不同温度下水稻各生育期对镉累积效应研究

张上都， 罗正良， 伍 祥， 石邦志， 彭 菊， 蒙秀菲， 蒋慧丹， 周乐良

(1.中南大学研究生院隆平分院， 湖南 长沙 410125； 2.贵州省农业科学院水稻研究所， 贵阳 550006；3.湖南省农业科学院 a.水稻研究所；b.农业生物技术研究所， 长沙 410125)

水稻是我国人民的主粮之一[1]。随着我国社会经济的持续发展，人们对食品的要求越来越高。因此，水稻生产在提升产量的基础上，还要兼顾品质的提升。目前，水稻品质除受品种自身因素影响外，还有种植环境的光、温、水、肥和土壤各种重金属元素的影响。土壤中的重金属不仅能影响水稻生长[2]，还会威胁公众健康[3]。根据何洋等[4]和陈建伟等[5]的研究，温度是影响水稻镉吸收的一个重要因素，在同一块田中种植双季稻，晚稻米中的镉含量明显高于早稻米。鉴于此，本实验结合前人的研究成果，以温度作为一个非常重要的研究因子，在植物培养箱中设计3个不同温度梯度处理，对两个晚稻品种的4个生育时期进行镉累积效应分析，检测其根系、茎鞘和叶片中镉浓度，从中找出低镉累积时期和温度，为水稻实际生产采取的栽培方法提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

试验地点安排在湖南省农业科学院的实验大楼植物人工气候箱，113°4′51″E，28°12′20″N。

1.2 实验材料

在前人通过多年多点的盆栽与大田实验后得出的结果中，筛选出高镉累积品种玉针香和低镉累积品种湘晚籼12号为材料[6-7]，均由湖南省农业科学院水稻研究所选育并提供，适宜湖南省稻作区的双季晚稻种植，其生育期为(115±2)d。

1.3 实验设计

2018年 6 月 6 日用强氯精对稻种消毒、浸泡，在植物气候箱内催芽、育苗。待水稻苗育至三叶一心时，选取长势均匀一致的3粒谷秧苗，用海绵包住水稻基部置于定植篮中，再将定植篮安放在泡沫板上对应的标准孔中，漂浮在装有营养液的塑料箱(Raxwell型号RHSS 4020:内尺寸555 mm×355 mm×210 mm)内进行培养。全程采用pH值为5.5的木村B营养液[8]培育。平常整齐摆放在实验室外的平台上，在苗期(7月15—20日)、分蘖期(8月8—13日)、孕穗期(8月27日—9月1日)和灌浆期(9月7—12日)等4个生长发育时期，探寻生产上低浓度镉环境下的镉污染对水稻的影响，再次选取长势均匀植株放入镉(Cd)浓度为 2 mg·L-1(使用分析纯级的CdCl2·2.5 H2O进行调配)的营养液(35 L)中，持续 6 d，分别搬至低温(15～20 ℃)、中温(22～27 ℃)和高温(30～35 ℃)3个温度梯度的植物气候箱中，每隔 24 h 分别检测水稻各器官镉浓度。植物气候箱内的温度处理随着时间变化进行调整(图1)，白天(06：00—20：00时)光照强度为 12 000 lx；晚上(20：00—06：00时)为黑暗处理。不同生育期的每个温度处理均有3盆水稻，每次在同一盆中取3株作为混合样品。用去离子水洗净，吸水纸吸干表面水分，使用无酶剪刀分别取根系、茎鞘、叶片，装入干净的信封中编号，105 ℃ 杀青 30 min，80 ℃ 烘干至恒重，粉碎后(每个样品粉碎后要将机器清理干净，避免与下一个样品的机械混合)过 100 目标准筛待测，按照《食品安全国家标准 食品中镉的测定》[9]的方法测定各自的镉含量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007软件和 DPS 软件进行试验数据统计分析，使用 Oringin 8软件作图。

2 结果与分析

两个水稻品种在4个生长发育时期3个温度梯度连续处理 6 d后，分别对根系、茎鞘和叶片的镉含量进行检测，镉含量(3个重复的平均值)进行差异显著性分析。

2.1 镉环境对水稻根系、茎鞘和叶片中镉含量的影响

分别从品种、生育期、器官和温度四个方面来进行比较环境对镉含量的影响。

两个品种之间的比较：在相同温度下同一个生育时期的相同器官中镉含量进行比较后，发现两个供试品种的根系、茎鞘和叶片中镉含量变化趋势均一致，玉针香中累积的镉含量显著或极显著大于湘晚籼12号，仅在少数情况下，两者没有显著差异，如高温时苗期茎鞘、中温和低温灌浆期茎鞘、低温时分蘖期和灌浆期的叶片。

4个生育期之间的比较：在相同品种同器官同温度情况时，随水稻生育期的延长而水稻各器官镉积累变化不一致。玉针香根系在低温时表现为分蘖期>苗期>孕穗期>灌浆期，中温和高温表现为苗期>分蘖期>孕穗期>灌浆期，随着生育期的延长，玉针香根系镉含量随之降低；湘晚籼12号根系镉的变化趋势比玉针香更明显，3种温度下和平均数都表现为随生育期的延长而镉含量逐渐降低，即苗期>分蘖期>孕穗期>灌浆期，而茎鞘和叶片在不同条件下呈不同的变化，未发现明显规律。总体而言，随着生育期的延长，根系积累的镉含量越低。

表1 不同温度处理对不同生育期水稻不同器官镉吸收的影响

3个不同部位之间的比较：同一水稻品种在同样的温度梯度处理同一个生育时期的时候，水稻植株各器官中的镉含量均以根系最高，其次是茎鞘，最少的是叶片，即根系>茎鞘>叶片，且各处理间有显著差异。由此看来，根系是水稻镉积累的主要器官。

3个温度梯度之间的比较：在同品种同生育期同器官情况时，温度对水稻镉积累有显著差异。温度没有改变不同器官中镉累积的顺序，湘晚籼12号中镉含量对温度的反应趋势与玉针香一致。但是随着温度的增加，水稻根、茎和叶中的镉含量显著增加，即高温>中温>低温。因此，高温加速了水稻镉含量的积累。

2.2 水稻植株连续6 d的吸镉趋势

两个供试品种的4个生育期在3个温度梯度连续6 d 进行镉环境处理后(图2～图7)，随着时间的持续，水稻植株中的根系、茎鞘和叶片中的镉含量均表现出逐渐增加的趋势；同一品种在同一生育期下的不同温度处理中其吸镉趋势一致，即随着温度的升高，水稻植株的根系、茎鞘和叶片中的镉含量亦同样增加。

2.3 水稻植株在温度梯度处理下连续6 d的平均吸镉浓度趋势

两个供试品种在3个温度梯度镉环境下进行连续6 d处理后，根据其6 d的平均镉含量作图(图8～图10)可以看出，4个生长发育时期的各个器官中的镉含量表现分别为：根系和茎鞘中的镉含量趋势一致，玉针香(高温)>玉针香(中温)>湘晚籼 12 号(高温)>湘晚籼 12 号(中温)>玉针香(低温)>湘晚籼 12 号(低温)；叶片中的镉含量趋势为玉针香(高温)>湘晚籼 12 号(高温)>玉针香(中温)>玉针香(低温)>湘晚籼 12 号(中温)>湘晚籼 12 号(低温)。由此说明，高温能够促进高镉累积品种对镉含量的吸收，低镉品种具有较强的耐镉特性。

3 讨论与结论

本研究发现,两个供试品种在相同温度处理下的根系、茎鞘和叶片中的镉含量变化趋势为：根系>茎鞘>叶片，各个生育时期均表现为根部镉积累占整个植株总镉的比例一半以上，这与张子叶等[10]的研究结果相一致。两个供试品种在同样温度处理下的根系与茎鞘中的镉浓度均为苗期>分蘖期>孕穗期>灌浆期；苗期是控制水稻镉吸收的重要时期，而分蘖期至灌浆期是控制水稻植株内镉由茎叶向籽粒转移的关键时期。这一结果与倪中应等[11]的研究有所区别，可能是由于镉处理的浓度存在差异。

在镉环境下随处理温度的升高，植株内的镉含量逐渐增加，进而影响水稻品质。如果镉污染下水稻累积的镉含量超过食品安全的阈值，通过食物链摄入后会影响人体健康。因此，在镉污染土壤上采取降镉累积栽培措施和低镉累积水稻品种选择具有重要的现实意义[12]。