谷建诚，郭 彬，林义成，傅庆林，*，刘 琛，丁能飞，李 华，李凝玉

(1.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

水稻是我国种植面积最广的作物，同时，其镉吸收能力较强[1]。采取有效措施，降低水稻对镉的吸收、积累，对于保障我国粮食生产安全来说具有重要的现实意义。当前，降低水稻镉吸收的研究主要聚集于镉低累积品种筛选、土壤重金属钝化、土壤水分管理、叶面阻控剂喷施等多个方面[2-3]，其中，根表铁膜对水稻镉吸收的影响机制是相关研究领域的热点之一。

水稻长期处于淹水环境中，根系泌氧使根际环境中的还原性物质氧化后附着于水稻根系表面形成根表铁膜[4-5]。大量研究表明[6-8]，水稻根表铁膜具有吸附、截控重金属离子的作用。大量的重金属离子表聚于铁膜中，该吸附作用是否会对水稻重金属的吸收产生抑制作用，不同学者对此仍存在许多争议。刘文菊等[9]研究表明，水稻根表泌氧形成的铁氧化物对根际环境中的镉离子有吸附作用，根表铁膜吸附镉后促进了水稻对镉的吸收。但刘侯俊等[10]认为，水稻处于高浓度的铁离子环境中，根系表面铁膜积累了大量的Fe、Mn化合物，可抑制水稻对Cd的吸收。另有研究表明，不同水稻生育时期根表铁膜的形成对Cd吸收会产生不同的影响，如胡莹等[11]研究表明，水稻分蘖期时根表铁膜促进了Cd的吸收，但在成熟期时却抑制了Cd的吸收。林肖等[12]、喻华等[13]发现，不同基因型水稻由于氧化能力不同，即水稻根系活力存在差异，导致其对镉的吸收量不同。但关于水稻根系活力是否与根表铁膜形成有关，并是否会对镉吸收产生影响等的研究还较少。为此，本文通过水培试验比较了镉高累积和低累积水稻品种根系活力、根表铁膜形成，以及水稻各部位镉吸收的差异，以期为水稻的镉污染防治和安全生产提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

8个水稻品种：丙16-127、浙粳37、丙0203、绍粳16-11、浙粳22、R0375、香水123、绍糯16-72，均由浙江省农业科学院提供。

营养液采用霍格兰(Hogland)营养液[14]。

1.2 试验设计

1.2.1 水稻镉吸收试验

将8个品种的水稻种子在30%(体积分数)H2O2溶液中浸泡30min[15]，去离子水洗净，人工气候箱中培养。培养条件如下：20～25 ℃，16 h光照，相对湿度60%～70%，光照强度为2.4×10-4mol·m-2·s-1。培养3周后，选取长势一致的水稻移栽至塑料箱中，每周换一次营养液，更换前分析营养液中的可溶性有机碳(DOC)含量和pH值。水稻生长7周后，选取长势一致的3株，用0.05 mg·L-1CdCl2处理24 h后收获，分为根、茎、叶3部分，分别用去离子水洗净，70 ℃烘至恒重，粉碎过80目筛待测。

1.2.2 水稻根系活力试验

选择一个Cd高累积水稻品种和一个Cd低累积水稻品种，开展不同温度的处理试验：(1)100 ℃处理营养液30 min后，25 ℃培养24 h；(2)4 ℃培养24 h；(3)25 ℃培养24 h。每个处理重复3次。之后，加外源FeSO43 g·L-1培养3 d，测定营养液中的DOC含量和根表铁膜(DCB-Fe)含量。

1.2.3 施加外源铁、镉水稻营养液培养试验

设4个处理：(1)不加镉，加铁(+Fe)；(2)不加镉，不加铁(CK)；(3)加镉，加铁(+Cd+Fe)；(4)加镉，不加铁(+Cd)。每个处理设3次重复。选取一个Cd高累积水稻品种和一个Cd低累积水稻品种分别在营养液中培养7周，处理方法如下：外源施加3 g·L-1FeSO4处理3 d，之后，再施加外源0.05 mg·L-1CdCl2处理1 d，不加铁或镉的处理在相应营养液中培养4 d。水稻收获后，采用DCB法测定DCB-Fe含量和根表铁膜Cd(DCB-Cd)含量，同时测定营养液pH、DOC。取水稻植株于70 ℃烘至恒重，粉碎过80目筛待测。

1.3 测定方法

营养液DOC测定[16]。取40 mL营养液过0.45 μm薄滤膜，取过滤液在碳氮分析仪(Multi N/C®3100，德国耶拿)上测定。

营养液pH测定[17]。取40 mL营养液用pH测试仪(雷磁PHS-3E，上海仪电科学仪器股份有限公司)测定。

DCB-Fe、DCB-Cd测定[18-19]。用DCB法[20]进行提取：将水培结束的水稻植株根系放入250 mL三角瓶中，加入预先配制好的150 mL 0.03 mol·L-1柠檬酸钠(Na3C6H5O7·7H2O，分析纯)和0.125 mol·L-1碳酸氢钠(NaHCO3，分析纯)的混合提取液，并加入1.2 g保险粉(Na2S2O4，分析纯)，在室温下根系浸泡60 min用于提取根表铁膜。将提取液移入200 mL容量瓶中，根系用超纯水冲洗3次，冲洗的液体一并转移到200 mL容量瓶中定容，然后用滤纸过滤到塑料离心管中，在PlasmaQuant®MS电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，德国耶拿)上测定DCB-Fe和DCB-Cd。

植株(根、茎、叶)镉离子含量测定。根系DCB-Fe、DCB-Cd提取完后，在70 ℃烘箱中烘至恒重，将烘干的根、茎、叶粉碎，称取0.25 g，置入聚四氟乙烯微波消解管中，加入5 mL浓硝酸过夜，再放入微波消解仪中，190 ℃消解30 min[21-22]。消解完后，转移至50 mL离心管中，用超纯水定容。同时做空白和标准样[GB W10023(GSB-14)]试验，用ICP-MS测定植株根、茎、叶中的Cd含量。

1.4 数据统计分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016进行整理，在SPSS 17.0软件上进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同水稻品种的镉吸收差异

柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。图3～6同。图A中品种①～⑧分别为丙0203、浙粳22、R0375、丙16-127、香水123、浙粳37、绍粳16-11、绍粳16-72。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05. The same as in Fig. 3-6. Varieties ①-⑧ in (A) were Bing 0203， Zhejing 22， R0375， Bing 16-127， Xiangshui 123， Zhejing 37， Shaojing 16-11， Shaojing 16-72， respectively.图1 供试水稻品种的镉累积量(A)和外源添加Fe对水稻镉累积的影响(B)Fig.1 Cadmium accumulation in test rice varieties (A) and effects of exogenous Fe on Cd accumulation in rice varieties (B)

如图1所示， 8个水稻品种经0.05 mg·L-1CdCl2处理24 h后，植株体内有不同程度的Cd累积，变幅在44.51～77.31 μg·g-1。供试品种中，丙0203是相对镉低累积的品种，绍糯16-72是相对镉高累积的品种，两者的镉累积量差异显著。

选择丙0203和绍糯16-72进行下一步试验。当施加3 g·L-1FeSO4和0.05 mg·L-1CdCl2处理3 d后，2个水稻品种对Cd的累积量均显著(P<0.05)降低，尤其是绍糯16-72，由77.31 μg·g-1降至19.26 μg·g-1，仅为处理后丙0203镉吸收量的59%。

由表1可知，添加0.05 mg·L-1CdCl2(+Cd处理)24 h后，水稻根、茎、叶Cd累积量均表现为绍糯16-72显著(P<0.05)高于丙0203。在+Cd处理的基础上外源添加3 g·L-1FeSO4(+Cd+Fe)处理3 d后，绍糯16-72根、茎、叶Cd累积量均较CK处理显著(P<0.05)下降，且显著(P<0.05)低于相应处理下丙0203同一部位的Cd累积量。以上结果表明，外源添加Fe对绍糯16-72吸收Cd的阻控效果强于丙0203。

表1 外源铁对水稻不同部位镉累积的影响

Table 1 Effect of exogenous Fe on Cd accumulation in different parts of rice varieties

mg·kg-1

同一部位不同处理数值后无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。

Data marked without the same letters in the same plant part indicated significant difference atP<0.05.

2.2 不同处理下水稻根系活力差异

如图2所示，随着培养时间延长，绍糯16-72和丙0203的培养液DOC含量均有不同程度的上升，分别由49.45 mg·L-1和48.00 mg·L-1上升至70.05 mg·L-1和60.48 mg·L-1，同时，培养液pH值均下降。两相对比，随培养时间延长，绍糯16-72培养液的DOC增幅和pH值降幅均大于丙0203。

图2 水稻培养过程中营养液的DOC和pH值变化Fig.2 Dynamics of DOC and pH in nutrient solution during rice cultivation

如图3所示，营养液常温(25 ℃)处理下绍糯16-72和丙0203培养液DOC含量分别为27.63 mg·L-1和23.09 mg·L-1，低温(4 ℃)处理24 h后2个水稻品种培养液的DOC含量均显著(P<0.05)下降，而营养液经100 ℃ 处理30 min后，仅检测到痕量的DOC。

同一水稻品种柱上无相同字母的表示处理间差异显著(P<0.05)。Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05.图3 不同处理对水稻营养液DOC含量的影响Fig.3 Effect of different treatments on DOC content in nutrient solution

如图4所示，随着培养时间延长，绍糯16-72和丙0203营养液中的DOC含量均显著(P<0.05)增加。至24 h时，不同处理之间的差异最为明显：绍糯16-72在+Fe处理下营养液的DOC含量是CK的1.09倍，而+Fe+Cd处理下水稻营养液的DOC含量是+Fe处理的1.16倍；丙0203在+Fe+Cd处理下营养液的DOC含量是+Fe处理的1.20倍。上述结果表明，外源添加Fe或Cd均会显著(P<0.05)诱导绍糯16-72和丙0203水稻根系DOC的分泌，在加Cd的基础上再外源引入Fe会抑制绍糯16-72和丙0203水稻根系DOC的分泌。

图4 不同处理对常温水培条件下营养液DOC含量的影响Fig.4 Effects of different treatments on DOC in nutrient solution at ambient temperature

2.3 不同处理下水稻根表铁膜含量差异

如图5-A所示，常温(25 ℃)下绍糯16-72的DCB-Fe含量显著(P<0.05)高于丙0203，且2个水稻品种在常温处理下的DCB-Fe含量均显著(P<0.05)大于其在低温(4 ℃)和高温(100 ℃)处理下的DCB-Fe含量。

如图5-B所示，+Fe处理下绍糯16-72和丙0203形成的DCB-Fe含量分别为100.6 g·kg-1和87.5 g·kg-1，+Fe+Cd处理下绍糯16-72和丙0203的DCB-Fe含量均显著(P<0.05)增加，分别增至140.9 g·kg-1和113.8 g·kg-1。但与此不同的是，在未外源添加Fe的情况下，是否外源加镉对2个水稻品种的DCB-Fe含量并无显著影响(图5-C)。

2.4 不同处理下水稻根表铁膜吸附Cd量差异

如图6所示，+Cd处理下，绍糯16-72和丙0203的DCB-Cd含量均值分别为4.19 mg·kg-1和4.14 mg·kg-1，两者之间无显著差异；而进一步施加外源Fe(+Cd+Fe)后，绍糯16-72和丙0203的DCB-Cd含量均显著(P<0.05)增加，分别增至19.9 mg·kg-1和15.68 mg·kg-1，且2个品种间差异显著(P<0.05)。

图5 不同处理的水稻根表铁膜量Fig.5 Content of iron plaque under different treatments

图6 不同处理的水稻根表铁膜吸附Cd量Fig.6 DCB-Cd content under different treatments

3 讨论

刘敏超等[23]在水培条件下开展短时间的0.05 mg·L-1Cd胁迫处理，结果显示，不同处理间植物的镉吸收具有显著差异。本研究表明，8个供试水稻品种的Cd累积能力差异显著，其中，绍糯16-72为相对Cd高累积的水稻品种，而丙0203为相对Cd低累积的水稻品种。2个水稻品种对Cd吸收能力的差异与其根系活力有关：绍糯16-72的根系活力较高(在本研究中体现为营养液DOC含量较高，说明其根系分泌物较多)，对Cd的吸收能力也较强。刘敏超等[4]发现，水稻品种95-5和常优87-88相比，前者的根系活力高于后者，相对应地，前者对镉的吸收能力也更强。

根表铁膜是阻控水稻Cd吸收的重要机制之一。不同温度营养液培养试验表明，水稻根系活力与根表铁膜形成量呈正相关。绍糯16-72的根系活力较丙0203高，与之对应，常温下绍糯16-72的根表铁膜含量也较丙0203高，这与前人研究结果一致[24-25]。本研究中，施加外源Fe后，水稻根系分泌DOC量、根表铁膜含量和根表铁膜吸附Cd量均显著增加，而根、茎、叶Cd含量却均显著下降，表明施用外源Fe可提高水稻根系活力，增加根表铁膜形成，并抑制水稻植株对Cd的吸收。这是因为Cd向水稻根部迁移的过程与根表铁膜形成的厚度有关[3]，即低量的铁膜未能阻止Cd向根部迁移，甚至会起到促进的效果，而高量的铁膜则将水稻根系完全包被，阻止了水稻对Cd的吸收。刘文菊等[26]研究表明，DCB-Fe含量16.4 g·kg-1是根表铁膜阻控水稻植株吸收Cd的阈值，即当DCB-Fe含量高于该值时，会抑制水稻植株对Cd吸收，而当DCB-Fe含量低于该值时，会促进水稻植株对Cd的吸收。

本研究中，在外源Fe存在的情况下，Cd胁迫引起水稻根系活力增加，间接促进了水稻根表铁膜的形成，从而进一步降低了水稻对Cd的吸收，说明增加水稻根系活力、提高根表铁膜含量是水稻抵抗Cd毒害的重要机制之一。这可能与植物受到Cd胁迫后产生的一系列抗性机制，包括抗氧化系统能力增强、植物鳌合肽合成量增加等有关[27-28]。