水稻各器官鎘阻控功能的研究進展

劉仲齊，張長波，黃永春

（農業農村部產地環境質量重點實驗室，農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191）

鎘（Cd）是我國農田土壤中最常見的重金屬元素，由于Cd及其化合物具有較強的水溶性和脂溶性，生物活性較高，能在植物體內積累，對農產品質量和人體健康產生潛在的威脅，所以受到了廣泛的關注和研究。以Cd對土壤基本功能、生態系統安全、動植物和人體健康產生影響的最大允許值為依據，世界各國制定出了不同的土壤環境標準，其中歐洲和美國確定的土壤Cd限值一般為0.8～3.5 mg·kg-1[1]。參照世界各國Cd的土壤環境標準值，我國的《土壤環境質量標準》（GB 15618—1995）中規定，耕地土壤Cd污染的臨界值為0.3～0.6 mg·kg-1。以此為依據，把耕地分成清潔、尚清潔、輕度污染、中度污染和重度污染五大類（耕地質量等級GB/T 33469—2016）。大量的盆栽試驗結果一致表明，土壤Cd污染程度和稻米中的Cd含量高度正相關[2-3]。但是，在田間自然條件下，土壤Cd污染程度與稻米中的Cd含量沒有密切的線性相關[4-6]。筆者多年多點的調查結果表明，在清潔區（pH＜5.5，Cd＜0.3 mg·kg-1）中，仍有20%左右的稻米，其Cd含量超過了國家食品安全標準（0.2 mg·kg-1）；而在中度和重度污染區，Cd含量低于0.2 mg·kg-1的稻米約占20%，Cd含量低于國際食品安全標準（0.4 mg·kg-1）的稻米約占40%。事實上，耕層土壤中的Cd含量一直處于動態變化之中，而不是恒定不變的常數,取樣時間、取樣地點引起的Cd含量差異和氧化還原電位差異可以高達5倍以上[4,7-8]。土壤環境質量、氣候因素、栽培措施等不可控因素對Cd的生物活性也有顯著干擾[9-10]。此外，水稻品種類型和根莖葉的阻控能力以及稻谷的選擇性吸收與稻米中的Cd含量關系更為密切[11-13]。單純依據土壤中的Cd總量進行耕地質量評價，容易高估土壤Cd污染風險。

同位素示蹤結果表明，必需元素和水分在水稻體內的移動速度非常快，例如，N的移動速度為520 cm·h-1,H2O的移動速度為110 cm·h-1；而Cd的移動速度很慢，只有2.4 cm·h-1[14-15]。這說明水稻細胞能夠辨識必需元素和有害元素，對Cd的跨膜運輸和在組織間的轉運有明顯的攔截作用。本文圍繞植物根系、莖葉、穗軸和稻谷對Cd的攔截作用及其調控機理進行綜述，以期為進一步完善Cd污染農田水稻安全生產技術提供參考依據。

1 水稻根系對Cd轉運過程的阻控

水稻根系是由種子根和不定根組成的須根系，主要集中在0～20 cm的耕作層內，占總根量的90%以上。稻根的顏色有白色、黃褐色和黑色之分，白色根的活力最強，黃褐色根活力下降，而黑根已基本失去活力。根毛的伸長區是各種離子進入根系的主要部位。水稻根系伸長區的Cd離子流速是根冠區的4～8倍，高Cd積累品種的根系伸長區的Cd離子流速顯著大于低Cd積累品種[16]。土壤溶液中的Cd離子通過自由空間擴散到根系細胞壁和細胞質之間后，一部分Cd沉積在細胞壁上；另一部分Cd穿過細胞膜進入到細胞質中，其中的少部分繼續進行跨膜運輸，進入液泡和其他細胞器中儲存起來，其余的Cd向地上部轉運。水稻根系累積Cd的能力在品種間有非常顯著的差異。在水培和盆栽試驗中，水稻根系中的Cd濃度可以高達 500～1600 mg·kg-1[2,17-19]；而在重金屬污染農田環境中，水稻根系中的Cd濃度一般為5～63 mg·kg-1[5,20-21]。

1.1 根系邊緣細胞和根表鐵膜對有害離子的阻控

根邊緣細胞（Root border cells）是從根冠表皮游離出來并聚集在根尖周圍的一群特殊細胞，其發育受遺傳調控，能在逆境中發揮多種生物學功能。水稻和其他許多植物的根尖組織在受到環境中銅、鎘、硼、鉛、汞、鐵和砷等元素的脅迫后，可通過胞外產生黏液層來抵御外界脅迫侵害，隨后刺激機體產生一系列活性氧（Reactive oxygen species,ROS），ROS可作為信號分子刺激或誘導細胞凋亡，這些凋亡的邊緣細胞與根尖脫離，分散到根際環境中[22-24]，起到一種排除重金屬的毒害和保護根尖組織生物活性的作用。而在根毛區和伸長區等較老的根組織表面，鐵錳膜是保護水稻根系免受重金屬毒害的主要組織。

在淹水的自然條件下，水稻根系分泌的氧氣和其他氧化性物質，將淹水環境中的還原性物質如Fe2+、Mn2+、有機質等進行氧化，導致鐵錳氧化物在根表沉積而形成紅棕色鐵膜，既能保護根系免受鎘、鉛、銫、砷等有害重金屬的毒害[25]，又能促進植物對鐵、磷等養分的吸收[26]。水稻根表鐵膜的形成和發育，既受土壤營養成分和通氣條件的影響，也受品種類型和栽培條件的影響。水稻根系的泌氧特性、氧化電位和氧化面積、磷利用能力等在品種間有很大的差異，直接影響根表鐵膜的發育[27-28]。磷營養缺乏或者是營養液中磷和Fe2+濃度比低于1∶3時容易誘導水稻根表鐵膜的形成[26]。但在稻田中即使土壤沒有明顯缺磷，水稻根表也有鐵膜沉積。淹水條件下土壤微生物對有機物的降解能刺激根系分泌更多的氧，加速根際Fe2+的氧化，促進根表鐵膜的形成[29]。

1.2 細胞壁對Cd的固定和封存

植物細胞壁的主要成分為纖維素、半纖維素，同時含有少量的結構蛋白。細胞壁能將重金屬離子隔離在胞外，主動參與植物對重金屬脅迫的響應過程，進而降低進入原生質體的重金屬離子數量[30-31]。根系細胞壁上沉積的Cd約占水稻根系中Cd總量的45～90%[32-33]、小麥和大麥等植物根系Cd總量的26%～80%[34]。細胞壁對Cd的吸附固定主要靠細胞壁中各種大分子物質提供的帶負電的配位基團來完成，如羥基、羧基、醛基、氨基、磷酸基、胺基、酰胺基等[30,35]，細胞壁中纖維素、半纖維素、果膠的含量和結構甚至會因Cd的結合而改變[36]。用一氧化氮（NO）增加根部細胞壁果膠、半纖維素含量，就能顯著增加水稻根細胞壁中的Cd積累量和水稻的耐Cd能力[37]。細胞壁中的一些酶蛋白則通過一系列生理生化反應參與到植物對Cd的固定作用中。如果因缺磷而降低擬南芥和鋁敏感水稻品種根尖細胞壁的多糖含量及果膠甲酯酶（Pectin methylesterase,PME）的活性，就能顯著降低細胞壁對Cd和Al的吸持能力[38-39],增磷則會提高水稻根系細胞壁中的Cd含量[40]。一些無機離子如鈣、鋅、硅等通過增加Cd在細胞壁中的沉積和自由空間中交換態Cd的比重等途徑緩解Cd對水稻的毒害，抑制水稻對Cd的吸收及其向地上運輸[32,41-43]。

1.3 細胞膜對鎘的阻控作用

細胞膜又稱原生質膜，是分隔細胞內外不同介質和組成成分的界面，能選擇性地進行物質轉運，實現屏蔽有害物質進入細胞質的目的。細胞膜進行物質轉運的方式主要有被動運輸和主動運輸兩大類，這兩種運輸方式對Cd在根系內的轉運和積累都有顯著的影響。主動運輸需要消耗大量熱量并且需要載體。例如，位于根系細胞膜上的鋅轉運蛋白家族（ZRT）和鐵轉運蛋白家族（IRT）主要負責把環境中的Zn、Fe、Mn、Cd等重金屬轉運到細胞質中[44]。水稻根系細胞膜上的自然抗性巨嗜細胞蛋白（Natural resistance-associated macrophage protein）也與Cd的吸收轉運密切相關。水稻中已發現至少有7個不同的基因（OsN-ramp1～OsNramp7）調控著金屬離子的轉運種類和轉運能力，Nramp1主要負責Fe2+和Cd2+的轉運，Nramp5主要負責 Mn2+和 Cd2+的轉運[18,45]。

對于大多數金屬離子而言，主要通過順濃度差或電位差跨膜擴散的過程（即被動運輸）進入根系細胞。因為被動運輸需要載體或離子通道，所以具有特異性、飽和性和競爭性抑制三個顯著的特點。植物根系對Cd2+的吸收既受根系周圍環境中Cd濃度的影響[46-47]，又受 Ca2+、Mn2+、K+等陽離子的影響[9,48]，存在明顯的競爭性抑制現象。遺憾的是，根系細胞膜上的離子通道如何調控Cd吸收轉運的分子機理尚不清楚。

1.4 細胞器對Cd的封存

細胞器擁有的細胞內膜與細胞膜具有相似的結構和功能，也能通過選擇性吸收把Cd轉運到細胞器內，通過區隔化作用把Cd封存起來，以減弱或消除Cd對細胞質中各種正常生理活動的干擾。參與多種重金屬轉運的重金屬ATPase（HMA）不僅存在于細胞膜上，而且廣泛分布于葉綠體、高爾基體、液泡、內囊體等細胞器的質膜上[44]。液泡作為植物細胞一類特殊的細胞器,對于維持整個細胞和組織的滲透壓起著非常重要的作用。液泡中的物質類型非常豐富，主要有無機鹽、有機酸、糖類、脂類、蛋白質、樹膠、鞣酸類、生物堿和花色素苷等物質,這些代謝物能與金屬離子形成絡合物或螯合物從而降低其毒性。或者是水稻根系厚壁組織、薄壁組織和周皮細胞胞質中的Cd先與植物螯合肽（PCs）結合，然后在液泡膜上OsHMA3等重金屬轉運蛋白的作用下，轉運至液泡中被封存起來[49-50]。

2 莖葉對Cd的阻控與攔截

水稻莖稈由節間和節構成，節上著生葉和芽。莖基部有7～13個節間不伸長，稱為蘗節；莖的上部有4～7個明顯伸長的節間，形成莖稈。一般生育期長的品種莖節數和伸長節間數較多，生育期短的品種則較少。節表面隆起，內部充實，外層是表皮，細胞壁很厚，節組織中的厚壁細胞充滿原生質，生活力旺盛，是生葉、發根、分蘗的活力中心。葉、分蘗及根的輸導組織都在莖節內會合，因此，節內維管束的配置比較復雜。基部節的Cd含量和Cd流速都明顯大于頂部節[14]；節中的Cd濃度約是節間組織中Cd濃度的5～10倍[20,51]。在輕度污染環境中，頂部2節的Cd濃度略低于根系中的Cd濃度[20]；而在高污染環境中，穗下節中的Cd濃度高達40 mg·kg-1，比根系中的Cd含量高出2倍以上[51]。掃描電鏡分析結果表明，Cd主要分布在節和節間維管束組織的細胞壁上[42]。水稻開花期穗下節組織中表達水平顯著提高的LCD基因，可以有效降低穗軸和稻米中的Cd含量[52]。

水稻的完全葉由葉鞘和葉片組成。葉鞘抱莖，有保護分蘗芽、幼葉、嫩莖、幼穗和增強莖稈強度的作用，又是重要的貯藏器官之一。葉片為長披針形，是進行光合作用和蒸騰作用的主要器官。近根葉和中部過渡葉在水稻開花后開始衰老和枯死，并將其中儲存的營養物質輸出，為根系生長、分蘗分化、節間伸長、幼穗分化等提供營養保障。最上部的3片生殖生長葉，對中上部節間的發育、籽粒發育和灌漿等起重要作用。水稻開花期，頂部3片葉中的Cd濃度達到最大值，葉鞘的含量顯著高于葉片[2,53]，灌漿過程中葉片的Cd輸出量是決定稻米中Cd含量的主要因素[54]。水稻葉片的耐Cd性和Cd積累能力在品種間有顯著差異[54-55]。開花期噴施富含Si、Mn、Zn及離子通道抑制劑的葉面肥，之所以能夠顯著降低稻米中的Cd含量，就是抑制了Cd從葉片向籽粒的轉運過程[20,51,56-57]。

3 穗軸和稻殼對Cd的阻控與攔截

水稻的穗為圓錐花序，主梗稱之為穗軸，穗軸上著生一次枝梗，一次枝梗上著生二次枝梗，各次枝梗上著生小穗梗，小穗梗頂端著生小穗。穗軸結構與莖相似，橫切面邊緣部分排列著小維管束，中央排列著大維管束。穗頸節間大維管束數與一次枝梗數接近，節間越粗，大維管束越多。來自根莖葉的Cd最終都匯聚到了穗軸中，使穗軸成為Cd進入稻谷的最后一站。穗軸中的Cd含量和稻谷中的Cd含量高度線性相關，低Cd積累品種穗軸中的Cd含量顯著低于高Cd積累品種[2,54,58]。

著生于穗軸枝梗上的稻花受精后發育成一粒稻谷，成熟稻谷由稻殼（穎）、糠層（果皮、種皮、糊粉層的總稱）、胚及胚乳等部分組成。水稻籽粒中的Cd主要分布在皮層、外胚乳、糊粉層和胚中，其中胚乳的Cd含量較低[59]。這主要是因為稻米中的儲藏蛋白特別是球蛋白與Cd的結合能力較強，稻米蛋白質結合了54.8%的Cd，而淀粉只結合了10.8%的Cd；蛋白質中的含硫氨基酸含量與Cd結合能力顯著正相關[60]。

4 結論與展望

在農田生態系統中，土壤中的Cd進入水稻根系的過程受到自然環境、栽培措施、品種類型等多種因素的影響。Cd進入根系后，根系細胞立即啟動各種抵御機制來緩解其生理毒害，其中邊緣組織的死亡脫落、根表鐵膜和根系細胞壁對Cd的固定是防止Cd向地上部轉運的最有效手段。根系、莖節、葉鞘等厚壁細胞豐富的器官和組織中，積累的Cd濃度通常較高。細胞膜的選擇透性能保障水分和必需元素的優先轉運，有效滯緩Cd的跨膜運輸。蒸騰作用和離子通道基因的表達水平對Cd在水稻各器官間的轉運有顯著影響。因此，未來研究應在以下3個方面進一步加強。

（1）水稻根系對Cd固定機理的研究。耕層土壤的營養特性、通氣狀況和水稻體內抗逆基因的表達水平等因素，都會影響根系鐵錳膜和細胞壁的發育及其對Cd的固定效應，研究能夠促進鐵錳膜和細胞壁發育的栽培措施及其分子調控機制,提高根系組織捕獲和固定Cd的潛力，就能使轉運到地上部的Cd大幅度下降,保證地上部的正常發育，緩解Cd污染對產量和品質特性的不良影響。

（2）莖葉阻控Cd向水稻籽粒轉運機理的研究。穗下節中特殊基因的表達和噴施葉面調理劑，都能有效抑制Cd從營養器官向水稻籽粒的轉運，是降低稻米Cd含量的有效手段。深入系統地研究水稻灌漿期莖稈和穗軸等器官攔截Cd轉運的生理機制和分子調控原理,提高莖葉和穗軸組織攔截Cd的潛力，就能使匯聚到穗軸末端的Cd濃度大幅度下降,減少其進入籽粒的機會。

（3）水稻細胞膜對Cd敏感性的調控機理研究。Cd離子通過“蹭車”的方式伴隨著必需元素進行跨膜運輸，Cd離子流速在水稻各器官間、品種間存在很大的差異，這與膜蛋白對Cd的敏感性密切相關。通過研究細胞膜的信號識別系統，進一步提高膜蛋白對Cd的敏感性和識別能力，提升各級組織的攔截作用，就能大幅度降低Cd從根際污染環境進入水稻根系的數量及其向地上部各器官轉運的效率，使稻米中的Cd含量降到安全無害的水平。