水稻根系发达程度对镉富集水平的影响分析

覃永华，徐宵粲，侯娜娜，杨新稳，魏金峰，尹琪然

（中南民族大学 生命科学学院& 国家民委生物技术重点实验室& 武陵山区特色资源植物种质保护与利用湖北省重点实验室，武汉430074）

镉（Cd）作为土壤重金属污染超标率最高的重金属，其具有毒性高、污染大、易迁移等特征［1］.水稻是一种易富集镉的农作物，不同水稻品种对重金属镉的吸收和蓄积存在明显差异［2］.镉通常通过两种途径进入到植物体内，一种是通过根表皮细胞间隙，自由扩散进入；另一种是通过根毛细胞吸收进入.镉在进入根毛细胞后，首先横向运输到维管柱，再通过木质部向地上部分运输［3］.当镉运输到地上部分后，又会随着茎、叶等器官的发育实现再分配［4］.随着水稻的发育，抽穗后部分镉会发生外排现象，由地上部分转运到根部或排出到土壤中［5-6］.有研究表明，重金属胁迫可以引起表观遗传修饰如DNA 甲基化变异和基因表达变异的发生，从而对水稻的生长产生抑制，并且胁迫浓度越高，抑制作用越大［7］.重金属镉在植物体内的累积会导致水稻株高降低、分蘖数降低、地上营养部分、种子及根的生物量降低［8］.

水稻根直接与外界接触，长期暴露在生物胁迫和非生物胁迫之中，恶劣的外界环境会影响根的生长从而对水稻的产量造成影响［9-10］.根系发达的水稻对水分和营养物质的吸收效率高，同时对外界重金属的吸收能力也高于根系不发达水稻.因此，合理选育高耐性低蓄积水稻品种是降低稻米重金属污染风险的一个有效途径［11］.

本研究通过选取不同根系发达程度的水稻品种进行重金属镉吸收和积累特征的分析，鉴定这些水稻品种对重金属污染的耐性，分析根系结构对重金属镉的积累和分配的影响.

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所选用的不同水稻品种种子（表1）由中南民族大学武陵山区特色资源植物种质保护与利用湖北省重点实验室提供.

表1 水稻编号与水稻品种名称Tab.1 Number and variety name of rice

1.2 实验方法

1.2.1 水稻根部形态观察

水稻种子在无菌条件下发芽，4 d后选取发根长度相似的植株（每个品种选取9 棵），然后转入生根管内，放于光培养室内继续培养7 d，观察根系形态和相关性状（主根长度、不定根数目）.

1.2.2 不同浓度的镉对水稻幼苗生长的影响

用小方盒配制含有不同浓度重金属镉的MS 培养基，镉终浓度分别为0、3、6、10 μmol·L-1，选取生长一致的水稻幼苗接种于小方盒中进行8 d 培养后，测量根长、苗长、鲜重、干重等.

1.2.3 重金属镉对水稻结实率的影响

将水稻幼苗进行水培培养，培养一周后进行重金属镉处理，水培液中重金属镉的浓度为5 μmol·L-1，水培液配方参考国际水稻研究所（IRRI）推荐的标准.每周换一次水培液，培养至水稻籽粒成熟.期间在水稻三叶期，幼穗期、成熟期进行各组织样品取样，并统计各品种结实数.

1.2.4 重金属镉含量测定

将水稻样品放入65 ℃恒温箱烘干3 d，待样品完全干燥后取根、茎、叶以及种子用液氮磨碎，称取0.1 g 样品粉末至10 mL EP 管，加入5 mL 1 mol·L-1H2NO3，室温（25 ℃）摇床震荡3 h，后用套有滤头的注射器滤掉样品残渣，将过滤后的样品溶液转移至新管中.取500 μL 抽提液，用1 mol·L-1H2NO3稀释至合适浓度.利用原子吸收光度法（原子吸收光谱仪ICE 3500）测定样品镉含量.

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种根系表型鉴定

将不同水稻品种进行无菌发芽，并在生根管中培养7 d，对其胚根长度和不定根数目进行测定及分析.如图1所示，各品种水稻幼苗胚根长度和不定根数目有较大的差别.通过比较胚根长度和平均不定根数目，胚根平均长度在2 cm 以下且平均不定根数在2 以下的品种确定为根不发达品种.平均胚根长度在3 cm以上且平均不定根数在5以上的品种确定为根发达品种.平均胚根长度在2～3 cm 之间且平均不定根数在3～4 之间的品种确定为根较发达品种.根据实验结果，选取023、117、330、346、342、402为后续研究材料，其中水稻品种023、117 为不发达根系品种；330、346 为较发达根系品种；342、402 为发达根系品种.

图1 不同水稻品种的根系表型数据统计Fig.1 Statistics of root phenotype data of different rice varieties

2.2 苗期水稻对镉的耐受性分析

将前期选择的6个水稻品种经MS培养基发芽，2 d后将生长一致的幼芽置于分别含3、6、10 μmol·L-1Cd2+的MS 培养基中培养8 d，分别统计各植株的苗长、根长和鲜重干重（图2（a））.结果表明，同正常生长条件下的生长状况相比，随着镉浓度的不断上升，大多数品种根的生长呈现出先下降后上升的趋势（图2（b）），但品种117 和342 的根表现出持续上升的态势.各品种植株苗长均表现出先增加后降低的过程，但变化不明显（图2（c））.这说明适当浓度的镉处理对水稻幼苗根的生长有一定促进作用，对苗的生长影响较小.植株的鲜重及干重反映着植株的生长状况，干重占比下降，表示植株的生长受到抑制.对重金属处理后的6个水稻品种的鲜重、干重以及含水量进行分析.结果如图2（d）所示，随着镉浓度的增加，23、117 品种植株干重占比逐渐增加，表明重金属镉对根不发达品种的生长影响较小.而根系较发达品种330、346 经镉处理后，干重占比均下降，表明植株生长受到了抑制，表现出对镉的不耐受.根发达品种342、402 的干重占比变化趋势与根不发达品种相同，但变化程度较根不发达品种大，表现出对镉有耐受能力.

对经不同浓度重金属镉胁迫后的幼苗经硝化处理，然后测定镉的含量.结果说明（图2（e）），随着镉浓度的升高，植株体内的镉含量均呈现升高趋势.根发达品种镉含量的升高幅度最大，根不发达品种镉含量的升高幅度最小.这表明植株体内镉的积累与根系发达程度具有一定的正相关性，推测根系越发达，吸收能力越强.

图2 重金属胁迫对水稻农艺性状的影响Fig.2 Effects of heavy metal stress on rice agronomic characters

2.3 成株期水稻对镉的耐受性分析

将水稻植株置于Cd2+浓度为5 μmol·L-1的水培液中培养，分别从三叶期、幼穗期、成熟期取样，检测各个水稻品种根、茎、叶中重金属的含量.结果表明，各水稻品种根中的镉含量随着水稻生长逐渐升高，在成熟期时，根部镉富集达到最高水平，水稻茎和叶中的镉含量总体逐渐降低.如图3所示，在三叶期，各品种水稻根、茎、叶中重金属的含量相差不大，品种23、117 各个器官中都表现出较少的镉富集.在幼穗期和成株期，镉在根中的累积最多，在茎中次之，在叶中最少；镉在品种23、117 和402 根中含量均较低，在品种330 中含量均较高，在品种346成株期根中的含量显著低于幼穗期.镉在品种342和402茎中含量随着水稻生长显著降低，在品种342和402 幼穗期茎中含量保持较高积累，到成熟期显著降低，而在品种330 和346 成熟期茎中仍保持较高水平.在籽粒中，各品种的镉含量较为一致，相比其他组织浓度较低，其中品种342中的含量最低.

重金属胁迫会影响成熟期水稻的结实率，且水稻对镉越不耐受，结实率变化越大［12］.对成熟期水稻的结实率进行统计分析，结果如图3（e）所示，6个水稻品种在经镉处理之后结实率均表现出下降的趋势，其中，23、117 结实率受影响最小，342 次之，而330、342和402的结实率显著降低.

图3 成熟期水稻镉的耐受性分析Fig.3 Analysis of cadmium tolerance in rice at mature stage

3 讨论

3.1 不同水稻品种各器官中重金属镉的累积特征

水稻不同器官对重金属元素的吸收蓄积能力存在很大差异，其中以根富集重金属元素的能力最强，一般以根＞茎＞叶＞籽粒的顺序递减［13-14］.植物体内的镉含量高低对应着植物对重金属镉的吸收能力强弱，而不同部位在不同阶段镉含量的变化，表示植物对镉的转运能力大小［15］.在三叶期时，各品种水稻根、茎、叶中镉的含量相差不大，随着发育进行，根部的镉含量逐渐上升，而茎叶的镉含量逐渐下降，且下降程度在幼穗期根系发达水稻品种中更为明显.推测可能是因为苗期水稻根系富集功能和耐受机制还未发育健全，根部吸收的镉直接转运到植株的各个部位.但随着植株成长到幼穗期及成熟期，植株的耐受机制和转运体系发育完全，通过抗氧化防卫机制、镉的螯合隔离以及外排机制等，导致植株地上部分的镉累积量下降［16］.植物在镉胁迫过程中会产生多种限制镉吸收和转移的生理生化机制：凯氏带阻止镉以质外体途径进入木质部；螯合剂与进入根的镉螯合形成稳定化合物并区隔在液泡中，这些机制会导致镉在根部累积［17］.在本研究中，镉在各器官中的富集也呈现与报道一致的结果，在根中最高，茎、叶中次之，种子中最少.

3.2 不同水稻品种对重金属镉胁迫响应的差异

不同水稻品种由于遗传变异，在重金属元素的吸收和分配上存在显著差异［18-19］.不同的水稻品种，其各器官形态结构和生理特征存在差异，导致水稻对重金属元素的吸收和转运存在显著的不同［20-21］.此外，土壤中较多的重金属复合物也会影响水稻对重金属的吸收联系［22］.水稻对重金属镉的耐受性强弱体现在水稻生长状态的变化上，对水稻生长影响越大表明越不耐受［23］.为减少环境因子对实验结果的影响，本研究采用水培方式开展重金属镉的处理.通过分析根系不发达（117、023）、根系较发达（330、346）、根系发达（342、402）水稻品种中重金属镉的积累和分配特征，探究水稻不同器官特别是根对重金属镉的吸收转运能力及不同生育时期重金属镉在各器官的分布规律.结果显示，在苗期胁迫中，随着镉浓度的增加，水稻根长会随之增加，且显著高于正常条件下的长度，但是对水稻幼苗的生长长度影响不大.表明在一定镉浓度范围内，镉对幼苗根的伸长具有促进作用.生物量检测发现，在镉处理下，随着浓度的增加，根不发达品种23、117 和根发达品种342、402 的干重比是显著增加的，而根较发达品种330 和346 的干重比有所下降.镉含量检测结果显示在根发达品种中的镉含量显著高于其他两种类型.以上结果表明，根不发达品种23、117 受镉胁迫影响较小，可能与根系吸收能力弱有相关性；根发达品种342、402 对重金属镉具有较强的吸收，在植株中有较高的富集，但其幼苗受到的影响有限，表现出对重金属较强的耐受能力；根较发达品种330 和346 对重金属镉的吸收富集高于根不发达品种，同时，其干重比受到的影响最为显著，对镉表现出较差的耐受力.

品种23、117根和叶都表现较少的镉富集，而茎中镉含量在幼穗期较高，但在成株期时显著降低，结实率受到的影响也最小，可能是因为根系不发达，影响了对镉的吸收.其他4个品种呈现不同的镉富集模式，330 在根和叶中均保持较高的富集，346在成熟期根中降低，在茎中增加，342 在根中维持较高的富集，402在根和茎中镉含量都较低.推测可能是330 和346 植株体内镉含量较多，但外排系统能力有限，使体内的镉不能全部转运到根部，导致茎中有所累积.342品种因为根系发达，导致吸收镉的能力强，在根中大量积累.402 根系发达，在苗期有大量镉积累，后期维管组织发育成熟，一方面，在向生殖器官转运大量镉，影响结实率；另一方面，外排能力强，镉也能通过维管组织大量外排，减少组织器官中镉含量.