外源Cd在不同品種水稻組織中的細胞分布和化學形態(tài)特征研究*

付鑠嵐,王昌全,李 冰,徐 強,張敬昇,李 萌,唐 杰,何玉亭,沈 杰,曾杰熙,嚴 勛

(四川農(nóng)業(yè)大學資源學院 成都 611130)

外源Cd在不同品種水稻組織中的細胞分布和化學形態(tài)特征研究*

付鑠嵐,王昌全**,李 冰,徐 強,張敬昇,李 萌,唐 杰,何玉亭,沈 杰,曾杰熙,嚴 勛

(四川農(nóng)業(yè)大學資源學院 成都 611130)

采用水培試驗,以低鎘(Cd)積累水稻品種‘D83A/R527’和高Cd積累水稻品種‘輻優(yōu)838’為供試材料,設(shè)置3個Cd濃度(5 μmol·L-1、10 μmol·L-1、25 μmol·L-1)處理,從Cd亞細胞及化學形態(tài)分布角度研究了不同基因型水稻品種的Cd積累特性,為探討水稻對Cd的吸收積累生理機制提供科學依據(jù)。結(jié)果表明:(1)水稻‘D83A/R527’的根系和莖葉Cd含量及根系-莖葉轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著低于‘輻優(yōu)838’(P<0.05)。(2)兩水稻根系各亞細胞組分中Cd含量表現(xiàn)為可溶部分(F3)>細胞壁(F1)>細胞器(F2),莖葉表現(xiàn)為細胞壁(F1)>可溶部分(F3)>細胞器(F2);‘D83A/R527’根系和莖葉細胞壁Cd的質(zhì)量分數(shù)(36.76%～51.75%)高于‘輻優(yōu)838’(31.29%～49.07%)。(3)兩水稻品種 Cd化學形態(tài)含量均表現(xiàn)為氯化鈉提取態(tài)(FNaCl-Cd)>醋酸提取態(tài)(FHAc-Cd)>去離子水提取態(tài)(FW-Cd)>乙醇提取態(tài)(FE-Cd)>鹽酸提取態(tài)(FHCl-Cd);隨 Cd處理濃度的增加,‘D83A/R527’根系 FE-Cd和FW-Cd(活性態(tài)Cd)質(zhì)量分數(shù)逐漸下降(24.75%～18.34%),‘輻優(yōu)838’活性態(tài)Cd逐漸上升(27.18%～28.68%),莖葉FHAc-Cd和 FHCl-Cd(惰性態(tài) Cd)質(zhì)量分數(shù)(32.41%～38.98%)逐漸上升且高于‘輻優(yōu) 838’(28.44%～31.22%),‘D83A/R527’根系和莖葉 FNaCl-Cd質(zhì)量分數(shù)(32.71%～51.17%)均高于‘輻優(yōu) 838’(32.14%～47.63%)。綜上,‘D83A/R527’水稻幼苗Cd積累量低;與‘輻優(yōu)838’相比,‘D83A/R527’水稻幼苗根系和莖葉細胞壁質(zhì)量分數(shù)較高,“活性態(tài)”Cd質(zhì)量分數(shù)較低,“惰性態(tài)”Cd則更高,表明‘D83A/R527’水稻對Cd有更強的固持能力。

外源鎘;水稻;亞細胞組分;化學形態(tài);活性態(tài)鎘;惰性態(tài)鎘

水稻(Oryza sativa)是人類的主要糧食作物[1],保障稻米安全是我國目前糧食安全的重要課題[2]。鎘(Cd)是“五毒”元素之一,遷移能力較強,易通過植物富集從而污染食物鏈[3]。水稻對Cd具有較強的富集能力,容易造成稻米含量超標從而危害人體健康[4]。近年來我國Cd污染農(nóng)耕地已達1.3×104hm2,每年Cd污染農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量超過1.5×105t,涉及11個省市的25個地區(qū)[5]。大范圍的農(nóng)田Cd污染已經(jīng)嚴重威脅到中國的糧食安全。因此降低水稻Cd吸收積累對保障我國糧食安全、提高人民生活品質(zhì)具有重要的現(xiàn)實意義[6]。

水稻體內(nèi)Cd積累受到根系的活化和吸收、細胞液泡區(qū)室化和滯留、木質(zhì)部的裝載和運輸,以及莖葉之間的分配、韌皮部向籽粒中進一步遷移等多個生理過程影響[7]。研究表明,植物細胞壁上的纖維素、半纖維素和果膠等大分子物質(zhì)能結(jié)合重金屬進而將其固定[8],當植物細胞壁上的重金屬結(jié)合位點飽和時,原生質(zhì)中的重金屬會被轉(zhuǎn)運至液泡,與大量的有機配位體結(jié)合形成穩(wěn)定態(tài)的螯合物并被儲藏,降低細胞質(zhì)中自由重金屬離子的濃度[9];細胞液泡區(qū)室化過程與Cd化學形態(tài)密切相關(guān)[10],不同化學形態(tài)的Cd的遷移、活性又存在顯著差異[11-12]。Howden等[13]研究發(fā)現(xiàn),硫醇類結(jié)合態(tài)Cd與液泡區(qū)隔化有密切聯(lián)系。目前對Cd亞細胞分布和化學形態(tài)的研究較多,但對比研究兩者間相互影響效應的文獻鮮有報道。因此,本文以前期試驗中篩選出的Cd高積累水稻品種‘輻優(yōu)838’和低積累水稻品種‘D83A/R527’為供試材料,設(shè)置3個不同Cd濃度(5 μmol·L-1、10 μmol·L-1、25 μmol·L-1)處理,通過水培試驗,研究水稻幼苗Cd亞細胞分布和化學形態(tài)變化及其相互影響關(guān)系,為探討水稻對Cd的吸收積累生理機制提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2015年5—7月在四川農(nóng)業(yè)大學網(wǎng)室內(nèi)進行。供試材料選取本課題組篩選籽粒Cd質(zhì)量分數(shù)差異較大的2個常規(guī)水稻品種‘輻優(yōu)838’(高Cd積累品種)和‘D83A/R527’(低Cd積累品種)為研究材料(四川農(nóng)業(yè)大學水稻研究所提供)。

1.2 試驗設(shè)計與處理

將精選的兩水稻品種種子經(jīng)30%H2O2消毒、洗凈后育苗,10 d后將長勢一致的幼苗移植于容積為15 L的黑色塑料桶中。塑料桶被木板分隔成4個區(qū)域,在每個區(qū)域分別套1個塑料袋,再放置1個底部由尼龍網(wǎng)包裹的直徑約6 cm、高約5 cm去除底部的塑料杯,將其固定在適宜培養(yǎng)水稻的位置,每杯5株生長一致的株苗。將水稻培養(yǎng)于完全營養(yǎng)液中,營養(yǎng)液采用國際水稻研究所(IRRI)推薦的配方配制。營養(yǎng)液的起始pH為5.5～6.0。幼苗先在1/2濃度的營養(yǎng)液中培養(yǎng)7 d,然后進行全營養(yǎng)液培養(yǎng)和不同濃度的Cd處理。設(shè)置3個Cd處理水平:5 μmol·L-1、10 μmol·L-1和25 μmol·L-1,每個處理重復3次。營養(yǎng)液中Cd以CdCl2·2.5H2O形式加入。培養(yǎng)液每4 d更換一次,每天用0.1 mol·L-1NaOH或0.1 mol·L-1HCl調(diào)節(jié)pH至5.5～6.0。培養(yǎng)20 d收獲。水稻根系先用自來水沖洗,再用去離子水沖洗幾遍,再在 20 mmol·L-1Na2-EDTA中浸泡15 min,用以去除根系表面吸附的二價Cd離子,最后用紗布吸干表面水分。將根、葉分開后保存在-20℃冰箱中備用。

1.3 水稻幼苗亞細胞Cd含量的測定

亞細胞Cd含量的測定參考文獻[14],并進行改進:分別稱取水稻根、葉鮮樣1.0 g左右,加入10 mL亞細胞提取液——Tris-HCl緩沖液(0.154 g·L-1DTT, 0.25 mol·L-1蔗糖溶液,pH 7.4,料液比1∶10),在冰浴上迅速研磨成勻漿,用漏斗、尼龍布過濾到離心管中,尼龍布上的殘渣(即細胞壁部分,F1)裝入三角瓶中;濾液裝入離心管,在15 000 r×min-1下離心40 min,將上清液和沉淀分別倒入三角瓶中,則分別為可溶性部分(F3)、膜和細胞器部分(F2)。最后,分別向所用三角瓶中加4∶1的硝酸和高氯酸的混合酸10 mL(F2、F3)和20 mL(F1),待充分消化,消煮至澄清,蒸餾水定容,用MKii M6型石墨爐原子吸收光譜儀(美國Thermo Elemental公司生產(chǎn))測定Cd含量。

1.4 水稻幼苗Cd的化學形態(tài)分析

化學形態(tài)的測定參考Wu等[14]的方法并進行改進。準確稱取0.4 g根、莖葉干燥樣品于100 mL的塑料離心管中,加入提取劑,樣品與提取劑的比例為1∶100,在25℃恒溫下浸泡22 h后,25℃恒溫振蕩機震蕩1 h,5 000 r×min-1離心10 min,倒出上清液后,再加入10 mL的提取劑,振蕩機振蕩1 h,5 000 r×min-1離心10 min,倒出上清液。合并兩次上清液于150 mL的三角瓶中,電爐上蒸發(fā)至近干,加入硝酸和高氯酸的混合液(4∶1)10 mL,待充分消解后,消煮至澄清,10%硝酸定容,用美國Thermo Elemental公司生產(chǎn)的MKii M6型石墨爐原子吸收光譜儀測定Cd的含量。采用下列5種提取劑逐步提取:(a)80%乙醇提取硝酸鹽、氯化物為主的無機鹽及氨基酸鹽等,乙醇提取態(tài)Cd(FE-Cd);(b)去離子水提取水溶性有機酸鹽、重金屬的一代磷酸鹽等,水溶性Cd(FW-Cd);(c)1 mol·L–1氯化鈉提取果膠酸鹽、與蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)或呈吸附態(tài)的重金屬等,氯化鈉提取態(tài)(FNaCl-Cd);(d)2%醋酸提取難溶于水的重金屬磷酸鹽,包括二代磷酸鹽、正磷酸鹽,難溶性磷酸鹽結(jié)合態(tài)Cd(FHAC-Cd);(e)0.6mol·L-1鹽酸提取草酸鹽,草酸結(jié)合態(tài)Cd(FHCl-Cd)等。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)匯總和統(tǒng)計,采用SPSS 19.0進行各個處理間差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同雜交水稻幼苗中的Cd含量及轉(zhuǎn)移系數(shù)

圖1顯示,‘D83A/R527’根系和莖葉的Cd含量顯著低于‘輻優(yōu)838’(P<0.05)。各Cd濃度處理下,‘輻優(yōu)838’莖葉Cd含量分別是‘D83A/R527’的1.42倍、1.93倍和1.79倍,根系Cd含量是‘D83A/R527’的1.32倍、1.60倍和1.49倍。兩水稻品種Cd吸收累積特性差異在莖葉體現(xiàn)更明顯。

圖1 不同Cd濃度處理對水稻品種‘D83A/R527’和‘輻優(yōu)838’幼苗根系和莖葉Cd積累的影響Fig.1 Cadmium concentrations in roots and shoots of rice varieties‘D83A/R527’and‘Fuyou838’in different Cd levels

從圖2可以看出,兩個水稻品種的轉(zhuǎn)移系數(shù)位于0.30～0.52,不同Cd濃度處理下,‘D83A/R527’轉(zhuǎn)移系數(shù)均顯著低于‘輻優(yōu) 838’(P<0.05),表明‘D83A/R527’對Cd的轉(zhuǎn)運能力較差,能減少Cd從根系到莖葉的運輸。25 μmol·L-1處理時,兩水稻轉(zhuǎn)移系數(shù)最低,表明在高Cd濃度處理下根系對Cd的固持能力更強。

2.2 不同Cd濃度下水稻幼苗中Cd的亞細胞分布

如表1所示,不同濃度Cd脅迫下,兩水稻品種根系亞細胞Cd含量分布均表現(xiàn)為可溶部分(F3)最多,細胞壁(F1)次之,細胞器(F2)最少。兩水稻品種對比來看,‘輻優(yōu)838’的F3 Cd含量均最高;5 μmol·L-1Cd處理下,‘D83A/R527’的F3 Cd含量顯著高于‘輻優(yōu)838’中F1的Cd含量,在10 μmol·L-1、25 μmol·L-1Cd濃度處理下則相反。不同Cd濃度下,‘D83A/R527’根系F1和F3中Cd質(zhì)量分數(shù)高于‘輻優(yōu)838’(圖3),細胞器Cd質(zhì)量分數(shù)低于‘輻優(yōu)838’,表明Cd對‘D83A/R527’根細胞的生命活動影響較小。隨著Cd處理濃度的增加,‘輻優(yōu)838’根系細胞壁Cd質(zhì)量分數(shù)逐漸下降(32.55%～31.29%),‘D83A/R527’細胞壁Cd質(zhì) 量 分 數(shù) 逐 漸 上 升 (36.76%～38.55%),表 明‘D83A/R527’根系將Cd固定在細胞壁的能力強于‘輻優(yōu)838’。

圖2 不同Cd濃度處理對水稻品種‘D83A/R527’和‘輻優(yōu)838’幼苗根系-莖葉的Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響Fig.2 Cadmium transfer ratios of rice varieties‘D83A/R527’and‘Fuyou838’in different Cd levels treatments

表1 不同Cd濃度處理下水稻品種‘D83A/R527’和‘輻優(yōu)838’幼苗中Cd的亞細胞分布Table 1 Subcellular distribution of cadmium in seedlings rice varieties‘D83A/R527’and‘Fuyou838’in different Cd levels

圖3 不同Cd濃度處理下水稻品種‘D83A/R527’(A)和‘輻優(yōu)838’(B)幼苗根系和莖葉中Cd的亞細胞質(zhì)量分數(shù)Fig.3 Proportions of cadmium in subcellular fractions of roots and shoots of rice varieties‘D83A/R527’(A)and‘Fuyou838’(B)in different Cd levels treatments

水稻幼苗莖葉Cd亞細胞分布與根系有較大差異。5 μmol·L-1、10 μmol·L–1Cd濃度處理下,‘輻優(yōu)838’F1的Cd含量最高,F3的Cd含量次之;25 μmol·L–1Cd處理時,‘輻優(yōu)838’中F3的Cd含量最高,F1次之。不同Cd濃度下,‘D83A/R527’中Cd含量F1>F3>F2。隨著Cd處理濃度的增加,‘D83A/R527’根系和莖葉Cd亞細胞含量上升幅度小于‘輻優(yōu)838’,表現(xiàn)低Cd積累特征。各Cd濃度處理下,兩水稻品種的莖葉表現(xiàn)為細胞壁Cd質(zhì)量分數(shù)最高,且‘D83A/R527’細胞壁質(zhì)量分數(shù)(51.75%～47.52%)高于‘輻優(yōu)838’(49.07%～37.05%),表明‘D83A/R527’能將大部分的Cd積累在細胞壁中。

2.3 不同Cd濃度下水稻幼苗中Cd的化學形態(tài)分布

不同Cd濃度脅迫下,水稻幼苗中不同Cd化學形態(tài)含量分布如表2所示。隨Cd濃度增加,不同Cd化學形態(tài)含量均上升,‘輻優(yōu)838’各Cd化學形態(tài)含量均高于‘D83A/R527’。同一Cd濃度同一品種根系各Cd化學形態(tài)含量差異顯著,具體表現(xiàn)為氯化鈉提取態(tài)(FNaCl-Cd)>醋酸提取態(tài)(FHAc-Cd)>去離子水提取態(tài)(FW-Cd)>乙醇提取態(tài)(FE-Cd)>鹽酸提取態(tài)(FHCl-Cd)。莖葉部分各Cd化學形態(tài)與根系略有不同,5 μmol·L-1Cd濃度處理下,‘輻優(yōu)838’中FE-Cd、FW-Cd差異不顯著, FNaCl-Cd最高,FHAc-Cd次之,FHCl-Cd最低;25 μmol·L-1Cd濃度處理下,FNaCl-Cd、FHAc-Cd最高,其余各Cd化學形態(tài)含量差異顯著,具體表現(xiàn)為 FW-Cd> FE-Cd>FHCl-Cd。總的來說不同Cd濃度處理下,兩水稻品種根系和莖葉Cd均以FNaCl-Cd、FHAc-Cd、FW-Cd占主導地位,不同Cd濃度下兩個品種3種形態(tài)的Cd含量平均值在根系中分別占47.73%、23.35%、15.74%,在莖葉中分別占34.63%、29.49%和18.83%。相反, FE-Cd以及FHCl-Cd含量相對較低,在不同濃度處理下兩品種根系Cd含量平均值分別占9.37%、3.80%,莖葉分別占14.16%、2.89%。

表2 不同Cd濃度處理下水稻幼苗中Cd的化學形態(tài)分布Table 2 Cd contents in different extraction forms of rice seedlings of different varieties in different Cd levels treatments

如圖4所示,隨著Cd濃度上升,‘D83A/R527’根系FE-Cd和 FW-Cd分配比例總體呈下降趨勢(24.75%～18.34%),‘輻 優(yōu) 838’則 呈 上 升 趨 勢(27.18%～28.68%)。5 μmol·L-1、10 μmol·L-1Cd濃度下,‘D83A/R527’中 FHAc-Cd和 FHCl-Cd總體分配比例(24.08%、26.10%)低于‘輻優(yōu)838’(25.19%、27.19%),在25 μmol·L-1濃度處理下‘D83A/R527’中FHAc-Cd和FHCl-Cd分配比例之和(32.47%)高于‘輻優(yōu)838’(27.89%),表明隨Cd濃度增加,相對‘輻優(yōu)838’來說‘D83A/R527’根系被固定的 Cd逐漸增加。不同濃度處理下,‘D83A/R527’莖葉中FHAc-Cd和FHCl-Cd總體分配比例(32.41%～38.98%)逐漸增加,且均高于‘輻優(yōu)838’(28.44%～31.22%);FW-Cd和FE-Cd總體分配比例(30.29%～28.31%)低于‘輻優(yōu)838’(37.01%～36.02%),表明‘D83A/R527’莖葉中Cd逐漸向移動性較弱形態(tài)的轉(zhuǎn)化能力強于‘輻優(yōu)838’,降低Cd對水稻幼苗生理生化過程的干擾。兩水稻幼苗中,FNaCl-Cd所占比例最高,且隨著濃度增加均呈下降趨勢,表明不同Cd處理濃度下FNaCl-Cd可能在水稻Cd積累和解毒過程中起重要作用, FNaCl-Cd在根系的分布影響水稻幼苗Cd的積累。

3 討論

3.1 不同雜交水稻品種幼苗Cd吸收轉(zhuǎn)運差異分析

Cd因其劇烈的生物毒性,對作物生理性能、產(chǎn)量和品質(zhì)等影響極大[15]。本研究表明,水稻低鎘積累品種‘D83A/R527’Cd含量顯著低于高鎘積累品種‘輻優(yōu)838’,表明其受到Cd毒害較小。轉(zhuǎn)移系數(shù)反映植物將重金屬從根系轉(zhuǎn)運到莖葉能力的強弱,轉(zhuǎn)移系數(shù)越大,表明其轉(zhuǎn)運重金屬的能力越強[16-17]。本研究結(jié)果表明‘D83A/R527’將Cd從地下部轉(zhuǎn)移到莖葉的能力顯著低于‘輻優(yōu)838’,表明根系對Cd的截留能力更強,降低了Cd通過可食部位進入食物鏈的風險。這可能是因為不同基因型水稻幼苗化學形態(tài)以及亞細胞分布的不同,從而導致其對Cd吸收轉(zhuǎn)移能力的差異。

圖4 不同Cd處理濃度下水稻品種‘D83A/R527’(A)和‘輻優(yōu)838’(B)幼苗根系和莖葉中Cd的化學形態(tài)分布Fig.4 Proportions of Cd in different chemical forms of roots and shoots of rice varieties‘D83A/R527’(A)and‘Fuyou838’(B)in different Cd levels treatments

3.2 不同雜交水稻幼苗中Cd的亞細胞分布

根是植物抵制重金屬毒害的第一道屏障[18],而細胞壁作為原生質(zhì)體的第一道保護膜[19],是保護原生質(zhì)體不受重金屬毒害的第一道屏障[20]。Cd被植物根系吸收后,帶正電的Cd離子被細胞壁中帶負電的親Cd物質(zhì)所吸附固定[10],可以有效地減少細胞內(nèi)游離的Cd離子[21]。本研究中,‘D83A/R527’根系細胞壁所占比例顯著高于‘輻優(yōu)838’,表明‘D83A/R527’根系細胞壁對Cd具有更強的固持能力,這是根部一個重要的亞細胞機制,導致不同基因型水稻品種莖葉Cd的積累差異,相似的結(jié)果在蠶豆(Nasturtium officinaleL.R.Br.)[22]、小白菜(Brassica chinensisL.)[19]中均有報道。細胞壁的固定作用是應對Cd脅迫程度增大時的首要應對機制,張雯等[23]研究顯示, Cd在不同處理條件下,細胞壁組分百分含量均表現(xiàn)為高Cd濃度>低Cd濃度。研究表明,植物吸收Cd后,將其大部分儲存于根系可溶部分,其次是細胞壁,如小麥根系可溶部分Cd含量占58.5%～63.4%[24],辣椒(Capsicum annuumL.)根系可溶部分Cd含量占77%～87%[25]。本試驗也有類似結(jié)果,根系可溶部分Cd含量最高為46.12%～52.13%,其次為細胞壁(31.29%～38.55%)?！瓺83A/R527’根系可溶部分Cd百分含量低于‘輻優(yōu)838’,這是引起‘D83A/R527’的轉(zhuǎn)移系數(shù)比‘輻優(yōu)838’低的原因,與Yu等[26]報道低鎘基因型水稻轉(zhuǎn)移系數(shù)低于高鎘基因型水稻類似。細胞壁因沒有足夠多的功能性多糖(如纖維素、半纖維素,果膠等),其固定Cd的能力有限[27],當Cd脅迫濃度增強時,細胞壁的Cd固定能力不足以阻止Cd進入原生質(zhì)[22],原生質(zhì)的Cd大部分又被轉(zhuǎn)移到液泡。Sylwia等[28]研究結(jié)果顯示,野生煙草(Nicotiana tabacumL.)植物液泡中的Cd占原生質(zhì)中Cd的92%。由此可看出,細胞壁和液泡是植物Cd積累的主要部位。本試驗結(jié)果顯示Cd大部分結(jié)合在細胞壁和可溶部分,與前人結(jié)果一致。隨著Cd脅迫濃度增加,各亞細胞組分Cd總量也增加?！梼?yōu)838’各亞細胞組分在3個濃度下增加幅度大部分均高于‘D83A/R527’,表現(xiàn)出高Cd積累特性。

3.3 Cd在不同雜交水稻幼苗中的化學形態(tài)分布

植物體內(nèi)的重金屬活性、毒性和遷移能力與重金屬在植物體內(nèi)的化學形態(tài)有關(guān)[15]。不同化學提取劑提取不同化學形態(tài)Cd,無機態(tài)Cd(FE-Cd,用80%乙醇提取)和水溶性Cd(FW-Cd,用去離子水提取)有較高遷移能力,對植物細胞毒性較大,通常稱為“活性態(tài)”;難溶性磷酸鹽結(jié)合態(tài)Cd(FHAC-Cd,用2%冰醋酸提取)和草酸結(jié)合態(tài)Cd(FHCl-Cd,0.6 mol·L-1HCl提取)較難移動,通常活性相對較低,毒性小,稱為“惰性態(tài)”[15,21]。本試驗結(jié)果顯示,在高Cd濃度下,‘D83A/R527’根系“活性態(tài)”Cd含量以及百分含量低于‘輻優(yōu)838’,“惰性態(tài)”Cd百分比例高于‘輻優(yōu)838’,表明‘D83A/R527’根系吸收積累的Cd相對‘輻優(yōu)838’難以移動。兩種水稻中,醋酸提取態(tài)和鹽酸提取態(tài)總體分配比例隨著Cd脅迫的增大而增加,表明這兩種化學形態(tài)與Cd解毒作用有關(guān)?！盎钚詰B(tài)”Cd比其他形態(tài)的Cd更易從根系向莖葉運輸,這也可以解釋為什么‘輻優(yōu)838’轉(zhuǎn)移系數(shù)高于‘D83A/R527’,相似結(jié)果在小白菜中也有相關(guān)報道[21]。

Cd與果膠/蛋白質(zhì)結(jié)合(即果膠/蛋白結(jié)合態(tài),也稱為氯化鈉提取態(tài),由1 mol·L-1NaCl溶液提取)可能是耐Cd植物低鎘積累的重要過程[21]。Wu和Clemens等報道[14,29],植物螯合肽(PCs)是一種谷胱甘肽,與植物Cd的吸收、轉(zhuǎn)運、解毒有關(guān)。與Qiu等[21]研究結(jié)果類似,本試驗所有Cd化學形態(tài)中,氯化鈉提取態(tài)Cd的百分比例最高,表明其與水稻幼苗Cd吸收、轉(zhuǎn)運、解毒有關(guān)。

已有研究報道,Cd的亞細胞分布與Cd在植物體內(nèi)的化學形態(tài)存在必然聯(lián)系。Jiang等[30]研究表明,難溶性磷酸鹽結(jié)合態(tài)Cd位于細胞壁上,果膠/蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)Cd主要位于液泡[21]。本試驗結(jié)果與該結(jié)論吻合,兩水稻幼苗根系可溶部分Cd含量百分比與氯化鈉提取態(tài)Cd含量百分比均最高,細胞壁、難溶性磷酸鹽結(jié)合態(tài)Cd均僅次之,類似結(jié)果報道也見于蠶豆的研究中[22]。PCs在植物鎘耐性中起關(guān)鍵作用[29]。Cd進入原生質(zhì)后,低分子量的PC-Cd配合物可進入液泡,然后在液泡中與S2-合成高分子PC-Cd螯合物,最終形成細胞內(nèi)Cd的區(qū)隔化,因此,低Cd積累品種中果膠/蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)Cd的百分含量高于高Cd積累品種[21]。這可能與低Cd積累品種中Cd流動性低有關(guān)。

4 結(jié)論

與‘輻優(yōu)838’相比,‘D83A/R527’水稻Cd積累量低,且具有較低的Cd轉(zhuǎn)移特性。亞細胞分析表明,‘D83A/R527’各亞細胞Cd含量均低于‘輻優(yōu)838’,其根系細胞壁質(zhì)量分數(shù)高于‘輻優(yōu)838’,可溶部分和細胞器質(zhì)量分數(shù)低于‘輻優(yōu)838’,莖葉可溶部分Cd質(zhì)量分數(shù)低于‘輻優(yōu)838’,表明‘D83A/R527’根系截留Cd的能力更強,向地上部轉(zhuǎn)移的Cd更低?；瘜W形態(tài)結(jié)果顯示‘D83A/R527’幼苗“惰性態(tài)”Cd質(zhì)量分數(shù)高于‘輻優(yōu)838’,“活性態(tài)”Cd質(zhì)量分數(shù)低于‘輻優(yōu)838’,表明‘D83A/R527’體內(nèi)Cd較‘輻優(yōu)838’更難遷移。

氯化鈉提取態(tài)(果膠/蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài))在兩水稻品種中所占質(zhì)量分數(shù)最高,是水稻體內(nèi)重要的Cd解毒形態(tài)。‘D83A/R527’水稻Cd積累量低,根系細胞壁對Cd截留能力強;其根系“活性態(tài)”Cd質(zhì)量分數(shù)低于‘輻優(yōu)838’,莖葉“活性態(tài)”Cd質(zhì)量分數(shù)低于‘輻優(yōu)838’且“惰性態(tài)”Cd分配比例更高,從而‘D83A/R527’水稻對Cd的固持能力強于‘輻優(yōu)838’。

References

[1]沙之敏,袁婧,趙崢,等.水稻種植模式對水稻籽粒離子組的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2016,24(5):600–607 Sha Z M,Yuan J,Zhao Z,et al.Ionome of rice seed response to rice cultivation patterns[J].Chinese JournalofEco-Agriculture,2016,24(5):600–607

[2]李虹穎,唐杉,王允青,等.硒對水稻鎘含量及其在亞細胞中的分布的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報,2016,25(2): 320–326 Li H Y,Tang S,Wang Y Q,et al.Mechanism of Se on Cd contentand subcelldistribution in rice[J].Ecology and Environmental Sciences,2016,25(2):320–326

[3]吳朝波,王蕾,郭建春,等.鎘在海雀稗體內(nèi)的分布及化學形態(tài)特征[J].環(huán)境化學,2016,35(2):330–336 Wu C B,Wang L,Guo J C,et al.Distribution and chemical forms of Cd inPaspalum vaginatumSW.[J].Environmental Chemistry,2016,35(2):330–336

[4]尹潔,趙艷玲,徐莜,等.鋅對粳稻幼苗鎘吸收轉(zhuǎn)運特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2016,35(5):834–841 Yin J,Zhao Y L,Xu Y,et al.Effects of zinc supply on absorption and translocation of cadmium in rice seedlings[J]. Journal of Agro-Environment Science,2016,35(5):834–841

[5]徐良將,張明禮,楊浩.土壤重金屬鎘污染的生物修復技術(shù)研究進展[J].南京師大學報:自然科學版,2011,34(1): 102–106 XuL J,ZhangM L,YangH.Research progressof bioremediation technology ofcadmium polluted soil[J]. JournalofNanjing NormalUniversity:NaturalScience Edition,2011,34(1):102–106

[6]李冰,王昌全,李枝,等.Cd脅迫下雜交水稻對Cd的吸收及其動態(tài)變化[J].生態(tài)環(huán)境學報,2014,23(2):312–316 Li B,Wang C Q,Li Z,et al.Absorption of Cd by hybrid rice under the Cd stress and its dynamic change[J].Ecology and Environmental Sciences,2014,23(2):312–316

[7]李鵬,葛瀅,吳龍華,等.兩種籽粒鎘含量不同水稻的鎘吸收轉(zhuǎn)運及其生理效應差異初探[J].中國水稻科學,2011, 25(3):291–296 Li P,Ge Y,Wu L H,et al.Uptake and translocation of cadmium and its physiological effects in two rice cultivars differed in grain cadmium concentration[J].Chinese Journal of Rice Science,2011,25(3):291–296

[8]Francine M K,Louise W A,Pythagore F S,et al.Antioxidant properties of cell wall polysaccharides ofStevia rebaudianaleaves[J].Journal of Coastal Life Medicine,2014,2(12): 962–969

[9]Brunetti P,Zanella L,De Paolis A,et al.Cadmium-inducible expression of the ABC-type transporterAtABCC3increases phytochelatin-mediated cadmium tolerance inArabidopsis[J]. Journal of Experimental Botany,2015,66(13):3815–3829

[10]黃白飛,辛俊亮.植物積累重金屬的機理研究進展[J].草業(yè)學報,2013,22(1):300–307 Huang B F,Xin J L.Mechanisms ofheavy metal accumulation in plants:A review[J].Acta Prataculturae Sinica,2013,22(1):300–307

[11]Devriese M,Tsakaloudi V,Garbayo L,et al.Effect of heavy metals on nitrate assimilation in the eukaryotic microalgaChlamydomonasreinhardtii[J]. Plant Physiology and Biochemistry,2001,39(5):443–448

[12]Hart J J,Welch R M,Norvell W A,et al.Characterization of cadmium binding, uptake, and translocation in intact seedlings ofbread and durum wheatcultivars[J].Plant Physiology,1998,116(4):1413–1420

[13]Howden R,Goldsbrough P B,Andersen C R,etal. Cadmium-sensitive,cad1mutants ofArabidopsis thalianaare phytochelatin deficient[J].Plant Physiology,1995,107(4): 1059–1066

[14]Wu F B,Dong J,Qian Q Q,et al.Subcellular distribution and chemical form of Cd and Cd-Zn interaction in different barley genotypes[J].Chemosphere,2005,60(10):1437–1446

[15]白雪,陳亞慧,耿凱,等.鎘在三色堇中的積累及亞細胞與化學形態(tài)分布[J].環(huán)境科學學報,2014,34(6):1600–1605 Bai X,Chen Y H,Geng K,et al.Accumulation,subcellular distribution and chemicalformsofcadmium inViola tricolorL.[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2014,34(6): 1600–1605

[16]李云,張世熔,張少卿,等.野茼蒿對鎘的富集及其鎘耐性[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2012,31(7):1296–1302 Li Y,Zhang S R,Zhang S Q,et al.Cadmium tolerance and accumulation characteristics ofCrassocephalum crepidioides[J].Journal of Agro-Environment Science,2012, 31(7):1296–1302

[17]陸仲煙,劉仲齊,宋正國,等.大麥中鎘的亞細胞分布和化學形態(tài)及PCs合成的基因型差異[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2013,32(11):2125–2131 Lu Z Y,Liu Z Q,Song Z G,et al.Subcellular distribution and chemical forms of Cd and the synthesis of Phytochelatins (PCs) in different barley genotypes[J]. Journal of Agro-Environment Science,2013,32(11):2125–2131

[18]曲榮輝,張曦,李合蓮,等.不同鋅水平對低劑量鎘在水稻中遷移能力的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2016,24(4): 517–523 Qu R H,Zhang X,Li H L,et al.Effects of zinc level on low dose cadmium transport in rice plant[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2016,24(4):517–523

[19]Xue M,Zhou Y H,Yang Z Y,et al.Comparisons in subcellular and biochemical behaviors of cadmium between low-Cd and high-Cd accumulation cultivarsofpakchoi (BrassicachinensisL.)[J]. Frontiers of Environmental Science&Engineering,2014,8(2):226–238

[20]Fan J L,Wei X Z,Wan L C,et al.Disarrangement of actin filaments and Ca2+gradient by CdCl2alters cell wall construction inArabidopsis thalianaroot hairs by inhibiting vesicular trafficking[J].Journal of Plant Physiology,2011, 168(11):1157–1167

[21]Qiu Q,Wang Y T,Yang Z Y,et al.Effects of phosphorus supplied in soil on subcellular distribution and chemical formsofcadmium in two Chinese flowering cabbage (Brassica parachinensisL.)cultivars differing in cadmium accumulation[J].Food and Chemical Toxicology,2011,49(9): 2260–2267

[22]Wang J B,Su L Y,Yang J Z,et al.Comparisons of cadmium subcellular distribution and chemical forms between low-Cd and high-Cd accumulation genotypes of watercress (Nasturtium officinaleL.R.Br.)[J].Plant and Soil,2015, 396(1/2):325–337

[23]張雯,林匡飛,周健.不同硫濃度下葉面施硒對水稻幼苗鎘的亞細胞分布及化學形態(tài)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2014,33(5):844–852 Zhang W,Lin K F,Zhou J.Effects of selenium foliar spray on subcellular distribution and chemical forms of cadmium in rice seedlings in differentsulfurconcentrations[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(5): 844–852

[24]萬敏,周衛(wèi),林葆.鎘積累不同類型的小麥細胞鎘的亞細胞和分子分布[J].中國農(nóng)業(yè)科學,2003,36(6):671–675 Wan M,Zhou W,Lin B.Subcelluarand molecular distribution of cadmium in two wheat genotypes differing in shoot/root Cd partitioning[J].Scientia Agricultura Sinica, 2003,36(6):671–675

[25]Xin J L,Huang B F.Subcellular distribution and chemical forms of cadmium in two hot pepper cultivars differing in cadmium accumulation[J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2014,62(2):508–515

[26]Yu H,Xiang Z X,Zhu Y,et al.Subcellular and molecular distribution of cadmium in two rice genotypes with different levels of cadmium accumulation[J].Journal of Plant Nutrition, 2012,35(1):71–84

[27]Fu X P,Dou C M,Chen Y X,et al.Subcellular distribution and chemical forms of cadmium inPhytolacca americanaL.[J].Journal of Hazardous Materials,2011,186(1):103–107

[28]Sylwia W,Anna R,Ewa B,et al.The role of subcellular distribution of cadmium and phytochelatins in the generation of distinct phenotypes of AtPCS1-and CePCS3-expressing tobacco[J].JournalofPlantPhysiology,2010,167(12): 981–988

[29]Clemens S.Toxic metal accumulation,responses to exposure and mechanisms of tolerance in plants[J].Biochimie,2006, 88(11):1707–1719

[30]Jiang H M,Yang J C,Zhang J F.Effects of external phosphorus on the cell ultrastructure and the chlorophyll content of maize under cadmium and zinc stress[J]. Environmental Pollution,2007,147(3):750–756

Histocyte distribution and cadmium forms in different rice cultivar seedlings with exogenous cadmium supply*

FU Shuolan,WANG Changquan**,LI Bing,XU Qiang,ZHANG Jingsheng,LI Meng,TANG Jie, HE Yuting,SHEN Jie,ZENG Jiexi,YAN Xun
(College of Resources,Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,China)

A hydroponic experiment was conducted to study cadmium(Cd)accumulation characteristics in different rice genotypes—lowCd accumulation(‘D83A/R527’)and high Cd accumulation(‘Fuyou838’).The subcellular distribution and chemical forms of Cd in the root and shoot of different rice genotypes were investigated after exposure to Cd concentrations of 5 μmol·L-1,10 μmol·L-1and 25 μmol·L-1.The aim of the study was to explore subcellular distribution and chemical forms change of Cd in rice to provide reference for research on Cd absorption mechanisms of rice.The results showed that:1)the concentrations of Cd in roots and shoots and the transfer rate in‘D83A/R527’were significantly lower than those in‘Fuyou838’(P<0.05).2)The contents of Cd in subcellular fractions of two rice cultivars were in the orders of soluble fraction(F3)>cell wall(F1)>organelle(F2)in roots,but cell wall(F1)>soluble fraction(F3)>organelle(F2)in shoots.The proportions of Cd in cell walls(36.76%-51.75%)in both roots and shoots of‘D83A/R527’were higher than those in‘Fuyou838’(31.29%-49.07%).3)The order of contents of Cd chemical forms revealed by different processing methods was sodium chloride extraction state(FNaCl-Cd)>acetic acid extractable state(FHAc-Cd)> deionized water extraction(FW-Cd)>ethanol extracted state(FE-Cd)>HCl extractable state(FHCl-Cd)in both cultivars.When Cd concentration increased,the proportions of FE-Cd and FW-Cd(active forms)from root of‘D83A/R527’declined gradually (24.75%-18.34%),but increased gradually in‘Fuyou838’(27.18%-28.68%).The percentages of FHAC-Cd and FHCl-Cd(inertia forms) in shoot of‘D83A/R527’(32.41%-38.98%)were higher than those in‘Fuyou838’(28.44%-31.22%).The proportions of FNaCl-Cd in both root and shoot of‘D83A/R527’(32.71%-51.17%)were higher than those in‘Fuyou838’(32.14%-47.63%).In short,Cd accumulation in‘D83A/R527’was lower than that in‘Fuyou838’.Then cell wall mass fractions of both root and shoot systems were higher in‘D83A/R527’than that in‘Fuyou838’.Also there was lower accumulation of active forms of Cd and higher accumulation of inertia forms of Cd in‘D83A/R527’than that in‘Fuyou838’.Therefore,rice cultivar‘D83A/R527’had a better Cd fixation capacity than‘Fuyou838’.

Exogenous cadmium;Rice;Subcellular distribution;Chemical form;Active form of cadmium;Inertia form of cadmium

Nov.19,2016;accepted Dec.20,2016

X171.5

A

1671-3990(2017)06-0903-08

10.13930/j.cnki.cjea.161041

付鑠嵐,王昌全,李冰,徐強,張敬昇,李萌,唐杰,何玉亭,沈杰,曾杰熙,嚴勛.外源Cd在不同品種水稻組織中的細胞分布和化學形態(tài)特征研究[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報,2017,25(6):903-910

Fu S L,Wang C Q,Li B,Xu Q,Zhang J S,Li M,Tang J,He Y T,Shen J,Zeng J X,Yan X.Histocyte distribution and cadmium forms in different rice cultivar seedlings with exogenous cadmium supply[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017,25(6):903-910

* 國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B18)和四川省科技支撐計劃(2013NZ0028)資助

**通訊作者:王昌全,主要從事土壤與環(huán)境可持續(xù)的研究。E-mail:w.changquan@163.com

付鑠嵐,主要從事土壤質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品安全的研究。E-mail:roxannyfu@163.com

2016-11-19 接受日期:2016-12-20

* This study was supported by the National Key Technologies R&D Program of China(2012BAD14B18)and the Key Technologies R&D Program of Sichuan Province(2013NZ0028).

**Corresponding author,E-mail:w.changquan@163.com