外加鎘對水稻鎘吸收、亞細(xì)胞分布及非蛋白巰基含量的影響

史靜，潘根興

1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，江蘇 南京 210095

外加鎘對水稻鎘吸收、亞細(xì)胞分布及非蛋白巰基含量的影響

史靜1*，潘根興2

1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)環(huán)境研究所，江蘇 南京 210095

研究不同水稻（Oryza sativa）品種外加Cd處理下鎘吸收特征、PCs（主要是非蛋白巰基）的解毒機(jī)制及從微觀水平探尋亞細(xì)胞鎘的分布狀況，對了解不同水稻基因型的耐Cd機(jī)理有重要意義。通過盆栽實(shí)驗(yàn)研究了不同外加Cd處理對水稻體內(nèi)Cd的吸收累積、亞細(xì)胞分布及非蛋白巰基含量的影響。結(jié)果表明，外加Cd脅迫顯著誘導(dǎo)根合成NPT-SH，外加Cd及品種差異對水稻體內(nèi)Cd的吸收具有不同程度的影響，兩品種相比，不加Cd處理下，品種J196地上部Cd含量/根系Cd含量的比值高于中浙優(yōu)1號；當(dāng)外加Cd濃度達(dá)到5 mg·kg-1時，品種A根系向地上部轉(zhuǎn)移的Cd遠(yuǎn)高于品種C，分為25.7%和7.4%；但在外加Cd處理達(dá)到25 mg·kg-1時，兩品種間無顯著差異。根中NPT-SH的誘導(dǎo)量與水稻根系內(nèi)Cd的含量變化一致。外加Cd處理下，品種J196根系內(nèi)NPT-SH含量均高于中浙優(yōu)1號，從細(xì)胞水平上表明中浙優(yōu)1號可能具有從根系向莖葉的高鎘轉(zhuǎn)運(yùn)能力。同時以差速離心法探究Cd在兩雜交水稻品種不同器官的亞細(xì)胞分布為根系細(xì)胞的Cd大部分存在于細(xì)胞壁中，占52.6%～83.2%，少部分存在于細(xì)胞可溶部分（細(xì)胞質(zhì)），其鎘含量分布的百分率為3.0%～10.1%，且根系細(xì)胞壁中J196的分布率高于中浙優(yōu)1號；表明J196的根系細(xì)胞壁的具有較強(qiáng)的固Cd能力；和對照相比，外加Cd促使中浙優(yōu)1號根系細(xì)胞內(nèi)可溶物向地上部移動，且高Cd處理下，Cd在中浙優(yōu)1號細(xì)胞內(nèi)溶物的分配率大于J196，從而在亞細(xì)胞水平上推測了品種中浙優(yōu)1號為高轉(zhuǎn)運(yùn)品種的可能機(jī)制。

水稻；鎘；非蛋白巰基；亞細(xì)胞分布

鎘污染及其生物毒性問題已得到全世界關(guān)注。關(guān)于植物對Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)過程和耐性機(jī)制受到很大重視。同時，這些植物也能在一定程度上表現(xiàn)出對鎘脅迫的適應(yīng)性機(jī)制。其中一個重要的適應(yīng)性機(jī)制是植物螯合肽解毒機(jī)制。植物體內(nèi)的谷胱甘肽（GSH）、非蛋白巰基（NPT）、植物螯合態(tài)（PC）和半胱氨酸（Cys）等可能是植物消除重金屬鎘脅迫的主要成分（Cobbett，2000；孫琴等，2005），有研究報道GSH和Cys在非超積累植物對重金屬的耐性中起著重要的作用（高可輝等，2011)。自1985年Grill發(fā)現(xiàn)一組鎘結(jié)合多肽，并命名為植物絡(luò)合素（Phytochelatins，PCs）以來，PCs的生理功能已受到國際上眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。PCs是一種富含半胱氨酸的多肽物質(zhì)，其主要生理功能是絡(luò)合金屬（植物微量營養(yǎng)和非必需重金屬）元素，從而減輕或避免過量金屬離子對植物體的傷害。多種金屬和非金屬均能誘導(dǎo)PCs產(chǎn)生，其中Cd是最強(qiáng)的體內(nèi)誘導(dǎo)因子（Rauser，1995），鎘在植物體內(nèi)可能主要是以PC-Cd絡(luò)合物或者是Cd-GSHx絡(luò)合物的形式運(yùn)輸（Guo和Marschner，1995）。也有研究表明Cd與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)PC相結(jié)合形成低分子量復(fù)合物，然后經(jīng)液泡膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白運(yùn)輸至液泡，進(jìn)而形成對植物毒性很低的富含硫的高分子量復(fù)合物貯存于液泡是植物對 Cd的主要解毒機(jī)制（Clemens，2006）。因此，PCs作為金屬脅迫下細(xì)胞內(nèi)一項(xiàng)反應(yīng)敏感的指標(biāo)受到國際上眾多學(xué)者的關(guān)注，同時Keltjens和Beusichem（1998）則將PCs的激增作為植物遭受重金屬脅迫的早期預(yù)警指標(biāo)。因此研究不同水稻（Oryza sativa）品種外加Cd處理下的非蛋白巰基的變化，對了解不同水稻基因型的耐Cd機(jī)理有重要意義。

與此同時植物總是盡量避免Cd及其它重金屬元素?fù)p傷其相對重要的組織、細(xì)胞和細(xì)胞器，從而表現(xiàn)出選擇性分布。植物從土壤中吸收重金屬后，一般主要集中在根系，再通過根系向植物的各個器官進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)分配，但植物根系吸收的Cd比Pb、As等重金屬更易向地上部及子實(shí)中轉(zhuǎn)移。因此，植物根系中Cd的分配可能會影響到其在植物體內(nèi)的移動性。而開展水稻微觀水平的研究有助于更深入地了解水稻不同品種間對Cd耐性、吸收和累積機(jī)理。本研究正是從上述超微結(jié)構(gòu)的觀察入手，采用差速離心分析技術(shù)分離水稻各器官各部分細(xì)胞器，比較子粒鎘積累不同類型的水稻鎘的亞細(xì)胞分布特征，從微觀層次揭示低Cd與高Cd基因型在亞細(xì)胞水平上差異的機(jī)理，以探討不同水稻品種耐Cd的機(jī)制和特點(diǎn)。基于此，本試驗(yàn)采用土培試驗(yàn)的培養(yǎng)方法研究了不同外Cd處理下兩個水稻品種體內(nèi)Cd、巰基蛋白總量以及在亞細(xì)胞分布的變化特征，以期研究兩個子粒Cd積累能力相差很大的水稻品種在Cd吸收的第一高峰期苗期對Cd的耐性差異及根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的差異。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

紅沙泥田，屬紅壤性水稻土，為典型簡育濕潤老成土（Typical Hapludults），采自中國科學(xué)院鷹潭紅壤生態(tài)實(shí)驗(yàn)站（116°55′E, 28°5′N），第四紀(jì)紅黏土母質(zhì)所發(fā)育。該土壤于2007年4月采集，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后經(jīng)風(fēng)干，磨碎，過5 mm孔徑篩，混勻備用，用于盆栽實(shí)驗(yàn)。另取部分磨碎過1和0.149 mm尼龍篩供基本性質(zhì)測定。供試土壤的基本理化性質(zhì)分析結(jié)果見表1。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of soil

1.2 供試作物

通過前期對我國南方110個栽種雜交水稻品種的篩選研究（Shi等，2009），選取子粒含Cd量差異較大的2個雜交水稻品系：中浙優(yōu)一號（品種A，子粒高Cd含量品種）和J196（品種C，子粒低Cd含量品種）兩品種的生育期為(150±20) d。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

水稻苗期盆栽試驗(yàn)于2007年5月中旬─7月中旬在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓溫室中進(jìn)行，采用20 cm×20 cm的塑料缽，每盆裝土3.0 kg，設(shè)置3個不同Cd質(zhì)量濃度處理，分別為0（Cd0）、2.5（Cd1）、5（Cd2）、10（Cd3）、25（Cd4）mg·kg-1（以純 Cd計）。將CdCl2·2.5H2O與去離子水配成母液，逐級稀釋成處理濃度后與過5 mm篩的土壤反復(fù)混合均勻，再加入底肥N（0.1 g·kg-1）、P2O5（0.2 g·kg-1）和K2O（0.2 g·kg-1）加水?dāng)嚦蓜驖{混勻之后室溫下平衡30 d。水稻于2007年6月17日挑選優(yōu)質(zhì)飽滿種子用“浸種靈”按一定比例和溫水混勻成溶液，浸種催芽48 h至種子露白，6月19日取優(yōu)質(zhì)露芽種子直接播種，土壤保持濕潤狀態(tài)，待幼苗2葉1心時間苗，每盆保留3株，保持淹水層（水層3 cm）。試驗(yàn)按完全隨機(jī)設(shè)計，3次重復(fù)。7月25日采集植株樣品，分根系和地上部采集，收獲的植物樣品先用自來水多次沖洗，然后用蒸餾水沖洗，吸水紙吸干樣品表面水分，將樣品剪碎混合，分成兩部分，一部分樣品放入烘箱105 ℃殺青30 min，60～70 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定各器官Cd含量；一部分樣品直接分析非蛋白質(zhì)巰基含量以及測定亞細(xì)胞鎘含量。

1.4 測定方法

1.4.1 非蛋白巰基的測定（Keltjens和Beusichem，1998；Rama和Prasad，1998）

稱取水稻鮮樣1.00 g，加2.0 mL 5%（V/V）的SSA（5-磺基水楊酸）（內(nèi)含6.3 Mmdtpa，pH<1），再加入少許洗凈的石英砂，冰浴研磨混勻，低溫離心（8000 g, 4 ℃）15 min。上清夜冷藏用于TNP-SH的測定。取上清液300 μL放入10 mL玻璃試管中，加630 μL 0.5 mol·L-1的K2HPO4（pH7.5）和25 μL 6.3mmol·L-1的 5, 5′雙二硫（2-硝基苯甲酸）（DTNB），室溫下放置20 min，然后在分光光度計412 nm波長下用分光光度計比色測定。以等量的未加DTNB的溶液作空白調(diào)零點(diǎn)，用GSH作標(biāo)準(zhǔn)。

1.4.2 Cd在水稻植株各器官的亞細(xì)胞分布

采用差速分級離心技術(shù)分離出各器官不同細(xì)胞組分（圖1），具體方法如下：植物材料10 g加入 10 mmol·L-1Tris-HCl緩沖液（pH=7.4, 2.5% AsA），冰浴研磨，將勻漿液按圖程序冷凍離心分離出各細(xì)胞組分，每步離心前用緩沖液補(bǔ)充至同一體積，所得殘?jiān)统恋砉┓治鰷y定（周衛(wèi)等，1999；李德明等，2004）。

1.4.3 殘?jiān)俺恋硐?、測定分析

細(xì)胞壁及未破碎殘?jiān)萌ルx子水洗滌，定量濾紙過濾后60 ℃烘干，加10 mL HNO3-HClO4（4∶1，V/V）混合液，過夜后在200 ℃條件下消煮至澄清，用去離子水定容至25 mL，濾液用原子吸收分光光度計測定Cd含量；細(xì)胞器各沉淀用去離子水轉(zhuǎn)入小燒杯中，在電熱板上蒸干，再加2 mL濃硝酸砂浴消煮至澄清，用去離子水定容至10 mL后測定Cd含量；上清液（細(xì)胞內(nèi)可溶物）主要為提取液，經(jīng)酸化后直接測定其中的Cd含量。

1.4.4 重金屬Cd的測定

烘干粉碎植株樣品用 4∶1硝酸-高氯酸消化后，用原子吸收分光光譜儀測定。

1.5 統(tǒng)計分析

分析結(jié)果進(jìn)行平均值和標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計，統(tǒng)計檢驗(yàn)采用SPSS for Windows 11.5軟件，顯著性差異水平為P≤0.05。

圖1 差速離心法分離水稻莖葉和根的亞細(xì)胞組分Fig. 1 Separation of subcellular fractions of stem and root in rice with differential centrifugation

2 結(jié)果與分析

2.1 外加Cd對水稻體內(nèi)含Cd量的影響

從植株含Cd量的結(jié)果來看，不管何種外加Cd條件下，植物吸收的Cd絕大部分積累在根部，根系Cd含量變化于1～63 mg·kg-1范圍內(nèi)，約是莖葉含Cd量的3～15倍。各處理間差異顯著，隨著外加Cd處理濃度的提高，根中Cd含量顯著增加，兩品種間根系含Cd量差異顯著，中浙優(yōu)1號變化于6～35 mg·kg-1范圍內(nèi)，J196變化于25～63mg·kg-1，且中浙優(yōu)1號在外加Cd處理達(dá)到10 mg·kg-1（Cd3）時達(dá)到最高含量值。這表明外加Cd處理下，不同的水稻品種對鎘的吸收能力是不同的。當(dāng)外加Cd濃度過高，如本實(shí)驗(yàn)外加Cd的最高水平（25 mg·kg-1）時，可能抑制了中浙優(yōu)1號對Cd的吸收，或者是促進(jìn)了根部Cd向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。而J196卻隨著外加Cd的升高根系含Cd量也顯著增加。兩品種水稻幼苗莖葉中含Cd量的變化，可以看出隨著外加Cd濃度的增加，兩品種水稻幼苗莖葉中鎘含量也表現(xiàn)為和根系Cd含量變化相似的增加趨勢。

表2 不同Cd水平水稻體內(nèi)根及地上部Cd含量Table 2 Cd contents in shoots and roots of rice

從表2中可看出兩品種相比，不加Cd處理下，J196地上部Cd含量與根系Cd含量的比值高于中浙優(yōu)1號；當(dāng)外加Cd濃度達(dá)到5 mg·kg-1時，中浙優(yōu)1號根系向地上部轉(zhuǎn)移的Cd遠(yuǎn)高于J196，兩者地上部與根系Cd含量之比分為25.7%和7.4%；但在外加Cd處理達(dá)到25 mg·kg-1時，兩品種間差異不大。這說明在此生育期，在不加Cd處理下，J196根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的Cd高于中浙優(yōu)1號，但當(dāng)外加Cd在一定濃度范圍內(nèi)提高時，中浙優(yōu)1號由于自身的高轉(zhuǎn)運(yùn)特性，向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的能力超過J196。

2.2 外加Cd對水稻體內(nèi)非蛋白巰基含量的影響

植物體內(nèi)的非蛋白巰基（Non-protein thiol, NPT）包括植物螯合多肽（PCs）、谷光甘肽（GSH）等物質(zhì)。這些物質(zhì)與重金屬脅迫有密切關(guān)系。從圖2中可看出，外加Cd處理顯著增加了水稻植株根系NPT的含量。且J196根系NPT含量顯著高于中浙優(yōu)1號。和不加Cd處理相比，外加Cd處理下的水稻根中NPT含量約是不加Cd處理的1～2倍左右。莖葉中NPT含量顯著低于根系中NPT的量，約為根中NPT的20%～30%左右。對于J196而言，外加Cd同樣也顯著提高了莖葉中NPT含量，而中浙優(yōu)1號莖葉NPT含量在不同外加Cd處理下沒有明顯規(guī)律可循。但總體而言，除了不加Cd處理，中浙優(yōu)1號莖葉NPT高于J196外，其余外加Cd處理下，J196莖葉NPT也高于中浙優(yōu)1號。

圖2 不同濃度Cd對兩品種水稻植株不同部位NPT含量(鮮質(zhì)量)變化的影響Fig. 2 Effect of Cd on NPT in different part of two rice at seeding period

2.3 不同Cd處理下水稻體內(nèi)Cd亞細(xì)胞分布

2.3.1 不同Cd處理下水稻地上部Cd亞細(xì)胞分布

從表3可以看出，兩品種地上部各細(xì)胞器組分中的Cd含量隨著外加Cd濃度提高沒有顯著變化。兩品種比較，不加Cd處理下中浙優(yōu)1號細(xì)胞器含量高于J196，細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)可溶物之間沒有顯著差異。當(dāng)外加Cd處理達(dá)到25 mg·kg-1時，J196細(xì)胞壁 Cd含量高于中浙優(yōu) 1號，細(xì)胞內(nèi)可溶物中

Cd含量卻低于J196。從各細(xì)胞器組分分配率上看，任意Cd濃度處理下，Cd主要分布在兩個品種的細(xì)胞壁中，占到各細(xì)胞組分的 31.2%～51.5%，不加Cd處理和加Cd 25mg·kg-1下，中浙優(yōu)1號的Cd在細(xì)胞壁中分配率小于 J196。而在加 Cd 5 mg·kg-1下，中浙優(yōu)1號的Cd在細(xì)胞壁中分配率高于J196。

表3 水稻地上部各亞細(xì)胞組分Cd含量及分配率Table 3 Cd contents and distributions of subcellular fractions in shoots of rice

表4 水稻根系各亞細(xì)胞組分Cd含量及分配率Table 4 Cd contents and distributions of subcellular fractions in roots of rice

2.3.2 不同Cd處理下水稻根系Cd亞細(xì)胞分布

根系各亞細(xì)胞組分中的Cd含量水平隨品種、外加Cd處理不同而變化。從表4可以看出，兩品種根系各亞細(xì)胞組分中的Cd含量隨著外加Cd濃度的升高而顯著增加。兩品種間各亞細(xì)胞組分在不同外加 Cd處理下表現(xiàn)不同。不加 Cd處理時，J196細(xì)胞壁內(nèi)Cd含量顯著高于中浙優(yōu)1號，但細(xì)胞器和細(xì)胞內(nèi)溶物中Cd含量在兩品種間無顯著差異。當(dāng)外加Cd為5 mg·kg-1時，J196細(xì)胞壁和細(xì)胞器中Cd含量顯著高于中浙優(yōu)1號，細(xì)胞內(nèi)溶物中的Cd則在兩品種間無顯著差異。從各亞細(xì)胞組分組分分配率上看，任意Cd濃度下，Cd主要分布在兩品種的細(xì)胞壁上，且加Cd處理下的Cd分配比例高于不加Cd處理。其次是細(xì)胞器中的Cd含量，而細(xì)胞內(nèi)溶物的Cd含量最少。任意Cd處理下，各亞細(xì)胞組分的分配率均表現(xiàn)為，中浙優(yōu)1號Cd在細(xì)胞壁中分配率小于J196，而細(xì)胞器和細(xì)胞內(nèi)溶物中Cd的分配率大于J196。

3 討論

3.1 外加鎘對水稻非蛋白巰基的影響

植株體內(nèi)NTP含量的產(chǎn)生與金屬的濃度有關(guān)，其合成水平的高低與細(xì)胞內(nèi)脅迫金屬的數(shù)量存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，認(rèn)為胞內(nèi)PCs的誘導(dǎo)量可反映金屬的實(shí)際毒性（Sneller等，1999）。本實(shí)驗(yàn)中不同外加Cd處理下兩品種水稻植株體內(nèi)（根系、莖葉）Cd含量差異明顯，但Cd主要集中在根系。對于兩品種而言，J196根系Cd含量遠(yuǎn)高于中浙優(yōu)1號；莖葉Cd含量除了不加Cd處理下二者無顯著差異外，其他處理下J196均顯著高于中浙優(yōu)1號。而此時，水稻植株體內(nèi)的NPT含量則表現(xiàn)出：兩品種NPT含量主要集中在根系，且外加Cd下，根中NPT含量約是不加Cd處理的1～2倍左右。說明Cd對NPT的誘導(dǎo)能力與水稻Cd的含量變化存在一定的響應(yīng)關(guān)系，尤其表現(xiàn)在根系。外加Cd處理下，J196根系內(nèi)NPT-SH含量均高于中浙優(yōu)1號，這可能有助于前者體內(nèi)的鎘從根向地上部運(yùn)輸，這正從細(xì)胞水平上表明 J196可能具有從根系向莖葉的高轉(zhuǎn)運(yùn)能力。細(xì)胞水平上NPT-SH的誘導(dǎo)程度與Cd積累量相比可能是兩品種Cd耐性差異機(jī)制之一。

類似結(jié)果也出現(xiàn)在玉米（Keltjens和Beusichem，1998）和小麥（孫琴等，2004；孫琴等，2005）等多種植物體內(nèi)?？梢姡?xì)胞水平上PCs的誘導(dǎo)程度可以更好反映Cd的生物毒性。Guo和Marschner（1995）報道，鎘在植物體內(nèi)可能主要是以PC-Cd絡(luò)合物或者是Cd-GSHs絡(luò)合物的形式運(yùn)輸，鎘脅迫時，許多植物如大豆、煙草、番茄、土豆及玉米，其γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶活性明顯增強(qiáng)，這些NPT物質(zhì)與鎘絡(luò)合形成絡(luò)合物數(shù)量增加，從而促進(jìn)Cd從根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。Hsu和Kao報道（2003），用10～50 μmol·L-1鎘處理水稻幼苗6 d后，耐性強(qiáng)的水稻品種TNG67其葉綠素和蛋白質(zhì)含量沒有明顯的變化，而鎘敏感品種TN1其葉綠素和蛋白質(zhì)含量都出現(xiàn)顯著的下降。因此植物體內(nèi)高PC或高GSH含量可能有助于鎘從根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。因此，植物體內(nèi)高TNP-SH含量可能有助于鎘從根向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。

對于同種作物的不同品種而言，F(xiàn)lorijn和Van Beusichem（1993）發(fā)現(xiàn)高Cd玉米根中PC的濃度遠(yuǎn)高于低Cd玉米，因而前者地上部的Cd含量遠(yuǎn)高于后者。王芳等（2010）采用鎘（Cd）耐性不同的水稻品種N07-6和N07-63，通過室內(nèi)水培試驗(yàn)，比較了50 μmol·L-1Cd脅迫下水稻的非蛋白巰基（NPT）的差異。結(jié)果表明，Cd脅迫誘導(dǎo)了兩個品種NPT含量的增加，N07-63的增幅顯著高于N07-6。高可輝等（2011）結(jié)果表明：Cd脅迫明顯抑制了水稻生長，顯著誘導(dǎo)了巰基物質(zhì)[非蛋白巰基（NPT）、谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PC）]的合成，在一定程度上減輕了Cd的毒性效應(yīng)。原海燕等（2013）采用溶液培養(yǎng)研究Pb脅迫以及Pb脅迫下添加外源谷胱甘肽（GSH）和丁胱亞磺酰胺（BSO）對馬藺根和葉非蛋白巰基總肽（NPT）含量的影響。結(jié)果表明Pb脅迫下添加BSO后馬藺生物量的下降可能與非蛋白巰基化合物合成受抑降低有關(guān)。

3.2 外加鎘條件下對鎘在水稻亞細(xì)胞分布的影響

進(jìn)行Cd亞細(xì)胞分布的研究有利于從細(xì)胞水平上深入研究Cd對植物的毒害和耐受機(jī)制。而目前對Cd在植物體內(nèi)的細(xì)胞行為還不十分清楚，但細(xì)胞壁沉積和液泡區(qū)室化作用是植物對重金屬解毒的重要途徑（Wang等，2008）。李德明等（2004）研究發(fā)現(xiàn)在小白菜的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中，Cd主要分布在細(xì)胞可溶性成分、細(xì)胞壁和葉綠體中，細(xì)胞核、線粒體和核糖體中Cd分布量較少。Hall（2002）認(rèn)為，Cd在植物細(xì)胞內(nèi)除由細(xì)胞壁部分吸附外，大部分的Cd積累于液泡，使植物細(xì)胞免除毒害。在各亞細(xì)胞組分中，Cd都隨著溶液中 Cd濃度的增加而增加（Ramos等，2002）。萬敏等（2003）對小麥的兩個不同品種的研究表明，在其根和葉片細(xì)胞中，Cd大部分存在于細(xì)胞可溶部分（細(xì)胞質(zhì)部分），占總量的58.5%～66.8%，少部分存在于細(xì)胞不溶部分（細(xì)胞器和細(xì)胞壁部分）。楊居榮等（1993）在對小黑麥、玉米、大豆和黃瓜4種盆栽試驗(yàn)的結(jié)果也表明，Cd在 4種作物根細(xì)胞中的分布均以可溶性組分所占比例最高，可達(dá) 58%～70%。冉文靜等（2010）指出復(fù)合投加gallic acid和SDS可以增強(qiáng)黑麥草對Cd的區(qū)室化作用和細(xì)胞壁沉積作用。潘秀等（2012）也通過盆栽實(shí)驗(yàn)分析了Cd、Zn在互花米草中的亞細(xì)胞分布，細(xì)胞壁是主要分布部位。這些結(jié)果上的差異，可能是因?yàn)樵囼?yàn)中不同的Cd濃度及試驗(yàn)作物耐Cd性的不同而致。

試驗(yàn)結(jié)果表明，Cd處理下，2水稻品種的根系細(xì)胞的 Cd大部分存在于細(xì)胞壁中，占 52.6%～83.2%，少部分存在于細(xì)胞可溶部分（細(xì)胞質(zhì)），其鎘含量分布的百分率為 3.0%～10.1%，且根系細(xì)胞壁中J196的分布率高于中浙優(yōu)1號。說明J196的根系細(xì)胞壁的固Cd能力較強(qiáng)?？赡艿脑蚴呛椭姓銉?yōu)1號相比，J196的根細(xì)胞壁具有大量的陽離子配位基團(tuán)并且含有大量的能吸附Cd離子的非可溶性物質(zhì)。隨著Cd處理升高，二者的差異減小，外加Cd使更多的Cd積累在根系，中浙優(yōu)1號細(xì)胞壁的固鎘能力提高。根細(xì)胞中鎘的亞細(xì)胞分布會影響鎘在植物體內(nèi)的移動性，這一假設(shè)已經(jīng)在對不同作物的研究中得到驗(yàn)證。對于細(xì)胞內(nèi)可溶物中的Cd而言，和不加Cd處理下J196根系的細(xì)胞內(nèi)可溶物占根中總Cd的分布百分率高于中浙優(yōu)1號相比，這一點(diǎn)很好的解釋了J196地上部Cd含量高于中浙優(yōu)1號的事實(shí)。隨著外加Cd升高，中浙優(yōu)1號表現(xiàn)出高于J196的趨勢，在此情況下的中浙優(yōu)1號細(xì)胞質(zhì)中較高Cd含量及其占根中各亞細(xì)胞組分較高，增加了Cd從根系由木質(zhì)部向地上部移動的可能性，這一點(diǎn)正好說明中浙優(yōu)1號加Cd下地上部與根系Cd含量的比值升高這一事實(shí)。

兩水稻品種地上部細(xì)胞壁Cd分配率隨著外加Cd濃度升高而出現(xiàn)先升高后降低，說明外加Cd處理，兩品種吸收的C在細(xì)胞壁上累積較多，這因?yàn)榧?xì)胞壁是Cd進(jìn)入植物的第一層屏障，體現(xiàn)了細(xì)胞壁保護(hù)原生質(zhì)體免受 Cd傷害的功能。當(dāng)外加 Cd到一定程度時，各品種自身就開始表現(xiàn)出不同的耐Cd差異，如在本試驗(yàn)中當(dāng)外加Cd達(dá)到25 mg·kg-1時，J196的細(xì)胞壁及細(xì)胞內(nèi)溶物組分Cd含量均顯著高于中浙優(yōu)1號，在細(xì)胞器中兩品種沒有顯著差異，說明在此外加Cd濃度下有更多的Cd進(jìn)入中浙優(yōu)1號的細(xì)胞壁和細(xì)胞內(nèi)溶物內(nèi)。在此外加Cd濃度下，和不加Cd、低Cd濃度相比，Cd在中浙優(yōu)1號細(xì)胞內(nèi)溶物的分配率增高11.5%～17.2%，J196只增高8.9%～12.2%，表明外加Cd處理下會促使中浙優(yōu)1號中Cd在葉片中細(xì)胞內(nèi)溶物的分配百分率，這樣則增加了中浙優(yōu)1號葉片中Cd由韌皮部運(yùn)往子粒的可能性，也從亞細(xì)胞水平上說明了中浙優(yōu) 1號為高轉(zhuǎn)運(yùn)品種的可能機(jī)制。因此根系、地上部Cd的積累量并不能作為判斷一個品種是否耐Cd的標(biāo)志，Cd在亞細(xì)胞組分中的分配比例似乎更重要，不同亞細(xì)胞組分對Cd的固定可能才是品種自身的耐Cd機(jī)制所在。

4 結(jié)論

（1）外加Cd對水稻體內(nèi)非蛋白巰基（NPT-SH）的誘導(dǎo)量與水稻體內(nèi)Cd的含量變化存在一定的響應(yīng)關(guān)系，尤其表現(xiàn)在根系。兩品種根系NPT-SH含量的差異響應(yīng)了二者體內(nèi)Cd從根系向莖葉運(yùn)輸能力的差異。

（2）外加Cd影響到不同品種水稻體內(nèi)Cd在根系、葉片內(nèi)細(xì)胞壁、細(xì)胞內(nèi)溶物中含量及分配率變化。Cd脅迫下超級稻品種根系、葉片中細(xì)胞內(nèi)溶物分配百分率升高的現(xiàn)象從亞細(xì)胞水平上解釋了該品種為籽粒高轉(zhuǎn)運(yùn)、分配品種的可能機(jī)制。

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Effects of Cd-spiking Treatment on Cd Accumulation, Subcellular Distribution and Content of Nonprotein Thiols in Rice

SHI Jing1*, PAN Genxing2
1. College of resources and environment of Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2. Institute of Resources, Ecosystem and Environment of Agriculture, NanjingAgricultural University, Nanjing 210095, China

In China, Cd concentration in croplands and subsequent accumulation in crops has been increased as a result of soil polltuion due to human activities such as mining, emission from industry and application of sewage sludges, which is posing potential public health risk for human through dietary intake. Among the major staple crops, rice (Oryza sativa L.) is the particular food crop with high Cd uptake and accumulation in grains. There had been much evidences of differences in Cd accumulation in plants and plant tolerance to between rice species and genotypes. Meanwhile, Cd tolerance and low Cd accumulation in grains may be used as a strategy for low Cd rice production. However, the mechanisms involved in Cd tolerance and grain accumulation has been not clearly demonstrated. Studying cadmium absorption characteristics under different rice varieties with Cd contaminated soil, the detoxification mechanism of PCs (mainly Non-protein thiol) and from micro level explore the distribution of cadmium subcellular. Its has huge significance to understand the resistance mechanism of Cd in different rice genotypes. In an effort to understand the biological process of Cd bioaccumulation, a pot experiments with subcelluar fractionation were carried out to investigate the subcelluar distribution of Cd in roots and leaves of rice. Two rice cultivars, Zhongzheyou-1, a high grain Cd accumulation cultivar, and J196, a low Cd accumulating cultivar, were grown in red soils. The experiment was conducted to study the effect of Cd-spiking treatment on Cd content, nonprotein thiols (NPT) production and its subcellular distribution in rice. The results showed that Cd stress had significant inhibitory effects on NPT overproduction. The Cd uptake of rice was affected by the Cd-spiking treatment and the genotypes. Furthermore, the Cd content was enhanced with increasing Cd supply, coinciding with the enhancement of NPT level in root. Compared the two varieties, when soil without Cd. The ratio of J196 aboveground Cd content/root Cd content is higher than Zhong-Zhe Optimal number 1; when the soil Cd content was 5 mg·kg-1, the amount of root A transform Cd to aboveground is far more than C, respectively 25.7% and 7.4%; but when the soil Cd content was 25 mg·kg-1, there was no significant difference between the two varieties. Root NPT contents of J196 was more than those of Zhongzheyou-1, suggested that Zhongzheyou-1 has the higher Cd transfer level from root to stem compared to J196. At the same time, there was a genotypic difference of Cd concentrations among two cultivars. Cd concentrations in different plant parts followed the rank of root>leaf. Cd was mainly distributed in the cell wall, about 52.6%～83.2%, and less distributed in the fractions of cell soluble component with distribution rate of 3.0%～10.1%. The phenomenon of J196 Cd cell wall distribution rate was higher than Zhongzheyou-1 showed that the cell wall compartmentation of J196 is stronger contract to Zhongzheyou-1; in the condition of Cd-spiking, it promoted root cell soluble component of Zhongzheyou-1 transferring to shoot via xylem. Under high Cd supply, Zhongzheyou-1 possessing the increase degree of Cd distribution in cell soluble component compared to J196, which possibly resulted in lower in stem and more Cd traslocation from shoot to grain via phloem.

rice; Cd; NPT; subcelluar distribution

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.020

X171.5

A

1674-5906（2015）05-0853-07

史靜，潘根興. 外加鎘對水稻鎘吸收、亞細(xì)胞分布及非蛋白巰基含量的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(5): 853-859.

SHI Jing, PAN Genxing. Effects of Cd-spiking Treatment on Cd Accumulation, Subcellular Distribution and Content of Nonprotein Thiols in Rice [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 853-859.

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃項(xiàng)目（2013FB043）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41301349）

史靜（1980年生），女，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事土壤-作物鎘遷移與防控研究。E-mail:383110966@qq.com *通信作者。

2014-10-27