水稻根系發(fā)達(dá)程度對(duì)鎘富集水平的影響分析

覃永華，徐宵粲，侯娜娜，楊新穩(wěn)，魏金峰，尹琪然

（中南民族大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院& 國(guó)家民委生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室& 武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074）

鎘（Cd）作為土壤重金屬污染超標(biāo)率最高的重金屬，其具有毒性高、污染大、易遷移等特征［1］.水稻是一種易富集鎘的農(nóng)作物，不同水稻品種對(duì)重金屬鎘的吸收和蓄積存在明顯差異［2］.鎘通常通過兩種途徑進(jìn)入到植物體內(nèi)，一種是通過根表皮細(xì)胞間隙，自由擴(kuò)散進(jìn)入；另一種是通過根毛細(xì)胞吸收進(jìn)入.鎘在進(jìn)入根毛細(xì)胞后，首先橫向運(yùn)輸?shù)骄S管柱，再通過木質(zhì)部向地上部分運(yùn)輸［3］.當(dāng)鎘運(yùn)輸?shù)降厣喜糠趾?，又?huì)隨著莖、葉等器官的發(fā)育實(shí)現(xiàn)再分配［4］.隨著水稻的發(fā)育，抽穗后部分鎘會(huì)發(fā)生外排現(xiàn)象，由地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)到根部或排出到土壤中［5-6］.有研究表明，重金屬脅迫可以引起表觀遺傳修飾如DNA 甲基化變異和基因表達(dá)變異的發(fā)生，從而對(duì)水稻的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制，并且脅迫濃度越高，抑制作用越大［7］.重金屬鎘在植物體內(nèi)的累積會(huì)導(dǎo)致水稻株高降低、分蘗數(shù)降低、地上營(yíng)養(yǎng)部分、種子及根的生物量降低［8］.

水稻根直接與外界接觸，長(zhǎng)期暴露在生物脅迫和非生物脅迫之中，惡劣的外界環(huán)境會(huì)影響根的生長(zhǎng)從而對(duì)水稻的產(chǎn)量造成影響［9-10］.根系發(fā)達(dá)的水稻對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率高，同時(shí)對(duì)外界重金屬的吸收能力也高于根系不發(fā)達(dá)水稻.因此，合理選育高耐性低蓄積水稻品種是降低稻米重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)有效途徑［11］.

本研究通過選取不同根系發(fā)達(dá)程度的水稻品種進(jìn)行重金屬鎘吸收和積累特征的分析，鑒定這些水稻品種對(duì)重金屬污染的耐性，分析根系結(jié)構(gòu)對(duì)重金屬鎘的積累和分配的影響.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所選用的不同水稻品種種子（表1）由中南民族大學(xué)武陵山區(qū)特色資源植物種質(zhì)保護(hù)與利用湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供.

表1 水稻編號(hào)與水稻品種名稱Tab.1 Number and variety name of rice

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 水稻根部形態(tài)觀察

水稻種子在無(wú)菌條件下發(fā)芽，4 d后選取發(fā)根長(zhǎng)度相似的植株（每個(gè)品種選取9 棵），然后轉(zhuǎn)入生根管內(nèi)，放于光培養(yǎng)室內(nèi)繼續(xù)培養(yǎng)7 d，觀察根系形態(tài)和相關(guān)性狀（主根長(zhǎng)度、不定根數(shù)目）.

1.2.2 不同濃度的鎘對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)的影響

用小方盒配制含有不同濃度重金屬鎘的MS 培養(yǎng)基，鎘終濃度分別為0、3、6、10 μmol·L-1，選取生長(zhǎng)一致的水稻幼苗接種于小方盒中進(jìn)行8 d 培養(yǎng)后，測(cè)量根長(zhǎng)、苗長(zhǎng)、鮮重、干重等.

1.2.3 重金屬鎘對(duì)水稻結(jié)實(shí)率的影響

將水稻幼苗進(jìn)行水培培養(yǎng)，培養(yǎng)一周后進(jìn)行重金屬鎘處理，水培液中重金屬鎘的濃度為5 μmol·L-1，水培液配方參考國(guó)際水稻研究所（IRRI）推薦的標(biāo)準(zhǔn).每周換一次水培液，培養(yǎng)至水稻籽粒成熟.期間在水稻三葉期，幼穗期、成熟期進(jìn)行各組織樣品取樣，并統(tǒng)計(jì)各品種結(jié)實(shí)數(shù).

1.2.4 重金屬鎘含量測(cè)定

將水稻樣品放入65 ℃恒溫箱烘干3 d，待樣品完全干燥后取根、莖、葉以及種子用液氮磨碎，稱取0.1 g 樣品粉末至10 mL EP 管，加入5 mL 1 mol·L-1H2NO3，室溫（25 ℃）搖床震蕩3 h，后用套有濾頭的注射器濾掉樣品殘?jiān)瑢⑦^濾后的樣品溶液轉(zhuǎn)移至新管中.取500 μL 抽提液，用1 mol·L-1H2NO3稀釋至合適濃度.利用原子吸收光度法（原子吸收光譜儀ICE 3500）測(cè)定樣品鎘含量.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水稻品種根系表型鑒定

將不同水稻品種進(jìn)行無(wú)菌發(fā)芽，并在生根管中培養(yǎng)7 d，對(duì)其胚根長(zhǎng)度和不定根數(shù)目進(jìn)行測(cè)定及分析.如圖1所示，各品種水稻幼苗胚根長(zhǎng)度和不定根數(shù)目有較大的差別.通過比較胚根長(zhǎng)度和平均不定根數(shù)目，胚根平均長(zhǎng)度在2 cm 以下且平均不定根數(shù)在2 以下的品種確定為根不發(fā)達(dá)品種.平均胚根長(zhǎng)度在3 cm以上且平均不定根數(shù)在5以上的品種確定為根發(fā)達(dá)品種.平均胚根長(zhǎng)度在2～3 cm 之間且平均不定根數(shù)在3～4 之間的品種確定為根較發(fā)達(dá)品種.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選取023、117、330、346、342、402為后續(xù)研究材料，其中水稻品種023、117 為不發(fā)達(dá)根系品種；330、346 為較發(fā)達(dá)根系品種；342、402 為發(fā)達(dá)根系品種.

圖1 不同水稻品種的根系表型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of root phenotype data of different rice varieties

2.2 苗期水稻對(duì)鎘的耐受性分析

將前期選擇的6個(gè)水稻品種經(jīng)MS培養(yǎng)基發(fā)芽，2 d后將生長(zhǎng)一致的幼芽置于分別含3、6、10 μmol·L-1Cd2+的MS 培養(yǎng)基中培養(yǎng)8 d，分別統(tǒng)計(jì)各植株的苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)和鮮重干重（圖2（a））.結(jié)果表明，同正常生長(zhǎng)條件下的生長(zhǎng)狀況相比，隨著鎘濃度的不斷上升，大多數(shù)品種根的生長(zhǎng)呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)（圖2（b）），但品種117 和342 的根表現(xiàn)出持續(xù)上升的態(tài)勢(shì).各品種植株苗長(zhǎng)均表現(xiàn)出先增加后降低的過程，但變化不明顯（圖2（c））.這說明適當(dāng)濃度的鎘處理對(duì)水稻幼苗根的生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用，對(duì)苗的生長(zhǎng)影響較小.植株的鮮重及干重反映著植株的生長(zhǎng)狀況，干重占比下降，表示植株的生長(zhǎng)受到抑制.對(duì)重金屬處理后的6個(gè)水稻品種的鮮重、干重以及含水量進(jìn)行分析.結(jié)果如圖2（d）所示，隨著鎘濃度的增加，23、117 品種植株干重占比逐漸增加，表明重金屬鎘對(duì)根不發(fā)達(dá)品種的生長(zhǎng)影響較小.而根系較發(fā)達(dá)品種330、346 經(jīng)鎘處理后，干重占比均下降，表明植株生長(zhǎng)受到了抑制，表現(xiàn)出對(duì)鎘的不耐受.根發(fā)達(dá)品種342、402 的干重占比變化趨勢(shì)與根不發(fā)達(dá)品種相同，但變化程度較根不發(fā)達(dá)品種大，表現(xiàn)出對(duì)鎘有耐受能力.

對(duì)經(jīng)不同濃度重金屬鎘脅迫后的幼苗經(jīng)硝化處理，然后測(cè)定鎘的含量.結(jié)果說明（圖2（e）），隨著鎘濃度的升高，植株體內(nèi)的鎘含量均呈現(xiàn)升高趨勢(shì).根發(fā)達(dá)品種鎘含量的升高幅度最大，根不發(fā)達(dá)品種鎘含量的升高幅度最小.這表明植株體內(nèi)鎘的積累與根系發(fā)達(dá)程度具有一定的正相關(guān)性，推測(cè)根系越發(fā)達(dá)，吸收能力越強(qiáng).

圖2 重金屬脅迫對(duì)水稻農(nóng)藝性狀的影響Fig.2 Effects of heavy metal stress on rice agronomic characters

2.3 成株期水稻對(duì)鎘的耐受性分析

將水稻植株置于Cd2+濃度為5 μmol·L-1的水培液中培養(yǎng)，分別從三葉期、幼穗期、成熟期取樣，檢測(cè)各個(gè)水稻品種根、莖、葉中重金屬的含量.結(jié)果表明，各水稻品種根中的鎘含量隨著水稻生長(zhǎng)逐漸升高，在成熟期時(shí)，根部鎘富集達(dá)到最高水平，水稻莖和葉中的鎘含量總體逐漸降低.如圖3所示，在三葉期，各品種水稻根、莖、葉中重金屬的含量相差不大，品種23、117 各個(gè)器官中都表現(xiàn)出較少的鎘富集.在幼穗期和成株期，鎘在根中的累積最多，在莖中次之，在葉中最少；鎘在品種23、117 和402 根中含量均較低，在品種330 中含量均較高，在品種346成株期根中的含量顯著低于幼穗期.鎘在品種342和402莖中含量隨著水稻生長(zhǎng)顯著降低，在品種342和402 幼穗期莖中含量保持較高積累，到成熟期顯著降低，而在品種330 和346 成熟期莖中仍保持較高水平.在籽粒中，各品種的鎘含量較為一致，相比其他組織濃度較低，其中品種342中的含量最低.

重金屬脅迫會(huì)影響成熟期水稻的結(jié)實(shí)率，且水稻對(duì)鎘越不耐受，結(jié)實(shí)率變化越大［12］.對(duì)成熟期水稻的結(jié)實(shí)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3（e）所示，6個(gè)水稻品種在經(jīng)鎘處理之后結(jié)實(shí)率均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，其中，23、117 結(jié)實(shí)率受影響最小，342 次之，而330、342和402的結(jié)實(shí)率顯著降低.

圖3 成熟期水稻鎘的耐受性分析Fig.3 Analysis of cadmium tolerance in rice at mature stage

3 討論

3.1 不同水稻品種各器官中重金屬鎘的累積特征

水稻不同器官對(duì)重金屬元素的吸收蓄積能力存在很大差異，其中以根富集重金屬元素的能力最強(qiáng)，一般以根＞莖＞葉＞籽粒的順序遞減［13-14］.植物體內(nèi)的鎘含量高低對(duì)應(yīng)著植物對(duì)重金屬鎘的吸收能力強(qiáng)弱，而不同部位在不同階段鎘含量的變化，表示植物對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)能力大?。?5］.在三葉期時(shí)，各品種水稻根、莖、葉中鎘的含量相差不大，隨著發(fā)育進(jìn)行，根部的鎘含量逐漸上升，而莖葉的鎘含量逐漸下降，且下降程度在幼穗期根系發(fā)達(dá)水稻品種中更為明顯.推測(cè)可能是因?yàn)槊缙谒靖蹈患δ芎湍褪軝C(jī)制還未發(fā)育健全，根部吸收的鎘直接轉(zhuǎn)運(yùn)到植株的各個(gè)部位.但隨著植株成長(zhǎng)到幼穗期及成熟期，植株的耐受機(jī)制和轉(zhuǎn)運(yùn)體系發(fā)育完全，通過抗氧化防衛(wèi)機(jī)制、鎘的螯合隔離以及外排機(jī)制等，導(dǎo)致植株地上部分的鎘累積量下降［16］.植物在鎘脅迫過程中會(huì)產(chǎn)生多種限制鎘吸收和轉(zhuǎn)移的生理生化機(jī)制：凱氏帶阻止鎘以質(zhì)外體途徑進(jìn)入木質(zhì)部；螯合劑與進(jìn)入根的鎘螯合形成穩(wěn)定化合物并區(qū)隔在液泡中，這些機(jī)制會(huì)導(dǎo)致鎘在根部累積［17］.在本研究中，鎘在各器官中的富集也呈現(xiàn)與報(bào)道一致的結(jié)果，在根中最高，莖、葉中次之，種子中最少.

3.2 不同水稻品種對(duì)重金屬鎘脅迫響應(yīng)的差異

不同水稻品種由于遺傳變異，在重金屬元素的吸收和分配上存在顯著差異［18-19］.不同的水稻品種，其各器官形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理特征存在差異，導(dǎo)致水稻對(duì)重金屬元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)存在顯著的不同［20-21］.此外，土壤中較多的重金屬?gòu)?fù)合物也會(huì)影響水稻對(duì)重金屬的吸收聯(lián)系［22］.水稻對(duì)重金屬鎘的耐受性強(qiáng)弱體現(xiàn)在水稻生長(zhǎng)狀態(tài)的變化上，對(duì)水稻生長(zhǎng)影響越大表明越不耐受［23］.為減少環(huán)境因子對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究采用水培方式開展重金屬鎘的處理.通過分析根系不發(fā)達(dá)（117、023）、根系較發(fā)達(dá)（330、346）、根系發(fā)達(dá)（342、402）水稻品種中重金屬鎘的積累和分配特征，探究水稻不同器官特別是根對(duì)重金屬鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力及不同生育時(shí)期重金屬鎘在各器官的分布規(guī)律.結(jié)果顯示，在苗期脅迫中，隨著鎘濃度的增加，水稻根長(zhǎng)會(huì)隨之增加，且顯著高于正常條件下的長(zhǎng)度，但是對(duì)水稻幼苗的生長(zhǎng)長(zhǎng)度影響不大.表明在一定鎘濃度范圍內(nèi)，鎘對(duì)幼苗根的伸長(zhǎng)具有促進(jìn)作用.生物量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在鎘處理下，隨著濃度的增加，根不發(fā)達(dá)品種23、117 和根發(fā)達(dá)品種342、402 的干重比是顯著增加的，而根較發(fā)達(dá)品種330 和346 的干重比有所下降.鎘含量檢測(cè)結(jié)果顯示在根發(fā)達(dá)品種中的鎘含量顯著高于其他兩種類型.以上結(jié)果表明，根不發(fā)達(dá)品種23、117 受鎘脅迫影響較小，可能與根系吸收能力弱有相關(guān)性；根發(fā)達(dá)品種342、402 對(duì)重金屬鎘具有較強(qiáng)的吸收，在植株中有較高的富集，但其幼苗受到的影響有限，表現(xiàn)出對(duì)重金屬較強(qiáng)的耐受能力；根較發(fā)達(dá)品種330 和346 對(duì)重金屬鎘的吸收富集高于根不發(fā)達(dá)品種，同時(shí)，其干重比受到的影響最為顯著，對(duì)鎘表現(xiàn)出較差的耐受力.

品種23、117根和葉都表現(xiàn)較少的鎘富集，而莖中鎘含量在幼穗期較高，但在成株期時(shí)顯著降低，結(jié)實(shí)率受到的影響也最小，可能是因?yàn)楦挡话l(fā)達(dá)，影響了對(duì)鎘的吸收.其他4個(gè)品種呈現(xiàn)不同的鎘富集模式，330 在根和葉中均保持較高的富集，346在成熟期根中降低，在莖中增加，342 在根中維持較高的富集，402在根和莖中鎘含量都較低.推測(cè)可能是330 和346 植株體內(nèi)鎘含量較多，但外排系統(tǒng)能力有限，使體內(nèi)的鎘不能全部轉(zhuǎn)運(yùn)到根部，導(dǎo)致莖中有所累積.342品種因?yàn)楦蛋l(fā)達(dá)，導(dǎo)致吸收鎘的能力強(qiáng)，在根中大量積累.402 根系發(fā)達(dá)，在苗期有大量鎘積累，后期維管組織發(fā)育成熟，一方面，在向生殖器官轉(zhuǎn)運(yùn)大量鎘，影響結(jié)實(shí)率；另一方面，外排能力強(qiáng)，鎘也能通過維管組織大量外排，減少組織器官中鎘含量.