張亞?wèn)|，劉海學(xué)，楊仁杰，高龍飛，武麗娟

(天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384)

【研究意義】水稻是我國(guó)種植面積最廣且具有較強(qiáng)鎘(Cd)吸收能力的農(nóng)作物[1]。陳能場(chǎng)等[2]人的調(diào)查研究顯示，Cd是我國(guó)土壤點(diǎn)位超標(biāo)率最高的污染物，達(dá)到7%，嚴(yán)重威脅著人體健康和稻米的質(zhì)量安全。Cd廣泛存在于自然界中，且具有毒性大，易累積的特點(diǎn)，會(huì)通過(guò)食物鏈的傳遞影響到人類(lèi)的健康[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】眾多的研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的Cd會(huì)在直接損傷植物根系的同時(shí)破壞細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，且擾亂植物的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程和影響一些礦質(zhì)元素如Fe、Zn、Cu、Ca等的吸收，進(jìn)而影響植物的生命進(jìn)程[4-5]。水稻地下部是最先接觸外界環(huán)境的部分，Cd最先被植物地下部吸收，使根系細(xì)胞內(nèi)的核仁及染色體遭到破壞，同時(shí)誘導(dǎo)產(chǎn)生了逆境乙烯這種對(duì)水稻傷害極強(qiáng)的物質(zhì)，進(jìn)而嚴(yán)重抑制了水稻地下部的生長(zhǎng)[6]。在楊居榮[7]、江玉行[8]等的研究中發(fā)現(xiàn)Cd主要以蛋白質(zhì)結(jié)合態(tài)的形式存在于植物體內(nèi)，游離Cd含量非常少，對(duì)植物的毒害作用影響非常有限，因此Cd抑制水稻葉片生長(zhǎng)的方式主要是通過(guò)抑制根部吸收礦質(zhì)元素并減少向地上部的鞘、葉的轉(zhuǎn)移運(yùn)輸。Bernal等[9]研究也表明,Cd能減少植物地下部對(duì)養(yǎng)分的吸收。但是目前在Cd對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)方面的研究沒(méi)有明確一致的結(jié)論[10]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】為了探究Cd對(duì)水稻一些重要礦質(zhì)元素吸收的影響，本試驗(yàn)選取了常見(jiàn)的29種水稻品種設(shè)置在0.5 mg/kg Cd處理下進(jìn)行8種礦質(zhì)元素的檢測(cè)。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選育耐Cd品種和Cd對(duì)水稻礦質(zhì)元素吸收的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的29種不同水稻品種種子分別為：鐵稈烏、臺(tái)山糯、陸財(cái)號(hào)，南雄、柳葉粘、矮腳早、香稻、旱麻稻、津原45、竹珍B、青四矮16B、粳7623、柳沙1號(hào)、津原89、津原香98、天農(nóng)粳518、金稻777、C2106恢復(fù)系、C34恢復(fù)系、C418恢復(fù)系、津原E28、天津農(nóng)學(xué)院自交品系1、2、3、4、5、津原U99、津川1號(hào)、津原黑1號(hào)。

1.2 材料培養(yǎng)

首先在每個(gè)水稻品種中挑選均勻飽滿的種子20粒，分別用5%次氯酸鈉消毒15 min，然后用蒸餾水沖洗3遍，最后加水至剛好沒(méi)過(guò)種子并放置于無(wú)菌培養(yǎng)皿中，避光催芽48 h。待種子露白后放置于人工氣候室中(白天溫度27 ℃，100%光照，濕度40%；夜間溫度25 ℃，0%光照，濕度60%)，用木村培養(yǎng)液培養(yǎng)至3葉1心期后對(duì)處理組施加0.5 mg/kg的CdCl2溶液，脅迫5 d后收獲水稻幼苗，重復(fù)3次，以只經(jīng)過(guò)營(yíng)養(yǎng)液處理的水稻(CK)作為對(duì)照。

1.3 礦質(zhì)元素的測(cè)定

具體測(cè)量方法參照張參俊[11]。收獲后的水稻幼苗在蒸餾水沖洗3遍后，以植株底部為基準(zhǔn)分為地上部和地下部后，105 ℃烘箱殺青15 min，75 ℃烘干至恒重。稱取地下部恒重后的質(zhì)量，置于消解管中，加入5 mL HNO3置于消煮爐上消煮2.5 h，取下放涼，加入1.5 mL雙氧水，繼續(xù)消煮1.5 h，放涼后加入去離子水定容至25 mL，用原子吸收火焰分光光度計(jì)法測(cè)定Fe、Zn、Cu、Ca、Mn、Mg，用火焰離子分光光度計(jì)法測(cè)定K和Na。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)采用 Excel 2016和SPSS 20進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與分析。礦質(zhì)元素相對(duì)含量計(jì)算公式：(脅迫后礦質(zhì)元素含量-脅迫前礦質(zhì)元素含量)/脅迫前礦質(zhì)元素含量。

2 結(jié)果與分析

表1是在Cd處理后不同品種水稻地下部礦質(zhì)元素含量和相對(duì)含量。圖1～8是不同水稻品種地下部在Cd處理后Fe、Zn、Cu、Ca、Mn、Mg、K和Na的相對(duì)含量聚類(lèi)圖，圖中的橫坐標(biāo)表示類(lèi)間距，縱坐標(biāo)表示水稻品種名稱；當(dāng)類(lèi)間距為5時(shí)，結(jié)合圖1和表1可知，依據(jù)Fe的相對(duì)含量，水稻品種被分為4類(lèi)，分別是津原89～竹珍B耐Cd品種，南雄～農(nóng)學(xué)院品系4中等耐Cd品種，農(nóng)學(xué)院品系1～C2106恢復(fù)系Cd敏感品種，柳沙1號(hào)不耐Cd品種；由表1可知，與CK相比，22個(gè)品種對(duì)Fe吸收降低，降低程度因品種而異，降幅4%～59%，降幅最大品種是香稻，與CK相比，降低58.54%；7個(gè)品種對(duì)Fe吸收表現(xiàn)為促進(jìn)，增幅為6%～102%，竹珍B增幅最大，增加101.62%。

圖1 水稻地下部在Cd處理后的Fe相對(duì)含量聚類(lèi)圖Fig.1 Clustering chart of relative contents of Fe in Cd treatment of rice under ground

圖2 水稻地下部在Cd處理后的Zn相對(duì)含量聚類(lèi)圖Fig.2 Clustering chart of relative contents of Zn in Cd treatment of rice under ground

由圖2和表1可知，依據(jù)Zn的相對(duì)含量，水稻被分為3類(lèi)，第Ⅰ類(lèi)包含竹珍B～津原黑1號(hào)，屬于強(qiáng)耐Cd品種，第Ⅱ類(lèi)包含津原45～津原89，屬于耐Cd品種，第Ⅲ類(lèi)包含C2106恢復(fù)系～旱麻稻，屬于中等耐Cd品種。

通過(guò)圖3和表1發(fā)現(xiàn)，依據(jù)Cu的相對(duì)含量，水稻被分為3個(gè)類(lèi)別，分別是天農(nóng)粳518～津原89的耐Cd品種，南雄～柳沙1號(hào)中等耐Cd品種，臺(tái)山糯～柳沙1號(hào)不耐Cd品種。

在圖4和表1中發(fā)現(xiàn)，依據(jù)Ca的相對(duì)含量，水稻品種被分為4類(lèi)，分別是竹珍B強(qiáng)耐Cd品種，津原45～粳7623耐Cd品種，鐵桿烏～天農(nóng)粳518中等耐Cd品種，C34恢復(fù)系～津原U99不耐Cd品種。

通過(guò)圖5和表1結(jié)合后可發(fā)現(xiàn)，依據(jù)Mn的相對(duì)含量，水稻被分為3類(lèi)，分別是竹珍B～津川1號(hào)耐Cd品種，陸財(cái)號(hào)～矮腳早中等耐Cd品種，鐵桿烏～C34恢復(fù)系不耐Cd品種。

將圖6和表1結(jié)合后可知，依據(jù)Mg的相對(duì)含量，水稻品種被分為3類(lèi)，分別是竹珍B強(qiáng)耐Cd品種，農(nóng)學(xué)院品系2～矮腳早耐Cd品種，農(nóng)學(xué)院品系3～青四矮16B中等耐Cd品種。

聯(lián)結(jié)圖7和表1可知，依據(jù)K的相對(duì)含量，水稻品種被分為3類(lèi)，分別是天農(nóng)粳518強(qiáng)耐Cd品種，粳7623～津原黑1號(hào)耐Cd品種，C34恢復(fù)系～陸財(cái)號(hào)中等耐Cd品種。

通過(guò)圖8可知，依據(jù)Na的相對(duì)含量，水稻品種被分為3類(lèi)，分別是竹珍B～津原89強(qiáng)耐Cd品種，天農(nóng)粳518～津原E28耐Cd品種，柳葉粘～柳沙1號(hào)中等耐Cd品種。

圖3 水稻地下部在Cd處理后的Cu相對(duì)含量聚類(lèi)圖Fig.3 Clustering chart of relative contents of Cu in Cd treatment of rice under ground

圖4 水稻地下部在Cd處理后的Ca相對(duì)含量聚類(lèi)圖Fig.4 Clustering chart of relative contents of Ca in Cd treatment of rice under ground

圖5 水稻地下部在Cd處理后的Mn相對(duì)含量聚類(lèi)圖Fig.5 Clustering chart of relative contents of Mn in Cd treatment of rice under ground

圖6 水稻地下部在Cd處理后的Mg相對(duì)含量聚類(lèi)圖Fig.6 Clustering chart of relative contents of Mg in Cd treatment of rice under ground

圖7 水稻地下部在Cd處理后的K相對(duì)含量聚類(lèi)圖Fig.7 Clustering chart of relative contents of K in Cd treatment of rice under ground

圖8 水稻地下部在Cd處理后Na相對(duì)含量聚類(lèi)圖Fig.8 Clustering chart of relative contents of Na in Cd treatment of rice under ground

由表1可知，與CK相比，所有水稻品種Fe和Mn均表現(xiàn)為極顯著差異變化，Cu、Ca和K表現(xiàn)為顯著差異變化；結(jié)合圖1～8可知，只有Fe被劃分出敏感品種一類(lèi)，Zn、Mg、K和Na均沒(méi)有不耐Cd品種的類(lèi)別。竹珍B和粳7623在所測(cè)礦質(zhì)元素中均具有耐Cd性；津原89和天農(nóng)粳518只在Mn的吸收中表現(xiàn)出不耐Cd性；津原黑1號(hào)、津原E28和津川1號(hào)只在Ca的吸收中表現(xiàn)出不耐Cd性，陸財(cái)號(hào)只在Cu的吸收中不具有耐Cd性；竹珍B是在所測(cè)礦質(zhì)元素中唯一均表現(xiàn)為促進(jìn)吸收的水稻品種。

表1 Cd處理下不同品種水稻地下部礦質(zhì)元素含量和相對(duì)含量

續(xù)表1 Continued table 1

續(xù)表1 Continued table 1

3 討 論

植物體吸收的Cd主要富集在根部，因此Cd對(duì)根部的影響較大[12]。谷建誠(chéng)等[13]人的研究結(jié)果表明：水稻根部的Fe主要用于根部Fe膜的建設(shè)，F(xiàn)e膜可以阻斷Cd向根部的遷移，形成自然的“保護(hù)層”[13]?？赡蹸d在進(jìn)入植物體的過(guò)程中首先要破壞根部的Fe膜，才能進(jìn)入到植物體內(nèi)，所以表現(xiàn)出22個(gè)水稻Fe含量降低，且全部水稻品種Fe含量變化表現(xiàn)為極顯著，同時(shí)出現(xiàn)了Cd敏感這一類(lèi)別，這說(shuō)明0.5 mg/kg Cd濃度對(duì)水稻地下部Fe表現(xiàn)為抑制吸收，其抑制吸收程度具有較大的品種差異性。

Cd對(duì)不同礦質(zhì)元素的積累代謝有著不同的影響,在水稻體內(nèi),Cd的積累量與Cu和Zn的積累量總是表現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)[14]，在Zn的研究中發(fā)現(xiàn)，全部水稻品種具有耐Cd性；而在Cu的研究中表明，12個(gè)水稻品種被聚類(lèi)在不耐Cd一類(lèi)中，這說(shuō)明在0.5 mg/kg Cd脅迫下，Zn對(duì)Cd的耐受程度要大于Cu。

Cd、Ca和Mg具有相互競(jìng)爭(zhēng)性，低濃度的Cd不僅對(duì)植物的根尖組織沒(méi)有毒害作用，且會(huì)刺激水稻微毛的生長(zhǎng)，從而促進(jìn)根系對(duì)Ca和Cd的吸收[15]。雖然沒(méi)有出現(xiàn)大部分水稻品種對(duì)Ca促進(jìn)吸收的現(xiàn)象，但是，大部分水稻品種被聚為耐Cd一類(lèi)，這種情況的出現(xiàn)可能是由于本試驗(yàn)Cd濃度偏低，從而沒(méi)有出現(xiàn)與前人結(jié)論相似的結(jié)果。但是在對(duì)Mg的研究中發(fā)現(xiàn)，全部水稻品種均具有耐Cd性，這說(shuō)明在0.5 mg/kg的Cd濃度下，Mg的競(jìng)爭(zhēng)性大于Ca，且Mg對(duì)Cd的耐受性大于Ca。

Mn會(huì)被植物通過(guò)主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)吸收，Mn和Cd具有相同的運(yùn)輸和攝取途徑，因此Mn和Cd具有相互競(jìng)爭(zhēng)作用[16]。在對(duì)Mn的研究中發(fā)現(xiàn)，與CK相比，21個(gè)水稻品種Mn含量降低，這說(shuō)明在0.5 mg/kg Cd濃度下，Cd的競(jìng)爭(zhēng)性大于Mn，且Cd對(duì)Mn的影響表現(xiàn)為抑制吸收。

幼苗根部的K和Na在脅迫下的含量變化可以直觀的反應(yīng)出水稻對(duì)離子平衡調(diào)節(jié)能力的影響[15]。全部水稻品種的K和Na均被聚在了耐Cd類(lèi)別中，且表現(xiàn)出顯著差異。這說(shuō)明水稻自身的防御機(jī)制大于Cd對(duì)水稻根部離子平衡的損害，在0.5 mg/kg Cd濃度下，Cd對(duì)K和Na的影響顯著，但是不會(huì)破壞水稻根部的離子平衡。

4 結(jié) 論

在0.5 mg/kg Cd處理下的水稻地下部，與CK相比，Cd對(duì)Fe的影響表現(xiàn)為抑制吸收；Zn、Mg、K和Na對(duì)Cd具有耐受性，Zn的耐受性大于Cu，Cd的競(jìng)爭(zhēng)性大于Mn，Mg的競(jìng)爭(zhēng)性和耐Cd性大于Ca。

竹珍B和粳7623在八種礦質(zhì)元素中表現(xiàn)出了耐Cd性，竹珍B是唯一在Cd脅迫后促進(jìn)八種礦質(zhì)元素吸收的水稻品種；可以在輕度Cd污染的土地上種植，竹珍B和粳7623；津原89和天農(nóng)粳518建議減少在輕度Cd污染且缺Mn的土地上種植；津原U99、E28和津川1號(hào)建議減少種植在輕度Cd污染且缺Ca的土地上；陸財(cái)號(hào)可以種植在輕度Cd污染且Cu含量充足的土地上。植柳沙1號(hào)為所測(cè)水稻品種中表現(xiàn)為最不耐Cd的水稻品種。