鎘對不同品種水稻地下部礦質(zhì)元素吸收的影響

張亞東，劉海學(xué)，楊仁杰，高龍飛，武麗娟

(天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384)

【研究意義】水稻是我國種植面積最廣且具有較強(qiáng)鎘(Cd)吸收能力的農(nóng)作物[1]。陳能場等[2]人的調(diào)查研究顯示，Cd是我國土壤點位超標(biāo)率最高的污染物，達(dá)到7%，嚴(yán)重威脅著人體健康和稻米的質(zhì)量安全。Cd廣泛存在于自然界中，且具有毒性大，易累積的特點，會通過食物鏈的傳遞影響到人類的健康[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】眾多的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的Cd會在直接損傷植物根系的同時破壞細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，且擾亂植物的生長發(fā)育進(jìn)程和影響一些礦質(zhì)元素如Fe、Zn、Cu、Ca等的吸收，進(jìn)而影響植物的生命進(jìn)程[4-5]。水稻地下部是最先接觸外界環(huán)境的部分，Cd最先被植物地下部吸收，使根系細(xì)胞內(nèi)的核仁及染色體遭到破壞，同時誘導(dǎo)產(chǎn)生了逆境乙烯這種對水稻傷害極強(qiáng)的物質(zhì)，進(jìn)而嚴(yán)重抑制了水稻地下部的生長[6]。在楊居榮[7]、江玉行[8]等的研究中發(fā)現(xiàn)Cd主要以蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)的形式存在于植物體內(nèi)，游離Cd含量非常少，對植物的毒害作用影響非常有限，因此Cd抑制水稻葉片生長的方式主要是通過抑制根部吸收礦質(zhì)元素并減少向地上部的鞘、葉的轉(zhuǎn)移運輸。Bernal等[9]研究也表明,Cd能減少植物地下部對養(yǎng)分的吸收。但是目前在Cd對植物營養(yǎng)方面的研究沒有明確一致的結(jié)論[10]?！颈狙芯壳腥朦c】為了探究Cd對水稻一些重要礦質(zhì)元素吸收的影響，本試驗選取了常見的29種水稻品種設(shè)置在0.5 mg/kg Cd處理下進(jìn)行8種礦質(zhì)元素的檢測?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選育耐Cd品種和Cd對水稻礦質(zhì)元素吸收的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用的29種不同水稻品種種子分別為：鐵稈烏、臺山糯、陸財號，南雄、柳葉粘、矮腳早、香稻、旱麻稻、津原45、竹珍B、青四矮16B、粳7623、柳沙1號、津原89、津原香98、天農(nóng)粳518、金稻777、C2106恢復(fù)系、C34恢復(fù)系、C418恢復(fù)系、津原E28、天津農(nóng)學(xué)院自交品系1、2、3、4、5、津原U99、津川1號、津原黑1號。

1.2 材料培養(yǎng)

首先在每個水稻品種中挑選均勻飽滿的種子20粒，分別用5%次氯酸鈉消毒15 min，然后用蒸餾水沖洗3遍，最后加水至剛好沒過種子并放置于無菌培養(yǎng)皿中，避光催芽48 h。待種子露白后放置于人工氣候室中(白天溫度27 ℃，100%光照，濕度40%；夜間溫度25 ℃，0%光照，濕度60%)，用木村培養(yǎng)液培養(yǎng)至3葉1心期后對處理組施加0.5 mg/kg的CdCl2溶液，脅迫5 d后收獲水稻幼苗，重復(fù)3次，以只經(jīng)過營養(yǎng)液處理的水稻(CK)作為對照。

1.3 礦質(zhì)元素的測定

具體測量方法參照張參俊[11]。收獲后的水稻幼苗在蒸餾水沖洗3遍后，以植株底部為基準(zhǔn)分為地上部和地下部后，105 ℃烘箱殺青15 min，75 ℃烘干至恒重。稱取地下部恒重后的質(zhì)量，置于消解管中，加入5 mL HNO3置于消煮爐上消煮2.5 h，取下放涼，加入1.5 mL雙氧水，繼續(xù)消煮1.5 h，放涼后加入去離子水定容至25 mL，用原子吸收火焰分光光度計法測定Fe、Zn、Cu、Ca、Mn、Mg，用火焰離子分光光度計法測定K和Na。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗采用 Excel 2016和SPSS 20進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。礦質(zhì)元素相對含量計算公式：(脅迫后礦質(zhì)元素含量-脅迫前礦質(zhì)元素含量)/脅迫前礦質(zhì)元素含量。

2 結(jié)果與分析

表1是在Cd處理后不同品種水稻地下部礦質(zhì)元素含量和相對含量。圖1～8是不同水稻品種地下部在Cd處理后Fe、Zn、Cu、Ca、Mn、Mg、K和Na的相對含量聚類圖，圖中的橫坐標(biāo)表示類間距，縱坐標(biāo)表示水稻品種名稱；當(dāng)類間距為5時，結(jié)合圖1和表1可知，依據(jù)Fe的相對含量，水稻品種被分為4類，分別是津原89～竹珍B耐Cd品種，南雄～農(nóng)學(xué)院品系4中等耐Cd品種，農(nóng)學(xué)院品系1～C2106恢復(fù)系Cd敏感品種，柳沙1號不耐Cd品種；由表1可知，與CK相比，22個品種對Fe吸收降低，降低程度因品種而異，降幅4%～59%，降幅最大品種是香稻，與CK相比，降低58.54%；7個品種對Fe吸收表現(xiàn)為促進(jìn)，增幅為6%～102%，竹珍B增幅最大，增加101.62%。

圖1 水稻地下部在Cd處理后的Fe相對含量聚類圖Fig.1 Clustering chart of relative contents of Fe in Cd treatment of rice under ground

圖2 水稻地下部在Cd處理后的Zn相對含量聚類圖Fig.2 Clustering chart of relative contents of Zn in Cd treatment of rice under ground

由圖2和表1可知，依據(jù)Zn的相對含量，水稻被分為3類，第Ⅰ類包含竹珍B～津原黑1號，屬于強(qiáng)耐Cd品種，第Ⅱ類包含津原45～津原89，屬于耐Cd品種，第Ⅲ類包含C2106恢復(fù)系～旱麻稻，屬于中等耐Cd品種。

通過圖3和表1發(fā)現(xiàn)，依據(jù)Cu的相對含量，水稻被分為3個類別，分別是天農(nóng)粳518～津原89的耐Cd品種，南雄～柳沙1號中等耐Cd品種，臺山糯～柳沙1號不耐Cd品種。

在圖4和表1中發(fā)現(xiàn)，依據(jù)Ca的相對含量，水稻品種被分為4類，分別是竹珍B強(qiáng)耐Cd品種，津原45～粳7623耐Cd品種，鐵桿烏～天農(nóng)粳518中等耐Cd品種，C34恢復(fù)系～津原U99不耐Cd品種。

通過圖5和表1結(jié)合后可發(fā)現(xiàn)，依據(jù)Mn的相對含量，水稻被分為3類，分別是竹珍B～津川1號耐Cd品種，陸財號～矮腳早中等耐Cd品種，鐵桿烏～C34恢復(fù)系不耐Cd品種。

將圖6和表1結(jié)合后可知，依據(jù)Mg的相對含量，水稻品種被分為3類，分別是竹珍B強(qiáng)耐Cd品種，農(nóng)學(xué)院品系2～矮腳早耐Cd品種，農(nóng)學(xué)院品系3～青四矮16B中等耐Cd品種。

聯(lián)結(jié)圖7和表1可知，依據(jù)K的相對含量，水稻品種被分為3類，分別是天農(nóng)粳518強(qiáng)耐Cd品種，粳7623～津原黑1號耐Cd品種，C34恢復(fù)系～陸財號中等耐Cd品種。

通過圖8可知，依據(jù)Na的相對含量，水稻品種被分為3類，分別是竹珍B～津原89強(qiáng)耐Cd品種，天農(nóng)粳518～津原E28耐Cd品種，柳葉粘～柳沙1號中等耐Cd品種。

圖3 水稻地下部在Cd處理后的Cu相對含量聚類圖Fig.3 Clustering chart of relative contents of Cu in Cd treatment of rice under ground

圖4 水稻地下部在Cd處理后的Ca相對含量聚類圖Fig.4 Clustering chart of relative contents of Ca in Cd treatment of rice under ground

圖5 水稻地下部在Cd處理后的Mn相對含量聚類圖Fig.5 Clustering chart of relative contents of Mn in Cd treatment of rice under ground

圖6 水稻地下部在Cd處理后的Mg相對含量聚類圖Fig.6 Clustering chart of relative contents of Mg in Cd treatment of rice under ground

圖7 水稻地下部在Cd處理后的K相對含量聚類圖Fig.7 Clustering chart of relative contents of K in Cd treatment of rice under ground

圖8 水稻地下部在Cd處理后Na相對含量聚類圖Fig.8 Clustering chart of relative contents of Na in Cd treatment of rice under ground

由表1可知，與CK相比，所有水稻品種Fe和Mn均表現(xiàn)為極顯著差異變化，Cu、Ca和K表現(xiàn)為顯著差異變化；結(jié)合圖1～8可知，只有Fe被劃分出敏感品種一類，Zn、Mg、K和Na均沒有不耐Cd品種的類別。竹珍B和粳7623在所測礦質(zhì)元素中均具有耐Cd性；津原89和天農(nóng)粳518只在Mn的吸收中表現(xiàn)出不耐Cd性；津原黑1號、津原E28和津川1號只在Ca的吸收中表現(xiàn)出不耐Cd性，陸財號只在Cu的吸收中不具有耐Cd性；竹珍B是在所測礦質(zhì)元素中唯一均表現(xiàn)為促進(jìn)吸收的水稻品種。

表1 Cd處理下不同品種水稻地下部礦質(zhì)元素含量和相對含量

續(xù)表1 Continued table 1

續(xù)表1 Continued table 1

3 討 論

植物體吸收的Cd主要富集在根部，因此Cd對根部的影響較大[12]。谷建誠等[13]人的研究結(jié)果表明：水稻根部的Fe主要用于根部Fe膜的建設(shè)，F(xiàn)e膜可以阻斷Cd向根部的遷移，形成自然的“保護(hù)層”[13]?？赡蹸d在進(jìn)入植物體的過程中首先要破壞根部的Fe膜，才能進(jìn)入到植物體內(nèi)，所以表現(xiàn)出22個水稻Fe含量降低，且全部水稻品種Fe含量變化表現(xiàn)為極顯著，同時出現(xiàn)了Cd敏感這一類別，這說明0.5 mg/kg Cd濃度對水稻地下部Fe表現(xiàn)為抑制吸收，其抑制吸收程度具有較大的品種差異性。

Cd對不同礦質(zhì)元素的積累代謝有著不同的影響,在水稻體內(nèi),Cd的積累量與Cu和Zn的積累量總是表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)[14]，在Zn的研究中發(fā)現(xiàn)，全部水稻品種具有耐Cd性；而在Cu的研究中表明，12個水稻品種被聚類在不耐Cd一類中，這說明在0.5 mg/kg Cd脅迫下，Zn對Cd的耐受程度要大于Cu。

Cd、Ca和Mg具有相互競爭性，低濃度的Cd不僅對植物的根尖組織沒有毒害作用，且會刺激水稻微毛的生長，從而促進(jìn)根系對Ca和Cd的吸收[15]。雖然沒有出現(xiàn)大部分水稻品種對Ca促進(jìn)吸收的現(xiàn)象，但是，大部分水稻品種被聚為耐Cd一類，這種情況的出現(xiàn)可能是由于本試驗Cd濃度偏低，從而沒有出現(xiàn)與前人結(jié)論相似的結(jié)果。但是在對Mg的研究中發(fā)現(xiàn)，全部水稻品種均具有耐Cd性，這說明在0.5 mg/kg的Cd濃度下，Mg的競爭性大于Ca，且Mg對Cd的耐受性大于Ca。

Mn會被植物通過主動轉(zhuǎn)運吸收，Mn和Cd具有相同的運輸和攝取途徑，因此Mn和Cd具有相互競爭作用[16]。在對Mn的研究中發(fā)現(xiàn)，與CK相比，21個水稻品種Mn含量降低，這說明在0.5 mg/kg Cd濃度下，Cd的競爭性大于Mn，且Cd對Mn的影響表現(xiàn)為抑制吸收。

幼苗根部的K和Na在脅迫下的含量變化可以直觀的反應(yīng)出水稻對離子平衡調(diào)節(jié)能力的影響[15]。全部水稻品種的K和Na均被聚在了耐Cd類別中，且表現(xiàn)出顯著差異。這說明水稻自身的防御機(jī)制大于Cd對水稻根部離子平衡的損害，在0.5 mg/kg Cd濃度下，Cd對K和Na的影響顯著，但是不會破壞水稻根部的離子平衡。

4 結(jié) 論

在0.5 mg/kg Cd處理下的水稻地下部，與CK相比，Cd對Fe的影響表現(xiàn)為抑制吸收；Zn、Mg、K和Na對Cd具有耐受性，Zn的耐受性大于Cu，Cd的競爭性大于Mn，Mg的競爭性和耐Cd性大于Ca。

竹珍B和粳7623在八種礦質(zhì)元素中表現(xiàn)出了耐Cd性，竹珍B是唯一在Cd脅迫后促進(jìn)八種礦質(zhì)元素吸收的水稻品種；可以在輕度Cd污染的土地上種植，竹珍B和粳7623；津原89和天農(nóng)粳518建議減少在輕度Cd污染且缺Mn的土地上種植；津原U99、E28和津川1號建議減少種植在輕度Cd污染且缺Ca的土地上；陸財號可以種植在輕度Cd污染且Cu含量充足的土地上。植柳沙1號為所測水稻品種中表現(xiàn)為最不耐Cd的水稻品種。