光照時(shí)間對(duì)不同鎘耐受水稻品種鎘積累的影響

摘要： 【目的】品種性狀和環(huán)境因素均影響水稻對(duì)鎘（Cd） 的積累，通過分析不同光照時(shí)間下不同鎘耐受品種水稻的生長及Cd 積累和分配，為調(diào)控水稻Cd 積累提供技術(shù)參考。【方法】采用水培試驗(yàn)方法，供試材料為兩個(gè)高Cd 積累品種‘玉針香’、‘湘晚秈12 號(hào)’和1 個(gè)Cd 吸收主效基因Nramp5 缺失品種‘韶香100’。營養(yǎng)液中添加 1 μmol/L Cd 模擬Cd 脅迫條件，設(shè)置光照/黑暗為12 h/12 h、16 h/8 h 兩個(gè)光照處理。在分蘗期調(diào)查水稻植株生長指標(biāo)、各部位Cd 含量、亞細(xì)胞各成分（細(xì)胞壁、細(xì)胞器、可溶性部分） 中Cd 含量與分配，以及Cd 主要吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)的差異。【結(jié)果】與光照12 h 相比，光照16 h 各水稻品種的SPAD 值顯著上升，‘玉針香’株高顯著降低，而‘湘晚秈12 號(hào)’和‘韶香100’株高則顯著增加；3 個(gè)品種根體積和根干重均降低；各品種水稻地上部和根部Cd 含量提高，反映在亞細(xì)胞水平上，‘玉針香’品種細(xì)胞壁和細(xì)胞器內(nèi)Cd 含量顯著上升，而細(xì)胞可溶性部分Cd 含量顯著下降，而‘韶香100”和‘湘晚秈12 號(hào)’各亞細(xì)胞組分的Cd 含量均增加。相比于光照12 h，光照16 h 下‘玉針香’地上部中Cd 吸收基因OsNramp5 表達(dá)水平上調(diào)，而‘湘晚秈12 號(hào)’OsNramp5 表達(dá)水平下調(diào)；負(fù)責(zé)液泡Cd 富集的基因OsHMA3 在‘玉針香’和‘韶香100’兩品種中表達(dá)上調(diào)，在‘湘晚秈12 號(hào)’中表達(dá)下調(diào)。【結(jié)論】無論品種是否耐受Cd，延長光照時(shí)間可顯著降低Cd 脅迫下水稻根系的生長發(fā)育，提高水稻體內(nèi)的Cd 含量。不同Cd 積累特性品種亞細(xì)胞成分中Cd 的分配差異受吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)基因調(diào)控，并由此導(dǎo)致Cd 脅迫下植株地上部和根部生長的差異。延長光照時(shí)間導(dǎo)致同一Cd 吸收分配調(diào)節(jié)基因在不同水稻品種表達(dá)的差異及其作用還需進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞： 水稻；光照時(shí)間；鎘吸收；根系形態(tài)；亞細(xì)胞分配；鎘吸收基因Nramp5；液泡鎘螯合基因OsHMA3

鎘（Cd） 是生物活性極強(qiáng)的有毒重金屬元素，過量積累會(huì)阻礙植物生長，同時(shí)可以通過食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)并長期積累，危害人體健康[1?2]。長期暴露在Cd 環(huán)境下，Cd 會(huì)通過腸道吸收進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)，在體內(nèi)形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，從而在人體的重要器官如肝臟、腎臟、骨骼等部位積累，對(duì)人體健康構(gòu)成很大威脅[3?4]。自然環(huán)境中的Cd 背景值較低，但隨著工業(yè)的發(fā)展，大量的Cd 被釋放進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，造成農(nóng)田土壤中的鎘嚴(yán)重超標(biāo)。水稻作為主要的糧食作物，其產(chǎn)區(qū)土壤中Cd 污染問題的解決對(duì)國內(nèi)糧食安全和公眾健康具有重要意義[5]。在Cd 污染稻田中，尤其是南方酸性土壤，Cd 離子通過根系進(jìn)入水稻體內(nèi)，對(duì)水稻生長發(fā)育及體內(nèi)重要生理過程，如光合作用、氮代謝等產(chǎn)生影響，最終導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降[6?7]。研究表明，高濃度的Cd 會(huì)引起水稻葉片變黃、萎縮以及根系腐爛等癥狀，嚴(yán)重影響水稻的正常生長[8]。因此，Cd 在水稻體內(nèi)累積特性的研究對(duì)定向培育耐隔、低鎘水稻新品種及農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

環(huán)境因素（土壤質(zhì)地、水分、溫度、光照等） 對(duì)水稻的生長發(fā)育具有重要影響，同時(shí)也會(huì)影響水稻體內(nèi)的Cd 累積特性。研究表明，水稻Cd 積累與土壤鎘活性密切相關(guān)，而土壤鎘活性因土壤類型、鎘濃度、酸堿度和氧化還原電位以及有機(jī)質(zhì)含量及其組分而異[9?11]。在一定范圍內(nèi)，提高空氣溫度會(huì)增加水稻體內(nèi)的Cd 含量[12]，但這種相關(guān)性也會(huì)受到水稻品種的影響[13?14]。研究發(fā)現(xiàn)，水分對(duì)水稻生長及重金屬Cd 在土壤－水稻系統(tǒng)中的遷移作用影響顯著，淹水灌溉較干濕交替灌溉降低了水稻對(duì)Cd 的吸收[15]。此外，通過田間小區(qū)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同水分處理的水稻糙米Cd 含量順序?yàn)椋?旱作gt;間歇灌溉gt;全生育期淹水灌溉[16]。光照是影響植物生長發(fā)育的重要因素之一，其通過促進(jìn)植物葉綠體的發(fā)育，進(jìn)而促進(jìn)子葉生長發(fā)育[17]。光照對(duì)水稻產(chǎn)量及品質(zhì)也有一定的影響，有研究發(fā)現(xiàn)，在12 h 的光照條件下，植株的產(chǎn)量最高，而在持續(xù)的光照條件下，分蘗數(shù)量增多但產(chǎn)量較低[18]。前人研究還發(fā)現(xiàn)，隨著光照時(shí)間的增加，晚稻籽粒中的Cd 含量普遍高于早稻，并推斷是光照通過影響根系的Cd 吸收能力，進(jìn)而影響Cd 在植物不同組織部位中的分布[19?20]。因此，探究光照時(shí)間對(duì)水稻Cd 累積特性的影響，對(duì)理解和調(diào)控水稻中Cd 的積累機(jī)制具有重要意義。

水稻對(duì)Cd 的敏感性和耐受性與栽培品種有關(guān)，不同水稻品種在Cd 積累上存在顯著差異[21]。‘韶香100’被認(rèn)為是低鎘累積的水稻品種，是優(yōu)質(zhì)稻種‘44-5’通過重離子輻射誘變方法篩選出的新品種，由于該品種OsNRAMP5 基因丟失，從而獲得了低Cd 累積的特性，并在多地進(jìn)行了測試和試驗(yàn)[22]?！襻樝恪鳛楦哝k累積品種，其籽粒中的Cd 含量可達(dá)中國國家食品安全標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg/kg） 的1.4～5.8 倍[23]?！嫱矶i12 號(hào)’是湖南省水稻研究所選育的中熟優(yōu)質(zhì)常規(guī)晚秈稻品種，相比于‘玉針香’，‘湘晚秈12 號(hào)’被認(rèn)為是低Cd 累積的水稻品種。已有研究對(duì)晚稻品種‘玉針香’和‘湘晚秈12 號(hào)’在4 個(gè)生育時(shí)期3 個(gè)溫度環(huán)境進(jìn)行了持續(xù)6 天的Cd 處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)供試品種吸Cd 趨勢一致，但‘玉針香’在4 個(gè)生育時(shí)期的Cd 含量高于‘湘晚秈12 號(hào)’[13]。而栽培過程中的光照時(shí)間對(duì)水稻Cd 累積影響的研究較少，因此，本研究以高Cd 積累品種‘玉針香’、‘湘晚秈12 號(hào)’和Cd 吸收主效基因Nramp5 缺失品種‘韶香100’3 個(gè)水稻品種為材料，利用分子、生理學(xué)等研究方法，探究不同光照時(shí)間對(duì)Cd 脅迫環(huán)境下水稻生長、Cd 積累和相關(guān)基因表達(dá)的影響，為鎘污染農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料和生長條件

供試材料：供試水稻品種來自湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，包括高Cd 積累品種‘玉針香’、‘湘晚秈12 號(hào)’和Cd 吸收主效基因Nramp5 缺失品種‘韶香100’。

生長條件：將飽滿的水稻種子在去離子水中浸泡2 天后，轉(zhuǎn)移至恒溫箱（37°C，16 h） 中進(jìn)行催芽處理。將已發(fā)芽的種子播種于底部被切除的96 孔PCR 板上，然后置于盛滿去離子水的培養(yǎng)盒中繼續(xù)培養(yǎng)。培養(yǎng)7 天后，選取長勢一致的幼苗，移植于含Cd 的Yoshida 營養(yǎng)液（pH 5.8） 中進(jìn)行培養(yǎng)，營養(yǎng)液成分如下：0.37 mmol/L CaCl2、0.17 mmol/LNaH2PO4、0.47 mmol/L MgSO4、0.27 mmol/L K2SO4、0.70 mmol/L （NH4）2SO4、45 μmol/L Fe-EDTA、0.17mmol/L Na2 SiO3、15 μmol/L H3BO3、8 μmol/LMnSO4、0.07 mmol/L NaMoO4、0.15 μmol/L ZnSO4、0.16 μmol/L CuSO4 和1 μmol/L Cd2+[24]。移植后的水稻材料，放置于溫室中進(jìn)行不同光照時(shí)間處理，試驗(yàn)設(shè)置2 個(gè)光照時(shí)間條件，分別為12 h 光照/12 h 黑暗和16 h 光照/8 h 黑暗的晝夜循環(huán)條件，期間每4 天更換1 次營養(yǎng)液，直至分蘗初期，進(jìn)行水稻相關(guān)生理指標(biāo)的測定，每個(gè)材料設(shè)置5 株水稻作為重復(fù)，確保數(shù)據(jù)的可靠性。

1.2 生長指標(biāo)測定

利用SPAD 儀，對(duì)每株水稻的頂端葉進(jìn)行SPAD值測定，同一片葉進(jìn)行5 次測量，取5 次測量的平均值作為該株水稻的SPAD 值。

1.3 生物量的測定以及元素含量測定

于分蘗初期，以單株為1 個(gè)樣本，共取4 個(gè)樣本作為重復(fù)。先將水稻株系分為地上部和根部，分別用1 μmol/L CaCl2 溶液浸泡，隨后用去離子水沖洗干凈。將沖洗干凈的組織樣本，于75°C 烘箱中干燥1 天后稱取干重。以優(yōu)級(jí)純HNO3 浸泡樣本過夜，然后在100°C 消煮2 h，將消解液稀釋、定容、過濾，用 ICP-MS 測量Cd 元素含量。

1.4 亞細(xì)胞組分的提取以及含量測定

采用差速離心法提取各亞細(xì)胞組分[ 2 5 ]，稱?。?.000±0.005） g 地上部鮮樣，置于研缽中，加入8 mL提取劑（250 mmol/L 蔗糖；50 mmol/L Tris-HCl，pH7.5；1 mmol/L 二硫蘇糖醇） 于冰上研磨形成勻漿。將勻漿轉(zhuǎn)移至10 mL 離心管中，300×g 離心30 s，殘?jiān)鼮榧?xì)胞壁。將濾液轉(zhuǎn)移至新的10 mL 離心管中，20000×g 離心45 min，沉淀為細(xì)胞器，上清為可溶部分。提取的細(xì)胞壁和細(xì)胞器分別于烘箱中干燥，加入1 mL 優(yōu)級(jí)純HNO3 消化過夜后進(jìn)行消煮（100°C，2 h），消煮完成后，將消解液稀釋定容，過濾后使用ICP-MS 測定Cd 濃度；可溶性部分直接加HNO3 消化并消煮，消煮完成后，將消解液稀釋定容，過濾后用 ICP-MS 測定Cd 濃度。

1.5 根系掃描與構(gòu)型分析

利用根系掃描儀（ M I C R O T E K S c a n M a k e ri800plus） 對(duì)水稻根系構(gòu)型進(jìn)行分析。將水稻根系完整剪下，使用清水進(jìn)行充分漂洗。隨后，將清洗后的根系平鋪于樣品槽內(nèi)，盡可能地散開根系，避免重疊，進(jìn)行掃描。掃描完成后，使用 LA-S 根系掃描分析軟件（MICROTEK Scan Maer i800plus） 對(duì)掃描的根系圖片進(jìn)行根系構(gòu)型分析。

1.6 實(shí)時(shí)熒光定量PCR

使用Trizol 試劑（Invitrogen） 提取水稻根系以及根莖結(jié)合處的RNA，并利用HiscriptII RT SuperMixKit （Vazyme） 將RNA 逆轉(zhuǎn)錄合成cDNA。隨后使用ChamQTM SYBR Color qPCR Master Mix （Vazyme）和Step One Plus 實(shí)時(shí)PCR 系統(tǒng)進(jìn)行qRT-PCR。所使用的引物序列詳見表1?；虮磉_(dá)量的相對(duì)表達(dá)水平將通過2?ΔCt 公式計(jì)算得出。

1.7 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析，并通過Tukey 方法進(jìn)行多重比較，Plt;0.05 為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，使用Origin 2018 軟件繪制柱狀圖和基因表達(dá)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光照時(shí)間對(duì)水稻地上部生長的影響

如圖1 所示，不同水稻品種生長發(fā)育對(duì)光照時(shí)間的敏感程度存在顯著差異（圖1A），與12 h 光照處理相比，16 h 光照條件下，各品種水稻的SPAD 值和株高顯著增加（圖1B、C）；“玉珍香”和 ‘韶香100’2 個(gè)品種的葉面積在不同光照時(shí)間處理下未表現(xiàn)出顯著差異，而‘湘晚秈12 號(hào)’在16 h 光照處理下的葉面積較12 h 光照處理顯著增加（圖1D）。在12 h光照處理下，“玉珍香”和‘韶香100’的地上部干重顯著高于16 h 光照處理，而‘湘晚秈12 號(hào)’在兩個(gè)處理之間沒有顯著差異（圖1E）。與12 h 光照處理相比，16 h 光照處理能夠顯著促進(jìn)水稻植株的生長。

2.2 不同光照時(shí)間對(duì)水稻根系生長的影響

與光照12 h 相比，光照時(shí)間延長到16 h 對(duì)水稻品種的根系生長產(chǎn)生了顯著不同的影響（圖2A）。兩個(gè)Cd 積累型品種‘玉針香’和‘韶香100’的根尖數(shù)量和根表面積均顯著降低（圖2B、C），但主根長度未發(fā)生顯著變化（圖2D），而拒Cd 型品種‘湘晚秈12 號(hào)’的主根長度顯著增加（圖2D）。在Cd 脅迫條件下，盡管品種間存在差異，但長光照時(shí)間使了3 個(gè)品種的根體積顯著下降（Plt;0.05），根干重也呈降低趨勢（圖2E、F）。

2.3 不同光照時(shí)間對(duì)水稻鎘鐵、鋅元素含量的影響

在12 h 光照條件下，‘玉針香’和‘湘晚秈12 號(hào)’地上部Cd 濃度顯著高于‘韶香100’ （圖3A）。與12 h 光照相比，16 h 光照條件下‘玉針香’和‘湘晚秈12 號(hào)’地上部和根部的Cd 濃度均顯著增加，且根部Cd 濃度高于地上部（圖3A）。此外，光照時(shí)間的延長顯著提高了3 個(gè)品種根部的鐵（Fe） 濃度（圖3B）和‘韶香100’根部的鋅（Zn） 濃度（圖3C）。綜上所述，光照時(shí)間的增加促進(jìn)了不同水稻品種地上部和根部Cd 濃度的增加，同時(shí)對(duì)Fe 和Zn 的累積也有一定影響。

2.4 光照時(shí)間對(duì)不同水稻品種亞細(xì)胞組分Cd 濃度的影響

由圖4 可以看出，相比于短光照12 h 處理，長光照16 h 處理顯著提高了高Cd 積累品種‘玉針香’細(xì)胞壁和細(xì)胞器內(nèi)的Cd 濃度，降低了細(xì)胞可溶性部分的Cd 濃度，表明增加光照時(shí)間誘導(dǎo) ‘玉針香’ 通過增強(qiáng)細(xì)胞壁和細(xì)胞器對(duì)Cd 的結(jié)合能力，來降低細(xì)胞內(nèi)可溶部分Cd 的濃度，從而減輕Cd 對(duì)細(xì)胞內(nèi)代謝活動(dòng)的影響；高Cd 積累品種‘湘晚秈12 號(hào)’在光照時(shí)間增加后，細(xì)胞壁、細(xì)胞器以及細(xì)胞可溶性部分的Cd 濃度均顯著增加，但各亞細(xì)胞部位的分配沒有顯著變化；而拒Cd 品種‘韶香100’在光照時(shí)間延長后，各亞細(xì)胞組分的Cd 濃度及占比均沒有顯著變化，可能是由于其缺失了Cd 吸收主效基因Nramp5，本身對(duì)Cd 的吸收和積累能力較弱所致。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Cd 脅迫條件下，3 個(gè)水稻品種根系組織中Cd 的含量分配比例均為細(xì)胞可溶性部分gt;細(xì)胞壁gt;細(xì)胞器，表明水稻吸收的Cd 主要存在于細(xì)胞可溶部分和細(xì)胞壁中，較少進(jìn)入細(xì)胞器。

2.5 光照時(shí)間增加對(duì)水稻Cd 吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)的影響

由圖5 可知，與12 h 光照相比，16 h 光照條件下‘玉針香’中參與Cd 吸收的基因OsNramp5 表達(dá)量顯著增加，而‘湘晚秈12 號(hào)’中顯著下降；‘韶香100’自身為Cd 吸收主效基因Nramp5 缺失品種，因此沒有檢測Nramp5 的轉(zhuǎn)錄表達(dá)水平。另一方面，液泡中Cd 螯合基因OsHMA3 在‘玉針香’ 、‘韶香100’品種中，延長光照時(shí)間后，其表達(dá)量顯著增加，而在‘湘晚秈12 號(hào)’中顯著減少。這些結(jié)果表明，光照時(shí)間對(duì)Cd 相關(guān)基因的表達(dá)有顯著影響，且這種影響因品種而異。

3 討論

Cd 是強(qiáng)毒性重金屬，抑制植物的細(xì)胞分裂和對(duì)代謝產(chǎn)生影響，嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育[26]。研究表明，一定濃度的Cd 會(huì)抑制水稻原生根的延長以及側(cè)根產(chǎn)生[10， 27?28]。然而，不同水稻品種對(duì)Cd 的吸收和積累存在差異，進(jìn)而對(duì)Cd 脅迫的響應(yīng)及耐受性程度也不一致。光照是水稻生長發(fā)育的必需因子之一，直接影響植物體內(nèi)的生理生化、光合作用和生理代謝等過程，且光照時(shí)長的增加在一定范圍內(nèi)能夠促進(jìn)水稻的生長發(fā)育[17]。前人研究發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)品種對(duì)光照的利用效率要高于低產(chǎn)品種[29]。本研究選用3 種不同Cd 積累特性水稻品種，探討Cd 脅迫下光照時(shí)間對(duì)其生長發(fā)育的影響。結(jié)果表明，隨著光照時(shí)間從12 h 延長至16 h，各品種水稻的SPAD 值均顯著增加（圖1），說明光照時(shí)間的增加促進(jìn)了水稻光合作用和生長發(fā)育。然而，光照時(shí)間對(duì)地上部干重和葉面積的影響因品種而異，這可能與各品種的光合特性和光照利用效率有關(guān)。另一方面，植物根部是植物體吸收水分和養(yǎng)分的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是吸收Cd 等重金屬的主要器官，這一特性使根部受到Cd 脅迫的影響要早于其他組織部位。對(duì)3 個(gè)品種的根系構(gòu)型進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著光照時(shí)長從12 h 延長至16 h，‘玉針香’ 和 ‘韶香100’ 的根尖數(shù)量和根面積隨光照時(shí)長增加而顯著降低，而湘晚秈12 號(hào)的主根長度顯著增加，此外，3 個(gè)品種的根體積和根干重下降（圖2）。說明光照可以通過影響水稻鎘脅迫下的根系形態(tài)來提高水稻對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

在一定的范圍內(nèi)，光照會(huì)影響Cd 在水稻體內(nèi)的累積。前人研究認(rèn)為，隨著光照時(shí)間的增加，籽粒中Cd 含量也隨之提高，但品種間鎘累積量有差異，其中接受光照時(shí)間較長的品種其鎘含量普遍高于接受光照時(shí)間較短的水稻品種[19?20]。本研究結(jié)果表明，隨著光照時(shí)間由12 h 延長至16 h，3 種水稻品種地上部和根部的Cd 含量均呈現(xiàn)上升趨勢（圖3）。當(dāng)Cd 進(jìn)入水稻細(xì)胞后，細(xì)胞壁纖維素、半纖維素和果膠等成分與Cd 離子結(jié)合，有效阻止Cd 進(jìn)入原生質(zhì)層；而進(jìn)入細(xì)胞后的Cd 大部分以螯合態(tài)存在，與谷胱甘肽（GSH）、植物螯合肽（PC） 等小分子化合物螯合，進(jìn)一步減少Cd 與活性蛋白質(zhì)的結(jié)合[30?31]。由于多層防御機(jī)制，導(dǎo)致根系吸收的Cd 在水稻體內(nèi)呈現(xiàn)差異性分布，因此，通過亞細(xì)胞水平研究的方法，可深入了解水稻Cd 積累的分布性差異。有研究表明，水稻亞細(xì)胞組分的Cd 含量趨勢為細(xì)胞壁gt;可溶部分gt;細(xì)胞器，但這種趨勢也會(huì)因品種而異[32]。本研究對(duì)根系亞細(xì)胞水平的Cd 分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)雖然3 種不同Cd 積累特性的水稻品種在不同光照時(shí)間的影響下，其根細(xì)胞亞細(xì)胞組分中Cd 含量發(fā)生了顯著變化，但3 個(gè)品種根細(xì)胞亞細(xì)胞組分中的Cd 含量趨勢一致，均表現(xiàn)為：可溶部分gt;細(xì)胞壁gt;細(xì)胞器（圖4）。

Cd 通過與鋅（Zn）、鐵（Fe） 和鈣（Ca） 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相互作用，進(jìn)入植物細(xì)胞內(nèi)部[33?35]。有很多的離子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可以轉(zhuǎn)運(yùn)游離形態(tài)的Cd2+進(jìn)入根細(xì)胞，如NRAMP家族OsNRAMP5 蛋白，敲除OsNRAMP5 能減少水稻中Cd 的攝取和積累，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)Cd 的耐受性，并改善錳（Mn） 的分配，對(duì)降低水稻Cd 毒性和積累風(fēng)險(xiǎn)具有重要作用[36]。OsHMA3 作為重金屬ATP 酶（HMA） 家族成員，在水稻根部定位于液泡膜，并調(diào)控Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)，其過表達(dá)減少了籽粒中Cd 積累，同時(shí)增強(qiáng)了水稻對(duì)Cd 的耐受性[37]。在本研究中，當(dāng)光照時(shí)間從12 h 增加至16 h 后，在‘玉針香’ 品種中，Cd 吸收的關(guān)鍵基因OsNramp5 的表達(dá)水平顯著上調(diào)，促進(jìn)了‘玉針香’對(duì)Cd 的吸收，進(jìn)而增加了植株體內(nèi)Cd 的累積。而對(duì)于 ‘湘晚秈12 號(hào)’ 品種，OsHMA3 負(fù)責(zé)液泡Cd 的儲(chǔ)存、區(qū)隔化，光照時(shí)長的延長抑制了OsHMA3 的表達(dá)，鑒于OsHMA3在Cd 的液泡隔離和解毒過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其表達(dá)水平的下調(diào)可能降低了 ‘湘晚秈12 號(hào)’將Cd 富集和隔離于液泡中的能力，從而增加了Cd在細(xì)胞質(zhì)中的累積。在 ‘韶香100’ 品種中，觀察到了與 ‘湘晚秈12 號(hào)’中不同的趨勢，其光照時(shí)間的增加促進(jìn)了OsHMA3 基因的表達(dá)，表明 ‘韶香100’可能通過增強(qiáng)Cd 在液泡中的存儲(chǔ)和區(qū)隔化，來提高其對(duì)Cd 脅迫的耐受性，這些基因的差異性表達(dá)也是不同水稻品種適應(yīng)Cd 脅迫條件的調(diào)節(jié)方式之一。本研究系統(tǒng)揭示了光照時(shí)間對(duì)水稻生長發(fā)育、Cd 吸收和積累的影響，為深入探究植物在復(fù)雜環(huán)境條件下調(diào)節(jié)重金屬吸收和分配的分子機(jī)制奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

Cd 脅迫條件下，延長光照時(shí)間促進(jìn)了水稻高Cd 積累品種 ‘玉針香’ 、‘湘晚秈12 號(hào)’根尖數(shù)量和根面積的增加，增加了Cd 吸收主效基因Nramp5 缺失品種 ‘韶香100’主根長度，因而促進(jìn)了Cd 的吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)。亞細(xì)胞水平分析表明，延長光照不同程度增加了3 個(gè)品種細(xì)胞壁和細(xì)胞器內(nèi)Cd 的含量占比，Cd 吸收和液泡Cd 螯合相關(guān)基因的表達(dá)量變化與Cd 亞細(xì)胞水平分配的變化不完全一致，具體基因調(diào)節(jié)機(jī)制還需進(jìn)一步研究。