水稻鎘安全材料分蘗期根部鎘積累分布特征

李 芹，張 曼，張錫洲，余海英，李廷軒

（四川農(nóng)業(yè)大學資源學院，四川成都 611130）

近年來，工業(yè)生產(chǎn)、污水灌溉、過度施肥等人類活動導致農(nóng)田Cd污染日益嚴重[1]。水稻是我國主要的糧食作物之一，對土壤中Cd具有較強的吸收積累能力，稻田Cd污染可通過食物鏈影響人體健康。因此，降低籽粒Cd含量可減少人體通過飲食攝入Cd的風險，培育籽粒Cd安全品種是保障糧食安全的有效措施[2]。水稻籽粒中Cd的積累主要受其根部向地上部轉(zhuǎn)移的影響[3]，該過程主要發(fā)生于水稻分蘗期[4]，不同積累型間存在明顯差異，Cd低積累水稻對Cd的轉(zhuǎn)移能力較低[5]。植物體內(nèi)的Cd大多與各種物質(zhì)結(jié)合以復合物的形式存在，其移動性因化學形態(tài)不同而有所差異。根部Cd以醋酸、鹽酸提取態(tài)等移動性較弱的形態(tài)為主，有利于減少作物地上部Cd的積累[6]。水稻地上部對Cd的積累不僅與根部Cd的主要化學形態(tài)有關(guān)，化學形態(tài)的分配比例也是決定植株內(nèi)Cd轉(zhuǎn)移難易程度的重要因素[7]。此外，由于細胞壁和液泡的區(qū)隔化作用，植物根對Cd的滯留可限制Cd通過木質(zhì)部向地上部運輸[8]，區(qū)隔化的部位可能因Cd脅迫程度、作物種類、植株積累特性等不同而有所差異。Cd低積累水稻通過液泡的區(qū)隔化作用限制Cd向地上部的轉(zhuǎn)移[9]，而另有研究發(fā)現(xiàn)水稻根部Cd主要分布于細胞壁中，且細胞壁Cd的分配比例隨Cd濃度升高而增加[10]。細胞壁對Cd的固持是水稻適應Cd脅迫的關(guān)鍵，Cd低積累型植物細胞壁對Cd的固持能力強于Cd高積累型[11]。細胞壁中果膠、半纖維素等多糖含有大量帶負電荷的官能團可與Cd結(jié)合，細胞壁對Cd的滯留作用受多糖含量的制約[12]。因此，研究水稻根部Cd的化學形態(tài)和細胞壁對Cd的固持機理有利于探明其根部Cd的移動性，對揭示不同水稻材料Cd向地上部轉(zhuǎn)移能力差異的原因具有重要意義。前期土培[13]和大田試驗[14]中，水稻Cd安全材料D62B糙米Cd含量低于食品安全國家標準 (GB2762-2017) 限量 (0.2 mg/kg)，其根部對Cd的滯留率較高是籽粒Cd安全的重要原因之一[15]，然而Cd在根部的分布如何以及植株通過何種方式降低Cd在根部的移動性還缺乏深入探討。本試驗通過分析分蘗期水稻Cd安全材料D62B根部Cd的化學形態(tài)和亞細胞分布，結(jié)合細胞壁多糖對Cd的響應特征明確根部對Cd的滯留作用機理，以期揭示其籽粒Cd安全的原因，為Cd安全品種的培育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

前期通過土培試驗[13]及大田試驗[14]篩選獲得的水稻Cd安全材料D62B (糙米Cd含量低于0.2 mg/kg)和普通材料Luhui17。兩類水稻親本材料均為秈稻，生育期基本一致，為 (150 ± 5) d，均由四川農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院提供。

1.2 試驗設(shè)計與處理

試驗設(shè)4個Cd濃度處理：0 (CK)、0.5 (Cd0.5)、1.0 (Cd1)、2.0 (Cd2) mg/L，每個處理重復3次，完全隨機排列。水稻種子經(jīng)10%的H2O2消毒30 min，再用0.1%的NaClO浸種1 d后播于已消毒的石英砂盤中，在恒溫恒濕箱 (溫度35℃、濕度60%) 中催芽，期間用去離子水澆灌以保持一定濕度。出苗后用1/4濃度的營養(yǎng)液澆灌培養(yǎng)，三葉一心時選擇長勢一致的秧苗移栽至盆 (40 cm × 60 cm × 15 cm) 中，每盆18孔，每孔1株，用完全營養(yǎng)液預培養(yǎng)一周，以CdCl2·2.5H2O (分析純) 添加在完全營養(yǎng)液中進行不同濃度Cd處理。營養(yǎng)液采用菲律賓國際水稻所 (IRRI)推薦的營養(yǎng)液配方[16]，每5天更換一次營養(yǎng)液，培養(yǎng)期間用0.1 mol/L的HCl或NaOH調(diào)節(jié)營養(yǎng)液的pH到5.5左右，采用自然光照，并補充適量去離子水。

1.3 樣品采集與制備

于分蘗期 (Cd處理30天) 采樣，以6株為一個混合樣，每盆3個混合樣為1次重復，每處理采集3個重復。樣品經(jīng)水沖洗后，將根部浸泡于20 mmol/L Na2-EDTA溶液中15min，用去離子水潤洗后吸水紙擦干，將其分為根和地上部。一部分于105℃下殺青30 min后75℃下烘干至恒重，粉碎用于植株Cd含量的測定；另一部分經(jīng)液氮固定后保存于-70℃超低溫冰箱中，用于Cd化學形態(tài)和亞細胞分布的測定。

1.4 測定項目與方法

植株Cd含量測定采用HNO3-HClO4(5∶1，V/V)消化，經(jīng)原子吸收分光光度計 (AAS，PinAAcle 900T，PerkinElmer，USA) 測定。

Cd化學形態(tài)參照Su等[17]采用化學試劑逐步提取法。稱取根系鮮樣按照以下順序經(jīng)研磨、浸提、離心后獲得上清液：1) 采用80%乙醇提取硝酸鹽/亞硝酸鹽、氯化物為主的無機鹽和氨基酸鹽；2) 采用去離子水提取水溶性Cd、Cd-有機酸復合物和Cd(H2PO4)2；3) 采用1 mol/L NaCl溶液提取果膠酸鹽和Cd-蛋白質(zhì)復合物；4) 采用2% HAc溶液提取CdHPO4、Cd3(PO4)2等難溶性磷酸鹽；5) 采用0.6 mg/L HCl溶液提取草酸鹽，并收集沉淀測定殘渣態(tài)Cd。各級提取液及5)中殘渣經(jīng)HNO3-HClO4(5∶1，V/V) 消化后測定Cd含量，并分別計算各形態(tài)Cd的分配比例。

Cd亞細胞分布測定參照Wang等[18]的方法略作調(diào)整，采用差速離心法分離根部亞細胞組分。稱取根系鮮樣于0.25 mol/L蔗糖、50 mmol/L Tris-HCl(pH 7.5)、1.0 mmol/L C4H10O2S2(二硫赤蘚糖醇) 組成的提取液中研磨后于4000 r/min離心15 min，沉淀為細胞壁部分，取上清液繼續(xù)在16000 r/min離心30 min，離心后獲得的上清液為可溶部分，主要包括細胞質(zhì)及液泡內(nèi)無機離子、高分子和大分子有機物質(zhì)，底部碎片為細胞器部分。可溶部分過0.22 μm濾膜后直接上機測定，細胞壁、細胞器在70℃下烘干至恒重后經(jīng)HNO3-HClO4(5∶1，V/V) 消化后測定Cd含量，并分別計算各組分Cd的分配比例。

細胞壁果膠、半纖維素Cd含量測定采用細胞粉碎、去除細胞內(nèi)物質(zhì)的方法[19-20]提取細胞壁，再逐步分類提取細胞壁組分。稱取根鮮樣于液氮中研磨成粉末，用75%乙醇冰浴20 min后于8000 r/min離心10 min，去除上清液后再經(jīng)丙酮、甲醇-氯仿 (1∶1)、甲醇分別冰浴20 min，離心后剩下的顆粒即粗細胞壁。冷凍干燥后稱取細胞壁粉末用沸水提取3次離心獲得上清液為果膠，沉淀經(jīng)4% (W/V) KOH和0.02% (W/V) KBH4提取12h，提取兩次后離心獲得上清液為半纖維素1。分別取果膠、半纖維素1提取液經(jīng)HNO3-HClO4(5∶1，V/V) 消化后測定Cd含量。

果膠糖醛酸含量測定參照Zhu等[12]的方法略作調(diào)整。以半乳糖醛酸為標準物質(zhì)，采用硫酸-間羥基聯(lián)苯法測定果膠糖醛酸含量。取果膠提取液0.2 mL，加入1 mL含12.5 mmol/L四硼酸鈉的濃硫酸沸水浴5 min，冰浴冷卻至室溫后加入0.02 mL 0.15%間羥基聯(lián)苯溶液，混勻后靜置20 min于520 nm比色測定。

半纖維素1總糖含量測定參照Zhu等[12]的方法略作調(diào)整。以葡萄糖為標準物質(zhì)，采用硫酸-苯酚法測定半纖維素1總糖含量。取半纖維素1提取液0.2 mL，加入0.01 mL 80%苯酚溶液，混勻后冰浴中加入1 mL濃硫酸混勻后靜置15 min，沸水浴15 min，冷卻至室溫后于490 nm比色測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

轉(zhuǎn)移系數(shù) = 地上部Cd含量/根部Cd含量[21]。

采用DPS 11.0進行統(tǒng)計分析，LSD法進行多重比較 (P＜ 0.05)；Origin 9.0和Excel 2013進行圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd處理對水稻Cd安全材料各部位Cd含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

由表1可知，兩類水稻材料各部位Cd含量隨Cd處理濃度升高而顯著增加；根部Cd含量高于地上部Cd含量，轉(zhuǎn)移系數(shù)較小，Cd向地上部轉(zhuǎn)移能力較弱。Cd處理下D62B各部位Cd含量顯著低于Luhui17，其轉(zhuǎn)移系數(shù)小于Luhui17。Cd2處理下D62B根、地上部Cd含量較Cd0.5處理分別增加32.9%、84.5%，而Luhui17分別增加50.7%、102.4%，D62B各部位Cd含量增幅較小。Cd0.5處理下D62B根部Cd含量與Luhui17差異不顯著，而地上部Cd含量顯著低于Luhui17，D62B根部Cd向地上部轉(zhuǎn)移弱于Luhui17。

2.2 Cd處理對水稻Cd安全材料根部Cd化學形態(tài)的影響

由表2可知，Cd處理下兩類水稻材料根部Cd以6種化學形態(tài)存在，主要為氯化鈉提取態(tài)，約占總化學形態(tài)的55%，其余各形態(tài)分布特征為水提取態(tài) ＞ 乙醇提取態(tài) ＞ 醋酸提取態(tài) ＞ 殘渣態(tài) ＞ 鹽酸提取態(tài)。隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根部不同形態(tài)Cd含量顯著增加，D62B根部各形態(tài)Cd含量顯著低于Luhui17。隨Cd處理濃度升高，Cd2處理下D62B根部乙醇提取態(tài)、水提取態(tài)、氯化鈉提取態(tài)、醋酸提取態(tài)、鹽酸提取態(tài)、殘渣態(tài)Cd含量較Cd0.5處理分別增加104%、37.7%、33.3%、18.3%、75.0%、85.2%，Luhui17分別增加90.6%、46.1%、19.6%、45.5%、100%、56.2%。Cd處理促進兩類水稻材料根部乙醇、鹽酸提取態(tài)Cd、殘渣態(tài)Cd形成，Cd的移動性和活性減弱。D62B根部乙醇提取態(tài)Cd、氯化鈉提取態(tài)Cd、殘渣態(tài)Cd增幅高于Luhui17，其根部Cd更多轉(zhuǎn)化為移動性較弱的形態(tài)。

表 1 Cd處理對兩類水稻材料各部位Cd含量和轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響Table 1 Effect of Cd treatments on Cd content in different parts and transfer factor of two rice lines

表 2 Cd處理下兩類水稻材料根部Cd化學形態(tài)分布 (mg/kg，F(xiàn)W)Table 2 Cd distribution of chemical forms in roots of two rice lines treated with Cd

由表3可知，Cd處理下兩類水稻材料根部氯化鈉提取態(tài)Cd分配比例最高，鹽酸提取態(tài)Cd最低，Cd的分配比例總體表現(xiàn)為氯化鈉提取態(tài) ＞ 水提取態(tài) ＞乙醇提取態(tài) ＞ 醋酸提取態(tài) ＞ 殘渣態(tài) ＞ 鹽酸提取態(tài)。隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根部乙醇提取態(tài)Cd、殘渣態(tài)Cd分配比例升高，氯化鈉、鹽酸提取態(tài)Cd分配比例降低。Cd處理下兩類水稻材料根部水、醋酸提取態(tài)Cd分配比例變化趨勢不同，D62B根部水、醋酸提取態(tài)Cd分配比例隨Cd處理濃度升高而降低，Luhui17則隨Cd處理濃度升高而增加，Luhui17根部Cd移動性增大。Cd處理下D62B根部乙醇、氯化鈉提取態(tài)Cd分配比例高于Luhui17，水、鹽酸提取態(tài)Cd分配比例低于Luhui17，D62B根部Cd移動性較弱。Cd處理下兩類水稻材料根部醋酸提取態(tài)、殘渣態(tài)Cd分配比例因Cd處理濃度而不同，Cd0.5處理下D62B根部醋酸提取態(tài)Cd分配比例高于Luhui17，殘渣態(tài)Cd低于Luhui17，Cd1處理下其根部醋酸提取態(tài)、殘渣態(tài)Cd分配比例均高于Luhui17，Cd2處理下D62B根部醋酸提取態(tài)Cd分配比例低于Luhui17，殘渣態(tài)Cd高于Luhui17，高Cd濃度處理下D62B根部Cd的移動性較弱。

2.3 Cd處理下水稻Cd安全材料根部Cd的亞細胞分布特征

由表4可知，Cd處理下兩類水稻材料根細胞可溶部分 (除細胞器外的原生質(zhì)體部分，包括胞液和液泡) Cd含量最高，其次為細胞壁，細胞器Cd含量最低。隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根部亞細胞Cd含量顯著增加，D62B根部各亞細胞Cd含量低于Luhui17。Cd0.5處理下，D62B根細胞可溶部分Cd含量顯著低于Luhui17，細胞壁、細胞器Cd含量與Luhui17差異不顯著，Luhui17根部Cd易向細胞可溶部分轉(zhuǎn)移。Cd1、Cd2處理下，D62B各亞細胞組分Cd含量顯著低于Luhui17。Cd2處理下D62B和Luhui17根細胞可溶部分Cd含量較Cd0.5處理分別增加66.5%和106.0%，細胞壁Cd含量分別增加59.6%和70.7%，細胞器Cd含量分別增加110.0%和107.1%，細胞器增幅最大，隨Cd處理濃度升高，Cd跨膜進入細胞原生質(zhì)增多。D62B根細胞可溶部分Cd含量增幅明顯低于Luhui17，其根部Cd向細胞可溶部分中轉(zhuǎn)移較少。

表 3 Cd處理下兩類水稻材料根部Cd化學形態(tài)分配比例 (%)Table 3 Proportion of Cd chemical forms in roots of two rice lines treated with Cd

表 4 Cd處理下兩類水稻材料根部Cd的亞細胞分布特征 (mg/kg, FW)Table 4 Subcellular distribution of Cd in roots of two rice lines treated with Cd

由圖1可知，Cd處理下兩類水稻材料根細胞可溶部分Cd分配比例最高，其次為細胞壁，細胞器Cd分配比例最低。隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根細胞可溶部分和細胞器Cd分配比例升高，而細胞壁降低，細胞壁對Cd的結(jié)合能力有限，高濃度Cd處理下Cd跨膜進入細胞原生質(zhì)中。Cd處理下D62B根細胞可溶部分、細胞器Cd分配比例低于Luhui17，細胞壁Cd分配比例高于Luhui17，其細胞壁對Cd的結(jié)合能力較強，其細胞內(nèi)生理活性較高的區(qū)域Cd積累較少。隨Cd處理濃度升高，D62B根細胞壁Cd分配比例降幅小于Luhui17，而可溶部分Cd分配比例增幅小于Luhui17，D62B細胞壁對Cd的固持能力較強，進入細胞原生質(zhì)體的Cd少于Luhui17。

圖 1 Cd處理下兩類水稻材料根部Cd的亞細胞分配比例Fig. 1 Proportion of subcellular distribution of Cd in roots of two rice lines treated with Cd

2.4 Cd處理對水稻Cd安全材料根細胞壁組分及其Cd含量的影響

2.4.1 Cd處理對水稻Cd安全材料根細胞壁果膠糖醛酸及其Cd含量的影響 由圖2可知，隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根細胞壁果膠糖醛酸含量及其Cd含量呈逐漸增加的趨勢，且D62B根細胞壁果膠Cd含量顯著低于Luhui17。Cd0.5處理下水稻根細胞壁果膠糖醛酸含量與CK差異不顯著，而Cd1、Cd2處理下顯著增加，中高濃度Cd處理促進根細胞壁果膠的合成。隨Cd處理濃度升高，Cd1處理下D62B和Luhui17根細胞壁果膠糖醛酸含量分別增加27.4%、35.4%，Cd2處理下D62B和Luhui17根細胞壁果膠糖醛酸含量分別增加42.4%、93.5%，D62B根細胞壁中合成果膠糖醛酸少于Luhui17。隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根細胞壁果膠Cd含量顯著增加，結(jié)合圖2A，除Cd2處理外，兩類水稻材料根細胞壁果膠糖醛酸含量差異不顯著，而D62B果膠Cd含量顯著低于Luhui17，可見兩類水稻材料單位果膠Cd結(jié)合量不同。Cd0.5、Cd1、Cd2處理下D62B根細胞壁果膠分別可結(jié)合0.069、0.082、0.109 mg Cd/mg糖醛酸，而Luhui17分別結(jié)合0.085、0.102、0.101 mg Cd/mg糖醛酸。隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根細胞壁果膠對Cd的結(jié)合增加，Cd0.5、Cd1處理下D62B果膠對Cd結(jié)合較少。Cd2處理下Luhui17單位果膠糖醛酸Cd結(jié)合總量不再增加，D62B果膠對Cd結(jié)合增加明顯。低、中濃度Cd處理下兩類水稻材料根細胞壁果膠對Cd的結(jié)合不飽和，高濃度處理下D62B根細胞壁果膠對Cd的結(jié)合能力強于Luhui17。

2.4.2 Cd處理對水稻Cd安全材料根細胞壁半纖維素1總糖及其Cd含量的影響 由圖3可知，隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根細胞壁半纖維素1總糖含量及其Cd含量呈逐漸增加的趨勢。Cd處理下兩類水稻材料根細胞壁半纖維素1總糖含量及其Cd含量遠高于果膠糖醛酸含量 (圖2A) 及其Cd含量(圖2B)，可知細胞壁中Cd主要與半纖維素1結(jié)合。相較于CK處理，Cd0.5處理下兩類水稻材料根細胞壁半纖維素1總糖含量差異不顯著，而Cd1、Cd2處理下顯著增加，中、高濃度Cd處理促進根細胞壁半纖維素1的合成。Cd處理下兩類水稻材料根細胞壁半纖維素1總糖含量差異不顯著，隨Cd處理濃度升高，Cd1處理下D62B和Luhui17根細胞壁半纖維素1總糖含量分別增加50.0%、29.0%，Cd2處理下分別增加57.8%、35.4%，D62B根細胞壁中合成半纖維素1總糖多于Luhui17。隨Cd處理濃度升高，D62B半纖維素1Cd含量顯著增加，Cd0.5處理下Luhui17半纖維素1Cd含量顯著低于Cd1處理，而Cd1、Cd2處理下差異不顯著。結(jié)合圖3A，Cd0.5、Cd1、Cd2處理下D62B根細胞壁半纖維素1分別可結(jié)合0.068、0.073、0.096 mg Cd/mg總糖，而Luhui17分別結(jié)合0.078、0.111、0.124 mg Cd/mg總糖。隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根細胞壁半纖維素1對Cd的結(jié)合增加，Cd2處理下D62B、Luhui17單位半纖維素1Cd結(jié)合量較Cd1處理分別增加32.6%、11.2%。不同濃度Cd處理下兩類水稻材料根細胞壁半纖維素1對Cd的結(jié)合均未飽和，高濃度Cd處理下D62B半纖維素1對Cd的結(jié)合增幅較大。Cd2處理下兩類水稻材料半纖維素1Cd含量差異不顯著，而D62B根細胞壁Cd含量顯著低于Luhui17 (表4)，高濃度Cd處理下D62B半纖維素1對細胞壁中Cd結(jié)合相對比例較高。

圖 2 Cd處理下兩類水稻材料根細胞壁果膠糖醛酸和Cd含量的變化Fig. 2 Uronic acid and Cd content in pectin of roots cell wall of two rice lines treated with Cd

圖 3 Cd處理下兩類水稻材料根細胞壁半纖維素1總糖和Cd含量的變化Fig. 3 Total polysaccharide and Cd content in hemicellulose1 of roots cell wall of two rice lines treated with Cd

3 討論

3.1 Cd處理下水稻根部Cd的亞細胞分布特征

水稻地上部Cd的積累主要受根向地上部Cd轉(zhuǎn)移能力的影響[22]，其移動難易程度與根部Cd的亞細胞分布有關(guān)[23]。本研究中兩類水稻材料根細胞可溶部分 (胞質(zhì)和液泡) Cd含量最高，與Li等[24]和Shi等[25]研究結(jié)果一致，而水稻No.6 huaidao[1]和Zhonghua11[26]根部Cd主要分布于細胞壁中，這是由于在不同的研究中栽培介質(zhì)、培養(yǎng)時間、Cd處理濃度等栽培條件均有較大差異，并且不同水稻材料自身生長特性不同，根部Cd亞細胞分布特征呈現(xiàn)明顯的材料間差異[9]。本研究中可溶部分包括胞質(zhì)和液泡，液泡占細胞原生質(zhì)容積的大部分且具有較高的Cd積累潛力，因此較多的Cd分布于可溶部分可能與液泡的區(qū)隔化作用有關(guān)[27]。且由于細胞壁中可與Cd結(jié)合的多糖官能團、蛋白質(zhì)數(shù)目的限制，高濃度Cd處理下細胞壁對Cd的結(jié)合作用有限[28]。Cd處理下水稻Cd安全材料D62B根部亞細胞Cd含量顯著低于Luhui17，但細胞壁Cd的分配比例高于Luhui17，其細胞壁對Cd的結(jié)合能力強于普通材料，與Yu等[29]和Zhang等[30]研究結(jié)果一致。細胞壁中含有多種官能團可與Cd發(fā)生離子交換、吸附、絡(luò)合、沉淀等反應，有利于減少Cd的移動，因此細胞壁對Cd的結(jié)合能力不同是導致不同積累型作物Cd轉(zhuǎn)移差異的重要原因[31]。Cd低積累辣椒[32]根細胞壁Cd分配比例較高，而Cd耐性蘿卜 (低積累) 根細胞壁Cd分配比例低于敏感性品種[33]，Cd低積累型豆瓣菜根細胞壁Cd分配比例僅在高濃度Cd處理下高于Cd高積累型[28]，由此可見細胞壁對根部Cd固持作用的貢獻不僅與作物種類有關(guān)，還受Cd脅迫程度的影響。隨Cd處理濃度升高，Cd高積累小白菜細胞壁Cd分配比例降低，而Cd低積累小白菜僅可溶部分降低[34]，本研究中兩類水稻材料根細胞壁Cd分配比例降低，D62B降幅小于Luhui17，可知細胞壁在Cd低積累材料適應高Cd脅迫中發(fā)揮重要作用，但可能對Cd的結(jié)合能力有限。

3.2 Cd處理下果膠對水稻根細胞壁Cd固持作用的貢獻

果膠分布于細胞壁胞間層，主要成分是部分甲酯化的α-1,4-D-聚半乳糖醛酸，含有豐富的羧基、羥基等官能團，可提供帶有負電荷的Cd結(jié)合位點。Cd處理下兩類水稻根細胞壁果膠的糖醛酸含量、Cd含量顯著增加，可知果膠的合成有利于增強根細胞壁對Cd的固持。Cd主要與果膠中的羧基結(jié)合[35]，果膠對Cd的結(jié)合能力取決于羧基的數(shù)目。果膠的甲酯化程度越低，自由羧基數(shù)目越高，Cd處理下番茄細胞壁果膠組成發(fā)生改變，其甲酯化程度明顯降低[36]，進而增加自由羧基數(shù)目以促進果膠對Cd的結(jié)合。大量研究表明，Cd處理下植物根系果膠甲酯酶 (PME)活性增加[37-39]，可促進果膠去甲酯化，增加自由羧基數(shù)目。隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根細胞壁單位果膠糖醛酸Cd結(jié)合量增加，可能與甲酯酶活性增加有關(guān)，水稻降低果膠酯化度有利于增加果膠對Cd的結(jié)合。Cd0.5、Cd1處理下D62B單位果膠糖醛酸Cd結(jié)合量低于Luhui17，可能低濃度下D62B根細胞壁果膠的酯化度較高，還有待深入研究。果膠中羧基僅部分以電離狀態(tài)存在，可與金屬離子發(fā)生離子交換作用[40]，且由于Ca2+的競爭吸附[41]，因此較低濃度Cd處理下D62B根細胞壁果膠的官能團未完全與Cd結(jié)合。高濃度Cd處理下D62B根細胞壁單位果膠Cd結(jié)合量增加，而Luhui17幾乎不變，可能由于D62B果膠的Cd固持容量較大。果膠和半纖維素的合成增多是水稻細胞壁對Cd的固持作用增強的主要原因[42]，而隨Cd處理濃度升高D62B根細胞壁果膠糖醛酸含量增幅小于Luhui17，其半纖維素1總糖含量增幅較大，可見兩類水稻材料根細胞壁組分發(fā)育特征存在差異，可能D62B果膠對Cd結(jié)合能力較強，而普通材料由于果膠的Cd結(jié)合能力有限，在高Cd濃度下通過促進果膠的合成以增加根細胞壁對Cd的固持。

3.3 Cd處理下半纖維素1對水稻根細胞壁Cd固持作用的貢獻

果膠是一組聚半乳糖醛酸，而半纖維素是幾種不同類型單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，其結(jié)合能力可能由于組成和性質(zhì)的差異而不同。擬南芥根細胞壁中Cd主要與半纖維素結(jié)合[43]，水稻細胞壁半纖維素和果膠可分別結(jié)合總Cd的56%、23%[44]，本研究中兩類水稻材料根細胞壁半纖維素1的Cd含量是果膠的6.80～8.40倍，可知半纖維素1是水稻根細胞壁中主要的Cd結(jié)合位點。隨Cd處理濃度升高，兩類水稻材料根細胞壁半纖維素1單位總糖Cd結(jié)合量增加，可能是由于半纖維素1的Cd結(jié)合容量較大，隨Cd處理濃度升高，Cd結(jié)合不斷增加，在本研究中高濃度Cd處理下依然未飽和。不同濃度Cd處理下，D62B根細胞壁半纖維素1單位總糖對Cd的結(jié)合較少，這是由于D62B細胞壁Cd含量顯著低于Luhui17，細胞壁對Cd的固持總量較小。擬南芥根細胞壁半纖維素1對Cd的結(jié)合增強原因在于半纖維素組成糖類 (葡萄糖、木糖) 合成增多[12]，本研究中隨Cd處理濃度升高，D62B根細胞壁半纖維素1總糖含量增幅明顯大于Luhui17，Cd處理下D62B根細胞壁合成半纖維素1增多，有利于增加其細胞壁對Cd的結(jié)合。Cd2處理下兩類水稻材料半纖維素1總糖含量較Cd1處理增幅相同，而D62B和Luhui17半纖維素1Cd含量分別增加39.8%和17.2%，可知高Cd濃度處理下D62B根細胞壁半纖維素1對Cd的結(jié)合增多。Cd耐性水稻根細胞壁半纖維素Cd分配比例較大[45]，其半纖維素較強的Cd結(jié)合能力促進了細胞壁對Cd的固持，對降低Cd向籽粒轉(zhuǎn)移有關(guān)鍵作用。本研究結(jié)果與之一致，Cd2處理下兩類水稻材料半纖維素1Cd含量差異不顯著，而D62B根細胞壁Cd含量顯著低于Lhui17，高濃度Cd處理下D62B半纖維素1對Cd的結(jié)合相對比例較高，其對Cd的結(jié)合能力較強。

4 結(jié)論

D62B根和地上部Cd含量顯著低于Luhui17，其根部Cd向地上部轉(zhuǎn)移較少。D62B根部Cd主要為氯化鈉提取態(tài)，隨Cd處理濃度升高水提取態(tài)Cd分配比例降低，鹽酸提取態(tài)Cd和殘渣態(tài)Cd分配比例升高。D62B根細胞壁中Cd主要與半纖維素1結(jié)合，其結(jié)合能力強于Luhui17，其細胞壁Cd固持能力較強。因此，D62B根部Cd向移動性較弱的化學形態(tài)轉(zhuǎn)化，且其細胞壁半纖維素1對Cd的固持作用較強，是水稻Cd安全材料減少Cd向籽粒運輸?shù)闹匾蛑弧?/p>