陳仕淼，辛子兵，陸覃昱，鄭富海，何 冰*

（1.廣西大學，廣西農業(yè)環(huán)境與農產品安全重點實驗室，南寧 530005；2.廣西壯族自治區(qū)中國科學院廣西植物研究所，廣西喀斯特植物保育與恢復生態(tài)學重點實驗室，廣西 桂林 541006；3.廣州市林業(yè)和園林科學研究院，廣州 510405）

鋅（Zn）是植物所需的必要元素，鎘（Cd）與Zn同族，具有相近的化學性質。多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，Zn可減少植物對Cd的吸收[1-4]，減輕Cd毒害進而緩解農作物減產[2，5-6]。Zn的加入可以有效抑制水稻Cd的吸收和向上運輸[7]。施用100 mg·L-1納米ZnO，水稻穗和根中的Cd含量下降了30%和31%[8]。研究表明Zn可以顯著降低水稻根系中Cd含量，提高水稻地上部Cd含量，促進Cd向上運輸[9]。游離的Zn2+濃度在亞植物毒性水平（10-7.6至10-6.1）不會抑制水稻對Cd的吸收[10]。因此Zn對水稻Cd吸收轉運的影響機制尚不清楚。

植物對重金屬的吸收及轉運過程包括質外體途徑和共質體途徑。水稻根系鐵膜以及細胞壁是阻隔質外體中重金屬進入共質體的主要屏障。根表鐵膜增加了水稻對Zn的吸收[11]，水稻對Zn的吸收與水稻根系鐵膜厚度成正比，而水稻對Cd的吸收與根系鐵膜厚度成反比[12]。有研究指出，水稻根部致密的根表鐵膜阻遏了水稻對Cd的吸收，減輕了Cd對水稻幼苗的毒害[13-14]。水稻根系中有30%以上的Cd被細胞壁所阻隔，使Cd不能進入細胞并向上轉運[15-17]。細胞壁組分影響水稻對Cd和Zn的吸收，有研究認為不同品種的油菜對Cd的吸收及耐性差異來源于細胞壁組分差異[18]。果膠是影響細胞壁對重金屬吸收的重要因素之一，有研究表明果膠促進芹菜細胞壁對Cd的吸附[19]，也有研究表明，果膠抑制水稻對Zn的吸附，而半纖維素則促進細胞壁吸收Zn[20]。Yang等[21]對擬南芥細胞壁組分的研究表明，半纖維素1（HC1）是擬南芥細胞壁組分中Al吸收的主要成分。Zhu等[22]研究表明，Cd2+固定在根細胞壁組分HC1中。Li等[23]對東南景天細胞壁組分的研究表明，高Cd條件下東南景天果膠和半纖維素2（HC2）含量顯著增加，但細胞壁中Cd含量卻顯著降低。Cd、Zn處理影響細胞壁組分，果膠與半纖維素在柳樹根細胞壁吸附Cd中發(fā)揮重要的作用[24]。Zn缺乏會導致甜茶細胞壁中果膠、HC1與HC2的下降[25]。Cd可誘導水稻品種日本晴細胞壁中果膠含量增加，使果膠甲酯酶活性提高[26]。綜上所述，水稻根表鐵膜和細胞壁對阻礙水稻吸收Cd和Zn具有重要作用。細胞壁中HC1能促進重金屬在細胞壁中的積累，而果膠及HC2抑制細胞壁對重金屬的吸收。我們試圖分析Zn是否通過改變根表鐵膜和細胞壁成分從而影響Cd的吸收及轉運，探究水稻中Zn與Cd的相互作用規(guī)律，為復合污染農田中水稻生產的農產品質量安全控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

供試水稻品種為鹽兩優(yōu)888（水稻Cd高積累品種）。水稻種子采用常規(guī)方法播種催芽，待水稻幼苗生長至三葉一心時移栽至3 L塑料桶中，使用國際水稻營養(yǎng)液培養(yǎng)，營養(yǎng)液成分如表1。保持營養(yǎng)液pH 5.0，每3 d更換一次，待幼苗生長至四葉一心時進行處理。實驗設 CK（不添加 Cd、Zn）、Cd（5 μmol·L-1CdCl2）及 Cd+Zn（5 μmol·L-1CdCl2+30 μmol·L-1ZnCl2）3個處理，每個處理4次重復。每3 d處理1次，共處理3次，9 d后采樣。

表1 國際水稻研究所常規(guī)營養(yǎng)液成分[27]Table 1 International rice research institute conventional nutrient solution composition[27]

1.2 測定項目及方法

1.2.1 植株生物量及Cd、Zn含量分析

植株分地上部和根部兩部分，洗凈，20 mmol·L-1EDTA-Na2浸泡20 min，去離子水沖洗3次，擦干，105℃殺青30 min，65℃烘干至恒質量，稱干質量。取烘干的植物樣品，粉碎，過100目篩，準確稱取0.300 g樣品，加入優(yōu)級純硝酸8 mL，微波消解法消解（Mars6 CEM，美國），原子吸收分光光度法測定Zn、Cd含量（PinAAcle 900T珀金埃爾默，美國）。金屬積累量的計算方式為：

Zn、Cd積累量（mg·plant-1，以干物質計）=生物量（g·plant-1）×金屬含量（mg·kg-1）。

1.2.2 根表鐵膜提取及金屬含量測定

根表鐵膜的提取采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-碳酸氫鈉（DCB）法[28]，待測液用原子吸收分光光度法測定Fe、Mn、Cd、Zn含量，按照Taylor等[29]方法計算鐵膜厚度。

1.2.3 細胞壁組分提取、金屬含量測定及吸附解析特性分析

細胞壁提取參照唐劍鋒等[30]的方法，將提取細胞壁分成兩份：一份用于組分分析，細胞壁組分提取及測定參照Yang等[31]的方法，果膠、HC1和HC2中半乳糖醛酸含量的測定采用分光光度法；一份用于細胞壁對Cd和Zn的吸附解吸動力學分析，參照何冰[32]的方法。

細胞壁組分中半乳糖醛酸的測定方法為：取已提取的果膠、HC1和HC2待測液各1 mL，3組分別以三者的提取液1 mL作為空白對照進行比色，加入5 mL四硼酸鈉/硫酸溶液，混勻，沸水浴20 min，冷卻至室溫，在520 nm比色。再加入100 μL 1.5 mg·mL-1間羥基聯(lián)苯溶液，混勻，5 min后520 nm再讀取一次，吸光度的增加量表示各組分中糖醛酸的含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

實驗數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0進行單因素方差分析，Duncan法多重比較，使用Origin 9.0對細胞壁吸附解吸數(shù)據(jù)進行非線性擬合及作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻幼苗生長的影響

如表2所示，單Cd處理及Cd+Zn處理顯著提高了水稻幼苗根部的生物量，與CK相比二者的增幅分別為27.22%和22.36%。地上部Cd+Zn處理顯著降低了水稻幼苗地上部生物量，而單Cd處理與CK沒有顯著差異。結果說明在供試范圍內，單Cd處理顯著促進水稻根系生長，但對地上部無影響；而Cd+Zn處理，顯著抑制地上部生長。

表2 水稻地上部及根部生物量（g·plant-1）Table 2 Shoot and root biomass of rice seedling（g·plant-1）

2.2 不同處理對水稻幼苗Cd、Zn含量的影響

各處理中，根部Cd含量均遠高于地上部Cd含量（圖1），相較于單Cd處理，Cd+Zn處理顯著提高了水稻幼苗地上部及根部的Cd含量，其根部的增幅為單Cd處理的8.28%。相較于根部，Cd+Zn處理條件下地上部的Cd含量增加更為明顯，增幅為單Cd處理的223%。各處理在積累量上表現(xiàn)出相同的趨勢（表3），但由于Cd+Zn處理后，地上部的生物量有所下降，地上部Cd積累量的增幅有所下降，為單Cd處理的181%。

圖1 水稻地上部及根部Cd含量Figure 1 Shoot and root Cd concentration of rice seedling

表3 水稻地上部及根Cd積累量（μg·株-1）Table 3 shoot and root Cd accumulation of rice seedling（μg·plant-1）

Cd+Zn處理各部分Zn含量及總積累量均遠高于CK，其地上部相較于單Cd處理增幅分別為270%和222%，而其根部Zn含量及總積累量則分別是單Cd處理的19.46倍及18.76倍。值得注意的是，單Cd處理的地上部Zn含量（圖2）及地上部Zn積累量（表4）均低于CK，表明Cd的加入會抑制水稻對Zn的吸收，暗示Zn、Cd間存在拮抗關系。

2.3 不同處理對水稻幼苗根表鐵膜成分的影響

不同處理下水稻幼苗形成的根表鐵膜成分分析結果表明（表5）：與CK相比，單Cd處理降低了鐵膜中Fe、Mn的含量，而Cd+Zn處理中的Fe、Mn含量與CK無顯著差異。單Cd處理降低了根表鐵膜中Zn的含量，Cd+Zn處理的根表鐵膜中Cd含量比單Cd處理增加29.99%。

圖2 水稻地上部及根部Zn含量Figure 2 Shoot and root Zn concentration of rice seedling

表4 水稻地上部及根部Zn積累量（μg·株-1）Table 4 Shoot and root Zn accumulation of rice seedling（μg·plant-1）

2.4 不同處理對水稻幼苗細胞壁組分及Cd吸附解析的影響

研究表明[33]，半乳糖醛酸與細胞壁組分之間關系相對穩(wěn)定，半乳糖醛酸的含量能表征細胞壁組分的多少。細胞壁作為Cd進入共質體的質外體屏障，對Cd具有攔截、阻隔的作用。試驗結果表明（圖3），相較于單Cd處理，Cd+Zn處理根系細胞壁中果膠糖醛酸含量下降11.58%，HC1糖醛酸含量下降11.45%，HC2糖醛酸含量增加14.82%。

圖3 水稻幼苗根細胞壁組分中半乳糖醛酸含量Figure 3 Galacturonic acid concentration in different composition of root cell wall of rice seedling

表5 水稻根表鐵膜成分（mg·kg-1）Table 5 Iron plaque element of rice seedling（mg·kg-1）

根細胞壁Cd吸附時間動力學曲線如圖4，根細胞壁對Cd的吸附隨著處理時間的延長而不斷增加。在1～150 min，兩個處理的細胞壁吸附量迅速增加，單Cd處理的細胞壁吸附量增加幅度大于Cd+Zn處理，在180 min左右，兩個處理的Cd吸附進入平臺期，細胞壁對Cd的吸附增速極其緩慢。一級擴散方程的物理含義為吸附解析關系只與擴散機理相關，細胞壁對離子的吸附解析速率與未被吸附解析量的一次方成比例[34-35]。采用一級擴散方程對細胞壁吸附Cd的時間動力學曲線進行擬合，單Cd處理及Cd+Zn處理的R2均為0.99（表6）。由一級擴散方程參數(shù)可知，單Cd處理的飽合吸附量（Qm）比Cd+Zn處理高13.42%，說明單Cd處理的細胞壁組分具有更高的Cd吸附能力。

根細胞壁Cd解吸時間動力學曲線如圖5，根細胞壁對Cd的解吸隨著處理時間的延長而不斷增加。在1～120 min，兩個處理的細胞壁解吸量迅速增加，單Cd處理的細胞壁解吸量增加幅度大于Cd+Zn處理。在360 min左右，兩個處理的Cd解吸進入平臺期，細胞壁對Cd的解吸增速極其緩慢。采用一級擴散方程對細胞壁解吸Cd的時間動力學曲線進行擬合，單Cd處理及Cd+Zn處理的R2分別為0.94和0.96（表7）。單Cd處理的Qm與Cd+Zn處理差異不大，說明單Cd處理和Cd+Zn處理的細胞壁組分Cd解吸能力差異較小。

圖4 不同處理根細胞壁Cd吸附動力曲線Figure 4 Cd adsorption kinetic curve of cell wall from root of different treatments

表6 吸附動力學一級擴散方程擬合參數(shù)Table 6 The adsorption fitting parameters of first-order diffusion kinetic equation

圖5 不同處理根細胞壁Cd解吸動力學曲線Figure 5 Cd desorption kinetic curve of cell wall from root of different treatments

表7 解吸動力學一級擴散方程擬合參數(shù)Table 7 The desorption fitting parameters of first-order diffusion kinetic equation

3 討論

實驗結果表明，在供試范圍內，Zn、Cd共同處理對水稻幼苗地上部Cd積累具有顯著的促進作用，同時抑制水稻幼苗地上部的生長，這可能是Cd和Zn相互作用的結果。

3.1 Zn對Cd脅迫下水稻生長和吸收Cd的影響

Cd對水稻的生長及營養(yǎng)代謝具有明顯的抑制作用[36]，但低劑量的Cd2+會刺激植物的根系生長[37-38]。多數(shù)研究表明，Zn在植物應對非生物脅迫中起到積極的作用，Zn可以通過穩(wěn)定、保護細胞膜，緩解Cd造成的氧化脅迫，從而減緩Cd對水稻生長的抑制[6]。實驗結果表明單Cd處理與Cd+Zn處理的根部生物量均高于CK，而地上部生物量單Cd處理與CK持平，Cd+Zn處理略小于CK。由于在Cd+Zn處理中，根部Zn含量約為地上部的兩倍，而根未表現(xiàn)出明顯的毒害效應，所以推測過高的Zn含量可能是導致Cd+Zn處理地上部生物量下降的主要原因。

Cd與Zn屬同主族元素，化學性質相近，多數(shù)研究認為，Cd、Zn共用多數(shù)吸收、轉運通道[39-40]，故在植物的吸收上，兩者表現(xiàn)為拮抗作用[1-3]。而一些研究結果卻與之相反。有研究表明[41]，當同時施用Zn和Cd時，10 μmol·L-1Cd+50 μmol·L-1Zn的組合施用增加了菜豆地上部及根部的Cd和Zn含量。實驗結果表明，與CK相比，單Cd處理根部與地上部Zn含量均略有下降，表明在Zn低濃度條件下，Cd與Zn表現(xiàn)為拮抗作用，而Cd+Zn處理根部與地上部Cd含量與積累量均高于CK，表明在Zn濃度≥30 μmol·L-1的高濃度條件下，Zn促進了Cd的吸收與轉運。

3.2 高濃度Zn促進水稻吸收Cd的機制

根表鐵膜被認為可以吸附和共沉淀重金屬離子，降低其生物有效性從而減少根系對有害離子的吸收[42-43]。同樣，有研究指出，不同水稻品種的Cd吸收差異與各個品種根表鐵膜的形成量密切相關[44-45]。實驗結果表明，相較于單Cd處理，Cd+Zn處理顯著提高了根表鐵膜中的Fe含量及Mn含量（與CK持平），更有利于鐵膜及錳膜的形成[46]，從而進一步促進了Cd在鐵膜中的絡合與共沉淀，表現(xiàn)為Cd+Zn處理中根表鐵膜Cd含量顯著高于單Cd處理。值得注意的是，相較于CK，單Cd處理顯著降低了根表鐵膜中Fe及Mn含量，表明在供試范圍內，Cd抑制水稻根表鐵膜的形成，而Zn則可以緩解這一過程。另外，我們發(fā)現(xiàn)，雖然Cd+Zn處理鐵膜中Cd含量高于單Cd處理，但相較于單Cd處理，其根部Cd含量也較高，暗示Cd+Zn根部Cd主要積累于根表鐵膜中，共質體中Cd含量較小。

細胞壁是金屬離子跨膜進入原生質體的最后屏障。植物細胞壁的主要成分包括纖維素和基質多糖，而基質多糖則包括果膠、HC1、HC2[33，47]，其中含有大量帶負電荷的基團如羧基、醛基、氨基以及磷酸基等，通過吸附、絡合、沉淀等作用阻隔重金屬離子向細胞內轉運[48]。Cd+Zn處理中，果膠與HC1含量均低于單Cd處理，而果膠與HC1被認為是影響Cd吸附的重要成分[49-50]。在吸附解吸實驗中，Cd+Zn處理Cd吸附總量相較于單Cd處理更低而解吸總量更高，表明Cd+Zn處理的細胞壁對Cd的攔截效應更弱，由此推測Cd+Zn處理導致細胞壁組分變化，降低果膠與HC1比例，進而減少細胞壁對Cd的攔截是導致水稻地上部Cd吸收增加的原因之一。

4 結論

根表鐵膜是水稻吸收重金屬進入水稻根系的第一道屏障。綜上所述，Zn緩解Cd對水稻根表鐵膜形成的抑制效應，促進Cd在根表鐵膜的沉積，降低根對Cd的吸收，緩解Cd對水稻根系生長的影響。Cd一旦進入根系，Zn可以通過降低根系細胞壁中的果膠與HCl含量，減少細胞壁對Cd的吸附容量，提高細胞壁的解吸容量，促進Cd向地上部的運輸，由此推測，高濃度Zn處理并不能抑制Cd在地上部的積累及其對地上部的毒害。對于Zn如何改變細胞壁成分（果膠和HC1）的合成與分解代謝的相關研究，將能更好地解釋高濃度Zn促進水稻吸收轉運Cd的機理。