持續(xù)淹水對水稻鎘吸收的影響及其調(diào)控機(jī)理

陳江民，楊永杰，黃奇娜，胡培松，唐紹清，吳立群，王建龍1,，邵國勝

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持續(xù)淹水對水稻鎘吸收的影響及其調(diào)控機(jī)理

陳江民1,2，楊永杰2，黃奇娜2，胡培松2，唐紹清1,2，吳立群3，王建龍1,3，邵國勝2

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)/南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128；2中國水稻研究所/水稻生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311400；3湖南金健種業(yè)科技有限公司，長沙 410128）

【目的】研究持續(xù)淹水對不同鎘（Cadmium，Cd）積累水稻品種Cd 含量的影響，通過分析持續(xù)淹水條件下土壤有效性Cd、植株Cd含量以及水稻根系Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)關(guān)鍵基因表達(dá)，揭示持續(xù)淹水對水稻Cd積累的作用及其調(diào)控機(jī)制?！痉椒ā坎捎盟酒贩N輻品36（FP36，Cd高積累品種）和中嘉早17（ZJZ17，Cd低積累品種），盆栽條件下（外源加入1.5 mg·kg-1CdCl2）于水稻分蘗始期開始持續(xù)淹水處理，分蘗盛期取樣分析植株Cd 含量及Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)情況，測定土壤中有效性Cd、Fe、Mn含量和根膜Cd、Fe和Mn含量。相同處理繼續(xù)培養(yǎng)至水稻完熟期，收獲植株和稻米并測定Cd含量和產(chǎn)量?！窘Y(jié)果】在Cd污染土壤條件下，與正常灌溉處理相比，持續(xù)淹水顯著降低了分蘗盛期水稻FP36和ZJZ17的Cd含量，根部降幅分別為39.5%和33.9%，地上部降幅分別為62.1%和71.7%。在完熟期也表現(xiàn)相同作用效果，持續(xù)淹水顯著降低完熟期水稻FP36和ZJZ17根部、地上部和稻米中Cd含量，F(xiàn)P36根部、地上部和稻米分別降低36.4%、43.7%和36.8%，ZJZ17分別降低62.5%、61.5%和55.4%。研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)淹水顯著降低了兩個(gè)水稻品種的土壤有效性Cd含量（降幅分別為12.1%和17.7%）和根膜中Cd 的含量（降幅分別為52.2%和43.1%）。Cd脅迫下，持續(xù)淹水增加了土壤有效性Fe（增幅分別為23.7%和10.3%）和有效性Mn含量（增幅分別為24.5%和43.9%），也使根膜中Fe（增幅分別為83.1%和81.5%）和Mn含量（增幅分別為41.5%和27.7%）顯著增加。更為重要的是，持續(xù)淹水顯著下調(diào)了兩個(gè)水稻品種根部（58.3%和58.0%）和（21.6%和17.8%）基因的相對表達(dá)量?！窘Y(jié)論】持續(xù)淹水通過降低土壤有效性Cd含量和抑制Cd吸收基因表達(dá)（和）的雙重調(diào)控作用，降低了水稻對Cd的吸收和積累。

水稻；鎘；轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；鐵；錳

0 引言

【研究意義】鎘（Cadmium，Cd）是一種危害性極強(qiáng)的有毒重金屬元素，能通過土壤-水稻食物鏈系統(tǒng)進(jìn)入人體，對人體造成潛在危害[1-2]。在中國、韓國、日本等以水稻為主食的國家，稻米是人體Cd攝入的最主要的來源[3]。因此，開展水稻Cd低積累調(diào)控技術(shù)及其機(jī)制研究，對Cd污染稻田水稻安全生產(chǎn)，以及水稻Cd低積累基礎(chǔ)理論研究都具有十分重要的意義。【前人研究進(jìn)展】近幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)通過工程治理、品種篩選[4-5]、土壤Cd鈍化/活化[6]、營養(yǎng)調(diào)控[7-8]、生物修復(fù)[9]等措施降低稻米Cd吸收和積累，取得了可喜的成果。然而，水分作為水稻最重要的產(chǎn)量限制因素和生態(tài)調(diào)節(jié)因子，能夠影響甚至掩蓋這些調(diào)控措施[10-11]。因此，水分管理措施因其無二次污染、可操作性強(qiáng)、無附加經(jīng)濟(jì)投入、有效性高且不影響水稻正常收獲而備受關(guān)注。楊錨等[11]研究發(fā)現(xiàn)，相比60%田間持水量，淹水處理能夠顯著降低稻田土壤水溶態(tài)Cd含量和有效性Cd含量，且隨著時(shí)間的延長而更加顯著。陳喆等[12]研究表明全生育期淹水能夠降低水稻Cd 積累，結(jié)合配施硅肥能夠使重度Cd污染（4.1 mg·kg-1）土壤生產(chǎn)出安全大米。楊定清等[13]認(rèn)為，關(guān)鍵期（孕穗期—灌漿期）淹水是一種既節(jié)約水又保證產(chǎn)量，同時(shí)降低稻米Cd含量的辦法。張麗娜等[14]研究后建議，為了生產(chǎn)Cd含量安全的稻米，盡量避免在Cd污染土壤中開展水稻旱作栽培。這些結(jié)果均表明，淹水處理能夠降低稻米Cd的毒害風(fēng)險(xiǎn)。Huang等[15]研究表明，持續(xù)淹水處理增加了土壤有效性錳（Manganese，Mn）和有效性鐵（Iron，F(xiàn)e）的含量。淹水處理能夠通過增加水稻根膜Mn和Fe的含量，競爭性的抑制Cd進(jìn)入水稻[16]。也有研究表明淹水條件通過改變了土壤pH、有效硫含量、氧化還原電位（Eh）等，改變了土壤有效性Cd含量，影響了水稻對Cd的吸收[15, 17-19]。但是，土壤是一個(gè)復(fù)雜的Cd容納體系，從土壤化學(xué)角度分析持續(xù)淹水對稻米Cd的影響，往往出現(xiàn)截然不同甚至相反的結(jié)果[15,18]。Huang等[15]分析了淹水處理對稻田土壤有效性Cd含量的影響，發(fā)現(xiàn)短期淹水增加了土壤有效性Cd含量，而隨著時(shí)間的延長Cd有效性逐漸降低。張雪霞等[18]研究表明，隨著土壤水分的增加，水稻分蘗期和成熟期根際土壤有效性Cd含量增加。當(dāng)Cd含量為50—100 mg·kg-1，淹水條件下紫色土壤溶液Cd的含量隨Eh的下降而增大[20]。【本研究切入點(diǎn)】本研究擬從水稻Cd 吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)特性開展研究，揭示持續(xù)淹水對水稻Cd吸收和積累的影響及調(diào)控機(jī)制。最新研究表明，OsIRT1 和OsNramp1轉(zhuǎn)運(yùn)子被證實(shí)在水稻吸收Cd過程中發(fā)揮著重要作用[21-22]。最新報(bào)道的OsNramp5位于水稻內(nèi)皮層和外皮層細(xì)胞膜上，也是一種重要的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)體[23-24]。主要在水稻根部維管組織細(xì)胞膜表達(dá)，參與了水稻Cd的積累和毒害響應(yīng)[25]。因此，持續(xù)淹水可能通過調(diào)控這些基因的表達(dá)，或同時(shí)調(diào)控土壤Cd有效性含量，降低水稻對Cd的吸收、裝載及積累。然而，這一假設(shè)至今還沒有被證實(shí)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究選用兩個(gè)Cd積累差異的水稻品種，分析持續(xù)淹水對兩個(gè)水稻品種Cd積累的影響，結(jié)合土壤和根膜中Fe和Mn元素含量的變化，分析水稻Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)基因表達(dá)，嘗試從水稻自身特性分析其調(diào)控機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 供試品種和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年在中國水稻研究所富陽試驗(yàn)基地網(wǎng)室中進(jìn)行，網(wǎng)室四周通風(fēng)，頂部用透明農(nóng)膜覆蓋以防雨水干擾。采用盆栽土培試驗(yàn)，所用桶高30 cm，直徑30 cm，內(nèi)部裝有10.0 kg稻田黏壤土。盆栽用土裝桶前，經(jīng)風(fēng)干粉碎過篩（篩孔徑為 0.3 cm×0.3 cm），土壤pH（H2O）為6.01，土壤有機(jī)質(zhì)含量為28.6 g·kg-1，總氮含量為1.88 g·kg-1，陽離子交換量（CEC）為15.6 cmol·kg-1，有效性Cd含量為0.072 g·kg-1。

供試品種為輻品36（FP36）和中嘉早17（ZJZ17）。這兩個(gè)品種由研究團(tuán)隊(duì)于2013—2015年在125個(gè)秈稻品種中篩選而來，多年多點(diǎn)試驗(yàn)證實(shí)FP36為高Cd積累品種，ZJZ17為低Cd積累品種。30℃條件下浸種48 h，清洗干凈后35℃催芽24 h，撒播于塑料容器中土培育秧，水稻幼苗長至三葉一心時(shí)（培養(yǎng)21 d），選取整齊一致的秧苗進(jìn)行移栽，每桶種植4穴，每穴2株，待返青后（5 d）開始處理。

試驗(yàn)設(shè)置了兩種水分灌溉模式，持續(xù)淹水（continuous flooding，CF）和正常間歇灌溉（CK），CF措施指在整個(gè)水稻生長期間（收獲前7 d停止加水），土表始終保持3 cm以上的厚水層，保持長期的淹水狀態(tài)。CK采用常規(guī)處理，即待落干后加水，再落干再加水直至成熟。依據(jù)南方土壤重金屬Cd污染水平，設(shè)置Cd濃度為1.5 mg·kg-1，于水稻移栽前加入CdCl2并攪拌均勻，以不加Cd處理為對照，每處理重復(fù)3桶。整個(gè)生長過程中，除水分管理外，其他管理措施均一致。試驗(yàn)于分蘗盛期（處理20 d）進(jìn)行第一次取樣，測定土壤有效性Cd、Fe和Mn含量和水稻根膜Cd、Fe和Mn的含量，分析植株Cd含量，并測定相關(guān)基因表達(dá)量，繼續(xù)培養(yǎng)至水稻完熟期進(jìn)行第二次取樣，測定植株和稻米Cd含量，分析產(chǎn)量。

1.2 測定方法

1.2.1 株高和有效蘗 每個(gè)處理取水稻6株，測量水稻株高和分蘗。

1.2.2 干物質(zhì)重及產(chǎn)量性狀分析 將上述6株樣品分為地上部和根部，105℃殺青1 h后繼續(xù)80℃烘干至恒重，待冷卻至室溫后稱重。摘取穗子剝下米粒，測定產(chǎn)量、結(jié)實(shí)率和千粒重。

1.2.3 土壤有效性Cd、Fe和Mn含量測定 土壤有效性Cd、Fe和Mn提取采用DTPA法，方法參見Bailey等[26]的方法。充分提取后離心并過濾，用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES，Optima 2100DV，PerkinElmer，USA）測定有效性Cd、Fe和Mn的含量。生物學(xué)重復(fù)3次。

1.2.4 根膜Cd、Fe和Mn含量測定 根膜Cd采用DCB法提取[27]。提取1 h后過濾，用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES，Optima 2100DV，PerkinElmer，USA）測定根膜Cd、Fe和Mn的含量。生物學(xué)重復(fù)3次。

1.2.5 植株Cd 含量測定消煮參見周全等[28]的方法。用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（ICP-OES，Optima 2100DV，PerkinElmer，USA）測定Cd的含量。生物學(xué)重復(fù)3次。

1.2.6 重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因相對表達(dá)量的測定 測定方法參見周全等[28]的方法。引物序列：fw: 5′-CATGTCCGTCATGGCCAAGT rev:3′-TGTCTGCA GCTGATGATCGAG；fw: 5′-GTGATTGCT TCCGATATTCCA rev:3′-CAACCTCCAGTTTCCTTA CCC；fw: 5′-TTCGTGATGGCGGCGTGC TT rev:3′-CCCGTCCTTGATTCCTCTGACTGAT；fw: 5′-AGAAACTACCCTGATGATTGG rev:3′- GCTGTAACATTGGTGGTAAGT。生物學(xué)重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SAS 9.1軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。ANOVA顯著性方差分析，不同小寫字母代表處理間差異顯著（＜0.05），相同字母代表處理間差異不顯著。

2 結(jié)果

2.1 持續(xù)淹水對不同Cd積累水稻品種產(chǎn)量性狀的影響

如表1所示，從水稻完熟期產(chǎn)量性狀可知，在沒有外源Cd加入的情況下，相比間歇灌溉（CK），持續(xù)淹水（continuous flooding，CF）顯著降低了FP36的結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量，降幅分別為38.2%和40.2%，顯著增加了水稻FP36品種的有效穗數(shù)，增加幅度為19.0%，而對株高、地上部干重、根干重、每穗粒數(shù)、千粒重?zé)o顯著影響。CF處理對ZJZ17株高、有效穗數(shù)、地上部干重、根干重、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重以及產(chǎn)量均無顯著影響；在有Cd的情況下，相比CK，CF處理能夠顯著增加FP36地上部和根部干重，增幅分別為24.1%和46.4%，對株高、有效穗、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重以及產(chǎn)量均無顯著影響。相比CK處理，CF處理對ZJZ17株高、有效穗數(shù)、地上部干重、根干重、每穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、千粒重以及產(chǎn)量也均無顯著影響。值得一提的是，由表1可知，ZJZ17的結(jié)實(shí)率為70.0%左右，而FP36的結(jié)實(shí)率僅為30.0%左右，是由于水稻品種在開花期遭遇南方高溫的緣故，結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量均受到嚴(yán)重影響。

2.2 持續(xù)淹水對不同Cd積累水稻品種分蘗盛期和完熟期Cd含量的影響

如圖1所示，在分蘗盛期，在沒有外源Cd加入的情況下，相比間歇灌溉（CK），持續(xù)淹水（CF）對兩個(gè)水稻品種根部和地上部Cd含量無顯著影響；在有Cd 的情況下：（1）FP36表現(xiàn)出高Cd積累特性，ZJZ17表現(xiàn)出低Cd積累特性。ZJZ17植株根部和地上部Cd含量均低于FP36，在CK條件下分別降低約75.5%和49.1%，在CF條件下，ZJZ17根部和地上部Cd含量分別比FP36降低約73.3%和61.9%。（2）CF處理能夠顯著降低兩個(gè)水稻品種根部和地上部Cd含量。相比CK，CF處理能夠顯著降低FP36根部和地上部Cd含量，降低幅度分別為39.5%和62.1%；能夠顯著降低ZJZ17根部和地上部Cd含量，降低幅度分別為33.9%和71.7%。

如圖2所示，在水稻完熟期，在沒有外源Cd加入的情況下，相比間歇灌溉（CK），持續(xù)淹水（CF）對兩個(gè)水稻品種根部、地上部以及稻米中Cd含量無顯著影響；在有Cd 的情況下：（1）ZJZ17仍舊表現(xiàn)出Cd低積累特性，其根部、地上部和稻米中的Cd含量均低于FP36，在CK條件下分別降低約33.2%、40.0%和33.2%，在CF條件下，ZJZ17根部、地上部以及稻米中Cd含量分別比FP36降低約60.7%、59.0%和52.9%。（2）CF處理能夠顯著降低兩個(gè)水稻品種根部、地上部以及稻米中Cd含量。相比CK，CF處理顯著降低FP36根部、地上部和稻米中Cd含量，降幅分別為36.4%、43.7%和36.8%。CF處理顯著降低了ZJZ17根部、地上部以及稻米中的Cd含量，降低幅度分別為62.5%、61.5%和55.4%。以上結(jié)果表明，無論是高Cd積累水稻品種，還是低Cd積累水稻品種，持續(xù)淹水均顯著降低了水稻對Cd的吸收。

表1 持續(xù)淹水對完熟期不同Cd積累水稻品種產(chǎn)量性狀的影響

圖1 持續(xù)淹水對分蘗盛期不同Cd積累水稻品種植株地上部（A）和根部（B）Cd含量的影響

圖2 持續(xù)淹水對完熟期不同Cd積累水稻品種植株根部（A）、地上部（B）以及稻米（C）Cd含量的影響

2.3 持續(xù)淹水對土壤和根膜Fe、Mn以及Cd含量的影響

如圖3所示，在水稻分蘗盛期，在沒有外源Cd加入的情況下，相比CK處理，CF處理對兩個(gè)水稻品種土壤有效性Cd含量和根膜Cd含量無顯著影響；在有Cd 的情況下，相比CK，CF處理能夠顯著降低兩個(gè)水稻品種土壤有效性Cd含量和根膜Cd含量。CF處理顯著降低FP36和ZJZ17 的土壤有效性Cd含量，降幅分別為12.1%和17.7%。CF處理顯著降低了FP36和ZJZ17根膜Cd含量，降低幅度分別為52.2%和43.1%。另外，兩個(gè)水稻品種的土壤有效性Cd 含量和根膜Cd含量相差不大，說明兩個(gè)不同Cd積累水稻品種Cd吸收差異是植株自身特性，而不是由土壤或根膜Cd差異導(dǎo)致的。

根膜Fe和Mn含量的增加，能夠競爭性的抑制水稻Cd的吸收。如圖4所示，在水稻分蘗盛期，在沒有外源Cd加入的情況下，相比CK處理，CF處理對FP36根膜Fe和Mn含量無顯著影響，CF處理對ZJZ17根膜Mn含量也無顯著影響，而顯著增加了ZJZ17的根膜Fe含量，增加幅度為80.5%；在有Cd的情況下：（1）相比CK處理，CF處理顯著增加FP36和ZJZ17的根膜Fe含量，增加幅度分別為83.1%和81.5%。（2）相比CK處理，CF處理顯著增加FP36和ZJZ17的根膜Mn含量，增加幅度分別為41.5%和27.7%。

進(jìn)一步測定土壤有效性Fe和Mn含量，表明無論有沒有Cd存在，持續(xù)淹水（CF）均能夠增加土壤有效性Fe和Mn的含量。（1）在沒有外源Cd加入的情況下，相比CK處理，CF處理顯著增加FP36和ZJZ17的土壤有效性Fe含量，增幅分別為17.2%和17.1%，顯著增加ZJZ17的土壤有效性Mn含量，增幅為49.0%。（2）在有Cd的情況下，相比CK處理，CF處理顯著增加FP36的土壤有效性Fe含量，增幅為23.7%，顯著增加了FP36和ZJZ17的土壤有效性Mn含量，增幅分別為24.5%%和43.9%（圖4）。這些結(jié)果均表明，持續(xù)淹水能夠顯著增加土壤和根膜中Fe和Mn的含量，從而競爭性的抑制水稻對Cd的吸收和積累。

2.4 持續(xù)淹水對不同Cd積累水稻品種基因表達(dá)量的影響

研究表明，、、和等基因編碼的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在水稻Cd吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)過程中，發(fā)揮著重要作用。如圖5所示，在水稻分蘗盛期，在沒有外源Cd加入的情況下，相比CK處理，CF處理能夠顯著下調(diào)FP36和ZJZ17根部基因的相對表達(dá)，幅度分別為40.4%和74.3%，顯著下調(diào)FP36的基因的相對表達(dá)量，降低幅度為75.0%，顯著上調(diào)了ZJZ17的Os基因的相對表達(dá)量，增加幅度為53.8%。

圖3 持續(xù)淹水對分蘗盛期不同Cd積累水稻品種土壤有效性Cd含量（A）和根膜Cd含量（B）的影響

圖4 持續(xù)淹水對分蘗盛期不同Cd積累水稻品種根膜Fe含量（A）、根膜Mn含量（B）、土壤有效性Fe含量（C）和土壤有效性Mn含量（D）的影響

圖5 持續(xù)淹水對分蘗盛期不同Cd積累水稻品種OsLCD（A）和OsNramp1（B）的影響

而在有Cd的情況下，相比CK處理，CF處理能夠顯著下調(diào)ZJZ17的基因的相對表達(dá)，降低幅度為17.8%。CF處理顯著下調(diào)了FP36和ZJZ17的基因的相對表達(dá)量，下調(diào)幅度分別為58.3%和58.0%。結(jié)果表明，持續(xù)淹水環(huán)境下，和基因表達(dá)受抑制很可能是水稻鎘積累降低的重要分子機(jī)理之一。

如圖6所示，在水稻分蘗盛期，在沒有外源Cd加入的情況下，相比CK處理，CF處理上調(diào)了FP36根部基因的相對表達(dá)量，顯著上調(diào)了ZJZ17根部基因的相對表達(dá)量；在有Cd的條件下，CF處理均顯著上調(diào)了兩個(gè)水稻品種根部基因的相對表達(dá)。在沒有外源Cd加入的情況下，相比CK處理，CF處理顯著下調(diào)了基因的相對表達(dá)，而上調(diào)了ZJZ17中基因的相對表達(dá)。在有Cd的條件下，相比CK處理，CF處理顯著上調(diào)了FP36和ZJZ17 的基因的相對表達(dá)量，上調(diào)幅度分別為70.7%和50.0%。結(jié)果表明，淹水處理未通過調(diào)控和基因表達(dá)來降低水稻對Cd的吸收。

圖6 持續(xù)淹水對分蘗盛期不同Cd積累水稻品種OsIRT1（A）和OsNramp5（B）的影響

3 討論

水分作為水稻生產(chǎn)投入量最大的因子，其在土壤中的含量調(diào)控著水稻的營養(yǎng)吸收、生理代謝以及抗逆性質(zhì)[10, 29]，淹水處理可有效控制水稻Cd積累已被大量研究所證實(shí)[11-16]。陳喆等[12]研究表明，全生育期淹水顯著降低了水稻品種湘早秈45號和豐源優(yōu)299糙米Cd含量，降低幅度分別為71.9%和76.5%。相比水稻旱作，全生育期淹水降低糙米Cd含量約62.4%[14]。王定清等[13]研究表明，全生育期淹水顯著降低稻米Cd含量，降幅為34.1%—48.1%（其效果在不同試驗(yàn)區(qū)有所差異），關(guān)鍵期（孕穗期—灌漿期）淹水降低稻米Cd 含量28.2%—43.1%，并建議水稻關(guān)鍵期淹水是一種既不影響水稻機(jī)械收割，又能控制稻米Cd積累的辦法。正因如此，全生育期淹水控制水稻Cd積累已在日本有較為廣泛的推廣應(yīng)用[21, 30]。但持續(xù)淹水灌溉有許多不足之處，如浪費(fèi)水資源，無法抑制無效分蘗，特別是在秸桿還田條件下，水稻分蘗期持續(xù)淹水會造成水稻的僵苗不發(fā)，加重病蟲害，影響水稻產(chǎn)量和品質(zhì)，機(jī)械化操作受限等[14, 31]。因此，持續(xù)淹水難以在中國推廣應(yīng)用。

本研究結(jié)果表明，持續(xù)淹水是一種有效控制稻米Cd積累的方法，從分蘗盛期Cd含量降低幅度分析，地上部（65%）＞根膜（45%）＞根部（35%）＞土壤（15%），表明在土壤Cd進(jìn)入植株體內(nèi)的整個(gè)過程中，持續(xù)淹水參與調(diào)控了整個(gè)Cd吸收環(huán)節(jié)。而且，無論是高Cd積累品種還是低Cd積累品種，持續(xù)淹水均顯著降低了稻米Cd含量，降低幅度分別為36.8%和55.4%（圖1—2）。因此，需深入探究淹水處理降低水稻Cd積累的內(nèi)在機(jī)制，通過利用這些內(nèi)在機(jī)理，以期采用其他途徑來達(dá)到相同效果。

從土壤學(xué)角度分析，持續(xù)淹水是通過降低土壤有效性Cd含量降低植物對Cd的吸收[11, 16]。Huang等[15]認(rèn)為淹水前期（50—80 h，不同土壤背景的時(shí)間不等）土壤有效性Cd含量劇烈增加，后期土壤有效性Cd含量逐漸降低。本研究淹水處理的時(shí)間較長（20 d），顯著降低了水稻分蘗盛期土壤有效性Cd含量，結(jié)果與紀(jì)雄輝等[16]的研究類似。反過來，也證實(shí)間歇灌溉（無數(shù)次的短期淹水處理）通過增加土壤有效性Cd含量增加了水稻Cd的積累。另外，持續(xù)淹水也能增加土壤有效性Fe和Mn含量，以及根膜中Fe和Mn的含量（圖3），競爭性的抑制水稻Cd的吸收。淹水條件下，土壤Eh值較低，土壤Fe和Mn被還原，在水稻根表形成根膜[32]。根膜Fe和Mn含量的增加競爭性抑制水稻根系對Cd的吸收[16, 19]。前人研究認(rèn)為淹水處理降低水稻Cd積累主要是通過硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化物，形成難溶性CdS，從而降低土壤中有效性Cd來實(shí)現(xiàn)的[15, 18]。如前人所述，持續(xù)淹水影響土壤元素特性，只是調(diào)控水稻Cd 積累的機(jī)理之一，持續(xù)淹水調(diào)控水稻Cd吸收的分子機(jī)理則更為關(guān)鍵。

持續(xù)淹水通過調(diào)控水稻Cd共質(zhì)體轉(zhuǎn)運(yùn)，影響水稻對Cd的吸收和積累。眾所周知，水稻根系吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和裝載Cd的過程中，共質(zhì)體運(yùn)輸途徑起決定性作用[33]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，持續(xù)淹水通過下調(diào)水稻根系和的基因相對表達(dá)量，降低了水稻對Cd的吸收（圖5）。研究表明，OsNramp1是一種膜載蛋白，基因超表達(dá)增加了水稻根部Cd含量，也促進(jìn)Cd向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，增加地上部Cd含量[22]。OsLCD也主要定位在水稻根部維管組織細(xì)胞膜，該基因缺失突變體地上部Cd含量較低且Cd耐性較高，并證實(shí)OsLCD在水稻根部Cd吸收過程具有重要作用[25]。因此，持續(xù)淹水通過下調(diào)這兩個(gè)關(guān)鍵基因表達(dá)，抑制了水稻對Cd的吸收。和基因受影響因素較復(fù)雜，對持續(xù)淹水降低水稻Cd的作用并不明顯（圖6）。研究認(rèn)為，OsIRT1主要定位在根部伸長區(qū)表皮、外皮層以及內(nèi)皮層細(xì)胞膜上，涉及水稻Cd的吸收，受根際缺Fe條件誘導(dǎo)性表達(dá)[34]。特別是在土壤持續(xù)淹水（缺氧）條件下，土壤Eh值降低，F(xiàn)e3+被還原成Fe2+，淹水條件下DMA（2’-deoxymugineic acid）分泌不足時(shí)，水稻就會采用不同于Fe吸收策略-I的方式，誘導(dǎo)基因表達(dá)來吸收Fe2+以應(yīng)對淹水環(huán)境[34]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，無論有沒有Cd存在，持續(xù)淹水均上調(diào)了基因的相對表達(dá)，因此認(rèn)為表達(dá)上調(diào)與水稻Fe2+吸收有關(guān)，而水稻Cd含量則是土壤Cd有效性降低與表達(dá)上調(diào)平衡后的結(jié)果。另外，OsNramp5主要定位在表皮、外皮層、皮層外圍以及木質(zhì)部薄壁細(xì)胞膜上，主要吸收Fe、Cd、Mn，且相比其他基因?qū)λ綜d積累影響較大[23-24]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，Cd存在條件下持續(xù)淹水上調(diào)了表達(dá)量，推測可能是由于該基因受外界Cd含量影響較敏感[28]。在有Cd的條件下，淹水條件下土壤中有效性Cd含量低，兩個(gè)水稻品種的表達(dá)相比CK較高，而在沒有Cd存在的條件下，兩個(gè)水稻品種的表達(dá)量就不一致（圖6），該基因就不能反映持續(xù)淹水的內(nèi)部調(diào)控機(jī)制。因此，持續(xù)淹水條件下OsLCD和OsNramp1對水稻Cd積累的貢獻(xiàn)較大且其表達(dá)受影響較小，可為將來低Cd積累水稻品種選育等提供啟示。

水分管理調(diào)控水稻Cd積累的措施，是目前所有方法中最經(jīng)濟(jì)、省時(shí)省力、無二次污染、不影響水稻正常生產(chǎn)的辦法。然而，本研究還是未能將稻米Cd含量控制在國家安全標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。從完熟期的結(jié)果可以得出，持續(xù)淹水條件下，低積累水稻品種的ZJZ17稻米Cd含量雖然遠(yuǎn)低于FP36 稻米Cd含量（1.0 mg·kg-1），但仍有0.4 mg·kg-1。盡管在開花期遭遇南方高溫，F(xiàn)P36的結(jié)實(shí)率受到嚴(yán)重影響（結(jié)實(shí)率僅為30%左右），可能會對FP36稻米Cd 積累產(chǎn)生影響，但并沒有影響持續(xù)淹水降低稻米Cd 積累的趨勢。另外，本研究中持續(xù)淹水對完熟期ZJZ17稻米Cd含量降幅（60%）要顯著高于FP36的降幅（40%），這表明結(jié)合水分管理措施，選擇合適的品種，以及合理施肥、輪作、生物修復(fù)等綜合調(diào)控，更能有效降低稻米Cd的積累。

4 結(jié)論

持續(xù)淹水能夠顯著降低不同Cd積累水稻品種Cd的含量，降低土壤中有效性Cd含量和根膜中Cd的含量。研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)淹水增加了土壤有效性Fe和Mn含量和根膜中Fe和Mn的含量，競爭性的抑制水稻對Cd的吸收，持續(xù)淹水還下調(diào)了水稻和基因的表達(dá)。因此，持續(xù)淹水對水稻Cd積累的有效控制，是通過降低土壤有效性Cd含量和抑制Cd吸收基因表達(dá)的雙重調(diào)控作用來實(shí)現(xiàn)的。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Effects of Continuous Flooding on Cadmium Absorption and Its Regulation Mechanisms in Rice

CHEN JiangMin1, 2, YANG YongJie2, HUANG QiNa2, Hu PeiSong2, TANG ShaoQing1, 2, WU LiQun3,WANG JianLong1, 3, SHAO GuoSheng2

(1Hunan Agriculture University/Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops, Changsha 410128;2China National Rice Research Institute/State Key Laboratory of Rice Biology, Hangzhou 311400;3Hunan Jinjian Seed Industry Science & Technology Co., Ltd., Changsha 410128)

【Objective】The objective of this experiment is to study the effects of continuous flooding on cadmium (Cd) uptake in rice. By analysis of alteration of soil available Cd, plant Cd content and Cd uptake related gene expression under continuous flooding condition in different Cd accumulation rice varieties, further to reveal the effects and detail regulation mechanism on Cd uptake with continuous flooding management in rice. 【Method】Pot experiments (exogenous 1.5 mg·kg-1CdCl2) were carried out by using rice varieties of Fupin36 (FP36, high Cd accumulation) and Zhongjiazao 17 (ZJZ17, low Cd accumulation). Plantlets were treated by continuous flooding management at early tillering stage and sampled at middle tillering stage. Cd content of plant root and shoot, soil available Cd, Fe and Mn content, root plaque Cd, Fe and Mn content and Cd uptake related gene expression of rice were analyzed. The same treatment was continued until mature stage, plantlets and milled rice were harvested to determine Cd content and yield traits. 【Result】Compared with the control, the results showed that continuous flooding sharply reduced Cd contents of FP36 and ZJZ17 under pollution condition at middle tillering stage, the root Cd content decreased by 39.5% and 33.9%, shoot Cd content decreased by 62.1% and 71.7%, respectively. Continuous flooding also significantly reduced Cd content of rice root, shoot and milled rice at mature stage. The management reduced root, shoot and milled rice Cd content of FP36 by 36.4%, 43.7% and 36.8%, respectively, it also showed a decrease of 62.5%, 61.5% and 55.4% in ZJZ17. Furthermore, the soil available Cd of FP36 and ZJZ17 significantly decreased by 12.1% and 17.7%, and root plaque Cd content decreased by 52.2% and 43.1% under continuous flooding treatment, respectively. While soil available Fe content (23.7% and 10.3%) and Mn content (24.5% and 43.9%) of FP36 and ZJZ17 significantly increased. Root plaque Fe (83.1% and 81.5%) and Mn content (41.5% and 27.7%) were also elevated under continuous flooding. Simultaneously, the relative expression of(58.3% and 58.0%) and(21.6% and 17.8%) genes were also down-regulated by continuous flooding in rice roots.【Conclusion】Continuous flooding decrease Cd uptake by decreasing soil available Cd content and down-regulating Cd uptake genes expression ofandin rice.

rice; cadmium; transport protein; iron; manganese

2016-12-16；接受日期：2017-03-23

國家自然科學(xué)基金（31571616）、國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201403015）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院協(xié)同創(chuàng)新工程項(xiàng)目（CAAS-XTCX2016018）、湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院早稻低鎘新品種選育、綠色性狀基因聚合與種質(zhì)創(chuàng)新（2014AA10A603）

陳江民，Tel：0571-63372691；E-mail：343965743@qq.com。楊永杰，Tel：0571-63372691；E-mail：yangyongjie@caas.cn。陳江民和楊永杰為同等貢獻(xiàn)作者。通信作者王建龍，Tel：0571-63370692；E-mail：wjl9678@126.com。通信作者邵國勝，Tel：0571-63370692；E-mail：shaoguosheng@caas.cn