镉胁迫对3个水稻品种(系)根系生长及有机酸和氨基酸分泌的影响

唐杰，徐浩洋，王昌全*，王玉云,2，李冰，曹淋海,3(.四川农业大学资源学院，四川 成都630；2.雅安市环境保护局，四川 雅安625000；3.邛崃市国土资源局，四川 邛崃 6530)



镉胁迫对3个水稻品种(系)根系生长及有机酸和氨基酸分泌的影响

唐杰1，徐浩洋1，王昌全1*，王玉云1,2，李冰1，曹淋海1,3
(1.四川农业大学资源学院，四川 成都611130；2.雅安市环境保护局，四川 雅安625000；3.邛崃市国土资源局，四川 邛崃 611530)

摘 要：以水稻亲本蜀恢498、Ⅱ–32A和杂交稻Ⅱ优498为试材，通过营养液培养试验，研究不同镉胁迫时间(7、14 d)和不同质量浓度(0、0.5、1.0、3.0 mg/L，0为CK)CdCl2处理下的水稻根系生长情况以及根系有机酸和氨基酸的分泌特征。结果表明：与对照相比，在镉胁迫7 d和14 d时，各质量浓度的CdCl2处理下3个水稻品种(系)的根系干重减轻，根系总数变少，根系表面积和根系体积变小，根系总长变短，且对根系总数、根系总长、根系表面积等的影响达显著水平；当镉胁迫7 d和14 d时，蜀恢498、Ⅱ–32A和Ⅱ优498分泌的有机酸和氨基酸含量均随CdCl2质量浓度的增加呈先增加后减少的趋势，都在CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时达最大，胁迫7 d时，3个品种(系)的有机酸含量分别为3.44、3.31和 3.43 mg/g，氨基酸含量分别为41.07、42.03和40.53 μg/g，胁迫14 d时，3个品种的有机酸含量分别为3.40、3.38 和3.33 mg/g，氨基酸含量分别为34.95、35.95和35.28 μg/g，各处理与对照相比，差异均达显著水平；分泌的有机酸组分中以草酸含量较高，其次是苹果酸；分泌的氨基酸组分中甘氨酸含量相对较高，其次是丝氨酸和苏氨酸；品种(系)间比较，在镉胁迫7 d和14 d，CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时，3个品种(系)根系分泌的有机酸和氨基酸含量差异没有统计学意义，而在中浓度(1.0 mg/L)和高浓度(3.0 mg/L)镉胁迫下Ⅱ优498分泌有机酸和氨基酸含量显著高于其亲本蜀恢498和II–32A。

关 键 词：水稻；镉胁迫；根系生长；有机酸；氨基酸

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近年来，熔炼、采矿和含镉化肥的施用等造成大量农田Cd污染[1]。Cd以移动性强、毒性高、污染面积大被列为“五毒之首”[2]。当镉进入植物体内并积累到一定程度，植物就会表现出生长迟缓、褪绿、矮化、产量下降等受毒害症状[3]。

根系是植物吸收矿质营养和水分的主要器官，其构型的变化受植物遗传特性和环境因子的共同影响[4]，而水稻根系的生长状况直接影响着地上部分的生长发育以及产量的形成，是制约高产水稻产量潜力进一步发挥的关键因素[5]。同时根系是植物与土壤环境接触的重要界面，在外源胁迫条件下，植物可通过调节根系分泌物的组成来改变根际微生态系统，以适应外界环境。根系分泌物的组成及变化反映了植物新陈代谢和生长发育状况[6–7]。水稻根系分泌的有机酸和氨基酸对水稻生长、代谢等具有重要意义。当前对水稻根系的研究大都集中于营养成分对根系分泌物的影响[8–9]方面，而有关镉胁迫对不同水稻品种(系)分泌有机酸和氨基酸特征的影响以及相关机理的报道较少，因此，本研究中以亲本蜀恢498、Ⅱ–32A和杂交稻Ⅱ优498为试材，研究在不同质量浓度的CdCl2处理下，水稻根系生长及其分泌有机酸和氨基酸的特征，比较镉胁迫下水稻亲本及其杂交稻根系分泌物种类和含量的区别，旨在为筛选耐镉水稻品种提供参考依据。

1　材料与方法

1.1供试材料

水稻亲本蜀恢498、Ⅱ–32A和杂交稻Ⅱ优498(蜀恢498×Ⅱ–32A)，3个水稻品种(系)均由四川农业大学水稻研究所提供。

1.2试验方法

试验于2011年在四川农业大学雅安校区农场网室内进行。首先，将精选出的颗粒饱满种子用1.5%过氧化氢溶液消毒30 min，蒸馏水冲洗2～3次，置于0.1%次氯酸钠溶液中浸泡24～36 h，放入37 ℃蒸馏水中催芽24 h，拿出置于培养皿中，于培养箱中育苗，每天用一定量的去离子水浇灌以保持一定的湿度。待育苗到二叶一心时，选取长势一致、大小均匀的水稻苗，移植到容积为20 L的黑色塑料桶中，每桶8个孔，每孔移栽1株苗，完全营养液培养，每7 d更换1次营养液。营养液的配置参照李冰等[10]的方法。培养7 d后，向营养液中添加CdCl2溶液进行镉胁迫处理，使营养液中镉的最终质量浓度分别为0(CK)、0.5、1.0、3.0 mg/L。每种质量浓度的镉胁迫为1个处理。每个处理重复3次。每个品种每种质量浓度处理1桶，共36桶，同时调节pH至5.5～6.0。

1.3测定项目及方法

1.3.1水稻根系各形态参数的测定

在镉胁迫7 d和14 d时，每个品种每种质量浓度取水稻1株，将水稻整株从营养液中取出，剪下每株根系，用Epson根系扫描仪及WinRHIZO根系分析系统软件测定根系总数、根系总长、根系干重、根系总重、根系体积和根系表面积等形态参数。每个处理重复3次，结果取平均值。

1.3.2有机酸和氨基酸含量的检测

1) 分泌物的收集。在镉胁迫7 d和14 d时，每个品种每种质量浓度取2株水稻进行根系分泌物的测定。重复3次，结果取平均值。具体操作如下：将整株水稻连根取出，用自来水冲洗3次，再用蒸馏水冲洗3次，放到含0.2 mmol CaSO4的溶液中浸泡2 h，于30 mg/L氯霉素溶液中浸泡30 min，再用蒸馏水冲洗根部表面，将根系置于盛有250 m L蒸馏水的玻璃瓶中，用海绵固定，每瓶1株，每4 h更换收集1次分泌物，共收集2次，然后将收集到的根系分泌物置于真空旋转蒸发器内，于40 ℃下浓缩至5 m L，立即置于低温冰箱中保存，备用。

2) 有机酸和氨基酸含量的测定。有机酸采用反相高效液相色谱(HPLC) VARIAN Prostar和紫外检测器测定。检测条件：色谱柱C18，柱温为25 ℃，流动相为0.01 mol/L磷酸二氢钾，流速0.8 mL/min，进样量20 μL。氨基酸采用反相高效液相色谱(HPLC) VARIAN Prostar和荧光检测器进行测定。检测条件：色谱柱为C18，柱温为36 ℃，流动相为超纯水+缓冲液+乙晴，流速为1 mL/min，进样量为10 μL。

1.4数据处理

运用Excel 2007整理数据及作图；采用SPSS 19.0进行数据处理与方差分析(LSD法)。

2　结果与分析

2.1镉胁迫下水稻根系的形态特征

由表1可知，在镉胁迫7 d和14 d时，与对照相比，3个水稻品种在不同CdCl2质量浓度处理下的根系总数变少，根系总长变短，根系表面积变小，且差异均达显著水平，根系干重和根系体积也表现出变轻和变小。镉胁迫7 d和14 d时，相同质量浓度的CdCl2处理下，Ⅱ优498的根系干重、根系总数、根系总长均小于蜀恢498和II–32A，明显抑制了根系的正常生长。在镉胁迫天数相同时，3个水稻品种(系)的根系干重、根系总长、根系体积等均呈现随CdCl2质量浓度的升高而降低的趋势。

表1　供试水稻在不同胁迫时间及不同质量浓度CdCl2处理下根系形态的特征Table 1　Rice in different stress time, and tested the morphological characteristics of root system under different mass concentration CdCl2treatment

2.2镉胁迫下水稻根系分泌有机酸的特征

2.2.1镉胁迫下水稻根系分泌有机酸总量

由表2可知，当镉胁迫7 d和14 d时，蜀恢498、Ⅱ–32A和Ⅱ优498分泌的有机酸总量均随CdCl2质量浓度的增加呈先增加后减少的趋势，各处理与对照相比，差异均达显著水平，均在CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时分泌的有机酸总量达最大，3个材料在胁迫7 d时的有机酸含量分别为3.44、3.31、3.43 mg/g，胁迫14 d时的有机酸含量分别为3.40、3.38、3.33 mg/g，而在中浓度(1.0 mg/L)和高浓度(3.0 mg/L)的CdCl2处理下，有机酸含量急剧下降，说明低浓度镉胁迫可刺激水稻有机酸的分泌，而中、高浓度镉胁迫显著抑制水稻有机酸的分泌。品种(系)间比较，当CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时，3个品种(系)分泌的有机酸含量差异没有统计学意义，而在中浓度(1.0 mg/L)和高浓度(3.0 mg/L)的镉胁迫下Ⅱ优498分泌的有机酸含量显著高于其亲本蜀恢498和II–32A。

2.2.2镉胁迫下水稻根系分泌有机酸的组分和含量

由表3可知，在镉胁迫7 d和14 d时，在不同质量浓度的CdCl2处理下，3个水稻品种(系)分泌的草酸含量相对较多，分泌量均占有机酸含量的50%以上，其次是苹果酸，且各种有机酸的分泌量均随CdCl2质量浓度的增加表现出先增加后减少的趋势，在低浓度(0.5 mg/L)镉胁迫下分泌量达到最大，在中浓度(1.0 mg/L)和高浓度(3.0 mg/L)处理下分泌量急剧减少。在镉胁迫7 d和14 d时，Cd质量浓度为1.0 mg/L和3.0 mg/L时，与对照相比，3个水稻品种(系)分泌的草酸和苹果酸均存在显著差异(P<0.05)，而乙酸、丙二酸、柠檬酸、琥珀酸的差异没有统计学意义。同一胁迫时间，中、高浓度的镉胁迫下，Ⅱ优498分泌的草酸和苹果酸高于其亲本蜀恢498和II–32A的分泌量。

表2　供试水稻在不同胁迫时间以及不同质量浓度CdCl2处理下根系的有基酸分泌量Table 2　Quality of rice in the tested at different time and different stress concentrations of CdCl2treatment root amino acid secretion

表3　供试水稻在不同胁迫时间以及不同质量浓度CdCl2处理下根系分泌有机酸各组分的含量Table 3　Quality of rice in different time and different stress tested the content of organic acid concentration CdCl2treatment under the root secretion

表3(续)

2.3镉胁迫下水稻根系分泌氨基酸的特征

2.3.1镉胁迫下水稻根系分泌的氨基酸含量

由表4可知，在镉胁迫7 d和14 d时，蜀恢498、Ⅱ–32A和Ⅱ优498分泌的氨基酸含量均随CdCl2质量浓度的增加表现出先增加后减少的趋势，各处理与对照相比，均在CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时分泌的氨基酸含量达最大，分别为41.07、42.03、40.53 μg/g(7 d时)和34.95、35.95、35.28 μg/g(14 d 时)，说明低浓度镉胁迫有利于水稻氨基酸的分泌，而中、高浓度镉胁迫抑制水稻氨基酸分泌。品种(系)间，当CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时，3个品种(系)分泌的氨基酸含量差异没有统计学意义，而在中浓度(1.0 mg/L)和高浓度(3.0 mg/L)镉胁迫下，Ⅱ优498分泌的氨基酸含量显著高于其亲本蜀恢498和II–32A分泌的量。

2.3.2镉胁迫下水稻根系分泌的氨基酸组成和含量

由表5可知，在7 d和14 d时，相同质量浓度的CdCl2处理下，3个水稻品种(系)分泌的甘氨酸相对较多，其次是丝氨酸和苏氨酸。在镉胁迫7 d，CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时，甘氨酸分泌量达最大，蜀恢498为7.13 μg/g，II–32A为7.41 μg/g，Ⅱ优498为6.73 μg/g。胁迫14 d时，CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时甘氨酸的分泌量最大，蜀恢498为5.93 μg/g，II–32A为5.78 μg/g，Ⅱ优498为5.54 μg/g。在镉胁迫7 d和14 d时，3个水稻品种(系)分泌的各种氨基酸含量均随镉质量浓度的增加表现出先增加后减少的趋势。当镉胁迫14 d，CdCl2质量浓度为3 mg/L时，3个水稻品种(系)均未检测出酪氨酸、精氨酸、丙氨酸、缬氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸。在相同镉胁迫时间下，在CdCl2质量浓度为 1.0 mg/L和3.0 mg/L处理下，Ⅱ优498分泌的甘氨酸、丝氨酸、门冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、酪氨酸和缬氨酸等均显著高于其亲本蜀恢498和II–32A分泌的量。

表4　供试水稻在不同胁迫时间及不同质量浓度CdCl2处理下根系氨基酸的分泌量Table 4　Quality of rice in the tested at different time and different stress concentrations of CdCl2treatment root am ino acid secretion

同列不同小写字母表示同一水稻品种(系)在同一胁迫时间、不同质量浓度的CdCl2处理下在5%水平上差异显著；同列不同大写字母表示在同一胁迫时间、同一质量浓度的CdCl2处理下不同水稻品种(系)在5%水平上差异显著。

表5　供试水稻在不同胁迫时间及不同质量浓度CdCl2处理下根系分泌氨基酸的种类及含量Tab le 5　Quality of rice in the tested at different time and different stress concentrations of CdCl2treatment root secretion and the kinds of am ino acid content

3　小结与讨论

水稻根系是镉胁迫下受毒害的直接接触对象。有研究[11]表明，在较高质量浓度的重金属胁迫条件下，植物的根长度变短，根数量减少。本研究结果表明，在不同质量浓度CdCl2处理下，3个水稻品种(系)根系的生长均受到了抑制，这可能是水稻受到镉胁迫时，引起了根尖细胞分裂受阻，破坏了细胞结构，特别是表皮细胞的崩解脱落导致未成熟细胞的死亡，降低了根对水分的吸收[12]，从而影响了水稻根系的正常生长。

根系分泌物是植物与外界进行物质交流的重要媒介，根系分泌的低分子量有机酸被证明在重金属修复中可替代螯合物溶解重金属[13–14]。李园[15]以杂交水稻及其亲本为研究对象，研究了镉胁迫对水稻根系内源多胺含量及其合成代谢的影响，表明镉胁迫对水稻亲本品种(系)及其子代生长代谢具有一定影响。本研究结果表明，供试水稻在CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时，根系分泌的有机酸含量有所增加，而当CdCl2质量浓度为1.0和3.0 mg/L时，根系分泌有机酸的能力受到明显抑制，这可能是当水稻根系处于低浓度的Cd2+作为外源胁迫信号时，水稻根系会产生防御机制[16]，刺激水稻根系有机酸的分泌。当CdCl2质量浓度为1.0和3.0 mg/L时，供试水稻根系分泌氨基酸的能力同样受到明显抑制，这可能是氨基酸作为蛋白质的基本单元和土壤有机氮的重要组成部分，是根系周围微生物的重要营养源，根系周围中的部分细菌和真菌在生理代谢过程中可将其作为前体合成植物生长调节剂，刺激植物的生长和发育，调节植物的生理过程[17]。

综合试验结果，低浓度镉胁迫有利于水稻根系分泌有机酸和氨基酸，而中、高浓度的镉胁迫抑制了水稻根系分泌有机酸和氨基酸。当镉胁迫7 d和14 d时，蜀恢498、Ⅱ–32A和Ⅱ优498这3个水稻品种(系)分泌的有机酸和氨基酸含量均随CdCl2质量浓度的增加呈先增加后减少的趋势，都在CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时达最大，7 d时，3个品种(系)的有机酸含量分别为3.44、3.31和 3.43 mg/g；氨基酸含量分别为41.07、42.03和 40.53 μg/g；14 d时，3个品种的有机酸含量分别为3.40、3.38 和3.33 mg/g，氨基酸含量分别为34.95、35.95和35.28 μg/g，各处理与对照相比，差异均达显著水平；供试品种(系)之间比较，当CdCl2质量浓度为0.5 mg/L时，3个品种之间分泌的有机酸和氨基酸含量差异没有统计学意义，当CdCl2质量浓度为1.0和3.0 mg/L时，杂交稻Ⅱ优498分泌的有机酸和氨基酸含量显著高于其亲本蜀恢498和II–32A分泌的量，这可能是水稻品系间镉耐性差异的生理生化表现，也是对镉胁迫环境反应差异的机制之一，具体的机理尚不明确，有待进一步的研究。

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责任编辑：尹小红英文编辑：梁 和

Effect of cadmium stress on root growth and organic acids and amino acid secretion of three rice varieties

Tang Jie1, Xu Haoyang1, Wang Changquan1*, Wang Yuyun1,2, Li Bing1, Cao Linhai1,3
(1.College of Resource, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2.Ya’an Environmental Protection Agency, Ya’an, Sichuan 625000, China；3.Qionglai City Bureau of Land and Resources, Qionglai, Sichuan 611530, China)

Abstract:In this study, three rice varieties of Shuhui498, II–32A and hybrid rice IIyou498 were chosen as the experimental materials to investigate the root growth and organic acids and amino acid secretion under two periods of cadmium stress (7 and 14 d) with three cadmium concentrations (0.5, 1.0 and 3.0 mg/L of CdCl2, 0 as control). The results showed that: In the day of 7th and 14th under cadmium stress, compared to the control, all treatments of CdCl2decreased in the indexes of root dry weight, total root number, root surface area, root volume and root length. The difference between the cadmium streatments and the control in total root number , root length and root surface area were at significant level; when in 7 d of cadmium stresses, the contents of organic acid of three varieties were 3.44 , 3.31and 3.43 mg/g, the amino acid of three varieties were 41.07, 42.03 and 40.53 μg/g, respectively. while in 14 d of cadmium stresses, the contents of organic acid of three varieties were 3.40, 3.38, 3.33 mg/g, the amino acid of three varieties were34.95, 35.95 and 35.28 μg/g, respectively. The difference between the CdCl2treatments and the control reached significant level in the contents of organic acid and am ino acid of three rice varieties. The content of oxalic acid was higher than malic acid in the component of organic acid secreted, The content of glycine in the secretory component was relatively high, the second were the serine and threonine. Comparison between varieties (or lines), in 7 d and 14 d of cadm ium stress w ith 0.5 mg/L CdCl2, the contents of organic acids and am ino acid were not significant difference among the three rice varieties, while IIyou498 was significantly higher than Shuhui498 and II–32A under the cadm ium stress w ith 1.0 and 3.0 mg/L CdCl2.

Keywords:rice; cadm ium stress; root grow th; organic acids; amino acid

中图分类号：S511.01

文献标志码：A

文章编号：1007−1032(2016)02−0118−07

收稿日期：2015–10–18 修回日期：2016–03–03

基金项目：国家科技支撑计划项目(2012BAD14B18)；四川省科技支撑计划项目(2013NZ0028)

作者简介：唐杰(1991—)，男，四川郫县人，硕士研究生，主要从事土壤质量与资源环境可持续的研究，tangjie910801@163.com；*通信作者，王昌全，博士，教授，主要从事土壤与环境可持续研究，w.changquan@163.com