稻米Cd低积累分子生理机制的研究进展

叶瑶瑶，王飞娟，俞 娇，石晓柳，朱 诚，蔡 冲

（中国计量学院生命科学学院，浙江杭州310018）

近年来，随着经济以及工农业的快速发展，工业“三废”排放量逐渐增加，固体废弃物的乱丢弃，污水灌溉农田以及农业自身污染的加剧，我国有大量的农田受到重金属Cd的污染，这会影响作物的生长发育进而导致产量的下降，而且更有可能造成作物产品中重金属积累过多，最终会严重危险人类健康。据中华网等多处报道，我国受重金属污染（Cd、As、Cr、Pb等）的耕地为全国农田总数的1/6，近3亿亩；重金属污染对我们的粮食及经济都造成了很大的损失。据统计，我国每年因重金属污染而损失的粮食达1200万t，造成直接经济损失超过200亿元[1-2]。“砷毒”、“血铅”、“镉米”等事件已屡见报道，给我国粮食生产安全和人民健康带来了严重的风险和危害。同时稻米重金属污染显然已经成为制约我国发展安全（无公害）稻米的重要制约因子，而Cd是我国稻田和稻米污染较为严重且普遍的主要重金属元素，因此Cd污染备受学者和人们的关注，很多学者开始致力于这方面的研究[3]。水稻是重要的粮食作物，全球一半以上的人口以稻米为主食，在世界上一百二十个国家和地区都广泛栽培种植。因此，水稻的重金属污染问题已经引起各国政府部门的高度重视和人们的广泛关注。Cd的毒性极强，在土壤中的化学活性也较强，极易被植物所吸收。而水稻具有大量吸收积累Cd的特性，且有时自身的生长并未受到影响，但糙米中的Cd含量却已超过标准，进而直接影响食用稻米的安全，对人们的健康造成威胁。为此，世界上相关组织对粮食以及食品中的Cd含量制定了最高的限制标准。在我国，稻米中Cd含量最高限制标准为0.2mg·kg-1，日本则限制为0.1mg·kg-1，国际食品法典委员会（Codes Alimentarius Commission，2001）建议禾谷类粮食中Cd的最高限制为0.1mg·kg-1，到2004年，建议水稻精米中Cd的最高限制量为0.4mg·kg-1[4]。这一系列限制标准的制定及补充给水稻等粮食作物的生产提出了更高的要求和挑战，这对社会的稳定、人类健康和各国经济的发展具有巨大的推动作用。而土壤-作物系统中的重金属污染是一个长时间困扰着人类的世界性难题，其具有长期性、隐蔽性、不可逆性和难降解性等特点，要彻底解决现有问题并非易事。因此如何降低水稻稻米中的重金属含量，实现稻米的安全生产对全世界来说都有重大的意义。然而这一设想的实施依赖于水稻对重金属的吸收、转运规律的认识，特别是稻米重金属低积累水稻的获得及对水稻稻米重金属低积累分子生理机制的揭示。

1 重金属高低积累作物的筛选及应用

在重金属的长期毒害下，植物会渐渐进化产生多种防御机制抵抗重金属的毒害。植物在感受到胁迫信号后其生理生化和基因表达都会因此发生变化，从而引起大量的蛋白质种类和表达量上的变化，进而调整自身的生理状态或形态来适应不利环境[5-6]。近年来许多研究表明，不同作物、不同品种或不同基因型间都会对重金属的吸收及籽粒或食用部位的积累产生较大差异，一般可分为低积累型、中等积累型和高积累型[7-8]。研究工作者们开展了大量的重金属低积累作物（如小麦、大麦、豌豆、大豆、水稻、大白菜等）品种的选育和配套栽培技术措施（如水分调控、合理施肥、使用ABA等）的研究，在此期间也筛选到了一些重金属低积累品种和减少作物可食部分重金属含量的技术措施[9-10]。污染已经存在，因此我们要解决的问题是如何在中轻度Cd污染的农田上生产出安全的食品。目前一些国家已经筛选获得了如Cd低积累的硬质小麦（Triticum turgidum L.Var durum）、向日葵（Helianthus annuus）、水稻（Oryza sativa L.）和大豆（Glycine max）等，并且有些已经在实践生产中成功应用[11-12]。因此，通过挖掘作物自身的遗传潜力、选择对重金属低吸收积累作物品种和发挥根际与作物本身对污染物迁移的“过滤”和“屏障”作用，来保障在已被重金属污染土壤中生产出安全食品是完全可行的。

2 水稻积累及转运重金属的生理机制

水稻不仅是最重要的粮食作物，也是植物研究中的模式植物。研究表明水稻的不同器官对重金属元素的吸收及蓄积能力不同，通常以根＞茎＞叶＞籽粒（或糙米）的顺序递减，水稻地上和地下部Cd的积累量对于籽粒中Cd积累量有密切联系[10，13]。程旺大等[3]认为，水稻籽粒中的重金属含量并不仅仅由重金属本身决定，同时也与同化产物积累量的多少及灌浆特征参数等密切相关。因此水稻籽粒中重金属的积累受诸多生理生化过程的影响，如最先的根系对重金属的吸收能力、接着是重金属由根系至地上部的运输能力以及地上部各器官间的再分配等。植物中重金属积累并不是仅仅由一个过程决定，而是植株体内重金属吸收、转运以及分配共同作用的结果。一般认为，根是最先感受胁迫的器官，同时细胞壁是重金属进入细胞内部的第一道屏障，细胞壁对重金属沉淀作用是植物对重金属耐性的机制之一。同时植物体内一些可与重金属结合的有机化合物（MT、GSH、PC等）在水稻对重金属的解毒和减少水稻籽粒重金属的积累水平中也起着重要作用等[14-16]。

2.1 水稻Cd积累与其他元素积累的相关性

重金属元素Cd在吸收、转运和积累方面与其他一些元素（如Zn、Fe、Si等）都有联系，这些相互影响最终导致Cd在水稻籽粒中的积累和分布不同，如P与Al的含量在籽粒中不同部位存在着极显著的正相关关系，而Pb和Cd的含量与P含量没有明显的相关性，并不随着P含量的增加而增加，且其变化幅度较小[17-18]。

土壤中存在的某些金属离子或物质能对根系吸收Cd造成影响。如Ca2+可以增加水稻籽粒中Cd的积累量，而Mg2+和S则能降低水稻籽粒中Cd的积累，以硫磺粉处理为最低[19]。张海波等[20]研究表明有机酸、EDTA能有效降低水稻对Cd的吸收，在进一步的实验中还发现能抑制Cd向水稻籽粒中的转移以及在籽粒中的累积；磷肥也能影响水稻吸收积累Cd，钙镁磷和过磷酸钙则在降低水稻茎叶和糙米中Cd含量的效果最好[21]；某些改良剂也能明显抑制水稻植株对Cd的吸收作用[22]。因此实践生产中，可以通过施用不同的化肥及一些外源物质来降低水稻稻米的Cd积累，这对粮食的安全生产提供了借鉴。

2.2 水稻籽粒中Cd积累的作用途径

目前普遍认为，调节Cd在水稻地上部及籽粒中积累的运输机制有三种：a.根的吸收；b.木质部调节的向地上部运输；c.韧皮部向籽粒中的转运[23]，但起决定性作用的为何种途径还不明确。如Liu等[24]报道Cd在水稻籽粒中的积累量与水稻地上和地下部中Cd的积累量、地上地下部及籽粒三者间Cd的分配速率成正相关；水稻根对Cd的吸收以及保持能力在Cd向地上部转运的过程中起着重要作用[25-26]；而木质部在Cd向地上部转运过程起主要作用[15，27]；同时韧皮部在水稻籽粒Cd的积累过程中起重要作用[28]；水稻抽穗后，Cd从地下部向地上部的转运并不影响水稻籽粒的Cd积累量，只是对水稻地上部Cd源在水稻体内的重新转运起作用，水稻剑叶中Cd的含量对于水稻籽粒中Cd的积累量起关键作用[29]，这可能与同化物的运输等相关；Yan等[30]进一步报道水稻在叶片衰老过程中韧皮部是水稻籽粒Cd积累的主要途径，而不是通过木质部-韧皮部途径直接向水稻籽粒转运Cd。也有研究明确指出稻米中Cd的含量还是主要取决于Cd在籽粒中的分配，而与籽粒、糙米、精米中Cd的累积量都没有明显的相关关系[31]。但是水稻籽粒中Cd的积累是一个复杂的过程，何为影响水稻籽粒中Cd积累的主要途径并不明确。

2.2.1 根的吸收 土壤的Cd含量[32]、Cd形态、pH以及土壤类型不同都会影响水稻根系对Cd的吸收[33]。同时很多研究结果也表明一些根迹微生物、根系分泌物[34]与植株根吸收Cd有密切的相关性。有很多学者对液泡区域化进行了研究，且结果都表明液泡区域化是植物耐重金属的重要机制[35]。根系细胞液泡的区域化作用已被证明能降低原生质中的Cd含量，这结果同时也表明了植物对Cd有一定的抗性。

2.2.2 木质部调节向上运输 金属离子在木质部中通常能与存在的有机酸和氨基酸结合形成复合物，从而在木质部中运输。如Fe离子运输的主要形式是柠檬酸铁，Zn离子则主要是与柠檬酸或苹果酸结合，也有以离子形态存在的，如Ca、Mg、Mn离子。通过研究两种东南景天木质部汁液中的Cd存在形式，发现木质部汁液中以游离态形式的Cd离子为主，同时发现木质部汁液中游离态Cd的比例会随着Cd处理时间的延长有上升的趋势[36]。

2.2.3 韧皮部调节向籽粒中的转运 研究表明，水稻抽穗后，Cd从地下部向地上部的转运并不影响水稻籽粒的Cd积累量，只是对水稻地上部Cd源在水稻体内的重新转运起作用，这表明水稻剑叶中Cd的含量能对于水稻籽粒中Cd的积累量起到很关键作用，而剑叶韧皮部运输到籽粒的过程是小麦籽粒中Cd的积累的主要途径[37]，不过其机理尚不清楚。Fujimaki等[38]表明Cd从根转运到籽粒的过程中，木质部到韧皮部转运中的这些节点可能是关键位置。因此，推测韧皮部对水稻籽粒中Cd积累的影响可能与植物的同化物运输密切相关。

3 水稻重金属低积累相关基因的研究现状

随着研究的深入，一些水稻稻米Cd低积累相关的基因逐渐开始报道。如研究表明金属转运蛋白在水稻对重金属的耐性和积累中起着重要作用，如Nakanishi等[39-41]通过元素Fe与Cd的吸收、转运的联系来发掘关于重金属转运相关的基因，发现水稻ZIP家族中的Fe转运子（OsIRT1和OsIRT2）和Zn转运子（OsZIP1）参与水稻体内Cd的转运，随后他们又发现水稻金属转运子基因（OsNRAMP1）在Cd高积累水稻根中的表达水平远远高于Cd低积累水稻品种；Ueno等[42]报道水稻重金属ATP酶（OsHMA3）（主要在根中表达）可以通过对Cd的液泡区域化作用，限制Cd向地上部运输，而OsHMA3的单氨基酸突变会减少水稻根对Cd的保持力并增加Cd从地下部向地上部的转运，最终导致地上部Cd的高积累。Miyadate等[43]也通过实验证实了OsHMA3的作用；Satoh-Nagasawa等[44]发现OsHMA3的同源基因OsHMA2是水稻根和地上部一个主要的Cd转运蛋白，通过其C端区域的突变可限制Cd向地上部的转运；Shimo等[45]报道水稻的LCD基因（主要在根部维管组织和叶片的韧皮部细胞中表达）参与水稻Cd的低积累；Uraguchi等[46]发现一个水稻的低亲和离子转运子基因（OsLCT1）可以影响依赖韧皮部调节Cd运输的途径而不是木质部依赖途径，其缺失突变体可大大降低水稻籽粒中Cd的含量。又如Kashiwagi等[23]对Cd低积累的籼稻和Cd中度积累的粳稻进行QTL分析，发现水稻在不同生育期调控Cd在水稻自身体内积累的机制不同，qcd4-1和qcd4-2在抽穗期之前会影响水稻地上部Cd的积累，而在抽穗的一定时间后qcd4-2会进一步增加水稻地上部Cd的积累量从而导致水稻籽粒中Cd的增加，揭示水稻籽粒中Cd的增加主要取决于水稻的剑叶。而水稻中重金属积累是一个很复杂的过程，是很多基因共同调控的结果。因此，虽然关于水稻Cd低积累的基因有一些报道，但迄今为止，籽粒Cd低积累水稻具体的分子生理机制还不明确，何为影响Cd向水稻籽粒转运的重要因子还不清楚。

4 结论及展望

Cd在水稻稻米中的积累是由多方面因素控制的，可能是多种途径联合调控，也可能是多基因控制。而基因型的差异会引起水稻对Cd的吸收和积累的差异，利用这一特点可为筛选、选育Cd低积累的优质水稻品种提供良好的前景和展示巨大的潜力，同时这也为中、轻度重金属污染土壤上持续生产安全、优质的稻米提供了一条有效且经济的途径。

近年来，水稻稻米Cd低积累的机理研究已取得了一些进展，已经鉴定出一些基因可以控制稻米中重金属的含量，但是有关这些基因的分离和克隆研究的报道还甚少。在今后的研究中应多致力于发掘、鉴定、分离和克隆重金属低积累相关基因，研究其结构和生物学功能，为阐明水稻稻米Cd低积累的分子生理机制奠定基础。同时通过基础理论研究与应用技术研究，在化学方法、农艺措施改良土壤和新品种培育等方面，培育出实践生产中应用性强的作物品种。

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