Zn對水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的影響

陳仕淼，辛子兵，陸覃昱，鄭富海，何 冰*

（1.廣西大學(xué)，廣西農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點實驗室，南寧 530005；2.廣西壯族自治區(qū)中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西喀斯特植物保育與恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點實驗室，廣西 桂林 541006；3.廣州市林業(yè)和園林科學(xué)研究院，廣州 510405）

鋅（Zn）是植物所需的必要元素，鎘（Cd）與Zn同族，具有相近的化學(xué)性質(zhì)。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，Zn可減少植物對Cd的吸收[1-4]，減輕Cd毒害進(jìn)而緩解農(nóng)作物減產(chǎn)[2，5-6]。Zn的加入可以有效抑制水稻Cd的吸收和向上運(yùn)輸[7]。施用100 mg·L-1納米ZnO，水稻穗和根中的Cd含量下降了30%和31%[8]。研究表明Zn可以顯著降低水稻根系中Cd含量，提高水稻地上部Cd含量，促進(jìn)Cd向上運(yùn)輸[9]。游離的Zn2+濃度在亞植物毒性水平（10-7.6至10-6.1）不會抑制水稻對Cd的吸收[10]。因此Zn對水稻Cd吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響機(jī)制尚不清楚。

植物對重金屬的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)過程包括質(zhì)外體途徑和共質(zhì)體途徑。水稻根系鐵膜以及細(xì)胞壁是阻隔質(zhì)外體中重金屬進(jìn)入共質(zhì)體的主要屏障。根表鐵膜增加了水稻對Zn的吸收[11]，水稻對Zn的吸收與水稻根系鐵膜厚度成正比，而水稻對Cd的吸收與根系鐵膜厚度成反比[12]。有研究指出，水稻根部致密的根表鐵膜阻遏了水稻對Cd的吸收，減輕了Cd對水稻幼苗的毒害[13-14]。水稻根系中有30%以上的Cd被細(xì)胞壁所阻隔，使Cd不能進(jìn)入細(xì)胞并向上轉(zhuǎn)運(yùn)[15-17]。細(xì)胞壁組分影響水稻對Cd和Zn的吸收，有研究認(rèn)為不同品種的油菜對Cd的吸收及耐性差異來源于細(xì)胞壁組分差異[18]。果膠是影響細(xì)胞壁對重金屬吸收的重要因素之一，有研究表明果膠促進(jìn)芹菜細(xì)胞壁對Cd的吸附[19]，也有研究表明，果膠抑制水稻對Zn的吸附，而半纖維素則促進(jìn)細(xì)胞壁吸收Zn[20]。Yang等[21]對擬南芥細(xì)胞壁組分的研究表明，半纖維素1（HC1）是擬南芥細(xì)胞壁組分中Al吸收的主要成分。Zhu等[22]研究表明，Cd2+固定在根細(xì)胞壁組分HC1中。Li等[23]對東南景天細(xì)胞壁組分的研究表明，高Cd條件下東南景天果膠和半纖維素2（HC2）含量顯著增加，但細(xì)胞壁中Cd含量卻顯著降低。Cd、Zn處理影響細(xì)胞壁組分，果膠與半纖維素在柳樹根細(xì)胞壁吸附Cd中發(fā)揮重要的作用[24]。Zn缺乏會導(dǎo)致甜茶細(xì)胞壁中果膠、HC1與HC2的下降[25]。Cd可誘導(dǎo)水稻品種日本晴細(xì)胞壁中果膠含量增加，使果膠甲酯酶活性提高[26]。綜上所述，水稻根表鐵膜和細(xì)胞壁對阻礙水稻吸收Cd和Zn具有重要作用。細(xì)胞壁中HC1能促進(jìn)重金屬在細(xì)胞壁中的積累，而果膠及HC2抑制細(xì)胞壁對重金屬的吸收。我們試圖分析Zn是否通過改變根表鐵膜和細(xì)胞壁成分從而影響Cd的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)，探究水稻中Zn與Cd的相互作用規(guī)律，為復(fù)合污染農(nóng)田中水稻生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)計

供試水稻品種為鹽兩優(yōu)888（水稻Cd高積累品種）。水稻種子采用常規(guī)方法播種催芽，待水稻幼苗生長至三葉一心時移栽至3 L塑料桶中，使用國際水稻營養(yǎng)液培養(yǎng)，營養(yǎng)液成分如表1。保持營養(yǎng)液pH 5.0，每3 d更換一次，待幼苗生長至四葉一心時進(jìn)行處理。實驗設(shè) CK（不添加 Cd、Zn）、Cd（5 μmol·L-1CdCl2）及 Cd+Zn（5 μmol·L-1CdCl2+30 μmol·L-1ZnCl2）3個處理，每個處理4次重復(fù)。每3 d處理1次，共處理3次，9 d后采樣。

表1 國際水稻研究所常規(guī)營養(yǎng)液成分[27]Table 1 International rice research institute conventional nutrient solution composition[27]

1.2 測定項目及方法

1.2.1 植株生物量及Cd、Zn含量分析

植株分地上部和根部兩部分，洗凈，20 mmol·L-1EDTA-Na2浸泡20 min，去離子水沖洗3次，擦干，105℃殺青30 min，65℃烘干至恒質(zhì)量，稱干質(zhì)量。取烘干的植物樣品，粉碎，過100目篩，準(zhǔn)確稱取0.300 g樣品，加入優(yōu)級純硝酸8 mL，微波消解法消解（Mars6 CEM，美國），原子吸收分光光度法測定Zn、Cd含量（PinAAcle 900T珀金埃爾默，美國）。金屬積累量的計算方式為：

Zn、Cd積累量（mg·plant-1，以干物質(zhì)計）=生物量（g·plant-1）×金屬含量（mg·kg-1）。

1.2.2 根表鐵膜提取及金屬含量測定

根表鐵膜的提取采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-碳酸氫鈉（DCB）法[28]，待測液用原子吸收分光光度法測定Fe、Mn、Cd、Zn含量，按照Taylor等[29]方法計算鐵膜厚度。

1.2.3 細(xì)胞壁組分提取、金屬含量測定及吸附解析特性分析

細(xì)胞壁提取參照唐劍鋒等[30]的方法，將提取細(xì)胞壁分成兩份：一份用于組分分析，細(xì)胞壁組分提取及測定參照Yang等[31]的方法，果膠、HC1和HC2中半乳糖醛酸含量的測定采用分光光度法；一份用于細(xì)胞壁對Cd和Zn的吸附解吸動力學(xué)分析，參照何冰[32]的方法。

細(xì)胞壁組分中半乳糖醛酸的測定方法為：取已提取的果膠、HC1和HC2待測液各1 mL，3組分別以三者的提取液1 mL作為空白對照進(jìn)行比色，加入5 mL四硼酸鈉/硫酸溶液，混勻，沸水浴20 min，冷卻至室溫，在520 nm比色。再加入100 μL 1.5 mg·mL-1間羥基聯(lián)苯溶液，混勻，5 min后520 nm再讀取一次，吸光度的增加量表示各組分中糖醛酸的含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0進(jìn)行單因素方差分析，Duncan法多重比較，使用Origin 9.0對細(xì)胞壁吸附解吸數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水稻幼苗生長的影響

如表2所示，單Cd處理及Cd+Zn處理顯著提高了水稻幼苗根部的生物量，與CK相比二者的增幅分別為27.22%和22.36%。地上部Cd+Zn處理顯著降低了水稻幼苗地上部生物量，而單Cd處理與CK沒有顯著差異。結(jié)果說明在供試范圍內(nèi)，單Cd處理顯著促進(jìn)水稻根系生長，但對地上部無影響；而Cd+Zn處理，顯著抑制地上部生長。

表2 水稻地上部及根部生物量（g·plant-1）Table 2 Shoot and root biomass of rice seedling（g·plant-1）

2.2 不同處理對水稻幼苗Cd、Zn含量的影響

各處理中，根部Cd含量均遠(yuǎn)高于地上部Cd含量（圖1），相較于單Cd處理，Cd+Zn處理顯著提高了水稻幼苗地上部及根部的Cd含量，其根部的增幅為單Cd處理的8.28%。相較于根部，Cd+Zn處理條件下地上部的Cd含量增加更為明顯，增幅為單Cd處理的223%。各處理在積累量上表現(xiàn)出相同的趨勢（表3），但由于Cd+Zn處理后，地上部的生物量有所下降，地上部Cd積累量的增幅有所下降，為單Cd處理的181%。

圖1 水稻地上部及根部Cd含量Figure 1 Shoot and root Cd concentration of rice seedling

表3 水稻地上部及根Cd積累量（μg·株-1）Table 3 shoot and root Cd accumulation of rice seedling（μg·plant-1）

Cd+Zn處理各部分Zn含量及總積累量均遠(yuǎn)高于CK，其地上部相較于單Cd處理增幅分別為270%和222%，而其根部Zn含量及總積累量則分別是單Cd處理的19.46倍及18.76倍。值得注意的是，單Cd處理的地上部Zn含量（圖2）及地上部Zn積累量（表4）均低于CK，表明Cd的加入會抑制水稻對Zn的吸收，暗示Zn、Cd間存在拮抗關(guān)系。

2.3 不同處理對水稻幼苗根表鐵膜成分的影響

不同處理下水稻幼苗形成的根表鐵膜成分分析結(jié)果表明（表5）：與CK相比，單Cd處理降低了鐵膜中Fe、Mn的含量，而Cd+Zn處理中的Fe、Mn含量與CK無顯著差異。單Cd處理降低了根表鐵膜中Zn的含量，Cd+Zn處理的根表鐵膜中Cd含量比單Cd處理增加29.99%。

圖2 水稻地上部及根部Zn含量Figure 2 Shoot and root Zn concentration of rice seedling

表4 水稻地上部及根部Zn積累量（μg·株-1）Table 4 Shoot and root Zn accumulation of rice seedling（μg·plant-1）

2.4 不同處理對水稻幼苗細(xì)胞壁組分及Cd吸附解析的影響

研究表明[33]，半乳糖醛酸與細(xì)胞壁組分之間關(guān)系相對穩(wěn)定，半乳糖醛酸的含量能表征細(xì)胞壁組分的多少。細(xì)胞壁作為Cd進(jìn)入共質(zhì)體的質(zhì)外體屏障，對Cd具有攔截、阻隔的作用。試驗結(jié)果表明（圖3），相較于單Cd處理，Cd+Zn處理根系細(xì)胞壁中果膠糖醛酸含量下降11.58%，HC1糖醛酸含量下降11.45%，HC2糖醛酸含量增加14.82%。

圖3 水稻幼苗根細(xì)胞壁組分中半乳糖醛酸含量Figure 3 Galacturonic acid concentration in different composition of root cell wall of rice seedling

表5 水稻根表鐵膜成分（mg·kg-1）Table 5 Iron plaque element of rice seedling（mg·kg-1）

根細(xì)胞壁Cd吸附時間動力學(xué)曲線如圖4，根細(xì)胞壁對Cd的吸附隨著處理時間的延長而不斷增加。在1～150 min，兩個處理的細(xì)胞壁吸附量迅速增加，單Cd處理的細(xì)胞壁吸附量增加幅度大于Cd+Zn處理，在180 min左右，兩個處理的Cd吸附進(jìn)入平臺期，細(xì)胞壁對Cd的吸附增速極其緩慢。一級擴(kuò)散方程的物理含義為吸附解析關(guān)系只與擴(kuò)散機(jī)理相關(guān)，細(xì)胞壁對離子的吸附解析速率與未被吸附解析量的一次方成比例[34-35]。采用一級擴(kuò)散方程對細(xì)胞壁吸附Cd的時間動力學(xué)曲線進(jìn)行擬合，單Cd處理及Cd+Zn處理的R2均為0.99（表6）。由一級擴(kuò)散方程參數(shù)可知，單Cd處理的飽合吸附量（Qm）比Cd+Zn處理高13.42%，說明單Cd處理的細(xì)胞壁組分具有更高的Cd吸附能力。

根細(xì)胞壁Cd解吸時間動力學(xué)曲線如圖5，根細(xì)胞壁對Cd的解吸隨著處理時間的延長而不斷增加。在1～120 min，兩個處理的細(xì)胞壁解吸量迅速增加，單Cd處理的細(xì)胞壁解吸量增加幅度大于Cd+Zn處理。在360 min左右，兩個處理的Cd解吸進(jìn)入平臺期，細(xì)胞壁對Cd的解吸增速極其緩慢。采用一級擴(kuò)散方程對細(xì)胞壁解吸Cd的時間動力學(xué)曲線進(jìn)行擬合，單Cd處理及Cd+Zn處理的R2分別為0.94和0.96（表7）。單Cd處理的Qm與Cd+Zn處理差異不大，說明單Cd處理和Cd+Zn處理的細(xì)胞壁組分Cd解吸能力差異較小。

圖4 不同處理根細(xì)胞壁Cd吸附動力曲線Figure 4 Cd adsorption kinetic curve of cell wall from root of different treatments

表6 吸附動力學(xué)一級擴(kuò)散方程擬合參數(shù)Table 6 The adsorption fitting parameters of first-order diffusion kinetic equation

圖5 不同處理根細(xì)胞壁Cd解吸動力學(xué)曲線Figure 5 Cd desorption kinetic curve of cell wall from root of different treatments

表7 解吸動力學(xué)一級擴(kuò)散方程擬合參數(shù)Table 7 The desorption fitting parameters of first-order diffusion kinetic equation

3 討論

實驗結(jié)果表明，在供試范圍內(nèi)，Zn、Cd共同處理對水稻幼苗地上部Cd積累具有顯著的促進(jìn)作用，同時抑制水稻幼苗地上部的生長，這可能是Cd和Zn相互作用的結(jié)果。

3.1 Zn對Cd脅迫下水稻生長和吸收Cd的影響

Cd對水稻的生長及營養(yǎng)代謝具有明顯的抑制作用[36]，但低劑量的Cd2+會刺激植物的根系生長[37-38]。多數(shù)研究表明，Zn在植物應(yīng)對非生物脅迫中起到積極的作用，Zn可以通過穩(wěn)定、保護(hù)細(xì)胞膜，緩解Cd造成的氧化脅迫，從而減緩Cd對水稻生長的抑制[6]。實驗結(jié)果表明單Cd處理與Cd+Zn處理的根部生物量均高于CK，而地上部生物量單Cd處理與CK持平，Cd+Zn處理略小于CK。由于在Cd+Zn處理中，根部Zn含量約為地上部的兩倍，而根未表現(xiàn)出明顯的毒害效應(yīng)，所以推測過高的Zn含量可能是導(dǎo)致Cd+Zn處理地上部生物量下降的主要原因。

Cd與Zn屬同主族元素，化學(xué)性質(zhì)相近，多數(shù)研究認(rèn)為，Cd、Zn共用多數(shù)吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)通道[39-40]，故在植物的吸收上，兩者表現(xiàn)為拮抗作用[1-3]。而一些研究結(jié)果卻與之相反。有研究表明[41]，當(dāng)同時施用Zn和Cd時，10 μmol·L-1Cd+50 μmol·L-1Zn的組合施用增加了菜豆地上部及根部的Cd和Zn含量。實驗結(jié)果表明，與CK相比，單Cd處理根部與地上部Zn含量均略有下降，表明在Zn低濃度條件下，Cd與Zn表現(xiàn)為拮抗作用，而Cd+Zn處理根部與地上部Cd含量與積累量均高于CK，表明在Zn濃度≥30 μmol·L-1的高濃度條件下，Zn促進(jìn)了Cd的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)。

3.2 高濃度Zn促進(jìn)水稻吸收Cd的機(jī)制

根表鐵膜被認(rèn)為可以吸附和共沉淀重金屬離子，降低其生物有效性從而減少根系對有害離子的吸收[42-43]。同樣，有研究指出，不同水稻品種的Cd吸收差異與各個品種根表鐵膜的形成量密切相關(guān)[44-45]。實驗結(jié)果表明，相較于單Cd處理，Cd+Zn處理顯著提高了根表鐵膜中的Fe含量及Mn含量（與CK持平），更有利于鐵膜及錳膜的形成[46]，從而進(jìn)一步促進(jìn)了Cd在鐵膜中的絡(luò)合與共沉淀，表現(xiàn)為Cd+Zn處理中根表鐵膜Cd含量顯著高于單Cd處理。值得注意的是，相較于CK，單Cd處理顯著降低了根表鐵膜中Fe及Mn含量，表明在供試范圍內(nèi)，Cd抑制水稻根表鐵膜的形成，而Zn則可以緩解這一過程。另外，我們發(fā)現(xiàn)，雖然Cd+Zn處理鐵膜中Cd含量高于單Cd處理，但相較于單Cd處理，其根部Cd含量也較高，暗示Cd+Zn根部Cd主要積累于根表鐵膜中，共質(zhì)體中Cd含量較小。

細(xì)胞壁是金屬離子跨膜進(jìn)入原生質(zhì)體的最后屏障。植物細(xì)胞壁的主要成分包括纖維素和基質(zhì)多糖，而基質(zhì)多糖則包括果膠、HC1、HC2[33，47]，其中含有大量帶負(fù)電荷的基團(tuán)如羧基、醛基、氨基以及磷酸基等，通過吸附、絡(luò)合、沉淀等作用阻隔重金屬離子向細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)[48]。Cd+Zn處理中，果膠與HC1含量均低于單Cd處理，而果膠與HC1被認(rèn)為是影響Cd吸附的重要成分[49-50]。在吸附解吸實驗中，Cd+Zn處理Cd吸附總量相較于單Cd處理更低而解吸總量更高，表明Cd+Zn處理的細(xì)胞壁對Cd的攔截效應(yīng)更弱，由此推測Cd+Zn處理導(dǎo)致細(xì)胞壁組分變化，降低果膠與HC1比例，進(jìn)而減少細(xì)胞壁對Cd的攔截是導(dǎo)致水稻地上部Cd吸收增加的原因之一。

4 結(jié)論

根表鐵膜是水稻吸收重金屬進(jìn)入水稻根系的第一道屏障。綜上所述，Zn緩解Cd對水稻根表鐵膜形成的抑制效應(yīng)，促進(jìn)Cd在根表鐵膜的沉積，降低根對Cd的吸收，緩解Cd對水稻根系生長的影響。Cd一旦進(jìn)入根系，Zn可以通過降低根系細(xì)胞壁中的果膠與HCl含量，減少細(xì)胞壁對Cd的吸附容量，提高細(xì)胞壁的解吸容量，促進(jìn)Cd向地上部的運(yùn)輸，由此推測，高濃度Zn處理并不能抑制Cd在地上部的積累及其對地上部的毒害。對于Zn如何改變細(xì)胞壁成分（果膠和HC1）的合成與分解代謝的相關(guān)研究，將能更好地解釋高濃度Zn促進(jìn)水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Cd的機(jī)理。