鎘脅迫下硅對不同品種水稻鎘積累的影響

王耀晶 ，馬櫻馨 ，李 彩 ，楊 丹 ，何 娜 ，劉鳴達(dá)

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.土地與環(huán)境學(xué)院，b.理學(xué)院，沈陽110161）

鎘（Cd）是一種極易通過食物鏈富集到人體的重金屬元素。自20世紀(jì)50年代中期～60年代中期在日本出現(xiàn)的因食用鎘米而產(chǎn)生的痛痛病后[1]，鎘的毒性效應(yīng)引起人們的高度關(guān)注。研究表明，攝入過量的鎘可引起腎、肺、肝、骨、生殖毒性效應(yīng)及癌癥[2-4]。食物攝入是人體鎘暴露的重要途徑。水稻是一種容易富集鎘的作物，同時(shí)也是世界半數(shù)人口的主食，所以研究土壤-水稻系統(tǒng)鎘遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及降低稻米鎘含量的調(diào)控措施十分必要。

不同品種的水稻對鎘的吸收和遷移轉(zhuǎn)運(yùn)能力不同，王凱榮等[5]認(rèn)為雜交稻對鎘的敏感性和對鎘的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)能力均強(qiáng)于常規(guī)稻，稻米中鎘含量高于常規(guī)稻；蔣彬和張慧萍[6]對239份來源不同基因型不同的水稻品種進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)精米中鎘的富集能力為常規(guī)秈稻＞雜交秈稻＞常規(guī)粳稻；李坤權(quán)[7]發(fā)現(xiàn)，有個(gè)別常規(guī)粳稻糙米中鎘含量高于雜交秈稻。這些研究結(jié)果盡管有一定差異，但說明不同基因型的水稻對鎘的敏感和積累能力不同。目前已經(jīng)在水稻中發(fā)現(xiàn)并確認(rèn)了參與鎘吸收運(yùn)轉(zhuǎn)和累積過程（根系吸收、細(xì)胞壁和液泡隔離、木質(zhì)部運(yùn)輸、韌皮部遷移轉(zhuǎn)運(yùn)等）的基因[8]。從耐受機(jī)制來看，鎘高積累型水稻品種可以通過合成更多的含巰基的非蛋白化合物與鎘絡(luò)合來清除活性氧，進(jìn)而增加對鎘的耐性[9]；通過提高氨基酸代謝、有機(jī)酸代謝和糖代謝中相關(guān)物質(zhì)含量，進(jìn)而改變糖酵解途徑、TCA和由莽草酸途徑衍生的苯丙酸類代謝過程，以提高自身抗鎘性[10]。硅降低鎘生物有效性的機(jī)制包括生物學(xué)和土壤學(xué)兩個(gè)方面。關(guān)于硅降低鎘生物有效性的研究已有很多報(bào)導(dǎo)。從生物學(xué)的角度來看，包括抑制運(yùn)轉(zhuǎn)效應(yīng)[11-12]、體內(nèi)分隔效應(yīng)[13]、共沉積效應(yīng)[14]、激活抗氧化系統(tǒng)[15-17]，改善細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)[15，17]、下調(diào)相關(guān)基因表達(dá)[18-19]等。從土壤化學(xué)角度看，過去的試驗(yàn)多加入了高爐渣、硅酸鈉等含硅堿性物質(zhì)，同時(shí)還引入了相應(yīng)的伴隨離子；而這些陰陽離子均能影響植物對重金屬的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)或影響重金屬的土壤化學(xué)行為[20]。因此，施用含硅物料降低鎘生物有效性包含了pH值和伴隨離子的影響。近年來，消除上述影響后的研究結(jié)果表明，硅促進(jìn)土壤液相、固相鎘形態(tài)向無效態(tài)轉(zhuǎn)化，抑制土壤固相鎘的解吸，從而降低了鎘的生物有效性[21-22]。

從實(shí)踐的角度來看，如果能夠?qū)⑦x用鎘低積累品種水稻與施用含硅鈍化劑相結(jié)合，應(yīng)該是行之有效的鎘污染土壤修復(fù)與利用的途徑。為此，本試驗(yàn)在消除pH值和伴隨離子影響的基礎(chǔ)上，通過盆栽試驗(yàn)研究鎘脅迫下硅對不同品種水稻鎘積累的影響，以期為科學(xué)修復(fù)和利用鎘污染土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自遼寧省撫順市新賓縣種植水稻多年的水田，其基本理化性質(zhì)為：土壤pH值（H2O）4.92，有機(jī)質(zhì) 22.00g·kg-1，堿解氮 63.89mg·kg-1，速效磷 12.16 mg·kg-1，有效鉀 92.12mg·kg-1，鎘含量 0.224 mg·kg-1，有效硅（SiO2）261.44 mg·kg-1。

供試作物為水稻（Oryza sativa L），品種分別為“遼星 19”和“遼粳 9”。

試驗(yàn)中所用尿素含N 46%，過磷酸鈣含P2O512%，氯化鉀含K2O 60%，硅肥為硅酸鈉（Na2SiO3·9H2O）含SiO221%，鎘為硝酸鎘[（Cd（NO3）2]，均為分析純試劑。

1.2 盆栽試驗(yàn)

盆栽試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地進(jìn)行。共設(shè)5個(gè)處理：即無硅無鎘的對照（CK）處理；單加鎘（Si0）處理；設(shè)置 3 個(gè)加鎘加硅處理，加硅量（以 SiO2計(jì)）分別為 50，100，150 mg·kg-1土，分別用 Si 50，Si 100，Si 150 表示，各處理間硝酸根和鈉離子的差異用硝酸鈉補(bǔ)齊，并用硝酸中和硅酸鈉的堿性，各加鎘處理的鎘用量均為5mg·kg-1土。

稱取風(fēng)干土壤 7kg置于直徑為 20cm 的塑料盆中。 每盆均施 N（g·kg-1土）、P（P2O5，0.10g·kg-1土）、 K（K2O，0.15g·kg-1土）。各處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)組排列。各處理泡水兩天后移栽水稻，每盆3穴，每穴1株。分蘗期追肥。水稻收獲后，采集水稻植株樣品，將根、莖葉用蒸餾水清洗干凈并于105℃下殺青，植物樣品烘干至恒重，粉碎備用。

1.3 測定方法

土壤理化性質(zhì)測定參照鮑士旦的方法[23]：土壤pH值采用酸度計(jì)法進(jìn)行測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定；堿解氮采用乙酸鈉-火焰光度法測定；速效磷采用碳酸氫鈉提取，鉬銻抗比色法測定；有效鉀采用醋酸銨提取，火焰光度法測定；土壤有效硅采用1mol·L-1醋酸-醋酸鈉（pH=4）緩沖液提取，硅鉬藍(lán)比色法測定；土壤全鎘和水稻不同部位鎘含量采用氫氟酸-硝酸消化，ICP-MS測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析，用Excel繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施硅對鎘脅迫下水稻植株生物量和產(chǎn)量的影響

由圖1可知，鎘脅迫下，兩品種水稻生長均受到抑制，生物量極顯著降低（p＜0.01）；與對照處理相比，“遼星19”生物量降低20.79%；“遼粳9”降低24.94%。施硅可提高鎘脅迫下兩品種水稻生物量，與單施鎘處理相比，施硅后兩品種水稻生物量均有不同程度的增加，“遼粳9”生物量增加更顯著；其中“遼星19”生物量增加8.75%～10.00%、“遼粳 9”增加 4.40%～20.06%。

圖1 鎘脅迫下施硅對兩個(gè)品種水稻生物量和產(chǎn)量的影響Figure 1 Effect of Si on biomass and yield of two different crop under Cd stress

鎘脅迫極顯著降低了兩品種水稻產(chǎn)量（p＜0.01），與對照處理相比，“遼星19”和“遼粳9”的產(chǎn)量分別降低21.50%和34.31%。施硅可提高鎘脅迫下兩品種水稻產(chǎn)量，與單施鎘處理相比，施硅后“遼粳9”的增產(chǎn)效果更明顯，“遼星 19”產(chǎn)量提高 4.53%～7.25%，“遼粳 9”提高10.32%～26.98%。

2.2 施硅對鎘脅迫下水稻植株各部位鎘分布的影響

由表1可知，鎘脅迫下，兩品種水稻中90%以上的鎘主要都積聚在根部，莖葉次之，糙米中鎘的分布最低?！斑|星19”糙米和根中鎘的分布比例顯著高于“遼粳9”。施硅后兩品種水稻根中鎘含量的分布隨施硅量的增加而增大，但糙米和莖葉中鎘的分配比例隨施硅量的增大而逐漸減小。說明硅具有抑制鎘向地上部分運(yùn)轉(zhuǎn)的作用。

表1 施硅對鎘脅迫下水稻植株各部位鎘含量占比的影響Table 1 Effects of Si application on Cd distribution in different parts of rice plants

2.3 施硅對鎘脅迫下糙米中鎘含量的影響

由表2可知，與對照處理相比，鎘脅迫下，兩品種水稻糙米中鎘含量極顯著增加（p＜0.01），“遼星19”的糙米比“遼粳9”更易積累鎘。兩品種糙米中鎘含量是分別是各自對照處理的46.94倍和35.27倍。施硅可顯著降低鎘脅迫下兩品種水稻糙米中的鎘含量。與單施鎘處理相比，兩品種水稻糙米中鎘含量隨施硅量的增加而逐漸減少。施硅后“遼粳9”糙米中鎘含量減少更顯著，其中“遼星19”糙米中鎘含量下降31.55%～61.91%，“遼粳9”糙米中鎘含量下降43.87%～66.06%。當(dāng)施硅量為100mg·kg-1土和150mg·kg-1土?xí)r，“遼粳9”糙米中鎘含量小于0.2mg·kg-1，達(dá)到了國家食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.4 施硅對鎘脅迫下水稻植株鎘遷移分配的影響

由表3可知，兩品種水稻對鎘的轉(zhuǎn)移和富集能力不同。鎘脅迫下“遼星19”糙米和莖葉中鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)都大于“遼粳9”。兩品種水稻的3個(gè)施硅處理（Si50，Si100，Si150）的糙米和莖葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)都低于單施鎘處理。施硅后兩品種水稻糙米和莖葉中鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)都隨施硅量的增加而逐漸減小，“遼星19”稻米、莖葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別降低30.17%～57.76%和22.24%～51.16%，富集系數(shù)分別降低24.63%～58.77%和 15.97%～52.18%；“遼粳 9”的稻米、莖葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別降低45.25%～72.07%和29.73%～72.54%；富集系數(shù)分別降低40.11%～63.81%和40.49%～72.39%。在相同硅濃度條件下，“遼星19”稻米、莖葉的轉(zhuǎn)移系數(shù)、富集系數(shù)都高于“遼粳9”，說明“遼星19”對鎘表現(xiàn)出更強(qiáng)的轉(zhuǎn)移、積累能力。

表2 施硅對鎘脅迫下水稻糙米中鎘含量的影響Table 2 Effects of Si application on Cd distribution in different parts of rice plants

表3 鎘脅迫下加硅對水稻植株各部位轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)的影響Table 3 Effects of Si application on transfer and accumulation coefficients of different parts of rice

3 討論與結(jié)論

水稻對于鎘的吸收積累具有基因型的差異。這種差異表現(xiàn)為鎘對植株的抑制作用，即產(chǎn)量和生物量的變化、植株對鎘的吸收不同。水稻地上部及籽粒鎘積累量是一種復(fù)雜性狀，受多個(gè)遺傳位點(diǎn)共同調(diào)控，目前已克隆了幾個(gè)基因，OsHMA5是控制稻根吸收Cd的主要轉(zhuǎn)運(yùn)體，負(fù)責(zé)將Cd從土壤溶液傳輸?shù)礁?xì)胞[24-25]；OsHMA3是Cd的液泡膜定位轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，參與將Cd螯合到根細(xì)胞的液泡中[26-27]；OsHMA2和OsLCT1與鎘在水稻籽粒中的分布有關(guān)[28-29]；張昕[30]則認(rèn)為，相關(guān)基因在品種間存在多個(gè)自然變異類型，水稻發(fā)育籽粒中OsNramp5的表達(dá)量與稻米鎘積累量呈正相關(guān)。本研究中選用的“遼星19”是以遼294/遼454為母本，以遼326/90-82為父本人工雜交系選而成的中晚熟品種，“遼粳9”則是以遼粳294為母本，以遼粳454為父本經(jīng)人工雜交后選育而成的中晚熟品種；二者親本來源不同，因此在吸收積累鎘方面也存在著差異。在本研究中“遼粳9”對鎘更敏感，生物量和產(chǎn)量降低程度更高，而“遼星19”生物量和產(chǎn)量降低程度則低一些；就糙米中的鎘含量、鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)而言，“遼星19”都顯著高于“遼粳9”。相對來說，“遼粳9”是個(gè)低耐受、低積累品種。

硅降低鎘的生物有效性已成共識(shí)，其機(jī)制可以從生物學(xué)和土壤化學(xué)兩個(gè)方面來說明。如前所述，從生物學(xué)角度來看，一方面硅可以激活水稻抗氧化系統(tǒng)[15-17]，改善細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)[15，17]提高其對鎘脅迫的耐受性，抑制鎘在水稻體內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)[11-12]或?qū)崿F(xiàn)體內(nèi)分隔[13]，近來發(fā)現(xiàn)加硅后，OsHMA5、OsHMA2[18]和 OsHMA3[18，31]的表達(dá)被下調(diào)，從而在一定程度上抑制了Cd的吸收與運(yùn)轉(zhuǎn)與鎘在水稻籽粒中的富集，對此提供了分子水平的證據(jù)；另一方面，也有研究表明[32]，硅結(jié)合蛋白SBP117可誘導(dǎo)硅在水稻根部內(nèi)皮層及纖維層細(xì)胞附近沉積，進(jìn)而在一定程度上阻塞細(xì)胞壁孔隙，減少鎘的質(zhì)外體運(yùn)輸，抑制鎘向地上部的運(yùn)輸；而Lsi2則是一個(gè)負(fù)責(zé)將硅從外皮層和內(nèi)皮層細(xì)胞外排到中柱細(xì)胞中，從而將硅裝載到木質(zhì)部進(jìn)行向地上部的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)牡鞍譡33]，敲除Lsi2都會(huì)導(dǎo)致Si吸收的損失[34]。耿杰[35]選擇4個(gè)不同品種的水稻開展的試驗(yàn)表明，在不同施硅量條件下，遼粳9的SBP117和Lsi2的表達(dá)豐度是最高的。這些結(jié)果從另一個(gè)角度揭示了硅降低鎘生物有效性的分子機(jī)制。從土壤化學(xué)角度看，硅促進(jìn)土壤液相、固相鎘形態(tài)向無效態(tài)轉(zhuǎn)化，在一定程度上促進(jìn)酸性及中性土壤對鎘的吸附，抑制土壤固相鎘的解吸[22]。在本研究中，鎘脅迫下，施硅顯著提高了水稻的生物量和產(chǎn)量，降低糙米鎘的含量和鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)與富集系數(shù)，顯然與硅能夠能緩解鎘對水稻的脅迫有關(guān)，這應(yīng)該包含了生物學(xué)與土壤化學(xué)兩方面的機(jī)制。但是，施硅不能從根本上改變不同品種水稻對鎘脅迫響應(yīng)的差異，施硅量相同時(shí)，兩個(gè)品種水稻對于硅降低鎘生物有效性的反應(yīng)的敏感程度仍然有明顯的差別。比較而言，施硅后“遼粳9”糙米鎘的含量和鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)與富集系數(shù)降低的程度更大。

當(dāng)施硅量（以SiO2計(jì)）大于100mg·kg-1土?xí)r，“遼粳9”糙米中鎘含量已能達(dá)到國家食品污染物限量標(biāo)準(zhǔn)。這提示采取鎘低積累品種并施用適量硅的措施可實(shí)現(xiàn)鎘污染稻田水稻的安全生產(chǎn)。鎘脅迫下兩品種水稻的生物量和產(chǎn)量顯著降低，糙米中鎘的含量顯著增加，脅迫效應(yīng)表現(xiàn)為“遼粳9”高于“遼星19”，鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)表現(xiàn)為“遼星19”高于“遼粳9”；施硅則不同程度地緩解了鎘對水稻的脅迫，鎘的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)也隨施硅量的增加而減小，但施硅并不能改變兩品種水稻對鎘脅迫響應(yīng)的差異；選用鎘低積累品種，施用適量硅可實(shí)現(xiàn)鎘污染稻田水稻的安全生產(chǎn)。