鎘脅迫下不同水稻品種鎘的累積與分布差異

鄧 剛，王 剛，孫夢飛，彭建偉*

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)a.資源環(huán)境學(xué)院,b.農(nóng)田污染控制與農(nóng)業(yè)資源利用湖南省重點(diǎn)實驗室,c.植物營養(yǎng)湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實驗室,d.土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室,湖南長沙 410128)

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鎘脅迫下不同水稻品種鎘的累積與分布差異

鄧 剛abcd，王 剛abcd，孫夢飛abcd，彭建偉abcd*

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)a.資源環(huán)境學(xué)院,b.農(nóng)田污染控制與農(nóng)業(yè)資源利用湖南省重點(diǎn)實驗室,c.植物營養(yǎng)湖南省普通高等學(xué)校重點(diǎn)實驗室,d.土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室,湖南長沙 410128)

摘 要：以不同水稻品種為研究對象,通過盆栽試驗,探討鎘(Cd)脅迫下各品種收獲期的Cd含量及分布,并篩選出高產(chǎn)和籽粒低Cd積累的水稻品種。結(jié)果顯示,在Cd脅迫條件下,水稻體內(nèi)Cd含量分布大致表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞谷殼＞籽粒。Cd脅迫和無Cd脅迫對照比較,5個水稻品種中,籽粒Cd含量以甬優(yōu)5550的增幅最低,其次是甬優(yōu)538和深兩優(yōu)5867;而武運(yùn)粳27和黃華占對Cd較為敏感,其中,武運(yùn)粳27籽粒Cd含量顯著(P＜0.05)高于其他品種。在Cd脅迫條件下,除甬優(yōu)538增產(chǎn)34.1%以外,其他品種均有不同程度的減產(chǎn),其中受Cd脅迫影響減產(chǎn)最為嚴(yán)重的是黃華占,其次是武運(yùn)粳27。

關(guān)鍵詞：水稻; Cd脅迫;累積;分布;產(chǎn)量

文獻(xiàn)著錄格式:鄧剛,王剛,孫夢飛,等.鎘脅迫下不同水稻品種鎘的累積與分布差異[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,57 (4):468-471.

鎘(Cd)是人體非必需元素。土壤中Cd的污染具有隱蔽性、長期性和不可逆性,容易被水稻富集,并通過食物鏈進(jìn)而影響人體健康[1]。據(jù)統(tǒng)計,全世界每年由于人為因素向環(huán)境中釋放的Cd有3 萬t左右,其中82%～94%的Cd進(jìn)入到土壤中,我國每年生產(chǎn)的Cd含量超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品、動物造成累積性毒害達(dá)146萬t。我國作為以水稻為主要糧食作物的國家,市售大米約10%存在Cd超標(biāo)[2-4],對環(huán)境經(jīng)濟(jì)和人民健康帶來了極大的隱患,解決大米Cd污染問題已刻不容緩。

相關(guān)研究表明,水稻品種間籽粒中Cd含量差異顯著,且水稻各類型間也存在顯著差異[5-6]。當(dāng)植物體Cd累積到一定程度以后,會干擾植物的光合作用,抑制呼吸作用,通常表現(xiàn)為發(fā)育速度緩慢、分蘗少、植株矮小易倒伏,不僅減產(chǎn),而且其食用價值降低。目前,應(yīng)對水稻Cd污染的主要方法包括采取農(nóng)藝措施降低土壤中Cd有效性和挑選耐Cd性強(qiáng)、高產(chǎn)低Cd的水稻品種2大類[7]。王英等[8]采用盆栽試驗對4個水稻品種進(jìn)行了Cd累積的差異性和動態(tài)變化研究,發(fā)現(xiàn)不同的基因型水稻在Cd的富集程度上有明顯的區(qū)別,Cd富集性上,雜交稻要大于常規(guī)稻。在秈稻和粳稻之間,徐燕玲等[9]認(rèn)為Cd的富集性沒有顯著差異。

水稻從土壤中吸收的Cd主要累積在根部,其占水稻Cd吸收總量的90%以上,水稻籽粒Cd含量與根系吸收Cd的能力關(guān)系密切[10-11]。佟倩等[12]的研究也顯示,從水稻不同部位的分配比例來看,在未添加Cd的土壤中,根系是Cd的主要累積部位;向土壤中添加Cd以后,莖葉也成為重要的Cd累積部位。水稻吸收的Cd離子以自由擴(kuò)散的方式進(jìn)入根部,并在根部通過根際活化吸附,經(jīng)質(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑的短距離運(yùn)輸,以及木質(zhì)部或韌皮部裝載的長距離運(yùn)輸進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn),通過長時間積累,植株內(nèi)的Cd含量表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞谷殼＞稻米,大致由下而上遞減[13-14]。

近年來,湖南部分區(qū)域稻米Cd超標(biāo)現(xiàn)象突出,結(jié)合湖南省農(nóng)業(yè)委員會水稻Cd污染防治工作以及秈稻改種粳稻試點(diǎn),本文通過盆栽試驗,探討不同秈稻和粳稻品種在Cd脅迫下植株各部位Cd累積的差異性,為進(jìn)一步研究和篩選高產(chǎn)且籽粒Cd低累積的水稻品種提供理論參考。

1　材料與方法

1.1供試材料

供試水稻品種有黃華占(常規(guī)秈稻)、武運(yùn)粳27 (常規(guī)粳稻)、深兩優(yōu)5867 (雜交秈稻)、甬優(yōu)5550 (雜交粳稻)和甬優(yōu)538 (雜交粳稻)。

供試肥料有尿素(含N 46%)、過磷酸鈣(含P2O512%)和氯化鉀(含K2O 60%)。

供試土壤為第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅黃泥,有機(jī)質(zhì)含量18.67 g·kg-1,pH值4.7,全氮含量1.56 g· kg-1,堿解氮含量183.25 mg·kg-1,全磷含量0.63 g·kg-1,速效磷含量20.44 mg·kg-1,全鉀含量49.00 g·kg-1,速效鉀含量88.00 mg·kg-1,有效Cd含量0.26 mg·kg-1,全Cd含量1.47 mg·kg-1。

1.2處理設(shè)計

試驗于2014年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園教學(xué)試驗基地進(jìn)行。試驗設(shè)5個水稻品種的Cd污染處理和Cd正常水平處理,共計10個處理。采用盆栽試驗,選用20 cm×30 cm瓷質(zhì)培養(yǎng)盆缽,內(nèi)裝過1 cm篩的風(fēng)干土6.25 kg,裝土前Cd脅迫處理土壤每千克土加入相當(dāng)于1 mg Cd的CdCl2溶液混勻,Cd正常水平的不進(jìn)行加Cd處理。各處理都將氮、磷、鉀肥作底肥一次性施入,施用量分別為:N 0.15 g· kg-1土,P2O50.10 g·kg-1土,K2O 0.15 g·kg-1土。每個處理重復(fù)15次,共計150盆,隨機(jī)區(qū)組排列。每缽插3蔸,每蔸3株,按常規(guī)方法進(jìn)行管理。在分蘗盛期采樣測定指標(biāo),待稻谷成熟后收割、曬干、脫粒,同時按盆收獲,考種計產(chǎn)。5月27日播種,6月12日移栽,10月7日收獲。

1.3測定項目及方法

原始土樣測定全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH值、有效Cd和全Cd等指標(biāo);植株測定不同部位全Cd含量。土樣和植株Cd含量用火焰原子吸收光譜法測定,其他指標(biāo)用常規(guī)化學(xué)方法測定。收獲期考種。

1.4數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003進(jìn)行整理和作圖,利用SPSS 10.0軟件進(jìn)行方差分析,對有顯著差異的處理采用LSD法進(jìn)行多重比較(P＜0.05)。

2　結(jié)果與分析

2.1不同水稻品種收獲期各部位的Cd含量

從表1可以看出,不同基因型水稻Cd含量分布大體均表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞谷殼＞籽粒。Cd脅迫下,根部Cd含量最高的是深兩優(yōu)5867,其次是武運(yùn)粳27; Cd含量最低的是甬優(yōu)538。根部是水稻從土壤吸收養(yǎng)分的唯一途徑,根系的耐Cd性是水稻抗Cd能力高低比較直觀的表現(xiàn)。2種常規(guī)型水稻(黃華占和武運(yùn)粳27)的莖部Cd含量在Cd脅迫下較正常水平分別增加了7.1和6.0倍,3種雜交型水稻(深兩優(yōu)5867、甬優(yōu)5550、甬優(yōu)538)分別增加了3.8,5.3,2.9倍。兩相對比可以明顯看出,Cd脅迫條件下常規(guī)水稻的Cd含量均高于雜交水稻;且在Cd脅迫條件下,常規(guī)水稻葉片部位Cd含量的提升幅度也均明顯高于雜交水稻。Cd脅迫條件下,谷殼部位Cd含量增幅最大的是武運(yùn)粳27,增加了5.2倍。在Cd脅迫下,武運(yùn)粳27籽粒中的Cd含量也遠(yuǎn)高于其他品種,且差異顯著。從相同品種正常和Cd脅迫條件下籽粒Cd含量的對比來看,提升幅度最高的是武運(yùn)粳27,增加了23.9倍;其次是黃華占,增加了22.5倍;深兩優(yōu)5687增加了7.1倍,甬優(yōu)5550增加6.2倍;增幅最小的是甬優(yōu)538,增加2.8倍。

表1　不同水稻品種收獲期各部位Cd含量　mg·kg-1

2.2各處理水稻不同部位的Cd累積量

由表2可見,對比正常和Cd脅迫條件下,黃華占籽粒Cd累積量占全株總累積量的比重由12.1%提升至25.1%,其他部位Cd累積量占全株總累積量的比重均下降,說明在Cd脅迫情況下,黃華占水稻植株積累的Cd重點(diǎn)向籽粒轉(zhuǎn)移。與之相似,武運(yùn)粳27籽粒部位的Cd累積量占全株Cd總累積量的比重亦由正常條件下的6.03%提升至21.9%。但3個雜交稻籽粒Cd累積量占全株總累積量的比例相較正常條件下反而下降。

2.3各處理的水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素

由表3可以看出,與正常水平相比,在Cd脅迫條件下,秈稻(黃華占、深兩優(yōu)5867)的株高均下降,而粳稻的株高均增加,其中,以甬優(yōu)538的株高增幅最大,達(dá)6.6%;在水稻穗長方面,武運(yùn)粳27、甬優(yōu)538和黃華占都有增加,增幅分別為14.3%,8.6%和0.9%,而甬優(yōu)5550和深兩優(yōu)5867的穗長均下降,下降幅度分別為10.7%和7.4%。就結(jié)實率而言,甬優(yōu)5550、甬優(yōu)538和深兩優(yōu)5867都有增加,增幅分別為7.6%,2.2%和1.1%,黃華占和武運(yùn)粳27均下降,降幅分別為6.3%和1.5%。有效穗方面,甬優(yōu)538和深兩優(yōu)5867均增加,增幅分別為15.5%和14.1%,黃華占、武運(yùn)粳27和甬優(yōu)5550均減少,其中,黃華占減少幅度最大,達(dá)44.9%,差異顯著。實粒數(shù)除甬優(yōu)538顯著增加外(增幅為38.7%),其他品種均下降,其中,降幅最大的為黃華占,達(dá)60.7%,其次為武運(yùn)粳27,降低了32.5%,這兩者的實粒數(shù)均顯著下降;千粒重除武運(yùn)粳27略有增加外(增加0.7%),其他4個品種均減少,其中,以甬優(yōu)5550減少幅度最大,達(dá)5.3%,差異顯著。從每缽產(chǎn)量來看,除甬優(yōu)538的產(chǎn)量在Cd脅迫條件下顯著增加34.1%以外,其他各品種水稻在Cd脅迫條件下產(chǎn)量均減少,其中,黃華占減產(chǎn)幅度最大,達(dá)62.1%,其次為武運(yùn)粳27,減產(chǎn)幅度達(dá)39.9%,且均顯著下降。由此可見,Cd脅迫對常規(guī)稻的減產(chǎn)效應(yīng)明顯強(qiáng)于雜交稻。

表2　不同水稻品種收獲期各部位Cd累積量mg·盆-1

表3　Cd脅迫對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響

3　小結(jié)與討論

水稻地下部分Cd含量明顯高于地上部分,且以根部的Cd含量最高、籽粒最低,這與之前的研究基本一致[15-17]。水稻植株各部位Cd含量在正常情況下均表現(xiàn)出為根＞莖＞葉＞谷殼＞籽粒的整體趨勢,與王琴兒等[13]的結(jié)論一致。

在Cd脅迫條件下,常規(guī)秈稻(黃華占)根部Cd含量顯著低于雜交秈稻(深兩優(yōu)5867),但其籽粒中的Cd含量卻顯著高于雜交秈稻;對于粳稻而言,無論是根部還是籽粒中的Cd含量,均以常規(guī)稻(武運(yùn)粳27)顯著高于雜交稻(甬優(yōu)5550、甬優(yōu)538)。從Cd積累量分布也可看出這一趨勢:在Cd脅迫條件下,2種常規(guī)型水稻的籽粒部位Cd累積量大幅增加,而雜交型水稻籽粒中Cd的總累積量增幅不大。由此可見,相較于常規(guī)稻,在Cd脅迫條件下雜交稻的籽粒部位表現(xiàn)出優(yōu)于常規(guī)稻的Cd低積累特性。但其具體機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究。

Cd脅迫處理下,水稻的株高、穗長、有效穗、結(jié)實率、千粒重和產(chǎn)量大致呈下降趨勢。但各品種表現(xiàn)出不同的耐受力:在Cd脅迫條件下,甬優(yōu)538除千粒重略有下降外,其他產(chǎn)量性狀,如株高、穗長、結(jié)實率、實粒數(shù)、有效穗數(shù)不僅沒有下降,反而增加,產(chǎn)量更是顯著增加34.1%;而2個常規(guī)稻品種(黃華占、武運(yùn)粳27)的產(chǎn)量顯著下降,這說明不同基因型的水稻耐Cd性有明顯的差別[18]。今后應(yīng)加強(qiáng)對耐Cd性強(qiáng)、且籽粒Cd低積累水稻種質(zhì)資源的篩選與挖掘,且相較于常規(guī)稻,可重點(diǎn)關(guān)注雜交稻資源。

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新工科教育改革具有重要的戰(zhàn)略意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。目前我國正在朝著第一個百年奮斗目標(biāo)快速前進(jìn)，“中國制造2025”“互聯(lián)網(wǎng)+”“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”等國家級戰(zhàn)略正在落地生根。第一個百年奮斗目標(biāo)的順利實現(xiàn)、國家級戰(zhàn)略的順利實施、新經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)模式的順利發(fā)展離不開多元復(fù)合型、系統(tǒng)創(chuàng)新型、具有國際化視野和家國情懷的新工科人才進(jìn)行強(qiáng)力支撐。因此，建設(shè)和發(fā)展新工科是國家戰(zhàn)略實施、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的必然要求，是新時代中國提高國際競爭力、影響力、軟實力的必然要求，同時也是深化當(dāng)前工程教育人才培養(yǎng)模式改革，提高工程科技人才適應(yīng)新時代社會需求的現(xiàn)實需要。

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(責(zé)任編輯：高 峻)

中圖分類號：S511

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：0528-9017(2016)04-0468-03

DOI10.16178/j.issn.0528-9017.20160403

收稿日期:2016-01-07

作者簡介:鄧 剛(1990—),男,湖南永州人,在讀碩士研究生,從事污染土壤修復(fù)方面的研究工作,E-mail:331350186@qq.com。

通信作者:彭建偉(1970—),男,湖南湘陰人,教授,博士,從事植物營養(yǎng)生理與環(huán)境生態(tài)研究工作,E-mail:314967900@qq.com。