不同溫度下水稻各生育期對鎘累積效應(yīng)研究

張上都， 羅正良， 伍 祥， 石邦志， 彭 菊， 蒙秀菲， 蔣慧丹， 周樂良

(1.中南大學(xué)研究生院隆平分院， 湖南 長沙 410125； 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所， 貴陽 550006；3.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 a.水稻研究所；b.農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所， 長沙 410125)

水稻是我國人民的主糧之一[1]。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，人們對食品的要求越來越高。因此，水稻生產(chǎn)在提升產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，還要兼顧品質(zhì)的提升。目前，水稻品質(zhì)除受品種自身因素影響外，還有種植環(huán)境的光、溫、水、肥和土壤各種重金屬元素的影響。土壤中的重金屬不僅能影響水稻生長[2]，還會威脅公眾健康[3]。根據(jù)何洋等[4]和陳建偉等[5]的研究，溫度是影響水稻鎘吸收的一個重要因素，在同一塊田中種植雙季稻，晚稻米中的鎘含量明顯高于早稻米。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)結(jié)合前人的研究成果，以溫度作為一個非常重要的研究因子，在植物培養(yǎng)箱中設(shè)計(jì)3個不同溫度梯度處理，對兩個晚稻品種的4個生育時(shí)期進(jìn)行鎘累積效應(yīng)分析，檢測其根系、莖鞘和葉片中鎘濃度，從中找出低鎘累積時(shí)期和溫度，為水稻實(shí)際生產(chǎn)采取的栽培方法提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)安排在湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院的實(shí)驗(yàn)大樓植物人工氣候箱，113°4′51″E，28°12′20″N。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

在前人通過多年多點(diǎn)的盆栽與大田實(shí)驗(yàn)后得出的結(jié)果中，篩選出高鎘累積品種玉針香和低鎘累積品種湘晚秈12號為材料[6-7]，均由湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所選育并提供，適宜湖南省稻作區(qū)的雙季晚稻種植，其生育期為(115±2)d。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年 6 月 6 日用強(qiáng)氯精對稻種消毒、浸泡，在植物氣候箱內(nèi)催芽、育苗。待水稻苗育至三葉一心時(shí)，選取長勢均勻一致的3粒谷秧苗，用海綿包住水稻基部置于定植籃中，再將定植籃安放在泡沫板上對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)孔中，漂浮在裝有營養(yǎng)液的塑料箱(Raxwell型號RHSS 4020:內(nèi)尺寸555 mm×355 mm×210 mm)內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。全程采用pH值為5.5的木村B營養(yǎng)液[8]培育。平常整齊擺放在實(shí)驗(yàn)室外的平臺上，在苗期(7月15—20日)、分蘗期(8月8—13日)、孕穗期(8月27日—9月1日)和灌漿期(9月7—12日)等4個生長發(fā)育時(shí)期，探尋生產(chǎn)上低濃度鎘環(huán)境下的鎘污染對水稻的影響，再次選取長勢均勻植株放入鎘(Cd)濃度為 2 mg·L-1(使用分析純級的CdCl2·2.5 H2O進(jìn)行調(diào)配)的營養(yǎng)液(35 L)中，持續(xù) 6 d，分別搬至低溫(15～20 ℃)、中溫(22～27 ℃)和高溫(30～35 ℃)3個溫度梯度的植物氣候箱中，每隔 24 h 分別檢測水稻各器官鎘濃度。植物氣候箱內(nèi)的溫度處理隨著時(shí)間變化進(jìn)行調(diào)整(圖1)，白天(06：00—20：00時(shí))光照強(qiáng)度為 12 000 lx；晚上(20：00—06：00時(shí))為黑暗處理。不同生育期的每個溫度處理均有3盆水稻，每次在同一盆中取3株作為混合樣品。用去離子水洗凈，吸水紙吸干表面水分，使用無酶剪刀分別取根系、莖鞘、葉片，裝入干凈的信封中編號，105 ℃ 殺青 30 min，80 ℃ 烘干至恒重，粉碎后(每個樣品粉碎后要將機(jī)器清理干凈，避免與下一個樣品的機(jī)械混合)過 100 目標(biāo)準(zhǔn)篩待測，按照《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鎘的測定》[9]的方法測定各自的鎘含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2007軟件和 DPS 軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，使用 Oringin 8軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

兩個水稻品種在4個生長發(fā)育時(shí)期3個溫度梯度連續(xù)處理 6 d后，分別對根系、莖鞘和葉片的鎘含量進(jìn)行檢測，鎘含量(3個重復(fù)的平均值)進(jìn)行差異顯著性分析。

2.1 鎘環(huán)境對水稻根系、莖鞘和葉片中鎘含量的影響

分別從品種、生育期、器官和溫度四個方面來進(jìn)行比較環(huán)境對鎘含量的影響。

兩個品種之間的比較：在相同溫度下同一個生育時(shí)期的相同器官中鎘含量進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)兩個供試品種的根系、莖鞘和葉片中鎘含量變化趨勢均一致，玉針香中累積的鎘含量顯著或極顯著大于湘晚秈12號，僅在少數(shù)情況下，兩者沒有顯著差異，如高溫時(shí)苗期莖鞘、中溫和低溫灌漿期莖鞘、低溫時(shí)分蘗期和灌漿期的葉片。

4個生育期之間的比較：在相同品種同器官同溫度情況時(shí)，隨水稻生育期的延長而水稻各器官鎘積累變化不一致。玉針香根系在低溫時(shí)表現(xiàn)為分蘗期>苗期>孕穗期>灌漿期，中溫和高溫表現(xiàn)為苗期>分蘗期>孕穗期>灌漿期，隨著生育期的延長，玉針香根系鎘含量隨之降低；湘晚秈12號根系鎘的變化趨勢比玉針香更明顯，3種溫度下和平均數(shù)都表現(xiàn)為隨生育期的延長而鎘含量逐漸降低，即苗期>分蘗期>孕穗期>灌漿期，而莖鞘和葉片在不同條件下呈不同的變化，未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律?？傮w而言，隨著生育期的延長，根系積累的鎘含量越低。

表1 不同溫度處理對不同生育期水稻不同器官鎘吸收的影響

3個不同部位之間的比較：同一水稻品種在同樣的溫度梯度處理同一個生育時(shí)期的時(shí)候，水稻植株各器官中的鎘含量均以根系最高，其次是莖鞘，最少的是葉片，即根系>莖鞘>葉片，且各處理間有顯著差異。由此看來，根系是水稻鎘積累的主要器官。

3個溫度梯度之間的比較：在同品種同生育期同器官情況時(shí)，溫度對水稻鎘積累有顯著差異。溫度沒有改變不同器官中鎘累積的順序，湘晚秈12號中鎘含量對溫度的反應(yīng)趨勢與玉針香一致。但是隨著溫度的增加，水稻根、莖和葉中的鎘含量顯著增加，即高溫>中溫>低溫。因此，高溫加速了水稻鎘含量的積累。

2.2 水稻植株連續(xù)6 d的吸鎘趨勢

兩個供試品種的4個生育期在3個溫度梯度連續(xù)6 d 進(jìn)行鎘環(huán)境處理后(圖2～圖7)，隨著時(shí)間的持續(xù)，水稻植株中的根系、莖鞘和葉片中的鎘含量均表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢；同一品種在同一生育期下的不同溫度處理中其吸鎘趨勢一致，即隨著溫度的升高，水稻植株的根系、莖鞘和葉片中的鎘含量亦同樣增加。

2.3 水稻植株在溫度梯度處理下連續(xù)6 d的平均吸鎘濃度趨勢

兩個供試品種在3個溫度梯度鎘環(huán)境下進(jìn)行連續(xù)6 d處理后，根據(jù)其6 d的平均鎘含量作圖(圖8～圖10)可以看出，4個生長發(fā)育時(shí)期的各個器官中的鎘含量表現(xiàn)分別為：根系和莖鞘中的鎘含量趨勢一致，玉針香(高溫)>玉針香(中溫)>湘晚秈 12 號(高溫)>湘晚秈 12 號(中溫)>玉針香(低溫)>湘晚秈 12 號(低溫)；葉片中的鎘含量趨勢為玉針香(高溫)>湘晚秈 12 號(高溫)>玉針香(中溫)>玉針香(低溫)>湘晚秈 12 號(中溫)>湘晚秈 12 號(低溫)。由此說明，高溫能夠促進(jìn)高鎘累積品種對鎘含量的吸收，低鎘品種具有較強(qiáng)的耐鎘特性。

3 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn),兩個供試品種在相同溫度處理下的根系、莖鞘和葉片中的鎘含量變化趨勢為：根系>莖鞘>葉片，各個生育時(shí)期均表現(xiàn)為根部鎘積累占整個植株總鎘的比例一半以上，這與張子葉等[10]的研究結(jié)果相一致。兩個供試品種在同樣溫度處理下的根系與莖鞘中的鎘濃度均為苗期>分蘗期>孕穗期>灌漿期；苗期是控制水稻鎘吸收的重要時(shí)期，而分蘗期至灌漿期是控制水稻植株內(nèi)鎘由莖葉向籽粒轉(zhuǎn)移的關(guān)鍵時(shí)期。這一結(jié)果與倪中應(yīng)等[11]的研究有所區(qū)別，可能是由于鎘處理的濃度存在差異。

在鎘環(huán)境下隨處理溫度的升高，植株內(nèi)的鎘含量逐漸增加，進(jìn)而影響水稻品質(zhì)。如果鎘污染下水稻累積的鎘含量超過食品安全的閾值，通過食物鏈攝入后會影響人體健康。因此，在鎘污染土壤上采取降鎘累積栽培措施和低鎘累積水稻品種選擇具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[12]。