镉胁迫下硅对不同品种水稻镉积累的影响

王耀晶 ，马樱馨 ，李 彩 ，杨 丹 ，何 娜 ，刘鸣达

（沈阳农业大学 a.土地与环境学院，b.理学院，沈阳110161）

镉（Cd）是一种极易通过食物链富集到人体的重金属元素。自20世纪50年代中期～60年代中期在日本出现的因食用镉米而产生的痛痛病后[1]，镉的毒性效应引起人们的高度关注。研究表明，摄入过量的镉可引起肾、肺、肝、骨、生殖毒性效应及癌症[2-4]。食物摄入是人体镉暴露的重要途径。水稻是一种容易富集镉的作物，同时也是世界半数人口的主食，所以研究土壤-水稻系统镉迁移转化规律以及降低稻米镉含量的调控措施十分必要。

不同品种的水稻对镉的吸收和迁移转运能力不同，王凯荣等[5]认为杂交稻对镉的敏感性和对镉的迁移转运能力均强于常规稻，稻米中镉含量高于常规稻；蒋彬和张慧萍[6]对239份来源不同基因型不同的水稻品种进行比较，发现精米中镉的富集能力为常规籼稻＞杂交籼稻＞常规粳稻；李坤权[7]发现，有个别常规粳稻糙米中镉含量高于杂交籼稻。这些研究结果尽管有一定差异，但说明不同基因型的水稻对镉的敏感和积累能力不同。目前已经在水稻中发现并确认了参与镉吸收运转和累积过程（根系吸收、细胞壁和液泡隔离、木质部运输、韧皮部迁移转运等）的基因[8]。从耐受机制来看，镉高积累型水稻品种可以通过合成更多的含巯基的非蛋白化合物与镉络合来清除活性氧，进而增加对镉的耐性[9]；通过提高氨基酸代谢、有机酸代谢和糖代谢中相关物质含量，进而改变糖酵解途径、TCA和由莽草酸途径衍生的苯丙酸类代谢过程，以提高自身抗镉性[10]。硅降低镉生物有效性的机制包括生物学和土壤学两个方面。关于硅降低镉生物有效性的研究已有很多报导。从生物学的角度来看，包括抑制运转效应[11-12]、体内分隔效应[13]、共沉积效应[14]、激活抗氧化系统[15-17]，改善细胞超微结构[15，17]、下调相关基因表达[18-19]等。从土壤化学角度看，过去的试验多加入了高炉渣、硅酸钠等含硅碱性物质，同时还引入了相应的伴随离子；而这些阴阳离子均能影响植物对重金属的吸收转运或影响重金属的土壤化学行为[20]。因此，施用含硅物料降低镉生物有效性包含了pH值和伴随离子的影响。近年来，消除上述影响后的研究结果表明，硅促进土壤液相、固相镉形态向无效态转化，抑制土壤固相镉的解吸，从而降低了镉的生物有效性[21-22]。

从实践的角度来看，如果能够将选用镉低积累品种水稻与施用含硅钝化剂相结合，应该是行之有效的镉污染土壤修复与利用的途径。为此，本试验在消除pH值和伴随离子影响的基础上，通过盆栽试验研究镉胁迫下硅对不同品种水稻镉积累的影响，以期为科学修复和利用镉污染土壤提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自辽宁省抚顺市新宾县种植水稻多年的水田，其基本理化性质为：土壤pH值（H2O）4.92，有机质 22.00g·kg-1，碱解氮 63.89mg·kg-1，速效磷 12.16 mg·kg-1，有效钾 92.12mg·kg-1，镉含量 0.224 mg·kg-1，有效硅（SiO2）261.44 mg·kg-1。

供试作物为水稻（Oryza sativa L），品种分别为“辽星 19”和“辽粳 9”。

试验中所用尿素含N 46%，过磷酸钙含P2O512%，氯化钾含K2O 60%，硅肥为硅酸钠（Na2SiO3·9H2O）含SiO221%，镉为硝酸镉[（Cd（NO3）2]，均为分析纯试剂。

1.2 盆栽试验

盆栽试验在沈阳农业大学试验基地进行。共设5个处理：即无硅无镉的对照（CK）处理；单加镉（Si0）处理；设置 3 个加镉加硅处理，加硅量（以 SiO2计）分别为 50，100，150 mg·kg-1土，分别用 Si 50，Si 100，Si 150 表示，各处理间硝酸根和钠离子的差异用硝酸钠补齐，并用硝酸中和硅酸钠的碱性，各加镉处理的镉用量均为5mg·kg-1土。

称取风干土壤 7kg置于直径为 20cm 的塑料盆中。 每盆均施 N（g·kg-1土）、P（P2O5，0.10g·kg-1土）、 K（K2O，0.15g·kg-1土）。各处理设3次重复，随机组排列。各处理泡水两天后移栽水稻，每盆3穴，每穴1株。分蘖期追肥。水稻收获后，采集水稻植株样品，将根、茎叶用蒸馏水清洗干净并于105℃下杀青，植物样品烘干至恒重，粉碎备用。

1.3 测定方法

土壤理化性质测定参照鲍士旦的方法[23]：土壤pH值采用酸度计法进行测定；土壤有机质采用重铬酸钾-外加热法测定；碱解氮采用乙酸钠-火焰光度法测定；速效磷采用碳酸氢钠提取，钼锑抗比色法测定；有效钾采用醋酸铵提取，火焰光度法测定；土壤有效硅采用1mol·L-1醋酸-醋酸钠（pH=4）缓冲液提取，硅钼蓝比色法测定；土壤全镉和水稻不同部位镉含量采用氢氟酸-硝酸消化，ICP-MS测定。

1.4 数据分析

试验数据采用SPSS 22.0统计分析，用Excel绘图。

2 结果与分析

2.1 施硅对镉胁迫下水稻植株生物量和产量的影响

由图1可知，镉胁迫下，两品种水稻生长均受到抑制，生物量极显著降低（p＜0.01）；与对照处理相比，“辽星19”生物量降低20.79%；“辽粳9”降低24.94%。施硅可提高镉胁迫下两品种水稻生物量，与单施镉处理相比，施硅后两品种水稻生物量均有不同程度的增加，“辽粳9”生物量增加更显著；其中“辽星19”生物量增加8.75%～10.00%、“辽粳 9”增加 4.40%～20.06%。

图1 镉胁迫下施硅对两个品种水稻生物量和产量的影响Figure 1 Effect of Si on biomass and yield of two different crop under Cd stress

镉胁迫极显著降低了两品种水稻产量（p＜0.01），与对照处理相比，“辽星19”和“辽粳9”的产量分别降低21.50%和34.31%。施硅可提高镉胁迫下两品种水稻产量，与单施镉处理相比，施硅后“辽粳9”的增产效果更明显，“辽星 19”产量提高 4.53%～7.25%，“辽粳 9”提高10.32%～26.98%。

2.2 施硅对镉胁迫下水稻植株各部位镉分布的影响

由表1可知，镉胁迫下，两品种水稻中90%以上的镉主要都积聚在根部，茎叶次之，糙米中镉的分布最低。“辽星19”糙米和根中镉的分布比例显著高于“辽粳9”。施硅后两品种水稻根中镉含量的分布随施硅量的增加而增大，但糙米和茎叶中镉的分配比例随施硅量的增大而逐渐减小。说明硅具有抑制镉向地上部分运转的作用。

表1 施硅对镉胁迫下水稻植株各部位镉含量占比的影响Table 1 Effects of Si application on Cd distribution in different parts of rice plants

2.3 施硅对镉胁迫下糙米中镉含量的影响

由表2可知，与对照处理相比，镉胁迫下，两品种水稻糙米中镉含量极显著增加（p＜0.01），“辽星19”的糙米比“辽粳9”更易积累镉。两品种糙米中镉含量是分别是各自对照处理的46.94倍和35.27倍。施硅可显著降低镉胁迫下两品种水稻糙米中的镉含量。与单施镉处理相比，两品种水稻糙米中镉含量随施硅量的增加而逐渐减少。施硅后“辽粳9”糙米中镉含量减少更显著，其中“辽星19”糙米中镉含量下降31.55%～61.91%，“辽粳9”糙米中镉含量下降43.87%～66.06%。当施硅量为100mg·kg-1土和150mg·kg-1土时，“辽粳9”糙米中镉含量小于0.2mg·kg-1，达到了国家食品污染物限量标准的要求。

2.4 施硅对镉胁迫下水稻植株镉迁移分配的影响

由表3可知，两品种水稻对镉的转移和富集能力不同。镉胁迫下“辽星19”糙米和茎叶中镉的转移系数和富集系数都大于“辽粳9”。两品种水稻的3个施硅处理（Si50，Si100，Si150）的糙米和茎叶的转移系数和富集系数都低于单施镉处理。施硅后两品种水稻糙米和茎叶中镉的转移系数和富集系数都随施硅量的增加而逐渐减小，“辽星19”稻米、茎叶的转移系数分别降低30.17%～57.76%和22.24%～51.16%，富集系数分别降低24.63%～58.77%和 15.97%～52.18%；“辽粳 9”的稻米、茎叶的转移系数分别降低45.25%～72.07%和29.73%～72.54%；富集系数分别降低40.11%～63.81%和40.49%～72.39%。在相同硅浓度条件下，“辽星19”稻米、茎叶的转移系数、富集系数都高于“辽粳9”，说明“辽星19”对镉表现出更强的转移、积累能力。

表2 施硅对镉胁迫下水稻糙米中镉含量的影响Table 2 Effects of Si application on Cd distribution in different parts of rice plants

表3 镉胁迫下加硅对水稻植株各部位转移系数和富集系数的影响Table 3 Effects of Si application on transfer and accumulation coefficients of different parts of rice

3 讨论与结论

水稻对于镉的吸收积累具有基因型的差异。这种差异表现为镉对植株的抑制作用，即产量和生物量的变化、植株对镉的吸收不同。水稻地上部及籽粒镉积累量是一种复杂性状，受多个遗传位点共同调控，目前已克隆了几个基因，OsHMA5是控制稻根吸收Cd的主要转运体，负责将Cd从土壤溶液传输到根细胞[24-25]；OsHMA3是Cd的液泡膜定位转运蛋白，参与将Cd螯合到根细胞的液泡中[26-27]；OsHMA2和OsLCT1与镉在水稻籽粒中的分布有关[28-29]；张昕[30]则认为，相关基因在品种间存在多个自然变异类型，水稻发育籽粒中OsNramp5的表达量与稻米镉积累量呈正相关。本研究中选用的“辽星19”是以辽294/辽454为母本，以辽326/90-82为父本人工杂交系选而成的中晚熟品种，“辽粳9”则是以辽粳294为母本，以辽粳454为父本经人工杂交后选育而成的中晚熟品种；二者亲本来源不同，因此在吸收积累镉方面也存在着差异。在本研究中“辽粳9”对镉更敏感，生物量和产量降低程度更高，而“辽星19”生物量和产量降低程度则低一些；就糙米中的镉含量、镉的转移系数和富集系数而言，“辽星19”都显著高于“辽粳9”。相对来说，“辽粳9”是个低耐受、低积累品种。

硅降低镉的生物有效性已成共识，其机制可以从生物学和土壤化学两个方面来说明。如前所述，从生物学角度来看，一方面硅可以激活水稻抗氧化系统[15-17]，改善细胞超微结构[15，17]提高其对镉胁迫的耐受性，抑制镉在水稻体内的运转[11-12]或实现体内分隔[13]，近来发现加硅后，OsHMA5、OsHMA2[18]和 OsHMA3[18，31]的表达被下调，从而在一定程度上抑制了Cd的吸收与运转与镉在水稻籽粒中的富集，对此提供了分子水平的证据；另一方面，也有研究表明[32]，硅结合蛋白SBP117可诱导硅在水稻根部内皮层及纤维层细胞附近沉积，进而在一定程度上阻塞细胞壁孔隙，减少镉的质外体运输，抑制镉向地上部的运输；而Lsi2则是一个负责将硅从外皮层和内皮层细胞外排到中柱细胞中，从而将硅装载到木质部进行向地上部的远距离运输的蛋白[33]，敲除Lsi2都会导致Si吸收的损失[34]。耿杰[35]选择4个不同品种的水稻开展的试验表明，在不同施硅量条件下，辽粳9的SBP117和Lsi2的表达丰度是最高的。这些结果从另一个角度揭示了硅降低镉生物有效性的分子机制。从土壤化学角度看，硅促进土壤液相、固相镉形态向无效态转化，在一定程度上促进酸性及中性土壤对镉的吸附，抑制土壤固相镉的解吸[22]。在本研究中，镉胁迫下，施硅显著提高了水稻的生物量和产量，降低糙米镉的含量和镉的转移系数与富集系数，显然与硅能够能缓解镉对水稻的胁迫有关，这应该包含了生物学与土壤化学两方面的机制。但是，施硅不能从根本上改变不同品种水稻对镉胁迫响应的差异，施硅量相同时，两个品种水稻对于硅降低镉生物有效性的反应的敏感程度仍然有明显的差别。比较而言，施硅后“辽粳9”糙米镉的含量和镉的转移系数与富集系数降低的程度更大。

当施硅量（以SiO2计）大于100mg·kg-1土时，“辽粳9”糙米中镉含量已能达到国家食品污染物限量标准。这提示采取镉低积累品种并施用适量硅的措施可实现镉污染稻田水稻的安全生产。镉胁迫下两品种水稻的生物量和产量显著降低，糙米中镉的含量显著增加，胁迫效应表现为“辽粳9”高于“辽星19”，镉的转移系数和富集系数表现为“辽星19”高于“辽粳9”；施硅则不同程度地缓解了镉对水稻的胁迫，镉的转移系数和富集系数也随施硅量的增加而减小，但施硅并不能改变两品种水稻对镉胁迫响应的差异；选用镉低积累品种，施用适量硅可实现镉污染稻田水稻的安全生产。