我国水稻镉污染防治研究进展

王 君，祝 丹，周艳冰，蒋 罗，陈 兵

(1.四川省阿坝州岷江造林局，成都 都江堰 611830；2.四川省彭州市规划和自然资源局，成都 彭州 611930；3.四川省广元市利州区林业和园林局，四川 广元 628000)

随着工业三废排放、矿产开采、以及农药、化肥的大量使用，导致部分土壤和水体的镉含量剧增[1]，镉污染已经成为中国乃至世界农田土壤最严重的污染问题之一。水稻是中国种植面积最大的粮食作物，也是中国重要的粮食来源，全国60%以上的人口以稻米为主食，而土壤中的有毒重金属尤其是镉经水稻吸收，通过食物链而被人体吸收，不仅降低了其品质和安全性，而且影响了消费者的健康水平和稻米的销售，对人类健康构成严重威胁，过量的镉在水稻的根、茎、叶以及籽粒中大量积累，不仅影响水稻产量、品质及整个农田生态系统，并可通过食物链更严重地危及动物和人类的健康[1]。谷粒中会富集大量的镉，人长期食用这种“镉稻”会面临慢性中毒的风险[2]。

1 水稻对镉胁迫的响应研究

要实现对水稻镉污染的治理就必须了解水稻对镉元素的吸收、运输、分配和响应规律以及机理，才能从根本上认识水稻镉胁迫的整个过程，以实现对水稻镉污染的治理。

水稻响应镉胁迫的生理机制主要有耐性机制和抗性机制[3]。耐性机制能使水稻在高含量的重金属环境中正常生长而不受伤害。水稻增强镉胁迫耐性的机制主要有四个方面：一是限Cd吸收和向上转运。邵国胜等[4]研究表明，外部Cd2+浓度越高，根系吸收的镉转运至地上部的相对量就越小。这可能是水稻根细胞对Cd2+的排出功能。二是氧化胁迫防卫。在重金属胁迫下活性氧自由基能够大量产生，水稻体内多种抗氧化防卫系统的存在可以清除氧自由基而保护水稻细胞不会受到伤害。在受重金属胁迫时，水稻一般通过复杂的抗氧化系统来清除氧自由基，从而避免细胞受到伤害。三是络合解毒机制。四是非生理活动区对Cd的固定化和隔离化。区室被认为是一种降解镉毒的有效途径，它是通过把Cd2+运输到代谢不活跃的器官或者亚细胞区域来实现解毒的目的[8-11]。植物细胞壁是镉进入细胞的第一道屏障，镉沉淀在细胞壁上可以阻止更多的重金属离子进入细胞原生质体而使其免受伤害，从而保护植物细胞免受重金属镉的伤害[12]。肖清铁[13]运用蛋白质组学及生化技术分析了水稻对镉胁迫的生理响应发现：在低浓度时，通过各处理对水稻的生长无显著的影响，当逐步提高处理浓度时，水稻植物的含镉量随处理溶液的浓度提高而增大。镉胁迫改变水稻对钙和铁的吸收与转运，抑制了水稻生长。

2 水稻对镉胁迫的耐性研究

2.1 水稻耐Cd的生理生化研究

水稻能够限制镉的吸收和转运，植物体内Cd积累量与其耐性有一定关系，水稻通过限制对重金属的吸收，降低体内的重金属浓度。Chardonnens等[14]观察到，在Cd2+耐性生态型的叶片中，Cd2+浓度低于敏感生态型，可能的机制是耐性生态型通过限制Cd2+的吸收而解毒。此外，还有研究表明，水稻根细胞具有排出Cd2+的功能，这一避免吸收和排出Cd2+的机制还需进一步研究。杨居荣等[15]发现，在某些耐性作物体内的蛋白质结合镉量的比例低于非耐性作物。赵步洪[16]等发现，水稻植株不同器官Cd的浓度和累积量的大小顺序为根>茎鞘>叶片。邵国胜[4]等研究表明，外部Cd水平越高，根系吸收的Cd转运至地上部的相对量越小。这都有可能是由于水稻根细胞具有排出Cd的功能。

研究发现，轻度镉胁迫有利于提高水稻叶片的SOD活性，但高浓度Cd胁迫对水稻叶片的SOD活性有抑制作用；叶片SOD活性与植株Cd含量呈负相关，MDA含量与植株Cd含量呈正相关。何俊瑜[17]等的研究则进一步表明：随着镉浓度的提高，SOD和POD活性均表现为先上升后下降，但SOD活性的变化更明显；CAT活性则呈一直下降的趋势。另外，在水稻生育过程中，SOD活性分蘖期>乳熟期>齐穗期；MDA含量随生育期一直增加。这些研究都说明，在一定浓度的镉胁迫下，水稻具有一定的抵御能力，但该能力是有限的，当镉浓度超过该限度时，水稻就会受到伤害。

2.2 水稻耐Cd的分子生物学研究

研究水稻Cd胁迫的生长发育变化及其耐Cd的机制，最终要深入到分子水平，即研究水稻基因调控、表达与其耐Cd能力的关系。植物对重金属胁迫的响应依赖于细胞内复杂的信号转导通路，该通路始于对环境中重金属存在的感知然后集中于金属响应基因的转录调控。对于金属诱导产生进行信号转导的分子化合物的了解还不多，且近年来的差异表达分析才使得响应重金属胁迫的转录因子(TFs)的鉴定成为可能。

目前，运用分子生物学方法来鉴定与水稻耐Cd性相关的基因研究较少，该研究组正通过蛋白质组学方法来分离与水稻耐Cd相关蛋白，以期对水稻耐Cd的分子机制有所了解。在其他植物中已经发现了一些与Cd耐性相关的基因[18]。

2.3 水稻耐Cd的遗传机理研究

随着计算技术的迅猛发展和分子标记的普遍应用，对数量性状的遗传剖析能力也在逐渐加强，认识也在逐步深入，QTLs是近年来发展起来的对鉴定复杂表形性状有贡献基因的数量、位置及影响大小非常有效的一种方法，是理解复杂表形下分子遗传机制的第一步。对Cd处理下水稻生长性状的分析研究发现，水稻镉耐性为多基因控制的数量性状[18]，可对其进行数量性状基因座位(QTLs)定位。

目前，对水稻多种金属离子胁迫的QTLs定位已经取得了很大的成果，如Al、Fe、Se、Mn等。但对于水稻镉胁迫的QTLs分析研究还不多见，这可能是由于Cd是毒性较强的重金属，不宜在大田条件下实验，以及耐Cd表型的多样性带来的种质资源筛选的复杂性。林辉锋[19]等进行了水稻苗期耐Cd胁迫的QTL定位分析，考察了叶绿素含量、根长、株高、叶长等4个性状，并转换成抗性指数，用于评价水稻对Cd污染的抗性指标。薛大伟[19]等也对水稻苗期的6个生长性状(叶绿素含量、根长、株高、地上部分干重、根干重、总干重)、其抗性指数、地上部分和根中的Cd积累量进行了QTL定位分析，共发现了包括10条染色体在内的32个QTLs，从遗传学水平上剖析了水稻Cd耐性和积累是个由多基因控制的数量遗传性状，为后期通过遗传和分子生物学手段来筛选控制水稻Cd耐性和吸收的基因，进而选育水稻低积累Cd品种的工作提供了理论基础。但在目前的QTLs定位研究中，不同研究小组对同种材料同一性状的研究结果往往存在着较大的差异，说明QTLs定位结果可能还受到时间和空间等其它因素的影响[1]。

3 镉胁迫对水稻生长和营养代谢的影响

3.1 Cd对水稻生产发育的影响

Cd抑制水稻生长主要是通过抑制细胞正常分裂和伸长来实现的，Cd能够延长细胞分裂周期，导致细胞分裂间期延长，分裂期缩短，高浓度的Cd处理还能够降低细胞分裂指数。Moral[20]等研究表明，Cd是对细胞分裂的影响可能是通过影响纺锤丝微管蛋白的组装与拆卸而实现的。

镉胁迫能抑制水稻种子萌发，其影响主要表现在活力指数、发芽指数、发芽率上。实验表明，高浓度的Cd抑制水稻种子的正常萌发，但低浓度Cd最主要的伤害是影响萌发后幼苗的活力，而且随着Cd浓度的增加，萌发后幼苗的活力降低更为明显[21]。同时，镉胁迫抑制种子有氧呼吸，从而使根生长受阻，出现只长弱芽、不长根的现象。研究[4]发现，低浓度的Cd，如0.1mol/L时，对植株生长有轻微的促进作用，但较高浓度的Cd胁迫，首先会引起根的损伤，主要表现在抑制根的伸长，使根弯曲，并减少根数；随着Cd浓度的提高，这种抑制作用逐渐增强。这是由于植物根系与Cd最先接触，且多数植物体内的Cd也主要富集在根部[22]。另外，Cd还能破坏生物膜的结构，最终使水稻根生长受阻[23]。

Cd胁迫明显抑制水稻幼苗的生长。通过研究不同浓度Cd(0～10.0mg/L)对水稻幼苗生长及生理特性的影响发现，Cd使水稻生长迟缓、幼苗矮化、降低株高，同时叶片干重降低，苗鲜重减少，叶片变黄并出现坏死斑，且随Cd浓度增加，毒害加重[24]。

在一定浓度下，镉胁迫对水稻的吸收N、P等无显著影响。水稻在环境胁迫条件下，植株为了生长不得不更加高效的利用有限的资源维持其稳定生长，但较高浓度镉处理明显抑制了植物的生物量生产，以及C、N和P的积累，显著改变了生物量及其C、N和P积累量的分配格局，影响了植物N和P的利用效率，但相对较低浓度的镉处理对其并无显著影响[25]。

3.2 Cd对水稻营养吸收和水分平衡的影响

镉胁迫不仅能够干扰水稻对大量和微量元素的吸收，还能够影响水稻对水分的吸收和平衡[30]。Cd能够通过影响水稻细胞膜的通透性和细胞壁的弹性来降低水稻细胞含水量。大量报道显示，Cd毒害能够显著干扰水稻体内水分平衡[26]。镉胁迫导致水稻木质部细胞退化，减少水分向地上部分的运输，同时镉胁迫导致水稻的根系减少，无法吸收更多的水分和营养物质，从而导致植物萎蔫，甚至导致整株植物死亡。

4 水稻镉胁迫的生理生化研究

4.1 镉胁迫对水稻酶活性的影响

据陈平[27]等的研究，镉浓度在0～10mg/L范围内，水稻叶片的膜脂过氧化产物和过氧化物酶活性随镉浓度增加而增加，而超氧化物岐化酶活性和过氧化氢酶活性随降低镉浓度增加而降低。施农农[28]等提出以淀粉酶和酸性磷酸酯酶作为鉴定水稻受重金属胁迫程度的酶学生理指标。水稻由于受到镉胁迫导致地上部分硝酸还原酶活性降低，减少水稻对硝酸盐的吸收以及想地上部分的转运。此外，镉胁迫还能减少根系中氮的固定和氨基酸的吸收，从而导致水稻对氮的吸收量减少，阻碍水稻体内蛋白质的合成，在抑制水稻体内蛋白质合成的同时，镉胁迫还会合成一些特殊的蛋白质，如抗氧化酶类、逆境蛋白类、金属硫蛋白(MTs)类和水稻鳌合肤(PCs)类。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)是水稻体内抗氧化酶系统中最重要的3种酶类，可以清除过量的自由基，减少膜质过氧化，使其适应重金属的胁迫此外，镉还会抑制水稻体内固氮酶、脱氢酶、水解酶、转移酶等多种酶类的活性。Cd可能是直接取代这些酶的活性中心金属元素或与酶蛋白的半胱氨酸残基结合，导致蛋白大分子构象发生改变，抑制了酶活性及功能，进而影响水稻的生理生化代谢，造成细胞功能紊乱，严重时会引起细胞的死亡[28]。

4.2 镉离子胁迫对水稻光合作用和叶绿素的影响

镉胁迫对水稻的光合作用和叶绿素也有不同程度的影响。叶绿素是植物进行光合作用的主要色素之一，PAGLIANO[29]等发现镉胁迫下，叶绿素(a，b)减少，类囊体中的叶肉细胞明显减少，叶片氧呼出效率降低，光合作用Ⅱ系统被钝化等。对水稻进行不同浓度的处理，当土壤中的镉浓度达到一定含量时，水稻便表现出叶片失绿，出现黄褐色斑点，严重影响植株的光合作用。同时，陈平[27]等认为，镉毒害使水稻吸收的元素减少，阻碍叶绿素形成及其含量增加，导致叶绿素含量下降，最终严重影响植物光合作用的正常进行。王琴儿[30]等用不同浓度的镉溶液进行不同品种水稻水培实验，结果表明，光合作用强度随镉浓度的增加而降低，并且不同品种的水稻对镉胁迫表现出不同的抗性，水稻幼苗叶片光合指标下降。众多实验证明，水稻在镉胁迫条件下其叶绿素以及光合作用都受到明显的一直，胁迫效应与浓度成正相关。

Cd对水稻光合组织的伤害主要表现为降低水稻叶片叶绿素含量，导致叶绿素a/b比值改变，使叶片失绿，变薄，面积变小；降低叶片中蛋白质含量，增强水解酶的活性，加速叶片衰老，缩短了叶片的功能期。同时，Cd还会导致气孔水分的丧失，开度减少甚至关闭，CO2无法进入，固碳过程受阻，进而降低了光合速率。杨丹慧[31]等研究表明，进入叶绿体内的Cd会沉积在类囊体上，与酶活性中心或蛋白质中的硫基相结合，直接取代这些酶活性中心的必需元素如Fe2+、Zn2+、Mg2+等，导致生物大分子构象的改变或必需元素的缺乏，抑制叶绿素酸酷还原酶活性，引起水稻叶肉细胞中叶绿素含量的下降。此外，也有研究指出，Cd是通过破坏水稻体内自由基清除系统，导致叶绿体膜脂过氧化，从而导致叶绿素降解。破坏叶绿体内部的酶系统，使得叶绿体基粒的减少，导致光能捕获能力大大降低，进而影响到植株的光合作用。Cd还会抑制二磷酸核酮糖羧化酶的活性，从而影响二氧化碳的固定；另一方面Cd还会抑制PSⅡ的电子传递和光合磷酸化，进而影响ATP的形成，光合呼吸链受阻，光合作用受到抑制。

5 水稻镉胁迫品种间差异研究

不同作物对镉的吸收、分配和积累效应不同，水稻属于易吸收镉植物，大量研究表明，水稻的镉吸收能力因品种而异[5]。李正文[5]等通过实验发现57个水稻品种的籽实对同一土壤中的镉积累有显著的差异，籼型水稻吸收能力高于其他类型的品种。

不同的水稻品种，在相同的条件处理下，由于其外部的形态以及内部的结构的不同，吸收镉的生理生化机制的差异，而导致起镉的累积量的不同。李坤权[32]等认为，水稻基因型间吸收、累积镉的能力存在明显差异，不同基因型水稻植株和籽粒的含镉量可相差数倍。王凯荣[23]等认为，从减产效应和稻米品质来看，杂交水稻对镉胁迫比常规水稻更加敏感，同时杂交晚稻比常规稻对Pb、Cd的富集能力强。吴启堂[33]等通过盆栽和水培试验研究水稻的主要品种对Cd吸收累积的差异和引起差异，也得到类似的结果，供试的20多个品种生长在同一污染土壤上，杂交稻，产量较高，但糙米Cd含量也较高；优质稻糙米重金属含量较低；常规稻则变幅较大，作物品种间差异可达1倍以上，由此认为高产品种重金属含量高，低产品种重金属含量低，给高产品种的育种提出了很大的挑战。

水稻不同器官对镉的吸收能力也存在很大差异，其中以根吸收富集镉的能力最强，一般以根>茎叶>籽粒的顺序递减[34-35]。李花粉[36]等和刘敏超[37]等的研究表明，不同水稻品种镉在根和地上部的分布和转移情况不同。此外，水稻镉吸收能力还受土壤酸度、水分、蒸腾速率等因子影响[38]。

6 展望

目前我国水稻镉胁迫的研究已取得巨大进展，但仍然有很多尚不清楚的领域，比如镉从水稻根部向地上部的转运、向籽粒的转运等，随着现代分子生物技术、以及同位素示踪方法的成熟，将加快重金属迁移转化和机理的研究等相关研究技术的发展，将研究进一步深入到分子水平，有助于更直观、准确地分析镉对水稻的吸收、转运和毒害机理，这些技术都有望为水稻镉胁迫的防治提供理论基础和解决方案。