不同鎘積累型水稻品種苗期鎘積累及轉(zhuǎn)運(yùn)變化特征

鄧偉 張玉燭 敖和軍 方寶華 劉洋 李強(qiáng)

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2湖南省水稻研究所，長(zhǎng)沙410125；3國(guó)家雜交水稻工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙410125；*通訊作者：yuzhuzhang＠hotmail．com；aohejun＠126．com）

鎘（Cd）是生物毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，被國(guó)際癌癥研究協(xié)會(huì)列為IA級(jí)致癌物，在聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署提出的12種具有全球性意義的危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)中位居榜首[1]。水稻作為我國(guó)最重要的口糧作物，近年來遭受Cd等重金屬污染的嚴(yán)重威脅。鎘污染嚴(yán)重影響水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量、品質(zhì)形成，并且通過鎘含量超標(biāo)大米進(jìn)入食物鏈，危害人體健康。因此，阻止鎘進(jìn)入水稻體內(nèi)，控制稻米鎘積累成為當(dāng)前保障我國(guó)糧食和食品安全的重要內(nèi)容。研究表明，鎘主要以離子形式通過根系吸收進(jìn)入水稻中，一部分進(jìn)入木質(zhì)部并隨蒸騰流向上分配到莖葉中，另外一部分再通過韌皮部進(jìn)入穗部和籽粒中并積累于此，從而使得稻米中含有重金屬鎘[2]。因此，根系吸收、木質(zhì)部裝載和韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)是決定稻米鎘含量的三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)[3－4]，也成為了稻米鎘污染防治的研究重點(diǎn)。

離子吸收動(dòng)力學(xué)及其參數(shù)的提出在對(duì)植物礦質(zhì)元素的代謝研究和描述中具有重要作用。植物離子吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以定量地描述根系吸收離子的效率，表現(xiàn)根系對(duì)礦質(zhì)元素離子的吸收特征，以及建立數(shù)學(xué)模型來描述離子遷移轉(zhuǎn)運(yùn)，并為預(yù)測(cè)植物對(duì)離子的吸收提供依據(jù)[3]。20世紀(jì)50年代，Epstein等[4]首次發(fā)現(xiàn)Michaelis－Menten酶動(dòng)力學(xué)方程（米氏方程）可以適用于大麥根系的離子吸收過程。近年來，眾多研究也發(fā)現(xiàn)，水稻、玉米、油菜、生菜和煙草等作物吸收鎘離子的過程也符合米氏方程，而且不同作物或同一作物不同品種間的最大吸收速率和米氏常數(shù)也存在較大差異[5－9]。水稻是鎘富集能力最強(qiáng)的大宗農(nóng)作物，在一定的時(shí)間和鎘濃度范圍內(nèi)，其在不同鎘濃度梯度或時(shí)間威脅下對(duì)鎘的吸收均可用動(dòng)力學(xué)曲線來描述。何俊瑜等[10]利用同位素示蹤技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，鎘敏感型水稻品種及其突變體幼苗根系鎘積累的濃度動(dòng)力學(xué)特征也符合米氏方程，在短時(shí)間（210 min）和長(zhǎng)時(shí)間（96 h）內(nèi)的鎘積累量變化均是一條飽和曲線，并且發(fā)現(xiàn)Cd在兩類水稻幼苗中的吸收和分配具有很大差異。王龍等[5]在對(duì)19份水稻核心種質(zhì)和5份水稻品種的幼苗鎘離子吸收動(dòng)力學(xué)特性的研究中發(fā)現(xiàn)，不同基因型水稻幼苗根系和地上部分的鎘離子吸收動(dòng)力學(xué)特征均符合米氏方程，兩者對(duì)鎘離子的吸收存在不同的阻控機(jī)制，鎘離子吸收特性和轉(zhuǎn)運(yùn)效率在基因型間存在著豐富的遺傳多樣性。

眾多研究發(fā)現(xiàn)，水稻對(duì)鎘的吸收主要集中在苗期，對(duì)水稻鎘積累進(jìn)行阻抑調(diào)控的措施也主要針對(duì)這一時(shí)期[11]。此外，低鎘積累品種的選育和研究是降低稻米鎘積累最有效的措施。但是，目前關(guān)于不同鎘積累型水稻品種在苗期的鎘吸收積累動(dòng)力學(xué)特征的比較研究尚未有報(bào)道。因此，本文采用4個(gè)不同鎘積累型水稻品種作為供試材料，通過水培試驗(yàn)重點(diǎn)研究水稻苗期鎘在植株體內(nèi)的積累轉(zhuǎn)運(yùn)分配差異及其時(shí)間動(dòng)力學(xué)特征，以期探明水稻對(duì)鎘的吸收積累差異機(jī)制，為篩選低吸收、低轉(zhuǎn)運(yùn)，適合大面積推廣的品種提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)，從而促進(jìn)我國(guó)稻米安全生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種為湖南省農(nóng)科院多年研究篩選出的不同鎘積累型晚稻品種，其中，高鎘積累品種2個(gè)：玉針香（A1）和天優(yōu)華占（A2）；低鎘積累品種 2個(gè)：湘晚秈 12號(hào)（B1）和金優(yōu) 59（B2）。

1.2 試驗(yàn)方法

1．2．1 材料培養(yǎng)

于2017年3－6月在湖南省水稻研究所溫室內(nèi)通過水培試驗(yàn)完成。水稻種子用10%的強(qiáng)氯精溶液消毒后用清水沖洗干凈并置于30℃培養(yǎng)箱中催芽，破胸后播種到無鎘污染的秧田中。長(zhǎng)至3葉1心期時(shí)選擇均勻一致的秧苗洗凈移栽到不含鎘的水培溶液中，培養(yǎng)至苗期（5葉1心期）時(shí)將無鎘營(yíng)養(yǎng)液替換為鎘含量為0．05 mmol/L（5．621 mg/L）的含鎘營(yíng)養(yǎng)液，開始進(jìn)行鎘吸收時(shí)間動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)。水培盆長(zhǎng)66 cm、寬41 cm、高16 cm，裝有營(yíng)養(yǎng)液10 L，每盆種4個(gè)品種（4行），每個(gè)品種6叢。水培營(yíng)養(yǎng)液參照國(guó)際水稻研究所（IRRI）推薦的配方制備，Cd溶液由優(yōu)級(jí)純的CdCl2·2．5H2O配制而成，營(yíng)養(yǎng)液pH值用1．0 mol/L的NaOH和HCl溶液調(diào)節(jié)至 5．0～5．5，每 2 d 調(diào) 1 次，營(yíng)養(yǎng)液每 5～7 d 換 1 次。

1．2．2 鎘吸收時(shí)間動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)

鎘吸收時(shí)間動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)置11個(gè)時(shí)間段：即分別在鎘脅迫 0．5、1、1．5、2、4、8、16、24、36、48 和 72 h 后取水稻植株和營(yíng)養(yǎng)液樣品，檢測(cè)根、莖葉和營(yíng)養(yǎng)液中的鎘含量，每個(gè)處理3次重復(fù)。植株取樣后用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗2遍并用濾紙吸干水分。接著將根和莖葉（地上部）分離，根使用20 mmol/L的Na2－EDTA溶液浸泡15 min除去表面吸附的鎘離子，然后用去離子水沖洗干凈，濾紙吸干水分后裝入信封置于烘箱中105℃殺青30 min，再80℃烘干至恒質(zhì)量，稱量干物質(zhì)量后使用萬能粉碎機(jī)將樣品粉碎，用于消化檢測(cè)根和莖葉中的鎘含量。

1.3 取樣方案及計(jì)算方法

1．3．1 測(cè)定指標(biāo)及方法

1．3．1．1 干物質(zhì)量 水稻苗期，取植株根系及地上部分烘干至恒質(zhì)量后稱重。

1．3．1．2 根和莖葉鎘含量 樣品用不銹鋼植物樣品粉碎機(jī)磨碎后，采用濃硝酸－高氯酸（V∶V=4∶1）混合液消化后使用ICP－MS測(cè)定根和莖葉的鎘含量[12]。

1．3．1．3 鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率 單位時(shí)間內(nèi)地上部鎘積累量與根系干質(zhì)量的比值，可以用來反映鎘從地下部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的快慢及運(yùn)輸能力[13]。

1．3．2 時(shí)間動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)擬定

本研究采用Epstein等[4]發(fā)現(xiàn)的Michaelis－Menten動(dòng)力學(xué)方程來描述植物器官對(duì)鎘離子的吸收過程，公式如下：

式中，I為植物器官吸收離子的累積量（μg），Imax為植物器官吸收離子的最大累積量（μg），反應(yīng)了器官對(duì)離子吸收的內(nèi)在潛力，其值越大，則對(duì)離子吸收的潛力越大；T為試驗(yàn)鎘脅迫時(shí)間；Km為米氏常數(shù)（h），即離子吸收累積量達(dá)到最大累積量1/2時(shí)的試驗(yàn)時(shí)間，表示對(duì)離子的親和力，Km值越小，則說明植株器官對(duì)離子的親和力越大；α為植株器官對(duì)離子的實(shí)際吸收能力，α值越大，表示植株器官對(duì)鎘的吸收能力則越強(qiáng)[9]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2011和SPSS 17．0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用Excel 2011和Sigmaplot 12制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻品種分蘗期根系及地上部分鎘積累量時(shí)間差異

由圖1可知，苗期不同鎘積累型水稻品種的根系和地上部分鎘吸收時(shí)間（72 h內(nèi)）動(dòng)力學(xué)過程均符合米氏方程。4個(gè)品種苗期的根系鎘積累量在72 h內(nèi)的變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為一條飽和曲線（R2為 0．82～0．96，圖 1－a），品種A1和B2表現(xiàn)為鎘脅迫開始8 h內(nèi)迅速上升，8～36 h內(nèi)鎘累積速率變緩，36 h后鎘積累量趨于飽和。高鎘積累品種A2的根系鎘積累量在72 h內(nèi)小于A1和B1，并未達(dá)到飽和狀態(tài)，呈現(xiàn)出快速增加趨勢(shì)。低鎘積累品種B1在8 h后鎘積累量即趨于飽和狀態(tài)。鎘脅迫72 h之后低鎘積累品種B1鎘積累量顯著低于品種A1、A2 和 B2，分別低 89．0%、82．7%和 82．6%。4 個(gè)品種苗期地上部鎘積累量在72 h內(nèi)的變化趨勢(shì)也表現(xiàn)為一條飽和曲線（R2為 0．88～0．99，圖 1－b），即鎘脅迫 16 h內(nèi)各品種鎘累積量呈現(xiàn)出快速增加趨勢(shì)，16～36 h呈緩慢增加趨勢(shì)，之后趨于平穩(wěn)，其中高鎘積累品種A2在10 h內(nèi)的地上部鎘積累量小于低鎘積累品種B2。水稻根莖葉整體鎘累積量隨著鎘脅迫時(shí)間的變化趨勢(shì)與根系相似（圖1－c），鎘脅迫72 h之后各品種鎘累積量表現(xiàn)為 A1＞ B2＞ A2＞ B1，差異顯著（P＜0．05）。

圖1 不同品種水稻苗期根系及地上部分鎘吸收積累量差異比較

表1 不同品種水稻苗期對(duì)鎘的時(shí)間動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.2 不同水稻品種分蘗期根系及地上部分鎘吸收時(shí)間動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征

用Michaelis－Menten動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行擬合得到的根系、地上部分及整體植株鎘吸收時(shí)間動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表1。根系鎘吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)中Imax和Km值都表現(xiàn)為A1＞A2＞B1＞B2，說明高鎘積累品種的根系鎘吸收潛力和鎘離子親和力都大于低鎘積累品種，其中高鎘積累品種中玉針香大于天優(yōu)華占，低鎘積累品種湘晚秈12號(hào)大于金優(yōu)59。綜合分析Imax和Km值，各品種的α值表現(xiàn)為A2＞A1＞B2＞B1，說明在分蘗期，低鎘積累品種湘晚秈12號(hào)對(duì)鎘的實(shí)際吸收能力較低，而高鎘積累品種天優(yōu)華占在苗期后鎘吸收潛力較大。水稻苗期鎘脅迫的72 h內(nèi)，地上部分鎘吸收動(dòng)力學(xué)參數(shù)中I－max大小表現(xiàn)為 A1＞A2＞ B2＞B1，Km 大小則表現(xiàn)為A2＞A1＞B2＞B1，α 值表現(xiàn)為 A1 ＞B2＞ A2＞ B1，表明高鎘積累品種玉針香將鎘從根系轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部的能力要強(qiáng)于低鎘積累品種湘晚秈12號(hào)和金優(yōu)59，而高鎘積累品種天優(yōu)華占在分蘗初期鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較低。整體而言，不同鎘積累型水稻品種α值表現(xiàn)出與地上部分相似的規(guī)律，即A1＞B2＞A2＞B1，低鎘積累品種湘晚秈12號(hào)的鎘吸收效率最低，有利于實(shí)際種植推廣。

2.3 不同水稻品種苗期不同時(shí)段鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率差異

鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率是單位時(shí)間內(nèi)地上部鎘積累量與根系干質(zhì)量的比值，可以用來反映鎘從地下部向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的快慢及運(yùn)輸能力。表2顯示了不同水稻品種苗前期根系不同時(shí)間段向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)速率。從表2可以看出，苗期不同時(shí)間段Cd脅迫處理下，品種A1、A2、B1 和 B2 的轉(zhuǎn)運(yùn)速率分別介于 0．24～2．51、0．27～3．30、0．17～2．94和0．22～1．73 mg/（kg·h）之間，整體而言，低鎘積累品種鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率顯著低于高鎘積累品種，即低鎘積累品種根部吸收的Cd向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的能力較低，不利于鎘的吸收和轉(zhuǎn)化。同一水稻品種，鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)呈顯著下降趨勢(shì)，下降速率由低到高依次表現(xiàn)為B2＜A1＜A2＜B1。鎘脅迫72 h后，各品種轉(zhuǎn)運(yùn)速率達(dá)到最低，數(shù)值介于0．17～0．27 mg/（kg·h）之間，B1品種鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率顯著低于A1、A2和B2，分別低29%、37%和 23%，差異顯著（P<0.05）。

圖2 地上部鎘含量、根部鎘含量以及鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率的相關(guān)性

表2 不同水稻品種苗期不同時(shí)間段對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)速率影響

2.4 水稻苗期鎘含量與鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率的相關(guān)性分析

圖2顯示了根系鎘含量、地上部鎘含量及根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)速率三者之間的相互關(guān)系。通過關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，不同水稻品種根系鎘含量、地上部鎘含量及根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)速率三者之間均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為 0.70、0.76、0.84（圖 2）。其中，地上部分鎘含量與鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率的相關(guān)系數(shù)大于根系鎘含量與鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率的相關(guān)系數(shù)，說明吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)速率一般是成正比的，因此篩選低吸收、低轉(zhuǎn)運(yùn)的品種具有可行性。

3 討論與結(jié)論

同種植物不同品種對(duì)同一金屬元素的吸收特性是不同的，其時(shí)間動(dòng)力學(xué)參數(shù)也不盡相同。因此，時(shí)間動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)常用來研究同種植物不同基因型（生態(tài)型）對(duì)鎘的吸收特征，以期揭示此類植物根系對(duì)鎘的吸收機(jī)理[14]。本研究分析了不同鎘積累型水稻品種在苗期鎘吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間動(dòng)力學(xué)特征。研究指出，對(duì)于高鎘積累品種而言，玉針香苗期根系的鎘積累量在鎘脅迫的早期（脅迫開始后4 h和36 h內(nèi)）便已大于2個(gè)低鎘積累品種，且36 h后的差異不斷增大。而天優(yōu)華占的根及地上部分鎘積累量卻在脅迫后的72 h左右才開始接近低鎘積累品種金優(yōu)59，但未達(dá)到飽和狀態(tài)，72 h后的差異不斷增大。因此，高鎘積累品種可能表現(xiàn)為積累速率快，如玉針香，也有可能表現(xiàn)為積累時(shí)間長(zhǎng)，如天優(yōu)華占，低鎘積累品種也可分為積累速率慢型和積累時(shí)間短型兩類，歸納起來即可分為速率型（鎘積累速率對(duì)鎘積累總量起主導(dǎo)作用）、時(shí)間型（鎘積累時(shí)間對(duì)鎘積累總量起主導(dǎo)作用）和兼顧型三種。

鎘從根部向莖部的運(yùn)輸以及在地上部的積累是個(gè)比較復(fù)雜的過程，本研究發(fā)現(xiàn)，高低鎘積累品種苗期72 h內(nèi)的根和地上部的鎘積累曲線均表現(xiàn)為一條飽和曲線，即開始是快速過程，后期過程稍慢，呈曲線特征變化[15]。原因可能在于開始階段重金屬與根細(xì)胞壁結(jié)合，可被其他離子交換，同時(shí)大量的反應(yīng)載體蛋白也有利于重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)能力的提高[16]。也有部分學(xué)者指出，水稻鎘積累過程可能呈現(xiàn)出“不同生長(zhǎng)階段非等階梯度式增加”模式，即從苗期到成熟期水稻植株或器官中的鎘積累量總體表現(xiàn)為不斷增加的趨勢(shì)，但是并非勻速增加，而是呈非等階梯度式增加，其全生育期即各個(gè)生長(zhǎng)階段都可以看成是由很多個(gè)大小不同的飽和曲線疊加而成，每個(gè)階梯（飽和曲線）都包括一個(gè)上升期和平穩(wěn)期，且每個(gè)上升期的長(zhǎng)短、上升幅度以及平穩(wěn)期的長(zhǎng)短各不相同。

本研究只對(duì)不同鎘積累型水稻品種苗期的鎘吸收積累及轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了探討，在今后的研究中需要進(jìn)一步探討水稻完整生育期內(nèi)鎘吸收時(shí)間動(dòng)力學(xué)特征。不同基因型品種鎘轉(zhuǎn)運(yùn)速率也存在顯著差異。本研究表明，苗期鎘脅迫72 h后，Cd低積累品種湘晚秈12號(hào)根部向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)速率較高積累品種玉針香低，這可能與不同水稻品種根系對(duì)鎘的親和力以及鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)酶的特性等有關(guān)。湘晚秈12號(hào)根系對(duì)鎘的滯留作用較強(qiáng)，吸收的Cd大部分保留在根系中，未向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，而鎘高積累品種玉針香與之相反，這可能是造成玉針香和湘晚秈12號(hào)鎘積累差異的主要原因之一。