我國水稻鎘污染防治研究進(jìn)展

王 君，祝 丹，周艷冰，蔣 羅，陳 兵

(1.四川省阿壩州岷江造林局，成都 都江堰 611830；2.四川省彭州市規(guī)劃和自然資源局，成都 彭州 611930；3.四川省廣元市利州區(qū)林業(yè)和園林局，四川 廣元 628000)

隨著工業(yè)三廢排放、礦產(chǎn)開采、以及農(nóng)藥、化肥的大量使用，導(dǎo)致部分土壤和水體的鎘含量劇增[1]，鎘污染已經(jīng)成為中國乃至世界農(nóng)田土壤最嚴(yán)重的污染問題之一。水稻是中國種植面積最大的糧食作物，也是中國重要的糧食來源，全國60%以上的人口以稻米為主食，而土壤中的有毒重金屬尤其是鎘經(jīng)水稻吸收，通過食物鏈而被人體吸收，不僅降低了其品質(zhì)和安全性，而且影響了消費(fèi)者的健康水平和稻米的銷售，對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅，過量的鎘在水稻的根、莖、葉以及籽粒中大量積累，不僅影響水稻產(chǎn)量、品質(zhì)及整個農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，并可通過食物鏈更嚴(yán)重地危及動物和人類的健康[1]。谷粒中會富集大量的鎘，人長期食用這種“鎘稻”會面臨慢性中毒的風(fēng)險[2]。

1 水稻對鎘脅迫的響應(yīng)研究

要實(shí)現(xiàn)對水稻鎘污染的治理就必須了解水稻對鎘元素的吸收、運(yùn)輸、分配和響應(yīng)規(guī)律以及機(jī)理，才能從根本上認(rèn)識水稻鎘脅迫的整個過程，以實(shí)現(xiàn)對水稻鎘污染的治理。

水稻響應(yīng)鎘脅迫的生理機(jī)制主要有耐性機(jī)制和抗性機(jī)制[3]。耐性機(jī)制能使水稻在高含量的重金屬環(huán)境中正常生長而不受傷害。水稻增強(qiáng)鎘脅迫耐性的機(jī)制主要有四個方面：一是限Cd吸收和向上轉(zhuǎn)運(yùn)。邵國勝等[4]研究表明，外部Cd2+濃度越高，根系吸收的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部的相對量就越小。這可能是水稻根細(xì)胞對Cd2+的排出功能。二是氧化脅迫防衛(wèi)。在重金屬脅迫下活性氧自由基能夠大量產(chǎn)生，水稻體內(nèi)多種抗氧化防衛(wèi)系統(tǒng)的存在可以清除氧自由基而保護(hù)水稻細(xì)胞不會受到傷害。在受重金屬脅迫時，水稻一般通過復(fù)雜的抗氧化系統(tǒng)來清除氧自由基，從而避免細(xì)胞受到傷害。三是絡(luò)合解毒機(jī)制。四是非生理活動區(qū)對Cd的固定化和隔離化。區(qū)室被認(rèn)為是一種降解鎘毒的有效途徑，它是通過把Cd2+運(yùn)輸?shù)酱x不活躍的器官或者亞細(xì)胞區(qū)域來實(shí)現(xiàn)解毒的目的[8-11]。植物細(xì)胞壁是鎘進(jìn)入細(xì)胞的第一道屏障，鎘沉淀在細(xì)胞壁上可以阻止更多的重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞原生質(zhì)體而使其免受傷害，從而保護(hù)植物細(xì)胞免受重金屬鎘的傷害[12]。肖清鐵[13]運(yùn)用蛋白質(zhì)組學(xué)及生化技術(shù)分析了水稻對鎘脅迫的生理響應(yīng)發(fā)現(xiàn)：在低濃度時，通過各處理對水稻的生長無顯著的影響，當(dāng)逐步提高處理濃度時，水稻植物的含鎘量隨處理溶液的濃度提高而增大。鎘脅迫改變水稻對鈣和鐵的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，抑制了水稻生長。

2 水稻對鎘脅迫的耐性研究

2.1 水稻耐Cd的生理生化研究

水稻能夠限制鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，植物體內(nèi)Cd積累量與其耐性有一定關(guān)系，水稻通過限制對重金屬的吸收，降低體內(nèi)的重金屬濃度。Chardonnens等[14]觀察到，在Cd2+耐性生態(tài)型的葉片中，Cd2+濃度低于敏感生態(tài)型，可能的機(jī)制是耐性生態(tài)型通過限制Cd2+的吸收而解毒。此外，還有研究表明，水稻根細(xì)胞具有排出Cd2+的功能，這一避免吸收和排出Cd2+的機(jī)制還需進(jìn)一步研究。楊居榮等[15]發(fā)現(xiàn)，在某些耐性作物體內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合鎘量的比例低于非耐性作物。趙步洪[16]等發(fā)現(xiàn)，水稻植株不同器官Cd的濃度和累積量的大小順序?yàn)楦?莖鞘>葉片。邵國勝[4]等研究表明，外部Cd水平越高，根系吸收的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部的相對量越小。這都有可能是由于水稻根細(xì)胞具有排出Cd的功能。

研究發(fā)現(xiàn)，輕度鎘脅迫有利于提高水稻葉片的SOD活性，但高濃度Cd脅迫對水稻葉片的SOD活性有抑制作用；葉片SOD活性與植株Cd含量呈負(fù)相關(guān)，MDA含量與植株Cd含量呈正相關(guān)。何俊瑜[17]等的研究則進(jìn)一步表明：隨著鎘濃度的提高，SOD和POD活性均表現(xiàn)為先上升后下降，但SOD活性的變化更明顯；CAT活性則呈一直下降的趨勢。另外，在水稻生育過程中，SOD活性分蘗期>乳熟期>齊穗期；MDA含量隨生育期一直增加。這些研究都說明，在一定濃度的鎘脅迫下，水稻具有一定的抵御能力，但該能力是有限的，當(dāng)鎘濃度超過該限度時，水稻就會受到傷害。

2.2 水稻耐Cd的分子生物學(xué)研究

研究水稻Cd脅迫的生長發(fā)育變化及其耐Cd的機(jī)制，最終要深入到分子水平，即研究水稻基因調(diào)控、表達(dá)與其耐Cd能力的關(guān)系。植物對重金屬脅迫的響應(yīng)依賴于細(xì)胞內(nèi)復(fù)雜的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，該通路始于對環(huán)境中重金屬存在的感知然后集中于金屬響應(yīng)基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。對于金屬誘導(dǎo)產(chǎn)生進(jìn)行信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的分子化合物的了解還不多，且近年來的差異表達(dá)分析才使得響應(yīng)重金屬脅迫的轉(zhuǎn)錄因子(TFs)的鑒定成為可能。

目前，運(yùn)用分子生物學(xué)方法來鑒定與水稻耐Cd性相關(guān)的基因研究較少，該研究組正通過蛋白質(zhì)組學(xué)方法來分離與水稻耐Cd相關(guān)蛋白，以期對水稻耐Cd的分子機(jī)制有所了解。在其他植物中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些與Cd耐性相關(guān)的基因[18]。

2.3 水稻耐Cd的遺傳機(jī)理研究

隨著計算技術(shù)的迅猛發(fā)展和分子標(biāo)記的普遍應(yīng)用，對數(shù)量性狀的遺傳剖析能力也在逐漸加強(qiáng)，認(rèn)識也在逐步深入，QTLs是近年來發(fā)展起來的對鑒定復(fù)雜表形性狀有貢獻(xiàn)基因的數(shù)量、位置及影響大小非常有效的一種方法，是理解復(fù)雜表形下分子遺傳機(jī)制的第一步。對Cd處理下水稻生長性狀的分析研究發(fā)現(xiàn)，水稻鎘耐性為多基因控制的數(shù)量性狀[18]，可對其進(jìn)行數(shù)量性狀基因座位(QTLs)定位。

目前，對水稻多種金屬離子脅迫的QTLs定位已經(jīng)取得了很大的成果，如Al、Fe、Se、Mn等。但對于水稻鎘脅迫的QTLs分析研究還不多見，這可能是由于Cd是毒性較強(qiáng)的重金屬，不宜在大田條件下實(shí)驗(yàn)，以及耐Cd表型的多樣性帶來的種質(zhì)資源篩選的復(fù)雜性。林輝鋒[19]等進(jìn)行了水稻苗期耐Cd脅迫的QTL定位分析，考察了葉綠素含量、根長、株高、葉長等4個性狀，并轉(zhuǎn)換成抗性指數(shù)，用于評價水稻對Cd污染的抗性指標(biāo)。薛大偉[19]等也對水稻苗期的6個生長性狀(葉綠素含量、根長、株高、地上部分干重、根干重、總干重)、其抗性指數(shù)、地上部分和根中的Cd積累量進(jìn)行了QTL定位分析，共發(fā)現(xiàn)了包括10條染色體在內(nèi)的32個QTLs，從遺傳學(xué)水平上剖析了水稻Cd耐性和積累是個由多基因控制的數(shù)量遺傳性狀，為后期通過遺傳和分子生物學(xué)手段來篩選控制水稻Cd耐性和吸收的基因，進(jìn)而選育水稻低積累Cd品種的工作提供了理論基礎(chǔ)。但在目前的QTLs定位研究中，不同研究小組對同種材料同一性狀的研究結(jié)果往往存在著較大的差異，說明QTLs定位結(jié)果可能還受到時間和空間等其它因素的影響[1]。

3 鎘脅迫對水稻生長和營養(yǎng)代謝的影響

3.1 Cd對水稻生產(chǎn)發(fā)育的影響

Cd抑制水稻生長主要是通過抑制細(xì)胞正常分裂和伸長來實(shí)現(xiàn)的，Cd能夠延長細(xì)胞分裂周期，導(dǎo)致細(xì)胞分裂間期延長，分裂期縮短，高濃度的Cd處理還能夠降低細(xì)胞分裂指數(shù)。Moral[20]等研究表明，Cd是對細(xì)胞分裂的影響可能是通過影響紡錘絲微管蛋白的組裝與拆卸而實(shí)現(xiàn)的。

鎘脅迫能抑制水稻種子萌發(fā)，其影響主要表現(xiàn)在活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽率上。實(shí)驗(yàn)表明，高濃度的Cd抑制水稻種子的正常萌發(fā)，但低濃度Cd最主要的傷害是影響萌發(fā)后幼苗的活力，而且隨著Cd濃度的增加，萌發(fā)后幼苗的活力降低更為明顯[21]。同時，鎘脅迫抑制種子有氧呼吸，從而使根生長受阻，出現(xiàn)只長弱芽、不長根的現(xiàn)象。研究[4]發(fā)現(xiàn)，低濃度的Cd，如0.1mol/L時，對植株生長有輕微的促進(jìn)作用，但較高濃度的Cd脅迫，首先會引起根的損傷，主要表現(xiàn)在抑制根的伸長，使根彎曲，并減少根數(shù)；隨著Cd濃度的提高，這種抑制作用逐漸增強(qiáng)。這是由于植物根系與Cd最先接觸，且多數(shù)植物體內(nèi)的Cd也主要富集在根部[22]。另外，Cd還能破壞生物膜的結(jié)構(gòu)，最終使水稻根生長受阻[23]。

Cd脅迫明顯抑制水稻幼苗的生長。通過研究不同濃度Cd(0～10.0mg/L)對水稻幼苗生長及生理特性的影響發(fā)現(xiàn)，Cd使水稻生長遲緩、幼苗矮化、降低株高，同時葉片干重降低，苗鮮重減少，葉片變黃并出現(xiàn)壞死斑，且隨Cd濃度增加，毒害加重[24]。

在一定濃度下，鎘脅迫對水稻的吸收N、P等無顯著影響。水稻在環(huán)境脅迫條件下，植株為了生長不得不更加高效的利用有限的資源維持其穩(wěn)定生長，但較高濃度鎘處理明顯抑制了植物的生物量生產(chǎn)，以及C、N和P的積累，顯著改變了生物量及其C、N和P積累量的分配格局，影響了植物N和P的利用效率，但相對較低濃度的鎘處理對其并無顯著影響[25]。

3.2 Cd對水稻營養(yǎng)吸收和水分平衡的影響

鎘脅迫不僅能夠干擾水稻對大量和微量元素的吸收，還能夠影響水稻對水分的吸收和平衡[30]。Cd能夠通過影響水稻細(xì)胞膜的通透性和細(xì)胞壁的彈性來降低水稻細(xì)胞含水量。大量報道顯示，Cd毒害能夠顯著干擾水稻體內(nèi)水分平衡[26]。鎘脅迫導(dǎo)致水稻木質(zhì)部細(xì)胞退化，減少水分向地上部分的運(yùn)輸，同時鎘脅迫導(dǎo)致水稻的根系減少，無法吸收更多的水分和營養(yǎng)物質(zhì)，從而導(dǎo)致植物萎蔫，甚至導(dǎo)致整株植物死亡。

4 水稻鎘脅迫的生理生化研究

4.1 鎘脅迫對水稻酶活性的影響

據(jù)陳平[27]等的研究，鎘濃度在0～10mg/L范圍內(nèi)，水稻葉片的膜脂過氧化產(chǎn)物和過氧化物酶活性隨鎘濃度增加而增加，而超氧化物岐化酶活性和過氧化氫酶活性隨降低鎘濃度增加而降低。施農(nóng)農(nóng)[28]等提出以淀粉酶和酸性磷酸酯酶作為鑒定水稻受重金屬脅迫程度的酶學(xué)生理指標(biāo)。水稻由于受到鎘脅迫導(dǎo)致地上部分硝酸還原酶活性降低，減少水稻對硝酸鹽的吸收以及想地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，鎘脅迫還能減少根系中氮的固定和氨基酸的吸收，從而導(dǎo)致水稻對氮的吸收量減少，阻礙水稻體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，在抑制水稻體內(nèi)蛋白質(zhì)合成的同時，鎘脅迫還會合成一些特殊的蛋白質(zhì)，如抗氧化酶類、逆境蛋白類、金屬硫蛋白(MTs)類和水稻鰲合膚(PCs)類。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是水稻體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)中最重要的3種酶類，可以清除過量的自由基，減少膜質(zhì)過氧化，使其適應(yīng)重金屬的脅迫此外，鎘還會抑制水稻體內(nèi)固氮酶、脫氫酶、水解酶、轉(zhuǎn)移酶等多種酶類的活性。Cd可能是直接取代這些酶的活性中心金屬元素或與酶蛋白的半胱氨酸殘基結(jié)合，導(dǎo)致蛋白大分子構(gòu)象發(fā)生改變，抑制了酶活性及功能，進(jìn)而影響水稻的生理生化代謝，造成細(xì)胞功能紊亂，嚴(yán)重時會引起細(xì)胞的死亡[28]。

4.2 鎘離子脅迫對水稻光合作用和葉綠素的影響

鎘脅迫對水稻的光合作用和葉綠素也有不同程度的影響。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素之一，PAGLIANO[29]等發(fā)現(xiàn)鎘脅迫下，葉綠素(a，b)減少，類囊體中的葉肉細(xì)胞明顯減少，葉片氧呼出效率降低，光合作用Ⅱ系統(tǒng)被鈍化等。對水稻進(jìn)行不同濃度的處理，當(dāng)土壤中的鎘濃度達(dá)到一定含量時，水稻便表現(xiàn)出葉片失綠，出現(xiàn)黃褐色斑點(diǎn)，嚴(yán)重影響植株的光合作用。同時，陳平[27]等認(rèn)為，鎘毒害使水稻吸收的元素減少，阻礙葉綠素形成及其含量增加，導(dǎo)致葉綠素含量下降，最終嚴(yán)重影響植物光合作用的正常進(jìn)行。王琴兒[30]等用不同濃度的鎘溶液進(jìn)行不同品種水稻水培實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，光合作用強(qiáng)度隨鎘濃度的增加而降低，并且不同品種的水稻對鎘脅迫表現(xiàn)出不同的抗性，水稻幼苗葉片光合指標(biāo)下降。眾多實(shí)驗(yàn)證明，水稻在鎘脅迫條件下其葉綠素以及光合作用都受到明顯的一直，脅迫效應(yīng)與濃度成正相關(guān)。

Cd對水稻光合組織的傷害主要表現(xiàn)為降低水稻葉片葉綠素含量，導(dǎo)致葉綠素a/b比值改變，使葉片失綠，變薄，面積變??；降低葉片中蛋白質(zhì)含量，增強(qiáng)水解酶的活性，加速葉片衰老，縮短了葉片的功能期。同時，Cd還會導(dǎo)致氣孔水分的喪失，開度減少甚至關(guān)閉，CO2無法進(jìn)入，固碳過程受阻，進(jìn)而降低了光合速率。楊丹慧[31]等研究表明，進(jìn)入葉綠體內(nèi)的Cd會沉積在類囊體上，與酶活性中心或蛋白質(zhì)中的硫基相結(jié)合，直接取代這些酶活性中心的必需元素如Fe2+、Zn2+、Mg2+等，導(dǎo)致生物大分子構(gòu)象的改變或必需元素的缺乏，抑制葉綠素酸酷還原酶活性，引起水稻葉肉細(xì)胞中葉綠素含量的下降。此外，也有研究指出，Cd是通過破壞水稻體內(nèi)自由基清除系統(tǒng)，導(dǎo)致葉綠體膜脂過氧化，從而導(dǎo)致葉綠素降解。破壞葉綠體內(nèi)部的酶系統(tǒng)，使得葉綠體基粒的減少，導(dǎo)致光能捕獲能力大大降低，進(jìn)而影響到植株的光合作用。Cd還會抑制二磷酸核酮糖羧化酶的活性，從而影響二氧化碳的固定；另一方面Cd還會抑制PSⅡ的電子傳遞和光合磷酸化，進(jìn)而影響ATP的形成，光合呼吸鏈?zhǔn)茏?，光合作用受到抑制?/p>

5 水稻鎘脅迫品種間差異研究

不同作物對鎘的吸收、分配和積累效應(yīng)不同，水稻屬于易吸收鎘植物，大量研究表明，水稻的鎘吸收能力因品種而異[5]。李正文[5]等通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)57個水稻品種的籽實(shí)對同一土壤中的鎘積累有顯著的差異，秈型水稻吸收能力高于其他類型的品種。

不同的水稻品種，在相同的條件處理下，由于其外部的形態(tài)以及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的不同，吸收鎘的生理生化機(jī)制的差異，而導(dǎo)致起鎘的累積量的不同。李坤權(quán)[32]等認(rèn)為，水稻基因型間吸收、累積鎘的能力存在明顯差異，不同基因型水稻植株和籽粒的含鎘量可相差數(shù)倍。王凱榮[23]等認(rèn)為，從減產(chǎn)效應(yīng)和稻米品質(zhì)來看，雜交水稻對鎘脅迫比常規(guī)水稻更加敏感，同時雜交晚稻比常規(guī)稻對Pb、Cd的富集能力強(qiáng)。吳啟堂[33]等通過盆栽和水培試驗(yàn)研究水稻的主要品種對Cd吸收累積的差異和引起差異，也得到類似的結(jié)果，供試的20多個品種生長在同一污染土壤上，雜交稻，產(chǎn)量較高，但糙米Cd含量也較高；優(yōu)質(zhì)稻糙米重金屬含量較低；常規(guī)稻則變幅較大，作物品種間差異可達(dá)1倍以上，由此認(rèn)為高產(chǎn)品種重金屬含量高，低產(chǎn)品種重金屬含量低，給高產(chǎn)品種的育種提出了很大的挑戰(zhàn)。

水稻不同器官對鎘的吸收能力也存在很大差異，其中以根吸收富集鎘的能力最強(qiáng)，一般以根>莖葉>籽粒的順序遞減[34-35]。李花粉[36]等和劉敏超[37]等的研究表明，不同水稻品種鎘在根和地上部的分布和轉(zhuǎn)移情況不同。此外，水稻鎘吸收能力還受土壤酸度、水分、蒸騰速率等因子影響[38]。

6 展望

目前我國水稻鎘脅迫的研究已取得巨大進(jìn)展，但仍然有很多尚不清楚的領(lǐng)域，比如鎘從水稻根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)、向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)等，隨著現(xiàn)代分子生物技術(shù)、以及同位素示蹤方法的成熟，將加快重金屬遷移轉(zhuǎn)化和機(jī)理的研究等相關(guān)研究技術(shù)的發(fā)展，將研究進(jìn)一步深入到分子水平，有助于更直觀、準(zhǔn)確地分析鎘對水稻的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和毒害機(jī)理，這些技術(shù)都有望為水稻鎘脅迫的防治提供理論基礎(chǔ)和解決方案。