镉及镉与铁、锌互作对水稻生长的影响

李 姣，刘 璐，杨 斌，彭伟正，王惠群

(1.湖南农业大学 生物科学技术学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省农业生物技术研究所，湖南 长沙 410125)

镉是一种柔软、具有银白色光泽的稀有重金属，对人体毒性很高，在土壤-植物系统中生物迁移性极强[1]。由于矿藏开采、大气污染、农业污灌、污泥和镉含量超标磷肥的施用等人为活动的影响，农业耕地尤其是稻田土壤镉污染加剧[2]。水稻是镉吸收能力较强的大宗作物，我国65%以上的人口以稻米为主食，稻米中的镉可通过食物链进入人体，对人体造成极大危害[3]。因此，稻田镉污染对农产品和生态安全构成极大威胁，制约了农业可持续发展[4]。在农田镉污染，特别是轻度污染的条件下，如何通过农业栽培调控措施，缓解镉对水稻毒害，减少稻米中镉的积累，实现稻米安全生产，成为亟待解决的问题之一[5]。

水稻对重金属镉的吸收不仅取决于土壤Cd含量，还受灌溉方式、施肥类型和土壤理化性质等因素的影响[6]。锌是植物生长发育的必需元素，是细胞内多种关键酶的重要组成成分，同时也是许多蛋白质、膜蛋白和结合蛋白如锌指蛋白的结构稳定剂[7]。锌和镉具有相类似的化学性质，锌与镉交互作用复杂[8]，二者之间表现为协同还是拮抗作用一直未有定论。有研究表明，锌、镉之间存在拮抗作用，施用Zn可减少Cd在植物体内积累，通过提高光合作用等缓解镉对植物的生理胁迫[9]；也有研究认为，施锌促进植物对镉积累和转运，表现为协同作用[10]。水稻根际中的Fe2+被氧化并在水稻根表和根际形成棕红色铁氧化物胶膜-“铁套”，这种为适应淹水环境而形成的根表独特结构，对多种重金属元素的化学行为及生物有效性产生重要影响[11]。一定厚度的“铁套”膜可促进水稻根系对周围介质中必需元素的吸收，“铁套”膜上吸附的一些阴离子可以与镉形成难溶性沉淀，从而降低了镉在根际的生物有效性[12]。但如果“铁套”膜厚度太大，则可能成为必需元素吸收的阻碍层。铁、锌与镉离子的互作机制复杂，其对镉在水稻体内的吸收、运转的影响，尚未得到一致的结论，有待更多试验数据的证实。

在重金属轻度污染的稻田中生产出合格的稻米是实现“边治理边生产”的主要途径，减少水稻对镉的吸收与降低镉从营养体向水稻籽粒转运是实现这一目标的主要方法。研究和探明水稻镉吸收转运机理以及必需元素的阳离子与镉在水稻吸收运转上的互作效应，对于提出和制定以营养调控为核心的降镉技术措施具有重要的指导意义。

本研究选择低镉水稻品种C两优266和高镉水稻品种威优46，通过水培盆栽试验，研究Cd、Fe、Zn离子浓度对苗期水稻生长及镉运转、积累的影响，以探讨Fe、Zn与Cd在吸收运转上的互作效应，旨在为制定通过营养调控方法水稻降镉技术措施提供理论依据与技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试水稻材料为高镉品种威优46和低镉品种C两优266，其威优46是中晚籼型优良组合，生育期为122 d；C两优266是杂交晚稻品种，生育期121 d。

1.2 试验方法

水稻采用湿润育秧方法进行育秧，秧龄期25 d。水稻秧苗移栽到20 L周转箱中进行水培试验，每盆种植6蔸，每品种各3蔸，2株/蔸。在木村B营养液中预培养7 d后，重新更换营养液并进行试验处理。第1组设置5个不同浓度Cd2+处理(采用CdCl2作Cd2+源)：0.0，0.1，0.5，1.0，2.0 mg/kg Cd2+，每处理重复3次；第2组设置3个处理CK(1.0 mg/kg Cd2+)、TFe(1.0 mg/kg Cd2++ 5.0 mg/kg Fe2+，采用FeCl2作Fe2+源)和TZn(1.0 mg/kg Cd2++ 5.0 mg/kg Zn2+，采用ZnSO4作Zn2+源)，每处理重复3次。处理期间不更换营养液，只补充蒸腾失水，处理后14 d(46 d苗期)取样。

1.3 样品采集与测定

收获46 d苗期水稻整株，先将根部冲洗干净，将其浸泡于20 mmol/L的乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)溶液中15 min，去掉根部表面残留的Cd2+，然后用超纯水清洗整个植株，用吸水纸吸干表面水分，将植株根部和地上部分离，分别装入样品袋中，置于烘箱中105 ℃杀青20 min，再于80 ℃下烘至恒重，用分析天平测定地上部分(茎叶)和根部的质量，各部位Cd、Fe、Zn含量采用HNO3-HClO4(9∶1)消解，岛津AA6880石墨炉法测定。采用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所提供的植物成分标准物质GBW10049作为水稻样品Cd、Fe、Zn含量分析的质量控制样品(标准值为Cd (0.19±0.02) mg/kg、Zn(25±1)mg/kg、Fe(1 010±55)mg/kg)。

1.4 数据处理

试验数据采用Excel 2010和SPSS v22.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析和Tukey 法分析同一品种不同镉浓度处理间的差异显著性和同一品种不同阳离子处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 培养液镉浓度对水稻苗期生物产量的影响

由图1可知，随着培养液镉浓度的增加，2个品种的地上部茎叶干质量均有所减少，C两优266的地上部茎叶干质量随着镉浓度的升高而显著性降低(P<0.05)，最大降幅为49.2%；而威优46由于处理内生物量变异大，其地上生物量随着镉浓度的增加也受到了明显的抑制，但差异未达到显著水平。2个品种进行比较发现，高镉品种威优46的地上部干质量高于低镉品种C两优266，这一结果说明，相比威优46，C两优266秧苗的生长对镉毒害更加敏感。

数据为平均值±标准差(n=3)，不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。图2-4、表1-4同。The data are average value ± standard deviation (n=3)，and different lowercase alphabets in different treatment represented significant difference(P<0.05).The same as Fig.2-4，Tab.1-4.

2.2 培养液镉浓度对水稻不同部位镉含量的影响

如图2所示，不同镉浓度处理后对低镉和高镉品种地上部和根部镉含量的影响程度不同。两品种地上部和根部镉含量受镉浓度增加的影响趋势基本一致，均是随着镉浓度的增加而不断升高并达到显著水平(P<0.05)，但是，在培养液镉浓度超过1.0 mg/kg时，水稻植株，特别是根系的镉含量随培养液镉浓度增加而增加幅度开始放缓，说明水稻对镉的吸收在培养液镉浓度超过1.0 mg/kg后基本达到饱和状态，这也间接说明，水稻对镉的吸收方式主要是主动吸收。2个品种镉含量的比较研究表明，威优46的地上部和根部的镉含量均稍高于C两优266，只有培养液浓度处于0.1 mg/kg处理的水稻根系含量以C两优266的稍高，这是否意味着，在低镉浓度下，C两优266水稻根系对镉的固定能力强于威优46，尚需进一步研究。

图2 培养液镉浓度对水稻地上部和根部镉含量的影响Fig.2 Effects of different cadmium concentration on cadmium content in top and root of rice

2.3 培养液镉浓度对水稻地上部和根部镉积累的影响

如表1所示，当培养液镉浓度为0.0～1.0 mg/kg时，C两优266地上部含镉总量不断增加，培养液镉浓度超过1.0 mg/kg后继续增加，则水稻根系和地上部含镉总量不再增长，甚至出现下降。培养液镉浓度超过1.0 mg/kg后，水稻含镉总量出现下降的原因一是水稻对镉的吸收基本达到饱和，二是水稻的生长受到抑制，其生物量出现下降。从表1还可看出，培养液镉的浓度从0.1 mg/kg增加至1.0 mg/kg时，根系的含镉总量随培养液镉浓度的增加而大幅度增加，而地上部含镉总量增加的幅度则小得多。根系含镉总量和地上部含镉总量随镉浓度增加的不对称比例关系说明，根系中的镉大多数是被根系以不同方式(如吸附)固定在根系质外体内，且其固定量的多少与培养液镉浓度基本呈正比例关系；进入根系质外体通道的镉只有少部分被根系细胞主动吸收并运转到地上部，运输到地上部的镉的量与培养液的镉浓度并不呈现简单的线性比例关系。镉的主动吸收和向上运转量是否与根际微环境甚至质外体通道内的活性镉浓度呈线性比例关系值得进一步研究。

2.4 镉处理对水稻根部镉净吸收量和镉转运系数的影响

根部镉净吸收量是指植株总镉积累量与根系干质量之比，该比值能反映植物根系对镉的吸收能力；镉转运系数为植物地上部镉含量与根部镉含量之比，它反映了镉在植物体内由根部向地上部的转运能力。表2结果表明，2个品种的镉转运系数在培养液镉浓度低时最高，随着培养液镉浓度的增加而逐渐降低，这说明当培养液镉浓度增加时，进入根系内的镉更大比例地被固定在水稻根系内。对2个品种镉转运系数进行比较还发现，当培养液镉浓度低(0.1～0.5 mg/kg)时，C两优266对镉的转运系数明显低于威优46。但随着培养液镉浓度增加，这种差异逐渐缩小。进一步说明，C两优266对环境镉污染比威优46更加敏感，在镉浓度较低时能更多地将镉固定在根系内，但当镉浓度超过一定值时，这种调节功能难以发挥有效的作用。

表1 不同镉浓度处理对水稻地上部和根部总镉的影响Tab.1 Effects of different cadmium concentration on total cadmium content in top and root of rice μg/株

表2 不同镉处理下水稻根部镉净吸收量和镉转运系数Tab.2 Net cadmium uptake and cadmium translation coefficient of rice root under different cadmium treatments

2.5 培养液中不同阳离子处理对水稻苗期生物产量的影响

在培养液镉浓度处于1.0 mg/kg处理水平并对水稻生长有毒害的情况下，添加不同阳离子对水稻苗期生物产量的影响如图3所示，对于C两优266，培养液中增加铁、锌的供应可显著提高其地上部的干质量，添加氯化亚铁处理后的增幅为29.9%，添加硫酸锌处理后的增幅为17.0%。而对于威优46，铁锌处理后对其地上部干质量的影响很小。这一结果说明，锌离子和亚铁离子可缓解镉对水稻的毒害，但其缓解功能的大小与品种特性有关。

图3 不同阳离子处理对水稻干质量的影响Fig.3 Effects of different kinds of cation treatmentson the above-ground biomass weight of rice

2.6 营养液中添加不同阳离子对水稻地上部和根部镉含量的影响

在镉浓度相同的培养液中增加铁和锌离子的供应增加了水稻地上部镉含量，降低了根部镉含量。图4结果表明，Fe2+和Zn2+处理均促进了镉向地上部运转，硫酸锌处理后，2个品种的地上部镉含量均有显著增加，其中，C两优266的增幅为257.9%， 威优46的增幅为270.7%，氯化亚铁处理也促进了镉向地上部运转，但未达到显著水平。2个添加的阳离子处理对根系镉含量的影响相对较小，其中，氯化亚铁处理降低了威优46和C两优266的根部镉含量，且对威优46的影响达到显著水平，降幅为22.8%；硫酸锌处理对2个品种根部镉含量的影响较小，未达到显著水平。

2.7 培养液中添加铁、锌对对水稻地上部和根部镉积累的影响

表3结果表明，硫酸锌处理促进了镉在地上部的积累，但减少了镉在根系的积累量，且对2个品种的影响趋势是一致的；氯化亚铁处理降低了2个品种根系镉积累量，但对地上部镉积累量的影响则出现了品种差异，表现为C两优266的地上部总镉明显增加，而威优46的地上部总镉降低，但未达到显著水平。

图4 不同阳离子处理对水稻地上部和根部镉含量的影响Fig.4 Effects of different kinds of cation treatments on cadmium content in top and root of rice

μg/株

2.8 培养液添加铁、锌对水稻根部镉净吸收量和镉转运系数的影响

培养液中添加铁、锌后对水稻根部镉净吸收量和镉转运系数的影响如表4所示。结果表明，培养液中添加硫酸锌增加了根系对镉的净吸收量，其中，C两优266和威优46未达到显著水平，而添加氯化亚铁则明显降低了根系对镉的吸收吸附总量，且威优46达到了显著水平。表4结果还表明，培养液中添加铁锌处理后，水稻镉转运系数均比对照增加，特别是添加硫酸锌处理极大地促进了镉向地上部运转，且C两优266的镉转运系数增加250%，威优46的镉转运系数增加了350%。

表4 不同阳离子处理下水稻根部镉净吸收量和镉转运系数

3 讨论与结论

3.1 锌离子与镉离子在根系吸收上的协同作用

增加锌的供应，显著促进镉的吸收和向上运转。必需元素二价阳离子与镉离子在理化特性方面有不同程度的相似性，因此二价阳离子在土壤、培养介质中的绝对含量及与镉离子的比例必然对镉在土壤中的活性及植物对镉的吸收、运转等产生一定影响[13]。增加某种阳离子的供应量在土壤植物生态系统中对镉离子的理化特性影响主要是以下几个方面，一是与镉离子竞争土壤胶体颗粒上的吸附结合位点，从而提高土壤溶液中可被吸收的离子态镉的绝对含量；二是增加土壤溶液中阳离子的绝对含量，导致土壤溶液中镉离子与该阳离子的相对比例下降，从而降低镉在被根系吸附或吸收的阳离子总量的比例[14]；三是阳离子与镉离子在吸收层面上的协同和竞争作用；四是在维管束运输途径中竞争性吸附管壁上吸附位点而促进镉的运转。由于以上及其他诸多原因，阳离子与镉的互作效应非常复杂。许多研究表明，在土壤中施锌肥可以抑制植物对Cd的吸收，类似结果已在玉米[15]、西红柿[16]、辣椒[17]、马铃薯[18]等多种作物中发现。

本试验采用水培方法进行，与土培试验相比，不存在铁、锌离子对培养基质中镉离子的活性影响，同时由于试验周期短，也不存在铁膜对镉离子活性影响的问题，试验结果可比较准确地反映铁、锌离子对水稻吸收运转的影响。试验结果表明，水培营养液增加锌离子的浓度大幅度地促进了镉的吸收和运转[19]，体现在地上部茎叶镉总量增加了257.9%(C两优266)和270.7%(威优46)以及镉的转运系数增加250%～350%。本项目组的单一阳离子试验也证明了锌离子显著促进镉离子的吸收和向地上部运转。这一结果暗示，镉离子的跨膜吸收有可能是借用锌离子转运蛋白进行的，培养液增加锌离子供应促进了锌离子转运蛋白的合成，但需要进一步研究证明。锌离子促进镉在水稻体内运转也有可能与锌离子竞争性吸附运输通道上的吸附和结合位点，从而增加维管束中镉离子的移动性有关。

3.2 铁离子与镉离子在吸收转运层面上没有显著性互作效应

在培养液中增加铁离子浓度，根系的镉含量都有所降低。但根系中镉的形态主要是吸附结合态[20]，大部分根系的镉没有被吸收进入根系细胞而是主要被吸附结合固定在细胞壁上[21]。培养液中铁离子增加时，吸附在细胞壁上的铁离子也增加了，而镉离子则相对减少了，这是铁降低根系镉含量的主要原因。此外，增加培养液铁离子浓度，虽然增加了2个品种的地上部叶镉含量但均未达到显著水平，说明铁离子与镉离子的吸收没有明显的竞争或协同作用[22]。增加铁供应浓度之所以导致镉的转运系数增加并不是因为吸收运转到茎叶的镉增加了，而是因为吸附结合在水稻根系上的镉减少了[23]。在土培或田间情况下，铁离子对镉的理化和生物学行为特性的影响可能主要是因为铁的氧化还原特性以及铁膜作用[24]。

3.3 水稻吸收运转镉的品种差异

C两优266被选定作为湖南省低镉应急水稻品种，是因为该品种在受轻度镉污染的稻田中种植能生产镉含量符合国家标准的籽粒。本研究结果表明，C两优266与威优46这2个品种在吸收运转镉的特性方面存在一定的差异。主要表现在以下3个方面，一是高镉(镉浓度大于0.5 mg/kg)条件下威优46的根系和茎叶的镉含量均高于C两优266；二是威优46的根系和茎叶积累镉的总量比C两优266高，且高出幅度较大；其三，在培养液镉浓度为0.5 mg/kg及以下时，威优46对镉的转运系数大于C两优266。通过比较分析2个品种吸收转运镉的特性发现，品种吸收及向地上部转运镉的能力、根系对镉的固定能力，以及相对于籽粒产量的生物产量的大小都是影响籽粒镉含量的重要因素。换言之，C两优266之所以籽粒镉含量比威优46低，一是因为根系对镉的固定能力较高，特别是在镉污染水平不是很高的情况下比较明显；二是因为C两优266吸收转运镉的能力较低，转运系数相对较威优46小；三是因为C两优266的茎叶和根系生物产量比威优46相对较低，营养体内积累镉的总量明显低于威优46。

镉对水稻的生长产生抑制作用，C两优266与威优46这2个品种在吸收运转镉的特性方面存在一定的差异，C两优266秧苗的生长对镉毒害更加敏感。锌离子显著促进水稻对镉离子的吸收和向地上部运转，亚铁离子与镉离子的吸收没有明显的竞争或协同作用。锌离子和亚铁离子可缓解镉对水稻的毒害，但其缓解功能的大小与品种特性有关。

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