鎘對不同水稻品種葉片礦質元素含量的影響

張亞東 楊仁杰 劉海學 李永俊

（1.天津農學院農學與資源環境學院，天津 300384；2.天津市綠豐園藝新技術開發有限公司，天津 300380）

鎘（Cd）是一種對動植物具有極強毒性的重金屬元素，因高移動性、高毒性和污染面積最大被列為污染的“五毒之首”［1］。雖然植物體內的礦質元素含量較少，但是對植物有至關重要的作用；Cd 極易被植物體吸收積累，阻礙植物對礦質元素的吸收［2］。

目前，國內外就Cd對水稻影響機制的研究主要集中在水稻生長發育、水稻耐鎘性的生理生化機制、遺傳機理及分子生物學研究等方面，但是就Cd對礦質元素吸收影響方面的研究具有較大差異，目前沒有明確一致的結論［3］。為了探究Cd對水稻吸收重要礦質元素的影響，本試驗選取了常見的29種水稻品種，在0.5mg/kg的Cd脅迫下培養后，進行Fe、銅（Cu）、錳（Mn）、鉀（K）、Ca、鈉（Na）、Zn 和錳（Mg）8 種礦質元素檢測，以期為耐Cd 品種的選育、Cd對水稻礦質元素吸收影響的研究奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為天津農學院實驗室保留的29 種水稻品種（品系），分別為鐵稈烏（1）、臺山糯（9）、陸財號（14）、南雄（20）、柳葉粘（34）、矮腳早（37）、香稻（42）、旱麻稻（43）、津原45（45）、竹珍B（58）、青四矮16B（64）、粳7623（72）、柳沙1號（80）、津原89（89）、津原香98（98）、天農粳518（518）、金稻777（777）、C2106恢復系（C2106）、C34恢復系（C34）、C418恢復系（C418）、津原E28（E28）、天津農學院品系1（P1）、天津農學院品系2（P2）、天津農學院品系3（P3）、天津農學院品系4（P4）、天津農學院品系5（P5）、津原U99（U99）、津川1 號（C1）和津原黑1 號（H1）。括號內的數字和字母表示水稻品種（品系）代號。

1.2 材料培養

采用水培法，以木村營養液為基礎，對培養至三葉一心期的水稻幼苗進行Cd 處理，加入濃度0.5mg/L 氯化鎘（CdCl2）溶液，以只經過營養液處理的水稻（CK）作為對照，重復3次。

1.3 礦質元素測定

用TAS-990 AFG型原子吸收分光光度計測定Fe、Zn、Cu、Ca、Mn和Mg，用火焰離子分光光度計測定K和Na。

1.4 數據統計分析

試驗采用Excel 2016 和SPSS20 進行數據的處理與分析。相對含量計算公式如下：相對含量=（脅迫后礦質元素含量-脅迫前礦質元素含量）/脅迫前礦質元素含量。

2 結果與分析

2.1 鎘對水稻葉片礦質元素含量的影響

由表1可知，總體來看，水稻葉片中Fe含量呈現上升趨勢，增幅為7%～130%，其中粳7623 增幅最大，增加了130%；水稻葉片中Mn、Zn 含量呈現下降趨勢，降幅為7%～67%和1%～46%，津原黑1 號Mn 含量變化幅度最大，降低了67%，陸財號Zn 含量變化最大，降低了46%；水稻葉片中其余礦質元素含量變化趨勢不明顯。水稻葉片中Zn、Cu、Ca、Mn、K 和Na 的含量變化幅度分別為-46%～86%、-49%～82%、-43%～157%、-60%～99%、96%～57%和-54%～73%。

2.2 不同品種水稻礦質元素相對含量的聚類分析

近年來，熱圖（Heatmap）作為一種統計方法得到了廣泛應用，可以將大量的數據簡單聚合，以一種直觀的漸進色帶模式將結果展示出來，可以看出數據的疏密和頻率高低程度。圖1是不同品種水稻礦質元素相對含量聚類熱圖。由圖1可以看出，Cu和Zn、Mg和Ca的相對含量具有較大的相似性，Mn和Cu相對含量的相似性最小。Mn相對含量總體小于0，呈現下降趨勢；Fe相對含量總體數值大于0，呈現上升趨勢；其他礦質元素變化趨勢不明顯。

表1 Cd處理下不同品種水稻葉片礦質元素含量和相對含量 mg/kg

（續表1）

圖1 水稻葉片礦質元素相對含量聚類熱圖

3 討論

經Cd 脅迫后，水稻葉片中Fe 含量表現為上升趨勢，其余礦質元素變化趨勢不明顯，品種間具有較大的差異性，這是因為不同基因型和不同品種的水稻在應對Cd脅迫時對礦質元素的吸收存在差異［4］。Fe是葉綠素的重要組成部分，Cd 會破壞葉片中的葉綠素［5］，Cd 在傷害水稻葉片的同時可能啟動了水稻的保護機制，促使水稻葉片吸收Fe 來抵御Cd 的毒害作用，最終表現為葉片中Fe 含量增加。

Zn和Cd是同族元素，二者經常以二價陽離子形式存在，化學性質具有相似性，在植物體內的積累和吸收會存在一定的相互作用［6］。這種相互作用表現為水稻進行正常的生長代謝時，Zn和Cd會競爭相同的轉運蛋白，膜蛋白會優先結合對水稻生長發育起重要作用的Zn，從而抑制水稻對Cd 的吸收［7］。但是，本試驗結果顯示，Zn 含量整體上呈下降趨勢，說明本研究所施用的Cd 濃度已抑制膜蛋白對Zn 的結合。Cu 和Cd 含量之間呈極顯著的正相關［8］，這種相關性表現在Cd 含量的增加會伴隨Cu含量的增加［9］。Cd 對Zn 具有抑制作用，Cd 對Cu 具有協同作用，在探究Cd 脅迫下Cu 和Zn 的關系時發現，Cu 和Zn屬于同一周期的元素，同周期內的元素原子擁有相似的內層電子分布，在性質水平上具有相似性［10］。這進一步驗證了本研究得出的在Cd脅迫下Cu和Zn具有相似性的結論。

Mg 和Ca 擁有最大的相似度，是因為Mg 和Ca 擁有共同的膜表面配位體和離子通道［11］。Mn 含量整體表現為下降趨勢，因為Mn離子和Cd離子均為二價離子，離子半徑非常接近［12］，而且植物體內的多種載體蛋白在轉運Mn的同時會轉運Cd，兩者具有顯著的競爭性，同時Cd的競爭性大于Mn［13-14］。因此，在Cd處理下，Mn的整體含量呈下降趨勢。

4 結論

在Cd 脅迫下，會提高水稻葉片中的Fe 含量，最終表現為Cd會促進Fe的吸收；會降低水稻葉片中Mn和Zn的含量，最終表現為Cd 對Mn 和Zn 具有抑制作用；水稻葉片中的Cu和Zn、Mg和Ca的相對含量表現出相似性。