水稻幼苗鎘積累特征和離體葉片耐鎘性的基因型差異

王龍，楊益新，高子平，尹潔，劉洋，張長波，湯繼華，劉仲齊,*

1. 農業部環境保護科研監測所，天津 300191 2. 河南農業大學農學院，鄭州 450002 3. 湖南省湘陰縣農業局，湘陰 414600

水稻幼苗鎘積累特征和離體葉片耐鎘性的基因型差異

王龍1,2，楊益新3，高子平1，尹潔1，劉洋1，張長波1，湯繼華2,#，劉仲齊1,2,*

1. 農業部環境保護科研監測所，天津 300191 2. 河南農業大學農學院，鄭州 450002 3. 湖南省湘陰縣農業局，湘陰 414600

水稻根系對鎘(Cd)的富集能力和向地上部的轉運效率直接決定著水稻地上部的Cd積累量，是影響稻米中鎘含量的關鍵因素。提高水稻根系對Cd的阻控能力有助于降低南方稻區大米鎘含量超標的風險。以水稻核心種質資源中的高Cd積累品種‘齊頭白谷’和低Cd積累品種‘27760’的幼苗和離體葉片為材料，對其Cd吸收轉運特性和耐鎘能力進行了比較研究。結果表明，根系細胞壁和原生質體的Cd吸收動力學特征都符合米氏方程，‘齊頭白谷’的Cd最大吸收速率Fmax顯著大于‘27760’，Km值無顯著差異。當根際環境中的Cd濃度高于0.89 μmol·L-1時，‘齊頭白谷’的細胞壁和原生質體的Cd積累速率顯著高于‘27760’。地上部細胞壁和原生質體的Cd吸收速率與根系可溶性組分中的Cd濃度呈顯著的線性正相關。當根系可溶性組分中的Cd濃度相近時，‘齊頭白谷’地上部細胞壁和原生質體的Cd積累速率顯著高于‘27760’。在0.89～8.9 μmol·L-1的Cd溶液中，‘齊頭白谷’離體葉片的失綠速度明顯低于‘27760’。‘齊頭白谷’具有耐Cd能力強、Cd積累速率快和轉運效率高的特點。水稻離體葉片的耐Cd能力和幼苗根系的Cd積累能力以及幼苗的Cd轉運能力高度相關，它們都可作為快速鑒定低Cd積累品種的生理指標。

鎘(Cd)；水稻；積累特性；亞細胞分布；離體葉片；葉綠素；基因型

近年來，隨著工業化、城鎮化進程的推進，礦產資源的過度開發，工業三廢的不合理排放，化肥和農藥的過量施用及不合標準的污水灌溉等引發的農田重金屬污染現象日趨嚴峻[1-2]。農田一旦遭受重金屬污染，不僅會使土壤質量退化，而且會影響農作物的生長和發育，進而影響農產品的產量和品質，最終通過食物鏈威脅人類健康和生命安全[3-5]。在所有重金屬污染物中，鎘以其高移動性、高毒性及污染面積最大而被列為“五毒之首”[6-7]。因此，鎘污染已成為當今危害最大的環境問題之一，對現代農業可持續發展和土地資源可持續利用帶來了嚴峻挑戰。

水稻是我國第一大糧食作物也是耐鎘性較強的植物之一，其根系對酸性土壤中低濃度的Cd具有很強的富集效率，并向莖、葉和籽粒轉運，各器官的積累量在品種間有顯著差異[8-10]。Cd在植物各器官中的分配比例由高到低順序為：根系>莖葉>穗軸>籽粒[11-12]。一般來說，植物對Cd的耐性和解毒機制可通過2條基本途徑實現，一是外部排斥機制，即避免過量Cd被吸收進入植物細胞，或者阻礙Cd在植物體內的運輸；另一途徑是內部耐受機制，即Cd在植物體內以不具生物活性的解毒形式存在，如結合到細胞壁上、主動運輸進入液泡或與某些有機酸和蛋白質結合等[13-14]。

細胞壁作為植物細胞的第一道保護屏障，在維持細胞形態、提供植物直立生長的機械支撐、控制細胞生長、提高植物耐Cd能力等方面發揮著重要作用。一方面，細胞壁中的纖維素、果膠、半纖維素和糖蛋白等相互交錯形成網孔大小不一的網架結構，能吸收和固定Cd；另一方面，細胞壁中這些物質含有大量羥基、羧基、醛基、胺基或磷酸基等配位基團，能與Cd結合并在細胞壁上形成沉淀[15-18]。根際環境中的Cd一部分沉積在細胞壁中，另一部分跨膜進入原生質體。Cd與細胞壁緊密結合而導致其移動性降低，從而阻止過多的Cd進入原生質體，以減輕其毒害。當Cd穿過細胞膜進入細胞后，一部分與谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸(Cys)、植物螯合態(PCs)和非蛋白巰基(NPT)結合，降低其在細胞質中的可移動性[19-22]；一部分通過跨膜轉運蛋白貯存在液泡中，減少Cd對細胞質基質及細胞器中各種生理代謝活動的傷害[23-25]。

水稻根系對Cd的富集能力和向地上部的轉運效率直接決定著水稻地上部的Cd積累量，是影響稻米中的Cd含量的關鍵因素。提高水稻根系對Cd的阻控能力有助于降低南方稻區大米鎘含量超標的風險。因此，本文從研究水稻幼苗根系和地上部的Cd吸收動力學特征入手，分析其亞細胞分布特征在基因型間的差異，以期為水稻低鎘積累品種的篩選提供理論依據。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實驗材料

將108份水稻核心種質種植在湖南某地Cd污染農田(耕層土壤Cd含量0.811 mg·kg-1)，從中篩選出1份稻米Cd含量高(1.625 mg·kg-1)的云南地方粳稻品種‘齊頭白谷’和1份稻米Cd含量低(0.185 mg·kg-1)的江蘇地方粳稻品種‘27760’，兩品種的生育期為(150±10) d。

1.2 培養與處理方法

挑選大小一致、顆粒飽滿的水稻種子，用體積分數為5%的次氯酸鈉溶液消毒15 min，先用自來水沖洗4～6次，然后用去離子水漂洗3次后均勻擺在鋪有濕濾紙的培養皿中，之后放于28 ℃條件下的恒溫培養箱中黑暗催芽24 h，將已露白的種子播種于已消毒的含蛭石的育苗盤中，并在人工氣候室中進行培養。在水稻出苗后，用1/4濃度的Hoagland營養液進行澆灌培養，長至三葉一心期，挑選大小均勻一致的水稻幼苗移入裝有去離子水的塑料盆中饑餓1 d(24 h)，之后將幼苗用海綿固定移栽到裝有8 L的塑料盆(長34 cm、寬25 cm、高12 cm)中，進行不同濃度的Cd脅迫處理，每個處理50株。各處理中加入一定量的CdCl2·2.5H2O溶液，使Cd濃度分別為0(對照)、0.27、0.53、0.89、2.67和4.45 μmol·L-1。每個處理設3次重復。培養期間，每2天更換一次處理液，并用0.1 mol·L-1HCl和0.1 mol·L-1NaOH調節pH值為5.5，每次換處理液時隨機移動塑料盆的位置，以保證外界條件的一致性。所有實驗均在模擬自然狀態的人工氣候培養室內進行，人工氣候室條件：白天溫度28 ℃，濕度80%，光照16 h，光照強度為400 μmol·m-1·s-1；夜間溫度20 ℃，濕度70%，8 h黑暗。

1.3 樣品采集與處理

培養5 d后收樣。將根系浸泡于20 mmol·L-1的Na2-EDTA溶液中15 min，去掉根系表面殘留的Cd，然后用超純水清洗整個植株，用吸水紙吸干表面水分，將植株根系和地上部分離，準確稱取1.0 g根系和莖葉鮮樣直接用于亞細胞分布的測定，其余部分裝入信封中，置于烘箱中105 ℃殺青20 min，再于75 ℃下烘至恒重，用萬分之一分析天平稱干重，記錄地上部分和根系的重量，然后測定Cd含量。

1.4 鎘的亞細胞分離

參照Weigle等[26]和Wang等[27]的方法，并略有改進，具體方法如下：將1.0 g鮮樣置于50 mL離心管中，加入15 mL預冷的提取緩沖液勻漿，勻漿結束后，用緩沖液沖洗轉頭2～3次。提取緩沖液組成為：50 mmol·L-1Tris-HCl(pH 7.5)，250 mmol·L-1蔗糖和1 mmol·L-1的二硫赤鮮醇。采用差速分級離心技術分離出各器官不同細胞組分。將勻漿液在3 000 r·min-1下離心15 min，沉淀即為細胞壁組分(F1)，上清液在15 000 r·min-1下離心30 min，沉淀為細胞器組分(F2)，上清液為胞液組分(F3)。并測定Cd全量計算回收率[28]，回收率在90%～110%。實驗均在4 ℃下進行操作，每步離心前用緩沖液補充至同一體積。將F1、F2、F3分別置于烘箱中60 ℃烘干，用于Cd含量的測定。

1.5 鎘含量的測定

參照溫娜等[29]的方法，將0.25 g樣品與7 mL MOS級濃硝酸搖勻后過夜，用ED 54- iTouch電熱消解儀消煮，消煮溫度控制在110 ℃，2.5 h后加入1 mL H2O2，繼續消煮1.5 h，消煮至溶液顏色變為無色冒白煙，最后趕酸至體積為1 mL左右，消煮完成后，用去離子水定容到25 mL，用原子吸收光譜儀-石墨爐法(AAS ZEEnit 700, Analytikjena, 德國)測定樣品Cd含量，以國家標準物質進行質量控制。

1.6 光合色素含量的測定

參照張穎等[30]的方法并略有改進，選取正常生長的抽穗期的水稻葉片，將葉片剪成4 cm大小的片段，先用擴展劑浸泡1 min，去離子水沖洗干凈，然后放入已添加20 mL處理液的培養皿中，處理液的Cd濃度分別為0(CK)、0.89、4.45和8.89 μmol·L-1，以CdCl2·2.5H2O的形式添加，每個處理設3次重復，放置于上述人工氣候室中，5 d后拍照并取樣，測定水稻葉片的光合色素含量。

參照高俊鳳[31]的方法，將處理過的葉片迅速擦拭干凈，準確稱取0.1 g放入研缽中，用體積分數為95%乙醇研磨，將研磨液用濾紙過濾后，用95%的乙醇定容至25 mL。以95%的乙醇為空白，用紫外分光光度計(UV-2010型，美國)分別測定色素提取液在波長663、645、470 nm處的光密度OD值，計算各光合色素含量[32]。

1.7 數據分析

水稻對Cd吸收特性用Michaelis-Menten酶動力學方程F=Fmax×S/(Km+S)來描述[33]，通過雙倒數作圖可計算出Fmax和Km值，式中，F為水稻對Cd的吸收速率，S為外液離子濃度，Fmax為離子最大吸收速率，Fmax值越大，說明根系吸收系統對該離子的吸收潛能越大；Km為米氏常數，Km值越小，說明根系吸收系統對該離子的親和力越大。

所有數據采用Excel和SPSS 11.5進行統計分析，用單因素方差分析(One-way ANOVA)和Duncan multiple-range test多重比較檢驗差異的顯著性(P≤0.05)。

2 結果與分析(Results and analysis)

2.1 水稻幼苗Cd吸收特性的基因型差異

水稻幼苗根系和地上部Cd吸收速率都隨著環境Cd濃度的增大而不斷增大并逐漸趨于飽和，當環境Cd濃度達到2 μmol·L-1時，根系和地上部對Cd的吸收速率不再隨Cd濃度的增加而明顯增加(圖1)。水稻幼苗吸收的Cd絕大部分積累在根部，根系Cd吸收速率變化在5～59 nmol·g-1·h-1范圍內，約是地上部Cd吸收速率的10～20倍，且品種‘齊頭白谷’的Cd吸收速率要遠大于品種‘27760’，說明根系和地上部對Cd的吸收都存在阻控機制。

利用Michaelis-Menten動力學方程能夠很好地擬合水稻幼苗Cd吸收動力學曲線(R2>0.99)，從圖1可以看出，從環境到根系再到地上部，動力學參數Km在兩品種間差異不顯著，但品種‘齊頭白谷’的Fmax值顯著高于品種‘27760’。

2.2 水稻幼苗細胞壁和原生質體Cd吸收速率的基因型差異

水稻幼苗根系細胞壁和原生質體Cd吸收動力學特征都符合米氏方程(R2>0.94)，品種‘齊頭白谷’的Fmax顯著大于品種‘27760’，而Km在兩品種間差異不顯著。當Cd濃度低于1 μmol·L-1時，隨著外界Cd濃度的增大，根系細胞壁和原生質體的Cd吸收速率急劇增大，品種間無顯著差異；當Cd濃度高于1 μmol·L-1時，隨著外界Cd濃度的增大，根系細胞壁和原生質體的Cd吸收速率緩慢增大并逐漸趨于飽和，在此階段，品種‘齊頭白谷’的Fmax值和吸收速率顯著高于品種‘27760’(圖2A和B)。

根系細胞可溶性組分中的Cd，一部分被轉運到液泡和其他細胞器中，另一部分繼續向地上部轉運。水稻幼苗地上部細胞壁和原生質體的Cd吸收速率隨著根系可溶性組分中Cd濃度的增加而線性增加(R2>0.95)，符合線性方程y=a+bx。環境中的Cd通過影響根系可溶性組分中的Cd濃度間接地影響地上部的Cd積累量。在外界濃度相同時，進入品種‘齊頭白谷’根系可溶態的Cd含量高于品種‘27760’，同時品種‘齊頭白谷’地上部細胞壁的Cd吸收速率也高于品種‘27760’(圖2C)。品種‘齊頭白谷’地上部原生質體的Cd吸收速率和b值均明顯高于品種‘27760’(圖2D)，這說明品種‘齊頭白谷’的Cd轉運效率顯著高于品種‘27760’。

2.3 Cd在水稻幼苗根系和地上部亞細胞組分中的分布

水稻根系中的Cd主要分布在細胞壁組分中，約占總量的55%，可溶性組分中的Cd約占35%，細胞器中的Cd只占10%左右(圖3A)。地上部分的Cd主要分布于細胞壁組分中，約占總量的60%，其次為可溶組分，約占35%，細胞器組分中僅占5%左右(圖3B)。隨著外界Cd濃度的增加，根系和地上部分的Cd在細胞壁中所占的比例逐漸降低，可溶部分所占的比例卻逐漸升高，這種變化趨勢在2個水稻品種間無顯著差異，但Cd在品種‘27760’的細胞器中所占的比例明顯低于品種‘齊頭白谷’。這些結果表明，品種‘27760’能將大部分的Cd分配到細胞壁中，致使細胞器中Cd濃度維持在較低水平，從而減輕其毒害。

圖1 水稻幼苗根系(A)和地上部(B)Cd吸收動力學特征Fig. 1 The kinetic characteristics of Cd absorption in roots (A) and shoots (B) of rice seedlings

圖2 Cd脅迫對細胞壁和原生質體Cd吸收速率的影響注：圖A和B分別為水稻根系細胞壁(A)和原生質體(B)對環境中Cd的吸收速率；圖C和D分別為地上部細胞壁(C)和原生質體(D)對根系可溶態Cd的吸收速率。Fig. 2 Effects of Cd on Cd absorption rates into cell walls and protoplastsNote: A and B show the uptake rates of Cd in rice root cell wall (A) and protoplasts (B) respectively; C and D show the uptake rates of Cd (Cd in soluble fractions of roots) in rice shoot cell wall (C) and protoplasts (D) respectively.

圖3 Cd在水稻幼苗根系(A)和地上部(B)的亞細胞分配比例注：F1、F2、F3分別代表細胞壁組分、細胞器組分和胞液組分；不同的小寫字母表示不同處理的差異顯著性(P<0.05)；圖例為Cd2+處理濃度(μmol·L-1)。Fig. 3 Percentages of subcellular distribution of Cd in roots (A) and shoots (B) of rice seedlingsNote: F1, F2 and F3 represents cell wall components, organelle components and cell sap components, respectively. Different lowercase letters indicate the significant difference among different treatments (P<0.05). The cutline represents the concentration of Cd2+ (μmol·L-1).

2.4 Cd脅迫強度對水稻離體葉片光合色素的影響

Cd脅迫下植物的光合系統I和II遭到破壞，從而使葉片發黃。由圖4可知，隨著環境中Cd濃度的增加，水稻離體葉片中葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素的含量均逐漸減少，但失綠速度在兩品種間存在明顯差異。當Cd濃度為0.89 μmol·L-1時，兩品種的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量差異不大，與對照相比，品種‘齊頭白谷’葉綠素和類胡蘿卜素的相對損失率較低，分別為3.85%和1.16%，而品種‘27760’的相對損失率較高，分別為8.77%和10.55%。當Cd濃度提高到8.89 μmol·L-1時，品種‘齊頭白谷’葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量顯著高于品種‘27760’；和對照相比，品種‘齊頭白谷’的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素含量分別下降了27.49%、33.71%、21.77%、16.16%，而品種‘27760’的含量分別下降了51.88%、64.02%、42.31%、38.88%。說明在Cd脅迫條件下，品種‘齊頭白谷’失綠速度慢，耐Cd能力明顯強于品種‘27760’。

圖4 Cd脅迫下水稻離體葉片顏色(A)及葉綠素a (B)、葉綠素b (C)、總葉綠素 (D)、類胡蘿卜素 (E) 含量的變化Fig. 4 Changes of leaf color (A), as well as chlorophyII a (B), chlorophyII b (C), total chlorophyII (D),and carotenoids (E) contents in detached leaves under Cd stress

3 討論(Discussion)

Epstein和Hagen[34]首次將酶促反應動力學方程應用于植物對離子吸收的動力學研究，發現大麥根系對K+的吸收存在2種不同的吸收機制，即低K+濃度下的高親和吸收系統和高K+濃度下的低親和吸收系統。之后的一系列相關研究分別為這2種機制提供了證據，并發現高親和吸收系統中轉運蛋白起了較為重要的作用，而在低親和吸收系統中離子通道蛋白有重要的作用[35-36]。本研究發現，不同Cd積累特性的水稻幼苗根系的Cd吸收動力學特征都符合米氏方程(圖1)，即隨著外界Cd濃度的增大，水稻對Cd的吸收速率不斷增大，并逐漸趨于飽和，當溶液中Cd達到一定濃度時，水稻對Cd的吸收速率不再隨Cd濃度的增加而明顯增加，這與Sansoulet[37]和吳曉麗[38]的結果相似。說明根系存在阻控機制，只有當根系生長受到毒害，阻控機制才被激活，限制Cd的吸收和轉運。這可能是因為水稻根系對低濃度的Cd主要通過共質體途徑進行主動吸收[39]，需要有轉運體或者跨膜蛋白參與；當根系周圍Cd濃度超過一定的臨界值后，被動運輸對根系內Cd的積累發揮了主導作用。

細胞壁是接觸和響應環境因子的第一道屏障，也是結合金屬離子的主要部位[18]，因此，細胞壁在植物耐Cd脅迫中起到不可忽視的作用。本研究還發現，2個水稻品種根系細胞壁和原生質體對Cd吸收動力學特征都符合米氏方程(圖2A和B)，說明細胞壁和原生質體限制了根系對Cd的吸收。這可能是由于根系細胞壁具有大量的配位基團以及能吸附Cd的非可溶性物質，使細胞壁對Cd的吸收速率大大降低；透過細胞壁的Cd會與細胞膜上大量特異性不強的二價陽離子(特別是Ca2+、Zn2+、Fe2+、Mn2+)轉運子競爭，限制了Cd進入細胞的速度[40-41]。根系從環境中吸收的Cd一部分以這種方式沉積在細胞壁中，另一部分跨膜進入原生質體。進入原生質體的Cd一部分與谷胱甘肽(GSH)、半胱氨酸(Cys)、植物螯合態(PCs)和非蛋白巰基(NPT)結合，一部分通過跨膜轉運蛋白貯存在液泡中，降低其在細胞質中的可移動性，從而減少Cd對細胞質基質及細胞器中各種生理代謝活動的傷害。

離子吸收動力學參數可定量地描述作物根系吸收離子的效率以及建立數學模型來描述離子遷移，并為預測植物對離子的吸收提供依據[42]。本研究發現，品種‘齊頭白谷’的最大吸收速率Fmax顯著高于品種‘27760’，而Km值在兩品種間無顯著差異。說明品種‘齊頭白谷’對Cd的耐性強于品種‘27760’。對于同一品種來說，根系Cd吸收速率約是地上部Cd吸收速率的10～20倍(圖1)，說明根系的“過濾”機制有效抑制了Cd向地上部分的轉運，致使地上部的Cd積累速率大幅度下降。

環境中的Cd通過質外體和共質體途徑進入根系組織后，受內皮層凱氏帶和木栓層的阻礙，最后都要經過共質體系統的識別和轉運，才能進入根系中柱的木質部[43]，然后繼續向地上部轉運。本研究結果表明，地上部細胞壁和原生質體的Cd吸收速率隨著根系可溶態Cd吸收速率的增加而線性增加(圖2C和D)，與環境中的Cd濃度無相關性，說明根系可溶態的Cd是地上部Cd吸收的直接來源。地上部的Cd積累量一方面取決于根系細胞中可以遷移的Cd濃度，另一方面取決于根系維管束組織向地上部轉運的Cd效率[36]。從圖2C和D可以看出，在外界濃度相同時，進入品種‘齊頭白谷’根系可溶態的Cd含量高于品種‘27760’，同時品種‘齊頭白谷’地上部細胞壁的Cd吸收速率高于品種‘27760’，說明品種‘齊頭白谷’的轉運效率高于品種‘27760’。分子生物學研究結果表明，許多金屬離子通道基因和調控基因影響著不同水稻品種對Cd2+的吸收和轉運[44-46]，品種‘齊頭白谷’和‘27760’ Cd轉運效率的差異可能與它們擁有不同的離子通道基因有關。

根系和地上部吸收的Cd大部分都積累在細胞壁上，細胞壁所占的比例隨環境Cd濃度的增大而逐漸減小，而原生質體所占的比例卻逐漸增大，這種變化趨勢在2個水稻品種間無顯著差異(圖3)，該分布趨勢與于輝等[47]，王芳等[48]的結果一致。產生這種現象的原因可能是當環境Cd濃度較低時，根系吸收的Cd優先結合在細胞壁上，隨著環境Cd濃度的增大，細胞壁的結合量逐漸達到飽和，大量的Cd進入細胞質，導致原生質體的比例逐漸升高。細胞器是植物細胞生命活動的主要場所，Cd在該部位積累量越低，細胞正常代謝受到Cd的破壞就越少。本研究還發現，水稻細胞器中的Cd所占的比例在5%～10%，與根系相比，地上部細胞器組分所占的比例更低；與品種‘齊頭白谷’相比，Cd在品種‘27760’的細胞器中所占的比例也更低。說明品種‘27760’能將大部分的Cd分布在細胞壁和胞液中，致使細胞器中Cd濃度維持在較低水平，從而減輕其毒害。Sela等[49]通過X-射線微區分也證實大部分Cd積累于細胞壁中，還有研究表明，OsHMA3、AtCAX2、AtCAX4、NRT3和OsNRAMP5都能夠將Cd轉運至液泡[50]。

在逆境環境中植物的離體葉片受迫害程度在一定程度上能夠反映植物的耐性能力，前人在楊樹、棉花等的離體葉片研究中已有報道[30,51]。本研究結果表明，隨著環境Cd濃度的增加，水稻幼苗離體葉片中光合色素的含量均逐漸減少(圖4)，說明Cd脅迫加速了光合色素的分解。與對照相比，品種‘27760’的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素和類胡蘿卜素的相對損失率較高，而品種‘齊頭白谷’具有更好的保綠作用，說明品種‘齊頭白谷’的耐Cd性更強，可以利用離體葉片失綠進程快速鑒別耐Cd性水稻品種。因此，水稻離體葉片的耐Cd能力和幼苗根系的Cd積累能力以及幼苗的Cd轉運能力高度相關，可作為快速鑒定低鎘積累品種的生理指標。

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◆

Genotypic Difference of Cadmium Accumulation Characteristics and Cadmium Tolerance in Detached Leaves of Rice (OryzasativaL.) Seedlings

Wang Long1,2, Yang Yixin3, Gao Ziping1, Yin Jie1, Liu Yang1, Zhang Changbo1, Tang Jihua2, #, Liu Zhongqi1,2,*

1. Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China 2. College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China 3. Xiangyin Bureau of Agriculture, Xiangyin 414600, China

Received 11 April 2016 accepted 1 August 2016

The uptake capability of cadmium (Cd) in roots and Cd transport efficiency from roots to shoots are the key factors affecting Cd accumulation in rice shoots. Increasing the inhibition of Cd uptake by rice roots is in advantage of reducing the risk to people health posed by high Cd content in rice grains in southern China. Here, seedlings from the core germplasms with high-Cd-accumulation, i.e., ‘Qitoubaigu’, and low-Cd-accumulation, i.e., ‘27760’, as well as their detached leaves were used to study the characteristics of Cd uptake and tolerance to Cd toxicity. Experimental results indicated that the Cdabsorption kinetic characteristics of root cell wall and protoplast were well described with Michaelis-Menten equations. The maximum Cd absorption rate Fmaxof ‘Qitoubaigu’ was significantly greater than that of ‘27760’, while Kmvalues were not significantly different between two rice varieties. The Cd accumulation rates in cell wall and protoplast of ‘Qitoubaigu’ were significantly higher than that of ‘27760’ when the concentration of Cd in rhizosphere environment was over 0.89 μmol·L-1. The Cd absorption rates in cell walls and protoplasts of aboveground parts were linearly increased with the Cdconcentrations in soluble fractions of root cells. ‘Qitoubaigu’ showed significantly higher Cd accumulation rates in cell walls and protoplasts of aboveground parts than ‘27760’ when their Cdconcentrations in soluble fractions of root cells were same. The detached leaves of ‘Qitoubaigu’ displayed lower chlorophyll decreasing rate than that of ‘27760’ when the detached leaves were maintained in Cd concentrations varied from 0.89 μmol·L-1to 8.9 μmol·L-1. ‘Qitoubaigu’ had strong tolerance to Cd, fast Cd accumulation rate and high transport efficiency. The Cd tolerance of rice detached leaves was closely associated with the Cd accumulation in seedlings roots and Cd transport efficiency from roots to shoots. These physiological traits can be used for fast identification of low-Cd-accumulation variety.

cadmium (Cd); rice; accumulation characteristics; subcellular distribution; detached leaves; chlorophy; genotypic difference

2016年中國農科院科技創新工程項目(2016-cxgc-lzq)；公益性行業(農業)科研專項(201403015)

王龍(1988-)，男，河南漯河人，碩士研究生，研究方向為作物育種原理與方法，E-mail: hnndwanglong@163.com；

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: liuzhongqi508@163.com

10.7524/AJE.1673-5897.20160411002

2016-04-11 錄用日期：2016-08-01

1673-5897(2016)6-187-10

X171.5

A

劉仲齊(1964-)，男，博士，研究員，主要研究方向為植物營養與分子生物學。近年來在國內外核心刊物上發表論文80多篇。

湯繼華(1969-)，男，博士，教授，主要研究方向為植物分子生物學。近年來在國內外核心期刊上發表論文70多篇。

# 共同通訊作者(Co-corresponding author)， E-mail: Tangjihua1@163.com

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