不同基因型水稻对重金属Cd和As积累的生理过程不同,当水稻植株暴露于过量的Cd和As环境时,根际土壤中有效态Cd和As可以通过质膜转运体被水稻根部吸收,在共质体的途径下装载到木质部中,然后在蒸腾作用下从木质部转运到水稻地上部分不同器官中[22]。当水稻进入生殖生长阶段时,叶片中Cd、As会通过韧皮部维管系统运输到生殖生长组织(穗、谷壳和糙米)[23]。Norton等[24]研究表明,水稻籽粒中Cd、As主要来源于木质部的直接运输和籽粒灌浆过程中韧皮部的再次运输。在本试验中,水稻不同器官对As吸收大小表现为根>茎叶>谷壳>糙米,这与谈宇荣等[21]发现不同基因型水稻各器官对Cd、As吸收大小表现为根>茎叶>谷壳>糙米,呈自下而上递减规律的结论相同。这可能是由于从根到糙米长距离运输Cd、As的过程中需要消耗大量能量,距离越远,消耗越大,运输越困难,该部位所含Cd、As含量也就越低,这也是导致糙米中Cd、As含量远低于根系的原因之一[25]。然而在本研究中,所有水稻品种不同器官对Cd吸收大小表现为根>谷壳>茎叶>糙米。这一方面可能是由于在水稻灌浆期,Cd、As通过韧皮部运输到谷壳和糙米中,由于谷壳外表面没有气孔,糙米表面积小于展开叶的表面积,因此Cd、As通过蒸腾作用向糙米的转运有限[26],说明谷壳可能是水稻糙米中Cd、As转运的生理屏障。另一方面可能是Cd更喜欢在富含蛋白质的谷壳(糊粉层与胚胎)中积累[27],从而导致谷壳中Cd的含量比茎叶高。王赟等[28]研究发现,植物中Cd、As的累积量能够更好地反映植物对Cd、As的吸收能力,在本试验中,Cd在水稻体内的累积量总体上为谷壳>茎叶>根>糙米,As在水稻体内的累积量总体上为根>茎叶>谷壳>糙米,说明水稻可能是通过将Cd积累在谷壳中来降低Cd对水稻糙米的毒害作用,将As积累在根中来降低糙米中As含量。同时本研究也发现,在所有水稻品种中,YHJ2糙米中Cd、As累积量最低,因此发现水稻可能通过不同器官的拦截作用来降低可食用部分中重金属Cd、As含量,从而有利于水稻在重金属土壤中的安全利用。

植物不同器官Cd、As含量不仅与根系对Cd、As的吸收有关,还可能与植物对Cd、As的转运能力密切相关[29]。转运系数越大表明重金属从根系向地上部器官转运能力越强,或在器官之间的转运能力越强。范晶晶等[30]研究发现重金属Cd在水稻植株内的运移过程受到土壤氧化还原条件、pH、养分供应状况以及水稻品种等多种因素的共同作用。本研究发现,Cd从茎叶到糙米的迁移较容易,从根系到茎叶的迁移则较困难,而As从根系到茎叶的迁移较容易,从茎叶到糙米的迁移则较困难,这与王林友等[31]研究结论相似。Cd、As在水稻植株迁移转运的差异可能与土壤孔隙水中Cd和As相反的离子形式及其化学性质有关[14]。Nocito等[32]研究表明,通过木质部从根部向茎部的运输是决定Cd和As在茎部积累的主要生理过程,而通过韧皮部从茎部向谷粒的运输被认为控制了Cd和As在谷粒中的积累。根据Takahashi等[33]报道,P1bATP酶基因家族转运体OsHMA2和水通道转运体Oslis2既负责水稻Cd和As木质部装载和根茎转运,也参与Cd和As在韧皮部的迁移。Song等[34]研究发现,Cd以离子形式通过P1bATP酶基因家族OsHMA3被隔离在根部和茎叶液泡中,而As则以As-PC复合物的形式被C型ATP结合盒转运体OsABCC1隔离到根和茎叶液泡中,说明Cd、As在水稻植株迁移转运的差异可能还与它们在水稻体内的表达能力有关。本研究中,YHJ2在所有水稻品种中Cd和As从根到茎叶的转运系数最高,从茎叶向糙米和谷壳向糙米的转运能力最低。因此可以推测出转运体OsHMA2和Oslis2在YHJ2根部表达能力较高,有助于Cd、As向木质部负载,从而促进它们从根部向茎叶中转运,而转运体OsHMA3和OsABCC1在茎叶中表达能力较高,可通过将Cd、As进行拦截,抑制Cd、As向韧皮部负载,从而减小YHJ2糙米中Cd、As的含量。

本研究发现,糙米Cd与TF糙米/茎叶、TF糙米/谷壳呈极显著正相关,糙米As与TF茎叶/根、TF糙米/茎叶、TF糙米/谷壳无显著相关性,但谷壳As与TF糙米/茎叶、TF糙米/谷壳呈极显著负相关。表明Cd在水稻糙米中积累与Cd在水稻体内迁移转运有关,而由于谷壳对As的拦截作用,进一步减小了As向糙米转运,使得As在糙米中积累与As在水稻体内迁移转运之间的关系不显著。同时在本试验中,糙米、谷壳、茎叶和根中Cd和As平均含量的比值分别为1∶5.7∶1.3∶9.0和1∶9.8∶30.2∶260.1。从谷壳到糙米,Cd的转运能力是As的1.7倍;从茎叶到糙米,Cd的转运能力是As的23.2倍;从根到茎叶,Cd的转运能力是As的1.2倍,这与谈宇荣等[21]研究结论相似,表明Cd在不同器官的迁移性比As更强。

4 结 论

(1)在外界淹水环境的作用下,土壤中Cd的活性较低,As的活性较高,导致水稻糙米中Cd含量较低,As含量较高。另外,水稻可通过将Cd积累在谷壳中来降低Cd对水稻糙米的毒害作用,将As积累在根系中来降低As对水稻糙米的毒害作用。在相关性分析中,糙米Cd与重金属Cd在水稻地上部分转运存在显著相关性,而糙米As与重金属As在水稻地上部分转运无显著相关性,且在不同器官转运过程中,Cd的转运能力均高于As,说明在外界淹水环境作用下,Cd在土壤中活性较低,但在水稻中转运能力较强,而As在土壤中活性较高,但在水稻中转运能力较弱。

(2)在不同水稻品种比较下,中浙优8号表现出产量最高和农艺性状最优,但由于其糙米对Cd、As累积量较高,因此该品种适用于种植在无重金属污染的土壤中,而YHJ2虽然产量不高,但由于其糙米中Cd、As累积量最低,且Cd、As从茎叶向糙米和谷壳向糙米转运能力最低,符合低积累Cd、As水稻的特征,因此,可在重金属Cd、As复合污染土壤种植。而针对其产量较低特征,建议通过合理搭配肥料,改善土壤肥力来促进水稻生长发育,有效实现水稻在重金属污染土壤中的安全生产与利用。