Cd-K雙重處理對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)和Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響及相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)通道分析

高子平， 王 龍， 李文華， 王景安， 劉仲齊，①

(1. 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所 生態(tài)毒理與環(huán)境修復(fù)研究中心， 天津 300191；2. 天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 3. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 河南 鄭州 450002)

Cd-K雙重處理對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)和Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響及相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)通道分析

高子平1，2， 王 龍1，3， 李文華1， 王景安2， 劉仲齊1，①

(1. 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所 生態(tài)毒理與環(huán)境修復(fù)研究中心， 天津 300191；2. 天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387； 3. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 河南 鄭州 450002)

以水稻(OryzasativaLinn.)高Cd積累品種‘T優(yōu)705’(‘T You 705’)和低Cd積累品種‘湘早秈24’(‘Xiangzaoxian 24’)為實(shí)驗(yàn)材料，采用水培法對(duì)不同濃度Cd(0.0和2.7 μmol·L-1Cd)和K(0、30和60 mmol·L-1K)處理?xiàng)l件下2個(gè)品種幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)量、根系和地上部的Cd含量及其亞細(xì)胞分布特征進(jìn)行了比較，并分析了添加離子通道活性抑制劑TEA和LaCl3后幼苗根系和地上部的Cd和K含量；在此基礎(chǔ)上，比較了NSCCs(非選擇性陽(yáng)離子通道)和K專性通道對(duì)2個(gè)品種幼苗根系和地上部Cd和K吸收貢獻(xiàn)率的影響。結(jié)果表明：與Cd單一處理組(2.7 μmol·L-1Cd)相比， Cd-K雙重處理組(2.7 μmol·L-1Cd-30 mmol·L-1K和2.7 μmol·L-1Cd- 60 mmol·L-1K)2個(gè)品種幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)量顯著提高，而幼苗根系和地上部的Cd含量顯著下降；隨K濃度的提高，2個(gè)品種幼苗根系細(xì)胞壁和細(xì)胞液中的Cd含量顯著下降，但細(xì)胞壁中Cd含量的分配比例增大而細(xì)胞液中Cd含量的分配比例則減小。在含2.7 μmol·L-1Cd和30 mmol·L-1K的培養(yǎng)液中分別添加5 mmol·L-1TEA或0.2 mmol·L-1LaCl3后，2個(gè)品種幼苗根系和地上部的Cd和K含量均顯著下降，其中，LaCl3處理組的根系Cd含量降幅高于TEA處理組，但LaCl3處理組的根系K含量降幅則低于TEA組。NSCCs對(duì)品種‘T優(yōu)705’幼苗根系和地上部Cd吸收的貢獻(xiàn)率顯著低于品種‘湘早秈24’幼苗，而K專性通道對(duì)品種‘T優(yōu)705’幼苗根系K吸收和地上部Cd吸收的貢獻(xiàn)率則顯著低于品種‘湘早秈24’幼苗。研究結(jié)果顯示：添加外源K可緩解Cd對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，并通過(guò)提高細(xì)胞壁與Cd的結(jié)合能力來(lái)降低細(xì)胞液中Cd的積累，以此減弱幼苗對(duì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力；幼苗體內(nèi)的K和Cd均可通過(guò)K專性通道和NSCCs轉(zhuǎn)運(yùn)，其中，K吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)主要通過(guò)K專性通道完成，而Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)主要通過(guò)NSCCs完成。此外，品種‘T優(yōu)705’可能具有多種離子通道參與Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，而品種‘湘早秈24’主要依賴NSCCs參與Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，且后者對(duì)K的吸收和積累強(qiáng)于前者。

水稻； Cd-K雙重處理； 生長(zhǎng)量； Cd吸收； K吸收； 離子通道

近年來(lái)，由礦產(chǎn)資源過(guò)度開(kāi)發(fā)、工業(yè)“三廢”不合理排放、化肥和農(nóng)藥過(guò)量施用及不合格污水灌溉等引發(fā)的農(nóng)田重金屬污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[1-2]。在所有重金屬污染中，鎘(Cd)因其高移動(dòng)性、高毒害性及污染面積最大而被列為“五毒之首”[3-4]。相關(guān)研究結(jié)果[5-6]表明：中國(guó)耕地土壤的Cd點(diǎn)位超標(biāo)率明顯高于其他金屬元素，并呈日益加重的趨勢(shì)。水稻(OryzasativaLinn.)是極易富集Cd的農(nóng)作物[7-8]，稻田Cd污染對(duì)稻米中Cd積累量有顯著影響[9]，因此，有效控制稻米中的Cd積累對(duì)維護(hù)糧食安全具有重要意義。

鉀(K)是植物生長(zhǎng)必需的三大元素之一，在細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，并可參與許多生理過(guò)程(如酶活性調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)合成和滲透調(diào)節(jié)等)，對(duì)改善作物品質(zhì)和提高植物抗逆能力也具有重要作用[10-11]。賈倩等[12]的研究結(jié)果表明：在Cd和Pb復(fù)合污染土壤中施用適量的K肥可以明顯促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和干物質(zhì)積累，同時(shí)降低土壤中Cd和Pb的污染程度。然而，施用外源K肥對(duì)緩解稻田Cd污染毒害是否也有類似的作用尚不清楚。

植物體內(nèi)的K轉(zhuǎn)運(yùn)途徑主要有主動(dòng)運(yùn)輸和被動(dòng)運(yùn)輸2類，其中，主動(dòng)運(yùn)輸由K載體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白完成，其對(duì)K+具有高度的選擇性，主要參與調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)部或植物體各部分間的K+/Na+平衡[13-14]；被動(dòng)運(yùn)輸由K專性通道蛋白完成，能同時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)K+和其他離子，是植物從土壤中吸收K+的主要途徑[15]。非選擇性陽(yáng)離子通道(nonselective cation channels, NSCCs)是普遍存在于植物原生質(zhì)、液泡膜和其他內(nèi)膜系統(tǒng)的一類離子通道[16-18]，對(duì)陽(yáng)離子的選擇性很低，既能轉(zhuǎn)運(yùn)植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素(如K+、NH4+、Ca2+、Mg2+、Zn2+和Mn2+等)，也能參與Cd2+和Pb2+等重金屬陽(yáng)離子進(jìn)入植物體內(nèi)的過(guò)程[19]。四乙胺(tetraethylammonium, TEA)為K專性通道的抑制劑，能夠抑制植物對(duì)K的專性吸收[20-21]；鑭離子(La3+)為NSCCs抑制劑，能夠關(guān)閉植物細(xì)胞質(zhì)膜上的NSCCs通道[19,22]。在水稻對(duì)Cd和K吸收積累過(guò)程中K專性通道和NSCCs抑制劑的影響效應(yīng)尚未明確，并且K專性通道和NSCCs對(duì)水稻中Cd和K吸收的貢獻(xiàn)率也不清楚，這在一定程度上限制了稻田Cd污染的有效防治。

鑒于此，作者以湖南省廣泛種植的2個(gè)早熟秈稻品種幼苗為實(shí)驗(yàn)材料，依據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)置2.7 μmol·L-1Cd處理?xiàng)l件，對(duì)不同K濃度處理組2個(gè)水稻品種幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)量、根系和地上部的Cd含量及其亞細(xì)胞分布特征進(jìn)行比較；并且，對(duì)添加LaCl3和TEA后2個(gè)水稻品種幼苗根系和地上部的Cd和K含量以及K專性通道和NSCCs對(duì)幼苗根系和地上部的Cd和K吸收貢獻(xiàn)率進(jìn)行分析，以期初步探討K抑制水稻中Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的生理機(jī)制，并明確NSCCs和K專性通道對(duì)水稻Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響效應(yīng)，為稻米Cd積累的有效控制提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

以湖南省廣泛種植的早熟秈稻品種‘T優(yōu)705’(‘T You 705’)和‘湘早秈24’(‘Xiangzaoxian 24’)成熟種子為實(shí)驗(yàn)材料，其中，‘T優(yōu)705’為高Cd積累品種，‘湘早秈24’為低Cd積累品種[23]。

1.2 方法

1.2.1 幼苗培養(yǎng)方法 選取飽滿均一的種子，置于質(zhì)量體積分?jǐn)?shù)5%NaClO溶液中浸泡15 min，用去離子水沖洗干凈后均勻擺在盛有少許去離子水的培養(yǎng)皿(以水面略沒(méi)過(guò)種子為準(zhǔn))中，每個(gè)培養(yǎng)皿200粒種子，置于28 ℃恒溫培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)24 h。將經(jīng)過(guò)上述催芽的種子播種在育苗盤(pán)中，待幼苗長(zhǎng)至兩葉一心時(shí)選取生長(zhǎng)狀況基本一致的植株，移栽到盛有8 L 1/10Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的塑料盆(長(zhǎng)、寬和高分別為35、25和12 cm)中進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)，將幼苗用海綿固定在塑料盆上具80個(gè)小圓孔的硬塑料板中，每孔3株幼苗。培養(yǎng)期間，每天更換塑料盆的位置以保證光照均勻，并向塑料盆中補(bǔ)充1/4Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，培養(yǎng)液pH值用0.1 mol·L-1HCl和0.1 mol·L-1NaOH溶液調(diào)節(jié)至pH 5.5。將幼苗置于人工氣候室中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為溫度25 ℃、光照強(qiáng)度105 μmol·m-2·s-1、光照時(shí)間16 h·d-1、空氣相對(duì)濕度60%。

1.2.2 Cd和K處理方法 根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，共設(shè)置T1(0.0 μmol·L-1Cd-0.0 mmol·L-1K)、T2(2.7 μmol·L-1Cd-0.0 mmol·L-1K)、T3(2.7 μmol·L-1Cd-30.0 mmol·L-1K)和T4(2.7 μmol·L-1Cd-60.0 mmol·L-1K)4個(gè)處理組，其中T1為對(duì)照組。待幼苗長(zhǎng)至四葉一心時(shí)，挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，置于Cd和K濃度不同的1/10Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)，其中，Cd以CdCl2·2.5H2O形式加入，K以KCl的形式加入；每處理組各品種均40株幼苗，各設(shè)3次重復(fù)。處理期間，每2天更換1次培養(yǎng)液，共處理5 d。

1.2.3 離子通道活性抑制劑處理方法 參照Véry等[24]和張參俊等[19]的方法，對(duì)不同濃度四乙胺(TEA)和氯化鑭(LaCl3)的抑制效果進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示5 mmol·L-1TEA和0.2 mmol·L-1LaCl3能顯著抑制水稻幼苗對(duì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。基于此，以含有2.7 μmol·L-1Cd和30.0 mmol·L-1K的1/10 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液為基礎(chǔ)，設(shè)置3個(gè)處理組：P1組培養(yǎng)液不添加抑制劑(對(duì)照)；P2組培養(yǎng)液添加0.2 mmol·L-1LaCl3；P3組培養(yǎng)液添加5 mmol·L-1TEA。其中，TEA以氯化四乙胺(TEAC)形式加入。選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行處理，并按照上述培養(yǎng)條件處理5 d，每處理5株幼苗，各3次重復(fù)。

1.2.4 相關(guān)指標(biāo)測(cè)量方法 在Cd-K處理組隨機(jī)選擇5株幼苗，分別在處理前以及處理5 d后稱量其總鮮質(zhì)量，并計(jì)算相對(duì)生長(zhǎng)量，結(jié)果取平均值。

處理5 d后， 分別收集各處理組的全部幼苗， 用5 mmol·L-1CaCl2溶液浸泡幼苗根系10 min[25]，以去除吸附在幼苗根系表面的Cd，將根系用去離子水沖洗干凈并吸干表面水分；將幼苗的地上部與根系分開(kāi)，每個(gè)處理組分別稱取根系和地上部鮮樣各1 g，用錫紙包裹并在液氮中冷凍后置于-80 ℃冰箱中保存，用于Cd含量的亞細(xì)胞分布分析。同時(shí)，將剩余幼苗分別裝入信封袋中，于105 ℃殺青15 min，并在75 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量，每5株幼苗為1組，用萬(wàn)分之一分析天平稱量其地上部和根系的總干質(zhì)量。

分別將地上部和根系的干燥樣品粉碎，用于Cd和K含量測(cè)定。 取適量樣品置于消煮管中， 加入7 mL HNO3浸泡過(guò)夜，使用LabTech ED54消解儀(北京萊伯泰科有限公司)于110 ℃保溫2.5 h，冷卻后加入1 mL H2O2，繼續(xù)加熱至110 ℃并保溫1.5 h，于180 ℃條件下趕酸至溶液體積約1 mL，用去離子水定容至25 mL，即為待測(cè)樣液；用AAS ZEEnit700原子吸收儀(德國(guó)Analytik Jena公司)測(cè)定待測(cè)樣液中的Cd和K濃度，并計(jì)算樣品中的Cd和K含量[6]。

采用差速離心法[26-27]對(duì)Cd含量的亞細(xì)胞分布進(jìn)行檢測(cè)。稱取適量新鮮根系和地上部，分別置于50 mL離心管中， 在4 ℃條件下加入預(yù)冷的提取緩沖液〔含250 mmol·L-1蔗糖、 50 mmol·L-1Tris-HCl (pH 7.5)和1 mmol·L-1二硫赤鮮醇〕，充分研磨成勻漿，于4 ℃條件下3 000 r·min-1離心15 min，沉淀為細(xì)胞壁組分；上清液于4 ℃條件下15 000 r·min-1離心30 min，沉淀為細(xì)胞器組分，上清液為細(xì)胞液組分。分別將各組分置于80 ℃條件下烘干，按照前述方法進(jìn)行消煮和Cd含量測(cè)定，并計(jì)算Cd含量在各亞細(xì)胞組分中的分配比例。

1.3 數(shù)據(jù)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析方法

按照公式“相對(duì)生長(zhǎng)量=(對(duì)照組5株幼苗的總鮮質(zhì)量/實(shí)驗(yàn)組5株幼苗的總鮮質(zhì)量)×100%”計(jì)算各處理組幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)量；按照公式“某亞細(xì)胞組分Cd含量的分配比例=〔某亞細(xì)胞組分Cd含量/(細(xì)胞壁Cd含量+細(xì)胞器Cd含量+細(xì)胞液Cd含量)〕×100%”計(jì)算Cd含量在各亞細(xì)胞組分中的分配比例；按照公式“貢獻(xiàn)率=〔(對(duì)照組Cd或K含量-處理組Cd或K含量)/對(duì)照組Cd或K含量〕×100%”計(jì)算NSCCs(添加抑制劑LaCl3)和K專性通道(添加TEA)對(duì)水稻幼苗Cd及K吸收的貢獻(xiàn)率。

采用EXCEL 2007、SPSS 11.5和OriginPro 8.6統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析和制圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 Cd-K雙重處理?xiàng)l件下2個(gè)水稻品種幼苗相對(duì)生長(zhǎng)量的比較

在Cd和K濃度不同的1/10Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)5 d，水稻品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗相對(duì)生長(zhǎng)量見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)：在不同濃度Cd-K雙重處理組中2個(gè)水稻品種幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)量均顯著(P≤0.05)低于對(duì)照組；在各處理組中，品種‘T優(yōu)705’幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)量均略高于品種‘湘早秈24’；此外，隨培養(yǎng)液中K濃度的提高，2個(gè)水稻品種幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)量均顯著升高。

處理Treat-mentCd濃度/μmol·L-1Conc.ofCdK濃度/mmol·L-1Conc.ofK2個(gè)品種幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)量/%RelativegrowthamountofseedlingsoftwocultivarsT優(yōu)705TYou705湘早秈24Xiangzaoxian24T1(CK)0.00100.00±0.33a100.00±0.21aT22.7087.10±0.98d86.37±0.62dT32.73092.77±0.57c91.99±1.32cT42.76097.44±0.82b96.00±0.82b

1)同列中不同的小寫(xiě)字母表示差異顯著(P≤0.05) Different small lettersinthesamecolumnindicatethesignificantdifference (P≤0.05).

2.2 Cd-K雙重處理?xiàng)l件下2個(gè)水稻品種幼苗不同部位Cd含量的比較

在Cd和K濃度不同的1/10Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)5 d，水稻品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系和地上部的Cd含量見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)：在不同濃度Cd-K雙重處理組中2個(gè)水稻品種幼苗根系和地上部的Cd含量均顯著(P≤0.05)高于對(duì)照組，且各處理組中，品種‘T優(yōu)705’幼苗根系和地上部的Cd含量均高于品種‘湘早秈24’。在2.7 μmol·L-1Cd單一處理?xiàng)l件下(T2處理組)，品種‘T優(yōu)705’幼苗根系和地上部的Cd含量分別為品種‘湘早秈24’的1.23和1.50倍，二者根系Cd含量分別為地上部Cd含量的16.13和19.78倍，說(shuō)明品種‘T優(yōu)705’幼苗能夠吸收并積累更多的Cd，對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng)。 隨著培養(yǎng)液中K濃度的提高，2個(gè)水稻品種幼苗的根系和地上部Cd含量均顯著降低；與Cd單一處理組相比，在2.7 μmol·L-1Cd- 60 mmol·L-1K處理組中，品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系Cd含量分別下降43.78%和40.72%，二者地上部Cd含量則分別下降52.31%和67.17%，說(shuō)明加入外源K可以抑制水稻幼苗對(duì)Cd的吸收和積累。

表2 在含不同濃度Cd和K的培養(yǎng)液中培養(yǎng)5 d后 2個(gè)水稻品種幼苗根系和地上部Cd含量的比較
Table 2 Comparison on Cd content in root and above-ground part of seedlings of two cultivars of Oryza sativa Linn.after cultured for 5 d in culture solution containing different concentrations of Cd and K

處理TreatmentCd濃度/μmol·L-1Conc.ofCdK濃度/mmol·L-1Conc.ofK2個(gè)品種根系的Cd含量/mg·kg-1CdcontentinrootoftwocultivarsT優(yōu)705TYou705湘早秈24Xiangzaoxian242個(gè)品種地上部的Cd含量/mg·kg-1Cdcontentinabove-groundpartoftwocultivarsT優(yōu)705TYou705湘早秈24Xiangzaoxian24T1(CK)0.0010.02±2.20d8.01±1.06d1.27±0.54d0.98±0.23dT22.701063.63±48.91a868.23±34.77a65.95±4.09a43.89±0.82aT32.730775.78±50.43b603.23±56.59b54.55±0.53b33.39±0.89bT42.760598.00±27.40c514.68±4.20c31.45±1.19c14.41±0.22c

1)同列中不同的小寫(xiě)字母表示差異顯著(P≤0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference (P≤0.05).

2.3 Cd-K雙重處理?xiàng)l件下2個(gè)水稻品種幼苗不同部位Cd含量的亞細(xì)胞分布比較

在Cd和K濃度不同的1/10Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)5 d，水稻品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系和地上部的不同亞細(xì)胞組分中Cd含量及其分配比例分別見(jiàn)表3和表4。

結(jié)果顯示：在2.7 μmol·L-1Cd單一處理?xiàng)l件下，2個(gè)水稻品種幼苗根系各亞細(xì)胞組分中的Cd含量及其分配比例均呈現(xiàn)在細(xì)胞壁中最高、在細(xì)胞器中最低的規(guī)律；2個(gè)水稻品種幼苗地上部各亞細(xì)胞組分中的Cd含量明顯低于根系，約為根系各亞細(xì)胞組分中Cd含量的1/10。2個(gè)水稻品種幼苗地上部Cd含量的亞細(xì)胞分布狀況與根系明顯不同，表現(xiàn)為在細(xì)胞壁中Cd含量及其分配比例明顯大于細(xì)胞液，且Cd含量及其分配比例在細(xì)胞器中最小。品種‘T優(yōu)705’幼苗根系細(xì)胞壁中Cd含量的分配比例明顯高于品種‘湘早秈24’，說(shuō)明品種‘T優(yōu)705’幼苗根系的細(xì)胞壁可以吸收、積累更多的Cd，并可有效阻止Cd向細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸。

表3 在含不同濃度Cd和K的培養(yǎng)液中培養(yǎng)5 d后 2個(gè)水稻品種幼苗根系各亞細(xì)胞組分中Cd含量及其分配比例的比較
Table 3 Comparison on Cd content and its allocation proportion in different subcellular fractions in root of seedlings of two cultivars of Oryza sativa Linn.after cultured for 5 d in culture solution containing different concentrations of Cd and K

處理TreatmentCd濃度/μmol·L-1Conc.ofCdK濃度/mmol·L-1Conc.ofK各亞細(xì)胞組分中的Cd含量及其分配比例/mg·kg-1Cdcontentanditsallocationproportionindifferentsubcellularfractions細(xì)胞壁Cellwall細(xì)胞器Organelle細(xì)胞液Cellsap品種‘T優(yōu)705’Cultivar‘You705’T22.7057.33±0.45a(51.80%)10.61±0.33a(9.59%)42.73±0.29b(38.61%)T32.73035.72±0.37b(61.03%)7.52±0.34b(12.85%)15.29±0.19b(26.11%)T42.76030.70±0.61c(62.13%)6.27±0.28c(12.71%)12.43±0.23c(25.15%)品種‘湘早秈24’Cultivar‘Xiangzaoxian24’T22.7034.45±0.39a(47.72%)7.71±0.19a(10.68%)30.03±0.35a(41.60%)T32.73023.52±0.39b(48.65%)6.36±0.11b(13.16%)18.46±0.21b(38.19%)T42.76020.20±0.34c(54.33%)4.96±0.17c(13.35%)12.01±0.28c(32.32%)

1)同列中不同的小寫(xiě)字母表示差異顯著(P≤0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference (P≤0.05). 括號(hào)內(nèi)的百分?jǐn)?shù)為Cd含量的分配比例 Percentages in the brackets are allocation proportions of Cd content.

表4 在含不同濃度Cd和K的培養(yǎng)液中培養(yǎng)5 d后 2個(gè)水稻品種幼苗地上部各亞細(xì)胞組分中Cd含量及其分配比例的比較
Table 4 Comparison on Cd content and its allocation proportion in different subcellular fractions in above-ground part of seedlings of two cultivars of Oryza sativa Linn.after cultured for 5 d in culture solution containing different concentrations of Cd and K

處理TreatmentCd濃度/μmol·L-1Conc.ofCdK濃度/mmol·L-1Conc.ofK各亞細(xì)胞組分中的Cd含量及其分配比例/mg·kg-1Cdcontentanditsallocationproportionindifferentsubcellularfractions細(xì)胞壁Cellwall細(xì)胞器Organelle細(xì)胞液Cellsap品種‘T優(yōu)705’Cultivar‘You705’T22.705.64±0.16a(61.01%)1.68±0.11a(18.22%)1.92±0.16a(20.77%)T32.7303.50±0.12b(60.46%)0.91±0.13b(15.63%)1.39±0.12b(23.90%)T42.7602.54±0.09c(76.25%)0.49±0.02c(14.86%)0.30±0.01c(8.89%)品種‘湘早秈24’Cultivar‘Xiangzaoxian24’T22.703.97±0.11a(61.81%)1.06±0.04a(16.45%)1.40±0.09a(21.74%)T32.7302.07±0.14b(52.99%)0.71±0.07b(18.03%)1.13±0.08b(28.97%)T42.7601.44±0.11c(57.12%)0.57±0.06c(22.49%)0.51±0.04c(20.38%)

1)同列中不同的小寫(xiě)字母表示差異顯著(P≤0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference (P≤0.05). 括號(hào)內(nèi)的百分?jǐn)?shù)為Cd含量的分配比例 Percentages in the brackets are allocation proportions of Cd content.

由表3和表4還可見(jiàn)：在Cd-K雙重處理?xiàng)l件下，2個(gè)水稻品種幼苗根系和地上部各亞細(xì)胞組分中的Cd含量均顯著(P≤0.05)低于Cd單一處理組， 且隨K濃度的提高各亞細(xì)胞組分中的Cd含量逐漸降低；其中，在2.7 μmol·L-1Cd-60 mmol·L-1K處理?xiàng)l件下，品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系細(xì)胞液中的Cd含量分別較Cd單一處理組下降了70.91%和60.00%，二者地上部細(xì)胞液中的Cd含量分別較Cd單一處理組下降了84.38%和63.57%。隨培養(yǎng)液中K濃度的提高，2個(gè)水稻品種幼苗根系細(xì)胞壁中的Cd含量分配比例均逐漸增大，而細(xì)胞液中Cd含量的分配比例卻逐漸降低；但地上部Cd含量的亞細(xì)胞分配比例無(wú)明顯的變化規(guī)律，說(shuō)明添加外源K能夠增強(qiáng)水稻幼苗根系細(xì)胞壁對(duì)Cd的結(jié)合能力，以此降低幼苗根系細(xì)胞液中的Cd含量，最終導(dǎo)致幼苗根系吸收的Cd向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)量減小，使幼苗地上部Cd含量大幅降低。

2.4 離子通道活性抑制劑對(duì)2個(gè)水稻品種幼苗不同部位Cd和K含量的影響

在含有2.7 μmol·L-1Cd和30 mmol·L-1K的培養(yǎng)液中分別加入5 mmol·L-1TEA(K專性通道抑制劑)和0.2 mmol·L-1LaCl3(NSCCs抑制劑)并培養(yǎng)5 d后，水稻品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系和地上部的Cd和K含量見(jiàn)表5。

表5 在含2.7 μmol·L-1Cd-30 mmol·L-1K的培養(yǎng)液中添加LaCl3和TEA后2個(gè)水稻品種幼苗根系和地上部Cd和K含量的比較
Table 5 Comparison on Cd and K contents in root and above-ground part of seedlings of two cultivars of Oryza sativa Linn.after added LaCl3and TEA in culture solution containing 2．7 μmol·L-1Cd-30 mmol·L-1K

處理2)Treatment2)2個(gè)品種根系的Cd含量/mg·kg-1CdcontentinrootoftwocultivarsT優(yōu)705TYou705湘早秈24Xiangzaoxian242個(gè)品種根系的K含量/mg·kg-1KcontentinrootoftwocultivarsT優(yōu)705TYou705湘早秈24Xiangzaoxian24P1(CK)775.78±5.12a603.23±3.81a32.85±1.61a36.72±1.84aP2591.82±4.34b411.78±4.21c29.92±1.23b21.27±1.40bP3616.19±3.90b476.63±1.62b21.97±1.42c12.74±1.12c

處理2)Treatment2)2個(gè)品種地上部的Cd含量/mg·kg-1Cdcontentinabove-groundpartoftwocultivarsT優(yōu)705TYou705湘早秈24Xiangzaoxian242個(gè)品種地上部的K含量/mg·kg-1Kcontentinabove-groundpartoftwocultivarsT優(yōu)705TYou705湘早秈24Xiangzaoxian24P1(CK) 54.55±2.41a 33.39±2.54a42.85±1.62a36.72±1.81aP225.46±1.82b13.61±2.23b29.92±.22b21.27±1.44bP311.52±1.31c4.51±0.54c21.97±1.41c12.74±1.13c

1)同列中不同的小寫(xiě)字母表示差異顯著(P≤0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference (P≤0.05).

2)P1 :不添加抑制劑 Withoutinhibitor;P2:添加0.2 mmol·L-1LaCl3Adding0.2 mmol·L-1LaCl3;P3:添加5mmol·L-1TEAAdding 5 mmol·L-1TEA.

由表5可以看出：加入5 mmol·L-1TEA和0.2 mmol·L-1LaCl3后，‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系和地上部的Cd含量均較對(duì)照組(CK，不添加抑制劑)顯著降低(P≤0.05)。在添加LaCl3的處理組中，2個(gè)水稻品種幼苗根系的Cd含量均低于添加TEA的處理組，而地上部的Cd含量則顯著高于添加TEA的處理組，其中，在添加LaCl3的處理組中，品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系的Cd含量分別較對(duì)照組下降了23.71%和31.74%；而在添加TEA的處理組中，品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系的Cd含量則分別較對(duì)照組下降了20.57%和20.99%。說(shuō)明TEA和LaCl3能夠有效抑制水稻幼苗吸收和積累Cd的能力，并且水稻幼苗根系對(duì)Cd的吸收主要通過(guò)NSCCs完成。

由表5還可見(jiàn)：在培養(yǎng)液中加入5 mmol·L-1TEA和0.2 mmol·L-1LaCl3后，品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系和地上部的K含量均較對(duì)照組顯著降低(P≤0.05)。在添加LaCl3的處理組中，2個(gè)水稻品種幼苗根系和地上部的K含量均顯著高于添加TEA的處理組，其中，在添加LaCl3的處理組中，品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系的K含量分別較對(duì)照組下降了8.92%和42.08%；而在添加TEA的處理組中，品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系的K含量則分別較對(duì)照組下降了33.12%和65.31%。說(shuō)明TEA和LaCl3能夠有效抑制水稻幼苗吸收和積累K的能力，并且水稻幼苗根系對(duì)K的吸收主要通過(guò)K專性通道完成。

2.5 NSCCs和K專性通道對(duì)2個(gè)水稻品種幼苗不同部位Cd和K吸收貢獻(xiàn)率的比較

NSCCs和K專性通道對(duì)水稻品種‘T優(yōu)705’和‘湘早秈24’幼苗根系和地上部Cd和K吸收的貢獻(xiàn)率見(jiàn)表6。

由表6可見(jiàn)：NSCCs對(duì)品種‘T優(yōu)705’幼苗根系和地上部Cd吸收的貢獻(xiàn)率低于品種‘湘早秈24’幼苗，且差異達(dá)顯著水平(P≤0.05)，其對(duì)品種‘T優(yōu)705’幼苗根系和地上部K吸收的貢獻(xiàn)率也明顯低于‘湘早秈24’幼苗。K專性通道對(duì)品種‘T優(yōu)705’幼苗根系K吸收和地上部Cd吸收的貢獻(xiàn)率也顯著低于‘湘早秈24’幼苗 ，而其對(duì)2個(gè)水稻品種幼苗根系Cd吸收和地上部K吸收的貢獻(xiàn)率無(wú)顯著差異。

由表6還可見(jiàn)：除對(duì)2個(gè)水稻品種幼苗根系的Cd吸收貢獻(xiàn)率小于NSCCs外，K專性通道對(duì)2個(gè)水稻品種幼苗地上部Cd吸收的貢獻(xiàn)率以及根系和地上部K吸收的貢獻(xiàn)率均大于NSCCs，且差異較大。

表6 NSCCs和K專性通道對(duì)2個(gè)水稻品種幼苗根系和地上部Cd和K吸收的貢獻(xiàn)率
Table 6 Contribution rate of NSCCs and K specific channel to Cd and K absorption of root and above-ground part of seedlings of two cultivars of Oryza sativa Linn.

品種Cultivar部位PartNSCCs對(duì)Cd和K吸收的貢獻(xiàn)率/%ContributionrateofNSCCstoCdandKabsorptionCdKK專性通道對(duì)Cd和K吸收的貢獻(xiàn)率/%ContributionrateofKspecificchanneltoCdandKabsorptionCdKT優(yōu)705TYou705根系Root23.71±1.24b30.17±2.43b20.57±1.23a48.73±2.12b湘早秈24Xiangzaoxian24根系Root31.74±1.64a42.08±2.72a20.98±1.12a65.31±1.73aT優(yōu)705TYou705地上部Above-groundpart53.34±2.13b7.99±0.64a78.88±2.53b22.54±1.12a湘早秈24Xiangzaoxian24地上部Above-groundpart59.24±2.31a10.27±0.91a86.48±1.92a21.19±0.84a

1)同列中不同的小寫(xiě)字母表示各指標(biāo)在不同品種幼苗的同一部位間差異顯著(P≤0.05) Different small letters in the same column indicate the significant difference of each index in the same part among different cultivar seedlings (P≤0.05)．

3 討論和結(jié)論

Cd是生物毒性最強(qiáng)的土壤重金屬污染物之一，極易被植物體吸收和積累，能夠誘導(dǎo)植物組織產(chǎn)生大量的活性氧，對(duì)植物細(xì)胞造成氧化損傷，破壞細(xì)胞的結(jié)構(gòu)及功能，影響植物的正常生長(zhǎng)，最終導(dǎo)致植物的生物量下降[28-30]。K是植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，可通過(guò)促進(jìn)蛋白質(zhì)合成、激活酶活性、參與細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)作用等過(guò)程維持植物正常的生理狀態(tài)，緩解重金屬對(duì)植物體的毒害作用[10]；充足的K還能夠促進(jìn)作物生長(zhǎng)，提高其生物量[31]。本研究結(jié)果表明：添加外源K可有效緩解Cd對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，利于水稻幼苗根系和地上部的生長(zhǎng)，且K濃度越高，幼苗生長(zhǎng)越佳；隨培養(yǎng)液中K濃度的提高，供試2個(gè)水稻品種幼苗的根系和地上部Cd含量均顯著降低，說(shuō)明外源K可抑制水稻幼苗對(duì)Cd的吸收。汪驄躍等[32]的研究結(jié)果表明：外源K可通過(guò)調(diào)節(jié)植物體對(duì)酚類和金屬螯合物的代謝水平以及提高植物的抗氧化能力來(lái)緩解Cd對(duì)植物體的毒害效應(yīng)，減輕細(xì)胞DNA的損傷程度。但目前有關(guān)外源K緩解水稻幼苗Cd毒害的機(jī)制尚未明確，有待進(jìn)一步研究。

植物體對(duì)Cd的解毒機(jī)制主要包括Cd與細(xì)胞壁結(jié)合、Cd與細(xì)胞中可溶性的含巰基的分子絡(luò)合以及將Cd轉(zhuǎn)移至液泡中[33]。本研究中，在2個(gè)水稻品種幼苗的根系內(nèi)，Cd主要分布在細(xì)胞壁中，其次為細(xì)胞液，在細(xì)胞器中的分布量最少。楊居榮等[34]和劉清泉等[35]的研究結(jié)果表明：植物細(xì)胞可通過(guò)增加細(xì)胞壁中多糖、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素等成分的含量提高其結(jié)合重金屬離子的能力，并阻止重金屬離子進(jìn)入原生質(zhì)體中，從而減輕其毒害作用。潘瑤等[36]認(rèn)為，Cd穿過(guò)細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞后可貯存在液泡內(nèi)，減輕其對(duì)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)和功能單位的傷害，并降低其對(duì)細(xì)胞新陳代謝過(guò)程的干擾；而細(xì)胞器是植物細(xì)胞生命活動(dòng)的主要場(chǎng)所，Cd在該部位的積累量越低，其對(duì)細(xì)胞正常代謝過(guò)程的破壞程度越低。根系細(xì)胞液中的可移動(dòng)Cd可通過(guò)共質(zhì)體系統(tǒng)繼續(xù)向植株地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，因此，根系細(xì)胞液中的Cd含量水平是影響地上部Cd積累的關(guān)鍵因素。本研究中，添加外源K能夠顯著降低水稻幼苗根系細(xì)胞液中的Cd含量及其分配比例，但能夠提高細(xì)胞壁中Cd含量的分配比例，從而有效降低Cd從根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。這可能是因?yàn)榧尤胪庠碖能夠在一定程度上緩解Cd對(duì)水稻幼苗細(xì)胞壁的損傷，進(jìn)而阻滯更多的Cd進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)[37]。已有研究證實(shí)，添加外源K可有效降低植物體內(nèi)的Cd含量[10,38]，說(shuō)明植物對(duì)K和Cd的吸收存在競(jìng)爭(zhēng)性，K可抑制Cd的跨膜運(yùn)輸。

庫(kù)文珍等[39]認(rèn)為，水稻對(duì)K的吸收涉及K專性通道和K載體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2個(gè)系統(tǒng)。BK通道是水稻體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)K+的一個(gè)重要通道，對(duì)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度和膜電位有很高的敏感性，并且既能夠轉(zhuǎn)運(yùn)K+，也可以轉(zhuǎn)運(yùn)Ca2+和Cd2+，且對(duì)Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)的靈敏度隨氨基酸殘基的變化而改變[40-41]。水稻對(duì)Cd的吸收同樣依賴離子通道和載體蛋白這2個(gè)系統(tǒng)。相關(guān)研究結(jié)果[8,18,42]顯示：植物體內(nèi)的ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ATP-binding cassette)、鐵蛋白(FER)、自然抗性巨嗜細(xì)胞蛋白(NRAMPs)等多種載體蛋白可同時(shí)參與Cd2+、Fe2+、Mn2+和Zn2+等多種陽(yáng)離子的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程。然而，在離子通道方面，目前只發(fā)現(xiàn)NSCCs參與植物體內(nèi)的Cd2+轉(zhuǎn)運(yùn)[17,19]。本研究結(jié)果表明：供試的2個(gè)水稻品種幼苗根系對(duì)Cd和K吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的主要途徑并不相同，其對(duì)K的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)主要通過(guò)K專性通道完成，說(shuō)明水稻幼苗體內(nèi)承擔(dān)K跨膜運(yùn)輸?shù)闹饕荎專性通道蛋白；而對(duì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)則主要通過(guò)NSCCs完成，這可能是由于Cd2+為一種高毒害重金屬離子，其進(jìn)入植物細(xì)胞的方式并不特定，主要通過(guò)其他金屬離子運(yùn)輸通道進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)[43]；NSCCs是對(duì)陽(yáng)離子選擇性很低的一類通道蛋白，因此，對(duì)植物有害的重金屬離子Cd2+可以借助NSCCs進(jìn)入植物體內(nèi)。

本研究中，NSCCs對(duì)水稻品種‘T優(yōu)705’幼苗根系和地上部Cd和K吸收的貢獻(xiàn)率均明顯低于品種‘湘早秈24’，推測(cè)品種‘T優(yōu)705’體內(nèi)可能有多種離子通道參與Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，而品種‘湘早秈24’體內(nèi)只有1種或少數(shù)幾種離子通道參與Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。K專性通道對(duì)品種‘T優(yōu)705’幼苗根系K吸收的貢獻(xiàn)率顯著低于品種‘湘早秈24’，其對(duì)前者地上部Cd吸收的貢獻(xiàn)率也顯著低于后者，說(shuō)明與高Cd積累水稻品種相比，低Cd積累水稻品種幼苗可以吸收和積累更多的K，從而減少對(duì)Cd的吸收和積累。

水稻對(duì)Cd的吸收是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，受多種因素的共同影響。本研究結(jié)果表明：添加外源K可以降低水稻幼苗對(duì)Cd的吸收，使細(xì)胞液中Cd含量的分配比例降低，并提高其在細(xì)胞壁中的分配比例，從而有效緩解Cd對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的抑制和毒害作用；此外，NSCCs和K專性通道均可以轉(zhuǎn)運(yùn)水稻幼苗體內(nèi)的Cd和K，說(shuō)明K可能通過(guò)與Cd競(jìng)爭(zhēng)離子通道、降低植株對(duì)Cd的吸收實(shí)現(xiàn)緩解Cd對(duì)水稻幼苗的毒害作用，但與水稻NSCCs和K專性通道有關(guān)的蛋白基因表達(dá)及調(diào)控機(jī)制尚不清楚，有待進(jìn)一步深入研究。

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(責(zé)任編輯： 佟金鳳)

Effect of Cd-K double treatment on growth and Cd absorption and transport of Oryza sativa seedling and related transport channel analysis

GAO Ziping1,2, WANG Long1,3, LI Wenhua1, WANG Jing’an2, LIU Zhongqi1,①

(1. Centre for Research in Ecotoxicology and Environmental Remediation, Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China; 2. Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Resistance, College of Life Sciences, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China; 3. College of Agronomy, He’nan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China),J.PlantResour. &Environ., 2016, 25(4): 25-33

Taking high-Cd-accumulation cultivar ‘T You 705’ and low-Cd-accumulation cultivar ‘Xiangzaoxian 24’ofOryzasativaLinn. as experimental materials, relative growth amount, Cd content and its subcellular distribution characteristics in root and above-ground part of two cultivar seedlings under treatment conditions of Cd (0.0 and 2.7 μmol·L-1Cd) and K (0, 30 and 60 mmol·L-1K) with different concentrations were compared by hydroponics, and Cd and K contents in root and above-ground part of seedling after added ion channel activity inhibitor TEA and LaCl3were analyzed. On this basis, effects of NSCCs (nonselective cation channels) and K specific channel on contribution rate to Cd and K absorption of root and above-ground part of two cultivar seedlings were compared. The results show that compared with single Cd treatment group (2.7 μmol·L-1Cd), relative growth amount of two cultivarseedlingsinCd-Kdoubletreatmentgroups(2.7 μmol·L-1Cd-30 mmol·L-1K and 2.7 μmol·L-1Cd-60 mmol·L-1K) increases significantly, while Cd content in root and above-ground part of seedling decreases significantly. With increasing of K concentration, Cd content in cell wall and cell sap of root of two cultivar seedlings decreases significantly, but allocation proportion of Cd content in cell wall increases, while that in cell sap decreases. After added 5 mmol·L-1TEA or 0.2 mmol·L-1LaCl3in culture solution containing 2.7 μmol·L-1Cd and 30 mmol·L-1K, respectively, Cd and K contents in root and above-ground part of two cultivar seedling decrease significantly, in which, decreasing range of Cd content in root in LaCl3treatment group is higher than that in TEA treatment group, but decreasing range of K content in root in LaCl3treatment group is lower than that in TEA treatment group. Contribution rate of NSCCs to Cd absorption of root and above-ground part of cultivar ‘T You 705’ seedling is significantly lower than that of cultivar ‘Xiangzaoxian 24’seedling, while contribution rate of K specific channel to K absorption of root and to Cd absorption of above-ground part of cultivar ‘T You 705’ seedling is significantly lower than that of cultivar ‘Xiangzaoxian 24’ seedling. It is suggested that adding exogenous K can relieve inhibition of Cd to growth ofO.sativaseedling, and through increasing binding ability of cell wall with Cd to decrease Cd accumulation in cell sap, so as to reduce absorption and transport capacities of seedling to Cd. K and Cd in seedling both can be transported by K specific channel and NSCCs, in which, K absorption and transport is mainly finished by K specific channel, while Cd absorption and transport is mainly finished by NSCCs. In addition, cultivar ‘T You 705’ may possess many ion channels to participate Cd absorption and transport, while cultivar ‘Xiangzaoxian 24’ mainly depends on NSCCs to participate Cd absorption and transport, and K absorption and accumulation of the latter are stronger than those of the former.

OryzasativaLinn.; Cd-K double treatment; growth amount; Cd absorption; K absorption; ion channel

2016-04-06

2015年中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2015-cxgc-lzq)； 國(guó)家農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201403015)

高子平(1990—)，女，山西呂梁人，碩士研究生，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)方面的研究。

①通信作者E-mail: liuzhongqi508@163.com

Q945.78； S511.2+1； X503.231

A

1674-7895(2016)04-0025-09

10.3969/j.issn.1674-7895.2016.04.04