Cd胁迫下杂交水稻对Cd的吸收及其动态变化

2014-07-16李冰王昌全李枝李仕贵

生态环境学报 2014年2期

李冰，王昌全*，李枝，李仕贵

1. 四川农业大学资源环境学院，四川成都 611130；2. 四川农业大学水稻研究所，四川成都 611130

近年来，工业“三废”的大量排放和不合理处置以及大量肥料的施用，特别是磷肥的施用，导致了土壤镉（Cd）污染日益加剧（Kirkham，2006）。据报道，全国受到重金属污染的地区已造成粮食减产1×107t，1.2×107t农产品重金属含量超标，直接经济损失200多亿，对农民的经济收人造成了巨大的影响（刘璇等，2008）。特别是在一些粮食种植重点区域，重金属污染风险逐年增大(曾希柏等，2013)。

水稻作为一种大宗粮食作物，在全世界每年约有560 Tg的产量，其中40%左右是在中国种植和消费(Yu 等，2006)。Cd污染不仅影响水稻生长发育和新陈代谢活动（何俊瑜等，2008；史静等，2013），导致产量下降，更为重要的是它在水稻体中大量积累（赵步洪等，2006；张玉秀等，2008），并沿着食物链进入人体（陈志亮等，2001；任继平等，2003），其产量和品质直接影响着人类粮食安全，危害人类身体健康。大田作物对重金属的吸收积累，不仅受到土壤性质的影响（普锦成等，2008），而且与矿质营养的基因型差异一样，具有明显的种类与种群之间的差异（Liu等，2005；李鹏等，2011）。已有研究表明，水稻吸收积累Cd的能力随基因型不同存在明显差异，不同生育时期不同部位对镉的吸收积累效应差异较大（王凯荣，1996；冯文强等，2008；丁园等，2009）；对于不同的水稻品种，在同一Cd处理浓度下，Cd在水稻体各器官的分配呈现根>茎>叶>籽粒，但Cd在水稻不同器官中的分配比例因水稻的品种不同而有显著差异（李坤权等，2003；Metwally等，2005；Zhan等，2013）。因此，找出水稻在Cd胁迫下不同部位吸收累积效率和水稻对Cd吸收累积的关键时期，比较不同水稻品种之间的差异，结合农业生产调控技术措施，对降低水稻Cd吸收积累，保障粮食安全具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料选取课题组筛选籽粒Cd质量分数差异较大的2个常规水稻(Oryza sativa L．)品种D83A/R527（低Cd品种）和辐优838（高Cd品种）为研究材料（四川农业大学水稻研究所提供）。

1.2 试验设计

本试验于2011年4月-2011年9月在四川农业大学雅安校区甘家坝农场网室内进行。

将精选的水稻种子消毒、洗净后育苗，待两叶一心时移植于容器为20 L的黑色塑料桶中，培养于完全营养液中，营养液完全根据国际水稻研究所（IRRI）推荐的配方配制（表1），营养液的起始pH值为5.5～6.0。幼苗先在1/2质量浓度的营养液中培养 7 d，然后进行全营养液培养和不同质量浓度的Cd 处理，设 4 个 Cd 水平：0 mg·L-1、0.50 mg·L-1、1.00 mg·L-1、3.00 mg·L-1，每处理重复 4 次。营养液中Cd以CdCl2.2.5H2O形式加入。培养液每7天更换一次，并用 0.1 mol·L-1NaOH 或 0.1 mol·L-1HCl调节pH值至5.5～6.0。

表1 水稻常规营养液配方Table 1 Formula of the Nutrition Solution of Rice Culture in Pot Experiment

分别于水稻分蘖期、孕穗期、灌浆期、成熟期采集水稻样品，将水稻各部位按要求分开。分蘖期、孕穗期、灌浆期收获根、茎、叶；成熟期收获籽粒。将鲜样分别装袋，放至烘箱，先在105 ℃杀青15～20 min，再在70～80 ℃下烘干至恒重，以供后期测定Cd含量。

1.3 测定方法

水稻Cd质量分数（mg·kg-1）采用HNO3-HClO4消煮，石墨炉原子吸收法（陈同斌等，2006）测定。

1.4 数据处理

利用Excel 2003和SPSS 13.0对数据进行分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种籽粒Cd质量分数差异

不同品种的水稻籽粒 Cd质量分数在不同 Cd处理浓度之间差异明显，均随着Cd处理浓度的增加，呈现显著上升的趋势（表2）。随着Cd处理浓度的增加，籽粒Cd质量分数增加幅度总体表现为：辐优838﹥D83A/R527（表2）。D83A/R527在3.0 mg·L-1Cd质量浓度胁迫下籽粒内Cd质量分数超过了0.2 mg·kg-1食品污染物限量标准（GB 2762-2012），而辐优838在1.0 mg·L-1Cd质量浓度胁迫下籽粒内Cd含量就已超标。

表2 不同水稻品种籽粒Cd质量分数Table 2 Cd Accumulation in Grains of Different Rice Varieties mg·kg-1

两种水稻品种在不同Cd胁迫下籽粒Cd质量分数差异显著。在0.5 mg·L-1Cd质量浓度胁迫下，辐优838籽粒内Cd质量分数为D83A/R527的2.26倍；随着Cd处理质量浓度的上升，不同品种水稻籽粒Cd质量分数差异逐渐缩小，1.0～3.0 mg·L-1Cd质量浓度胁迫下，D83A/R527籽粒内Cd质量分数是辐优838的50%～60%。

2.2 不同生育期杂交水稻各部位对 Cd吸收的动态变化

2.2.1 分蘖期各部位对Cd吸收的动态变化

分蘖期不同水稻品种根、茎、叶内Cd质量分数的分析结果见表3。D83A/R527与辐优838在不同Cd质量浓度胁迫下各部位Cd质量分数均表现为：根>茎>叶，其中辐优838 各部位Cd质量分数均高于D83A/R527对应各部位质量分数。

D83A/R527各部位在不同Cd处理质量浓度胁迫下根、茎、叶内Cd质量分数差异显著。各部位Cd质量分数随着Cd胁迫处理浓度增加而增大，根内Cd质量分数显著高于茎、叶。D83A/R527在0.5 mg·L-1Cd胁迫下，根内 Cd质量分数为茎的 2.03倍，叶的6.64倍；茎内Cd质量分数为叶内的1.8倍。在1.0 mg·L-1Cd胁迫下，根内Cd质量分数是茎、叶内Cd质量分数的2.70倍和4.43倍；茎内Cd质量分数为叶片的1.64倍。根部与茎部Cd质量分数差距在逐步扩大，而根部与叶片、茎部与叶片之间的差距在逐渐缩小。在3.0 mg·L-1Cd处理时，根、茎、叶内Cd质量分数均较高，根内Cd质量分数为茎的2.8倍，其差距进一步扩大；根内Cd质量分数为叶内的4.6倍，茎内Cd质量分数为叶的1.65倍，其差距与1.0 mg·L-1Cd质量浓度处理结果接近。这说明，当中、高浓度 Cd（1.0～3.0 mg·L-1）胁迫时，随着Cd处理浓度的增加，水稻D83A/R527根、茎、叶内的分配系数较为稳定，向地上部分（茎、叶）的运输处于相对稳定的分配状态。

表3 分蘖期不同水稻品种不同部位Cd质量分数Table 3 Cd Content in Different Parts Between the Different Varieties of Rice in Tillering Stage mg·kg-1

辐优838在0.5 mg·L-1Cd胁迫下，根内Cd质量分数是茎内的1.69倍，是叶内的3.21倍；茎内Cd质量分数是叶片的1.89倍。在1.0 mg·L-1Cd胁迫下，根内Cd质量分数为茎的2.43倍，为叶内的3.81倍；茎内Cd质量分数为叶的1.57倍。在3.0 mg·L-1Cd胁迫时，根系Cd质量分数是茎内的2.47倍，是叶内的3.70倍；茎内Cd质量分数是叶片的1.50倍。这说明，不管是低浓度Cd处理，还是高浓度Cd处理，辐优838体内Cd的分配系数变化不大，茎内Cd质量分数是根部Cd质量分数的1/2左右，叶片Cd质量分数是根部Cd质量分数的1/3左右，叶片Cd质量分数是茎内Cd质量分数的1/2左右。其向地上部分运输基本上是随着Cd处理浓度的上升而增加，这可能是辐优838收获部分（籽粒）中Cd积累较多的原因。

辐优 838各部位 Cd质量分数均高于D83A/R527对应各部位质量分数。在0.5 mg·L-1Cd胁迫下，水稻D83A/R527根、茎、叶内Cd质量分数分别为辐优838的82%、69%和72%。1.0 mg·L-1Cd处理时，D83A/R527根、茎、叶内Cd质量分数为辐优838的66%、60%和57%。3.0 mg·L-1Cd处理下，D83A/R527根、茎、叶内Cd质量分数分别为辐优838的72%、63%和58%。这进一步说明，在水稻分蘖期，中、高浓度Cd处理，水稻D83A/R527的排异性非常明显，不仅茎叶部分积累相对较少，且具有较为恒定的比例外，根系Cd的积累也是明显较低，其毒害作用明显小于辐优838。

2.2.2 孕穗期各部位对Cd吸收的动态变化

从孕穗期不同水稻品种根、茎、叶内Cd质量分数来看（表4），D83A/R527在0.5 mg·L-1Cd水平下，根内Cd质量分数为茎的2.16倍，为叶内的4.1倍。在1.0 mg·L-1Cd胁迫下，根内Cd质量分数为茎内的3.99倍，为叶内的2.59倍。在3.0 mg·L-1Cd处理下，根内Cd质量分数为茎的2.31倍，为叶内的3.39倍。总体表现为，随着Cd处理浓度的增加，根系积累和分配的比例逐渐扩大。在0.5～1.0 mg·L-1Cd处理浓度下，根内Cd质量分数与茎、叶Cd质量分数之间的分配比例差异明显；在3.0 mg·L-1Cd处理时，又与低浓度Cd处理（0.5 mg·L-1）的分配趋势近似。这说明，低吸收累积Cd的水稻品种，根系是吸收积累Cd，过滤Cd毒害的主要器官，且在中等程度胁迫（1.0 mg·L-1Cd）时，根系富集作用更为明显。

表4 孕穗期不同水稻品种不同部位Cd质量分数Table 4 Cd Content in Different Parts Between the Different Varieties of Rice in Booting Stage mg·kg-1

辐优838各部位在不同Cd处理浓度胁迫下根、茎、叶内Cd质量分数差异显著。在 0.5 mg·L-1Cd胁迫下，叶内Cd质量分数为茎内的60%，为根内的29%。在1.0 mg·L-1Cd处理时，叶内Cd质量分数为茎的71%，为根内的32%左右。在3.0 mg·L-1Cd胁迫下，叶内Cd质量分数为茎内的78%，为根内的36%。由此可以看出，随着Cd处理浓度的增加，Cd在地上部分（茎、叶）中的分配比例逐渐提高，吸收累积的Cd向地上部分运输能力越来越强。

2.2.3 灌浆期各部位对Cd吸收的动态变化

孕穗期不同水稻品种根、茎、叶内Cd质量分数的分析结果见表 5。水稻品种 D83A/R527，在0.5～3.0 mg·L-1Cd处理下，叶片Cd质量分数占根内Cd质量分数的比例相对较为恒定，在20%～25%之间变化；茎内Cd质量分数占根系Cd质量分数比例变化幅度较大，在35%～55%左右变化，且随着Cd处理浓度的增加，叶片Cd质量分数占根系Cd质量分数的比例逐渐下降；茎内 Cd质量分数以 1.0 mg·L-1Cd处理时，占根系Cd质量分数的比例最高（55%）。这说明，随着Cd处理浓度的增加，叶片Cd吸收积累的比例明显下降，茎、叶部分Cd吸收分配的总体比例逐渐下降。

辐优838各部位在不同Cd处理浓度胁迫下根、茎、叶内Cd质量分数差异达极显著水平。在0.5～3.0 mg·L-1Cd胁迫下，根内Cd质量分数与茎内Cd质量分数和叶内Cd质量分数的差异明显小于水稻品种D83A/R527，其总体分配比例变化趋势基本一致。

表5 灌浆期不同水稻品种不同部位Cd质量分数Table 5 Cd Content in Different Parts Between the Different Varieties of Rice in Filling Stage mg·kg-1

总体来看，低镉吸收水稻品种D83A/R527根系Cd质量分数与茎、叶内Cd质量分数之间的差异，主要体现在根系Cd质量分数与叶片Cd质量分数之间的差异，Cd从根系—茎—叶的吸收累积效率上，主要表现为根系、茎积累为主，叶片Cd积累相对较少，这样向地上部分运输和吸收累积进入籽粒中的Cd就会相对较少。而高Cd吸收累积水稻品种辐优838则表现为，从根系—茎—叶的吸收累积效率相对较高，特别是在中、高质量浓度 Cd处理（1.0～3.0 mg·L-1）时，向地上部分（茎、叶）转运的比例相对较高，且茎、叶之间差异相对较小。

3 结论

（1）随着 Cd处理浓度的增加，辐优 838与D83A/R527籽粒内Cd质量分数均增加，其累积增加量和比例均表现为：辐优838>D83A/R527。若在受Cd污染的土壤上种植水稻，应优先选择籽粒Cd积累量少的水稻品种D83A/R527，降低Cd通过食物链进入人体的风险。

（2）不同生育期水稻根、茎、叶对 Cd的吸收及其动态变化的分析结果表明，随着Cd处理浓度的增加和水稻生育时期的延长，两种水稻各部位Cd吸收积累量均表现为逐渐增加，其增加比例表现为：辐优 838>D83A/R527。在 1.0～3.0 mg·L-1Cd处理时，水稻Cd吸收积累差异较为显著的时期为灌浆期。辐优838的根系向茎、叶转移效率大于D83A/R527，且D83A/R527主要表现为由根系向茎Cd转移效率较高，但叶片Cd积累相对较少，这可能是引起成熟期籽粒Cd积累量低的重要原因。灌浆期是水稻籽粒干物质积累的重要时期，也是吸收累积Cd的重要时期，这为筛选低吸收积累水稻品种和调控Cd在水稻籽粒中的吸收累积奠定了重要理论基础。

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