Cd脅迫下雜交水稻對Cd的吸收及其動態變化

李冰，王昌全*，李枝，李仕貴

1. 四川農業大學資源環境學院，四川 成都 611130；2. 四川農業大學水稻研究所，四川 成都 611130

近年來，工業“三廢”的大量排放和不合理處置以及大量肥料的施用，特別是磷肥的施用，導致了土壤鎘（Cd）污染日益加劇（Kirkham，2006）。據報道，全國受到重金屬污染的地區已造成糧食減產1×107t，1.2×107t農產品重金屬含量超標，直接經濟損失200多億，對農民的經濟收人造成了巨大的影響（劉璇等，2008）。特別是在一些糧食種植重點區域，重金屬污染風險逐年增大(曾希柏等，2013)。

水稻作為一種大宗糧食作物，在全世界每年約有560 Tg的產量，其中40%左右是在中國種植和消費(Yu 等，2006)。Cd污染不僅影響水稻生長發育和新陳代謝活動（何俊瑜等，2008；史靜等，2013），導致產量下降，更為重要的是它在水稻體中大量積累（趙步洪等，2006；張玉秀等，2008），并沿著食物鏈進入人體（陳志亮等，2001；任繼平等，2003），其產量和品質直接影響著人類糧食安全，危害人類身體健康。大田作物對重金屬的吸收積累，不僅受到土壤性質的影響（普錦成等，2008），而且與礦質營養的基因型差異一樣，具有明顯的種類與種群之間的差異（Liu等，2005；李鵬等，2011）。已有研究表明，水稻吸收積累Cd的能力隨基因型不同存在明顯差異，不同生育時期不同部位對鎘的吸收積累效應差異較大（王凱榮，1996；馮文強等，2008；丁園等，2009）；對于不同的水稻品種，在同一Cd處理濃度下，Cd在水稻體各器官的分配呈現根>莖>葉>籽粒，但Cd在水稻不同器官中的分配比例因水稻的品種不同而有顯著差異（李坤權等，2003；Metwally等，2005；Zhan等，2013）。因此，找出水稻在Cd脅迫下不同部位吸收累積效率和水稻對Cd吸收累積的關鍵時期，比較不同水稻品種之間的差異，結合農業生產調控技術措施，對降低水稻Cd吸收積累，保障糧食安全具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料選取課題組篩選籽粒Cd質量分數差異較大的2個常規水稻(Oryza sativa L．)品種D83A/R527（低Cd品種）和輻優838（高Cd品種）為研究材料（四川農業大學水稻研究所提供）。

1.2 試驗設計

本試驗于2011年4月-2011年9月在四川農業大學雅安校區甘家壩農場網室內進行。

將精選的水稻種子消毒、洗凈后育苗，待兩葉一心時移植于容器為20 L的黑色塑料桶中，培養于完全營養液中，營養液完全根據國際水稻研究所（IRRI）推薦的配方配制（表1），營養液的起始pH值為5.5～6.0。幼苗先在1/2質量濃度的營養液中培養 7 d，然后進行全營養液培養和不同質量濃度的Cd 處理，設 4 個 Cd 水平：0 mg·L-1、0.50 mg·L-1、1.00 mg·L-1、3.00 mg·L-1，每處理重復 4 次。營養液中Cd以CdCl2.2.5H2O形式加入。培養液每7天更換一次，并用 0.1 mol·L-1NaOH 或 0.1 mol·L-1HCl調節pH值至5.5～6.0。

表1 水稻常規營養液配方Table 1 Formula of the Nutrition Solution of Rice Culture in Pot Experiment

分別于水稻分蘗期、孕穗期、灌漿期、成熟期采集水稻樣品，將水稻各部位按要求分開。分蘗期、孕穗期、灌漿期收獲根、莖、葉；成熟期收獲籽粒。將鮮樣分別裝袋，放至烘箱，先在105 ℃殺青15～20 min，再在70～80 ℃下烘干至恒重，以供后期測定Cd含量。

1.3 測定方法

水稻Cd質量分數（mg·kg-1）采用HNO3-HClO4消煮，石墨爐原子吸收法（陳同斌等，2006）測定。

1.4 數據處理

利用Excel 2003和SPSS 13.0對數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 不同水稻品種籽粒Cd質量分數差異

不同品種的水稻籽粒 Cd質量分數在不同 Cd處理濃度之間差異明顯，均隨著Cd處理濃度的增加，呈現顯著上升的趨勢（表2）。隨著Cd處理濃度的增加，籽粒Cd質量分數增加幅度總體表現為：輻優838﹥D83A/R527（表2）。D83A/R527在3.0 mg·L-1Cd質量濃度脅迫下籽粒內Cd質量分數超過了0.2 mg·kg-1食品污染物限量標準（GB 2762-2012），而輻優838在1.0 mg·L-1Cd質量濃度脅迫下籽粒內Cd含量就已超標。

表2 不同水稻品種籽粒Cd質量分數Table 2 Cd Accumulation in Grains of Different Rice Varieties mg·kg-1

兩種水稻品種在不同Cd脅迫下籽粒Cd質量分數差異顯著。在0.5 mg·L-1Cd質量濃度脅迫下，輻優838籽粒內Cd質量分數為D83A/R527的2.26倍；隨著Cd處理質量濃度的上升，不同品種水稻籽粒Cd質量分數差異逐漸縮小，1.0～3.0 mg·L-1Cd質量濃度脅迫下，D83A/R527籽粒內Cd質量分數是輻優838的50%～60%。

2.2 不同生育期雜交水稻各部位對 Cd吸收的動態變化

2.2.1 分蘗期各部位對Cd吸收的動態變化

分蘗期不同水稻品種根、莖、葉內Cd質量分數的分析結果見表3。D83A/R527與輻優838在不同Cd質量濃度脅迫下各部位Cd質量分數均表現為：根>莖>葉，其中輻優838 各部位Cd質量分數均高于D83A/R527對應各部位質量分數。

D83A/R527各部位在不同Cd處理質量濃度脅迫下根、莖、葉內Cd質量分數差異顯著。各部位Cd質量分數隨著Cd脅迫處理濃度增加而增大，根內Cd質量分數顯著高于莖、葉。D83A/R527在0.5 mg·L-1Cd脅迫下，根內 Cd質量分數為莖的 2.03倍，葉的6.64倍；莖內Cd質量分數為葉內的1.8倍。在1.0 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數是莖、葉內Cd質量分數的2.70倍和4.43倍；莖內Cd質量分數為葉片的1.64倍。根部與莖部Cd質量分數差距在逐步擴大，而根部與葉片、莖部與葉片之間的差距在逐漸縮小。在3.0 mg·L-1Cd處理時，根、莖、葉內Cd質量分數均較高，根內Cd質量分數為莖的2.8倍，其差距進一步擴大；根內Cd質量分數為葉內的4.6倍，莖內Cd質量分數為葉的1.65倍，其差距與1.0 mg·L-1Cd質量濃度處理結果接近。這說明，當中、高濃度 Cd（1.0～3.0 mg·L-1）脅迫時，隨著Cd處理濃度的增加，水稻D83A/R527根、莖、葉內的分配系數較為穩定，向地上部分（莖、葉）的運輸處于相對穩定的分配狀態。

表3 分蘗期不同水稻品種不同部位Cd質量分數Table 3 Cd Content in Different Parts Between the Different Varieties of Rice in Tillering Stage mg·kg-1

輻優838在0.5 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數是莖內的1.69倍，是葉內的3.21倍；莖內Cd質量分數是葉片的1.89倍。在1.0 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數為莖的2.43倍，為葉內的3.81倍；莖內Cd質量分數為葉的1.57倍。在3.0 mg·L-1Cd脅迫時，根系Cd質量分數是莖內的2.47倍，是葉內的3.70倍；莖內Cd質量分數是葉片的1.50倍。這說明，不管是低濃度Cd處理，還是高濃度Cd處理，輻優838體內Cd的分配系數變化不大，莖內Cd質量分數是根部Cd質量分數的1/2左右，葉片Cd質量分數是根部Cd質量分數的1/3左右，葉片Cd質量分數是莖內Cd質量分數的1/2左右。其向地上部分運輸基本上是隨著Cd處理濃度的上升而增加，這可能是輻優838收獲部分（籽粒）中Cd積累較多的原因。

輻優 838各部位 Cd質量分數均高于D83A/R527對應各部位質量分數。在0.5 mg·L-1Cd脅迫下，水稻D83A/R527根、莖、葉內Cd質量分數分別為輻優838的82%、69%和72%。1.0 mg·L-1Cd處理時，D83A/R527根、莖、葉內Cd質量分數為輻優838的66%、60%和57%。3.0 mg·L-1Cd處理下，D83A/R527根、莖、葉內Cd質量分數分別為輻優838的72%、63%和58%。這進一步說明，在水稻分蘗期，中、高濃度Cd處理，水稻D83A/R527的排異性非常明顯，不僅莖葉部分積累相對較少，且具有較為恒定的比例外，根系Cd的積累也是明顯較低，其毒害作用明顯小于輻優838。

2.2.2 孕穗期各部位對Cd吸收的動態變化

從孕穗期不同水稻品種根、莖、葉內Cd質量分數來看（表4），D83A/R527在0.5 mg·L-1Cd水平下，根內Cd質量分數為莖的2.16倍，為葉內的4.1倍。在1.0 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數為莖內的3.99倍，為葉內的2.59倍。在3.0 mg·L-1Cd處理下，根內Cd質量分數為莖的2.31倍，為葉內的3.39倍?？傮w表現為，隨著Cd處理濃度的增加，根系積累和分配的比例逐漸擴大。在0.5～1.0 mg·L-1Cd處理濃度下，根內Cd質量分數與莖、葉Cd質量分數之間的分配比例差異明顯；在3.0 mg·L-1Cd處理時，又與低濃度Cd處理（0.5 mg·L-1）的分配趨勢近似。這說明，低吸收累積Cd的水稻品種，根系是吸收積累Cd，過濾Cd毒害的主要器官，且在中等程度脅迫（1.0 mg·L-1Cd）時，根系富集作用更為明顯。

表4 孕穗期不同水稻品種不同部位Cd質量分數Table 4 Cd Content in Different Parts Between the Different Varieties of Rice in Booting Stage mg·kg-1

輻優838各部位在不同Cd處理濃度脅迫下根、莖、葉內Cd質量分數差異顯著。在 0.5 mg·L-1Cd脅迫下，葉內Cd質量分數為莖內的60%，為根內的29%。在1.0 mg·L-1Cd處理時，葉內Cd質量分數為莖的71%，為根內的32%左右。在3.0 mg·L-1Cd脅迫下，葉內Cd質量分數為莖內的78%，為根內的36%。由此可以看出，隨著Cd處理濃度的增加，Cd在地上部分（莖、葉）中的分配比例逐漸提高，吸收累積的Cd向地上部分運輸能力越來越強。

2.2.3 灌漿期各部位對Cd吸收的動態變化

孕穗期不同水稻品種根、莖、葉內Cd質量分數的分析結果見表 5。水稻品種 D83A/R527，在0.5～3.0 mg·L-1Cd處理下，葉片Cd質量分數占根內Cd質量分數的比例相對較為恒定，在20%～25%之間變化；莖內Cd質量分數占根系Cd質量分數比例變化幅度較大，在35%～55%左右變化，且隨著Cd處理濃度的增加，葉片Cd質量分數占根系Cd質量分數的比例逐漸下降；莖內 Cd質量分數以 1.0 mg·L-1Cd處理時，占根系Cd質量分數的比例最高（55%）。這說明，隨著Cd處理濃度的增加，葉片Cd吸收積累的比例明顯下降，莖、葉部分Cd吸收分配的總體比例逐漸下降。

輻優838各部位在不同Cd處理濃度脅迫下根、莖、葉內Cd質量分數差異達極顯著水平。在0.5～3.0 mg·L-1Cd脅迫下，根內Cd質量分數與莖內Cd質量分數和葉內Cd質量分數的差異明顯小于水稻品種D83A/R527，其總體分配比例變化趨勢基本一致。

表5 灌漿期不同水稻品種不同部位Cd質量分數Table 5 Cd Content in Different Parts Between the Different Varieties of Rice in Filling Stage mg·kg-1

總體來看，低鎘吸收水稻品種D83A/R527根系Cd質量分數與莖、葉內Cd質量分數之間的差異，主要體現在根系Cd質量分數與葉片Cd質量分數之間的差異，Cd從根系—莖—葉的吸收累積效率上，主要表現為根系、莖積累為主，葉片Cd積累相對較少，這樣向地上部分運輸和吸收累積進入籽粒中的Cd就會相對較少。而高Cd吸收累積水稻品種輻優838則表現為，從根系—莖—葉的吸收累積效率相對較高，特別是在中、高質量濃度 Cd處理（1.0～3.0 mg·L-1）時，向地上部分（莖、葉）轉運的比例相對較高，且莖、葉之間差異相對較小。

3 結論

（1）隨著 Cd處理濃度的增加，輻優 838與D83A/R527籽粒內Cd質量分數均增加，其累積增加量和比例均表現為：輻優838>D83A/R527。若在受Cd污染的土壤上種植水稻，應優先選擇籽粒Cd積累量少的水稻品種D83A/R527，降低Cd通過食物鏈進入人體的風險。

（2）不同生育期水稻根、莖、葉對 Cd的吸收及其動態變化的分析結果表明，隨著Cd處理濃度的增加和水稻生育時期的延長，兩種水稻各部位Cd吸收積累量均表現為逐漸增加，其增加比例表現為：輻優 838>D83A/R527。在 1.0～3.0 mg·L-1Cd處理時，水稻Cd吸收積累差異較為顯著的時期為灌漿期。輻優838的根系向莖、葉轉移效率大于D83A/R527，且D83A/R527主要表現為由根系向莖Cd轉移效率較高，但葉片Cd積累相對較少，這可能是引起成熟期籽粒Cd積累量低的重要原因。灌漿期是水稻籽粒干物質積累的重要時期，也是吸收累積Cd的重要時期，這為篩選低吸收積累水稻品種和調控Cd在水稻籽粒中的吸收累積奠定了重要理論基礎。

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