過氧化氫在水稻鎘耐受及吸收分配中的作用機理

摘要： 【目的】研究鎘（Cd） 脅迫下不同濃度過氧化氫（H2O2） 對水稻幼苗生長、根系發育及活性氧、Cd 含量的影響，闡明H2O2 在水稻Cd 耐受和吸收分配中的作用機理。【方法】采用水培試驗方法，供試材料為粳型水稻（Oryza sativa L.，ZH11）。在水稻營養液中添加10 μmol/L CdCl2 進行Cd 脅迫，同時分別添加0、20、80 μmol/LH2O2 溶液，以正常營養液培養為對照（CK）。處理1 天后取根系鮮樣測定水稻幼苗內源H2O2、超氧陰離子含量；處理30 天后，測定水稻幼苗倒二葉的SPAD 值、株高、根系形態、干物質重、Cd2+含量，提取根表鐵膜及亞細胞組份。為驗證外源H2O2 在Cd 脅迫中的作用，設置了H2O2 清除劑碘化鉀（KI） 添加試驗，對水稻幼苗進行10 μmol/L CdCl2+20 μmol/L KI 和20 μmol/L KI 處理。處理20 天時，測定水稻幼苗倒二葉的SPAD 值和株高。從CK 和10 μmol/L CdCl2、10 μmol/L CdCl2+20 μmol/L H2O2 處理1 天的水稻根中提取總RNA。【結果】Cd 脅迫下，水稻生長受到抑制，外源添加H2O2 顯著緩解了水稻Cd 脅迫，且隨著濃度增加緩解效果減弱，但添加KI 加劇Cd 脅迫造成的抑制作用。20 μmol/L H2O2 處理下，水稻株高較無H2O2 處理增加了35.1%，倒二葉SPAD 值提高了50.5%，地上部和根部干重分別顯著提高227.1% 和339.0%，根系形態參數（總根長、根表面積、根體積、根尖數） 顯著增加。Cd 脅迫導致水稻幼苗根中超氧陰離子含量顯著增加，外源添加H2O2 可以顯著降低超氧陰離子含量。外源H2O2 通過下調OsNRAMP5 的表達水平，降低水稻對Cd 的吸收，根和地上部中Cd 離子含量均顯著下降。此外，H2O2 處理促進水稻根表鐵膜的形成，吸附較多的Cd 離子在根表，抑制了Cd 從根表向根內的轉移。在根內，H2O2 處理上調了果膠的合成和果膠甲酯酶基因表達水平，促進了細胞壁中Cd 的區隔化，降低了細胞質中Cd 含量，從而減輕Cd 的細胞毒性。【結論】外源添加適宜水平的H2O2 可降低O+2造造成的氧化損傷，同時下調OsNRAMP5 的表達水平，減少水稻對Cd 的吸收。外源H2O2 還可促進水稻根表形成鐵膜，抑制Cd2+從根表向根內的轉移，促進細胞壁中Cd 的區隔化，干擾細胞質中Cd 的移動，從而減輕Cd 的細胞毒性，提高水稻抗Cd 脅迫能力。但外源高水平H2O2 緩解水稻Cd 脅迫的效果大幅減弱，這可能與其抑制根表鐵膜的形成有關。

關鍵詞： 水稻； 活性氧； 過氧化氫； 鎘吸收； 細胞壁修飾

鎘（Cd） 不是植物生長發育所必需的元素，但其易被根系吸收并向地上部運輸積累[1]。植物地上部積累的Cd 通過食物鏈進入人體，危害人體健康導致多種疾病[2]。植物積累的Cd 會增大細胞膜的通透性，降低葉綠素和類胡蘿卜素含量及抗氧化酶活性，導致植物光合作用減弱，植株生長受抑制[3?6]。Cd 主要通過破壞生物分子官能團和電子傳遞鏈導致活性氧（reactive oxygen species， ROS） 的積累，造成細胞結構損傷、膜脂質過氧化，嚴重時導致植物死亡[7?8]。

Cd 與其他植物必需的微量金屬元素具有相似的理化性質，主要通過其他必需金屬元素（如Fe2 +、Mn2+和Zn2+） 的轉運蛋白進入植物根系 [9]。OsIRT1 在根系中受缺鐵誘導表達，促進Cd 的吸收和轉運[10]。OsNRAMP1 參與水稻對Cd 的吸收和運輸[ 1 1 ? 1 2 ]。OsNRAMP5 是一個參與水稻根系Cd 和錳（Mn） 吸收的轉運蛋白，敲除之后能減少水稻對Cd 的吸收[13?14]。OsCd1 屬于MFS 超家族轉運蛋白，是水稻根系Cd吸收的主要促進因子，參與水稻籽粒Cd 積累[15]。

根對Cd 的耐受和積累與Cd 和細胞壁結合的能力密切相關[16]。研究表明，細胞壁通過阻止Cd 進入根細胞來提高植物對Cd 的耐受性[17]。細胞壁主要由纖維素、半纖維素和果膠組成，其中果膠是細胞壁與重金屬結合的主要成分[18?19]。細胞壁中的果膠甲酯酶（PME） 可以水解果膠中的甲酯基，釋放甲醇并降低甲酯化程度，增加游離羥基（―OH） 和羧基（―COOH）的數量，從而有助于結合更多的Cd 離子[20?21]。

過氧化氫（H2O2） 是ROS 代謝的產物，它既是一種強氧化劑，對體內正常分子產生破壞作用，同時它也是重要的信號分子，調控植物的生長和環境適應性[22?23]。植物體內ROS 爆發產生的H2O2 是植物病原體防御反應和植物適應非生物脅迫的重要信號[24?25]。H2O2 在低濃度水平時作為信號分子，促進種子萌發、氣孔開放，提高葉綠素含量，延緩衰老[26]，改善植物在逆境脅迫下的生長發育情況和抗氧化防御能力[27]。干旱和鹽脅迫下，H2O2 預處理提高了植物細胞內過氧化氫酶（CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（APX） 等的活性，從而提高了植物對滲透脅迫的耐受性和抗鹽脅迫能力[28?29]。低溫脅迫下，H2O2 （0.1 mmol/L） 處理提高了CAT、超氧化物歧化酶（SOD） 的活性，促進了番茄植株的生長和光合效率，保護植物免受低溫脅迫[30]。

在重金屬脅迫中，H2O2 通過增強過氧化物酶（POD）、CAT、SOD 和APX 等抗氧化酶的活性，減少活性氧的積累來保護水稻的光合活性免受砷（As）毒害[31]，提高番茄對銅（Cu） 脅迫的耐性[27]。鋁（Al）脅迫下，外源低濃度H2O2 作為信號分子，通過抑制H2O2 合成相關酶的活性，降低細胞壁中H2O2 含量，從而減少木質素的沉積以及鋁離子在水稻根尖的積累，緩解鋁毒引起的木質化作用[32?33]。大量的研究發現，Cd 脅迫導致植物體內積累大量的ROS，造成植物細胞受到氧化損傷。外源添加低濃度H2O2 可以提高脅迫環境下植物的抗氧化脅迫能力，然而關于外源H2O2 處理緩解Cd 毒害及影響植物對Cd 吸收、轉運的報道較少。

本研究通過水培研究了Cd 脅迫下外源H2O2 對水稻（Oryza sativa L.，ZH11） 幼苗生長、細胞脂膜過氧化、細胞Cd 吸收轉運特征的影響，探討外源H2O2 緩解水稻幼苗Cd 毒性的機制，為水稻的安全高效生產提供理論和技術參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料和試驗設計

試驗材料為水稻“中花11 號”（Oryza sativa L.，ZH11）。水稻種子在0.05% （V/V） 的咪鮮胺中破除休眠14 h，用自來水沖洗干凈，置于去離子水中在37℃ 黑暗條件下浸泡，24 h 后將種子放置在濕潤的信封袋中進行催芽。將露白發芽的水稻種子播于含水稻營養液的96 孔塑料板中，置于植物生長溫室中正常培養。幼苗長至1 葉1 心時，挑選長勢整齊、形態良好的幼苗進行水培。將莖底部用裁剪好的海綿小心包住并固定于育苗板上，定植于裝有6 L 營養液（pH=5.8） 的8 L 水培盆中，盆外圍裹黑色膠帶以減少營養液中藻類生長。將水培盆置于溫室中培養，保持相對濕度60%，恒溫26℃，光照周期為16 h 光照、8 h 黑暗，光照強度300 μmol/（m2·s） 的生長環境，每3 天更換1 次營養液。

幼苗培養至2 葉1 心時進行處理，以正常營養液培養為對照，記為CK；6 L 的營養液中加入600 μL濃度為100 mmol/L 的CdCl2 溶液，營養液中CdCl2的終濃度為10 μmol/L，記為Cd；在CdCl2 脅迫下外源添加20、80 μmol/L H2O2，添加方式為：分別在6 L的營養液中加入1200、4800 μL 濃度為100 mmol/L的H2O2 溶液（現配現用），營養液中H2O2 的終濃度分別為20、80 μmol/L，分別記為20 H2O2、80 H2O2。處理1 天后取根系鮮樣測定水稻幼苗內源H2O2 和O-2含量；處理30 天后測定水稻植株高度、生物量、Cd 離子含量等指標，選擇倒二葉測定SPAD 值。

為驗證H2O2 在Cd 脅迫中的作用，設置了H2O2清除劑碘化鉀（KI） 添加試驗[ 3 4 ]，對水稻幼苗進行10 μmol/L CdCl2+20 μmol/L KI 和20 μmol/L KI 處理，6 L 的營養液中加入1200 μL 濃度為100 mmol/L的KI 溶液，營養液中KI 的終濃度為20 μmol/L，處理20 天時測定株高和倒二葉的SPAD 值。

轉錄組樣品制備：水稻在正常條件下培養3 天后，進行10 μmol/L CdCl2、10μmol/L CdCl2+20 μmol/LH2O2 處理，以僅營養液培養為對照。處理1 天后取大小相對一致的根系置于液氮中，一個根系為1 個生物學重復，設置3 個生物學重復。

1.2 生長指標的測定

用直尺測量幼苗莖基部至頂端葉尖的長度，即為株高。選取水稻幼苗完全展開的倒二葉，利用SPAD儀（SPAD-502 Chlorophyll Meter Model， Konica Minolta，Japan） 測定葉片SAPD 值。選取7 株完整的水稻幼苗植株，采用根系掃描儀器（MRS-9600TFU2L， MICROTEK，China） 和萬深LA-S 根系圖像分析系統分別對根系總長、根系表面積、根體積和根尖數進行掃描分析，測定根系形態。用純水清洗根系3 次，吸水紙吸干根系表面水分后，將地上部和根部分別放入信封中進行105℃ 殺青30 min，75℃ 烘干至恒重，得到地上部、根部干重。

1.3 水稻幼苗根部抗氧化系統相關指標測定

H2O2 使用過氧化氫含量檢測試劑盒（Abbikne，USA） 檢測，超氧陰離子（ ） 使用超氧陰離子含量試劑盒（Abbikne， USA） 檢測。水稻幼苗根鮮樣加入提取液進行冰浴勻漿，離心后取上清液待測，按照試劑盒實驗步驟進行操作。

1.4 根表鐵膜的提取和測定

根表鐵膜的提取采用連二亞硫酸鈉?檸檬酸鈉?碳酸氫鈉提取法（DCB 法）。取整株根系用去離子水清洗3 次，并用紙吸干表面水分，然后將根系浸沒于45 mL 的DCB 提取液中（包含40 mL 的0.27 mol/L檸檬酸鈉，5 mL 的0.11 mol/L 碳酸氫鈉，3 g 連二亞硫酸鈉）[35]。在25℃、180 r/min 的條件下振蕩3 h 后過濾，稀釋后用ICP 質譜儀（NexION 350X， Perkin-Elmer， America） 測定離子含量。同時上述的根系用去離子水清洗3 次，烘干至恒重，稱重。鐵膜離子濃度=鐵膜的離子含量/根干重，根表向根內的Cd2+轉移系數=根內Cd2+含量/根表Cd2+含量。

1.5 離子含量的測定

將地上部和去除鐵膜后的根部烘干樣粉碎，加入HNO3∶HClO4 （5∶1， V/V） 混合溶液消化，定容稀釋一定倍數后用ICP-MS 質譜儀（NexION350X，PerkinElmer， America） 測定Cd 離子含量[36]。根向地上部的Cd2+轉移系數=地上部Cd2+含量/根內Cd2+含量。

1.6 亞細胞組分的提取

采用差速離心法提取亞細胞組分[37]。提取液成分包含二硫蘇糖醇（DTT） 1 mmol/L，蔗糖250 mmol/L，Tris-HCl （pH=7.5）。將0.5 g 水稻鮮樣加入8 mL 提取液進行冰浴勻漿。得到的勻漿以6000 ×g 離心10 min，殘渣組成為細胞壁，濾液以20000 ×g 離心45 min，所得顆粒為細胞器，濾液為可溶性部分。所有步驟均在4℃ 下進行，兩次離心的沉淀都烘干稱重。以HNO3∶HClO4 （5∶1， V/V） 混合溶液消煮各部分，隨后定容稀釋，待測。

1.7 果膠的提取及糖醛酸含量的測定

果膠的提取參照Yang 等[38]的方法，取0.01 g 冷凍干燥的細胞壁放入離心管中，加入含有1.5 mL 0.1%NaBH4 （pH=4） 的0.5% 醋酸銨緩沖液，在沸水浴中煮1 h，13200 r/min 離心10 min，取上清液于干凈的離心管中，重復此步驟1 次，合并兩次所得上清液即為果膠成分。采用硫酸?苯酚比色法測定果膠糖醛酸含量[39]。取600 μL 果膠提取物加入3 mL 的98%H2SO4 （含0.0125 mol/L Na2B4O7），100℃ 水浴5 min。冷卻至室溫后，加入60 μL 的0.15% 間羥基聯苯（用0.5% NaOH 溶解），室溫、黑暗條件下反應30min。在520 nm 處測定吸光度，果膠濃度用半乳糖醛酸當量表示。

1.8 轉錄組測序及數據分析

總RNA 的提取使用RNAiso? Plus 試劑（TakaraBio， Japan），從CK、10 μmol/L CdCl2、10 μmol/LCdCl2+ 20 μmol/L H2O2 處理1 天的根中提取。測序平臺使用Illumina Hi Seq 2500 平臺上的轉錄組測序（Denovo Biotechnology Co， USA）。使用TopHat 2.0.8將干凈的讀數映射到水稻參考基因（RGAP 7.0），并使用每千個堿基的轉錄每百萬映射讀取的碎片（FPKM）方法對基因表達水平進行標準化處理。差異表達基因為錯誤發現率（1 discovery rate， FDR） 小于0.05且差異表達倍數（fold change，FC） 大于2 的基因。

1.9 數據處理

試驗采用完全隨機設計，重復3 次。試驗數據使用 Microsoft Excel 2010 進行整理，利用SPSS 26.0（Chicago， America） 軟件進行單因素方差分析 （onewayANOVA），用Duncan 檢驗（Plt;0.05 為差異顯著） 進行處理間的差異顯著性分析，柱狀圖采用Graph Pad Prism 8.0.2 制作，熱圖采用聯川生物云平臺制作。

2 結果與分析

2.1 Cd 脅迫下外源H2O2 對水稻幼苗生長和生物量的影響

如圖1 所示，Cd 脅迫強烈抑制了水稻生長。Cd 處理下水稻株高、SPAD 值、地上部干重、根干重相對于CK 顯著降低（Plt;0.05）。而外源添加H2O2后緩解了Cd 對水稻生長發育的抑制作用。與Cd 脅迫的水稻相比，H2O2 處理顯著提高了水稻幼苗的株高，增幅為13.7%～35.1%，倒二葉的SPAD 較Cd脅迫下提高了50.5%～165.9%。不同濃度H2O2 下植株地上部和根部干重較Cd 脅迫下均提高，但影響程度不一致，20 μmol/L H2O2 處理下地上部和根部干重顯著提高，增幅分別為227.1%～339.0%；而80 μmol/L H2O2 處理影響不顯著。

2.2 添加H2O2 清除劑（KI） 對水稻生長的影響

單獨添加K I 處理的水稻幼苗株高顯著低于CK 處理但高于Cd 脅迫處理，SPAD 差異不顯著，說明抑制水稻體內H2O2 的產生會抑制水稻幼苗的生長。Cd 脅迫下，添加H2O2 清除劑進一步顯著降低了水稻幼苗株高和SPAD 值（圖2，Plt;0.05）。

2.3 Cd 脅迫下外源H2O2 對水稻幼苗根系形態的影響

由圖3 可以看出，Cd 脅迫下，水稻根系發育受到抑制，總根長、根表面積、根體積、根尖數相較于CK 顯著下降（Plt;0.05）。20 μmol/L H2O2 處理下總根長、根表面積、根體積、根尖數較Cd 處理顯著提高（Plt;0.05），而80 μmol/L H2O2 處理下僅總根長顯著提高，其他指標沒有顯著變化（圖3）。說明外源添加低濃度H2O2 可以改變水稻幼苗的根系形態，減輕Cd 毒害。

2.4 Cd 脅迫下外源H2O2 對水稻內源H2O2 和含量的影響

由圖4 可知，與CK 相比，Cd 脅迫下水稻幼苗根部中O-2含量顯著提高（Plt;0.05），H2O2 含量沒有顯著差異。外源添加20 μmol/L H2O2 后，內源H2O2 和O-2含量較Cd 脅迫下顯著下降，特別是O-2含量下降了34.2%。在80 μmol/L H2O2 水平下，O-2含量較Cd脅迫下顯著降低，降幅為29.6%，而H2O2 含量沒有顯著變化。

2.5 Cd 脅迫下外源H2O2 對水稻Cd 吸收、運輸的影響

如圖5-A 所示，外源添加H2O2 后水稻幼苗根中的Cd 離子含量較Cd 脅迫下顯著降低（Plt;0.05），降幅為31.2%～34.5%。同時，地上部中的Cd 離子含量在添加H2O2 之后也較Cd 脅迫下顯著降低，降幅為24.2%～39.2% （圖5-B）。但H2O2 對Cd 轉移系數沒有顯著影響（圖5-C）。說明外源添加H2O2 可能通過影響水稻幼苗根部對Cd 離子的吸收來降低根部和地上部中的Cd 離子含量，不影響根部Cd 向地上部的轉移。

2.6 Cd 脅迫下外源H2O2 對水稻Cd 吸收基因的影響

如圖6 所示，轉錄組數據表明，Cd 脅迫下OsIRT1、OsNRAMP1 和OsNRAMP5 的表達水平較CK 處理顯著下降，而OsCd1 的表達水平顯著提高（Plt;0.05）。外源添加H2O2 后，OsIRT1 的表達水平較Cd 脅迫下顯著提高，而OsCd1 和OsNRAMP5 的表達水平較Cd 脅迫下顯著下降，OsNRAMP1 的表達水平沒有受到影響。以上結果表明H2O2 調控了Cd 轉運蛋白基因的表達水平，特別是抑制了Cd 吸收關鍵轉運蛋白基因OsNRAMP5 的表達水平。

2.7 Cd 脅迫下外源H2O2 對水稻根表鐵膜形成的影響

外源添加H2O2 后，水稻根表出現明顯的黃色鐵膜（圖7-A）。外源添加20、80 μmol/L H2O2 的根表Cd 濃度均顯著高于Cd 處理（圖7-B）；20 μmol/LH2O2 處理根表Fe 濃度顯著高于Cd 處理，而80 μmol/LH2O2 處理與Cd 處理無顯著差異（圖7-C）。Cd 從根表向根內的轉移系數在外源添加H2O2 之后顯著降低（圖7-D）。說明H2O2 能促進根表鐵膜的形成，增強對Cd 的吸附能力，因而抑制了其向根內的轉移。

2.8 外源H2O2 對水稻幼苗根部亞細胞組分Cd 濃度的影響

為探究Cd 的亞細胞分布，將水稻根部進行分級提取細胞壁、細胞器、可溶性部分，并測定各部分的Cd2+濃度。Cd 脅迫下，外源添加H2O2 后，細胞壁、細胞器和可溶性部分中的Cd2+濃度均顯著降低（圖8-A～C，Plt;0.05）。Cd 脅迫下，Cd 離子大量積累在可溶性部分中，其次是細胞壁、細胞器，添加20 μmol/L H2O2 之后，可溶性部分中Cd 占比降低，而細胞壁中的Cd 占比顯著增加（圖8-D）。

2.9 外源H2O2 對細胞壁果膠糖醛酸和果膠甲酯酶基因的影響

果膠是細胞壁結合Cd 的主要成分，為了探究外源H2O2 對細胞壁果膠濃度的影響，對細胞壁進行分級提取，測定果膠糖醛酸濃度。Cd 處理下，細胞壁中的果膠糖醛酸濃度與對照組相比沒有顯著差異，而外源添加H2O2 之后，細胞壁果膠糖醛酸的濃度較Cd 脅迫下顯著升高（圖9-A），說明外源H2O2 促進了果膠的合成。為了探究H2O2 對水稻根系細胞壁果膠甲酯酶和擴展蛋白的合成是否有影響，對相關基因進行分析。如圖9-B 所示，Cd 脅迫下，外源添加H2O2后，顯著上調了 OsPME14、OsPME40、 OsEXPA3、OsEXPA8、OsEXPA10 的表達水平。說明H2O2 通過上調果膠甲酯酶表達水平，促進果膠的去甲酯化作用；而擴展蛋白的表達水平在H2O2 處理下也顯著提高，說明擴展蛋白可能參與了水稻細胞壁的修飾過程。

3 討論

ROS 是植物有氧代謝的副產物，但同時也作為信號物質控制植物的生長過程[22]。重金屬脅迫導致ROS 大量積累，從而破壞細胞膜、葉綠體的結構，引起脂質過氧化，破壞植物正常的生理生化環境[40?41]。ROS 有多種類型，包含了O-2H2O2、單線態氧和羥基自由基[42]。O-2的化學性質活潑，具有很強的氧化能力，通常對植物細胞膜造成氧化損傷，引起核酸及蛋白質變性[ 4 3 ]。H2O2 是一種氧化性較弱的活性氧，高濃度時會導致細胞氧化損傷，而低濃度的H2O2 處理則可以改善植物幼苗的生長狀況、根系形態、光合能力和代謝狀態，緩解逆境脅迫產生的生長抑制[27， 44?45]。本研究結果表明，外源添加H2O2 有效緩解Cd 脅迫對水稻幼苗的生長抑制和葉片失綠，提高水稻幼苗的株高、根和地上部干重（圖1），在20 μmol/L H2O2 處理下，水稻幼苗的根長、根表面積、根體積和根尖數均顯著提高；80 μmol/L H2O2 水平下，除根長外其他指標沒有顯著變化（圖3）。以上結果表明外源添加低濃度的H2O2 可以緩解Cd 的毒害作用，而高濃度H2O2 的緩解效果不顯著，這可能是由于H2O2 具有信號和氧化性的雙重作用。

低濃度的H2O2 作為信號分子，通過提高抗氧化酶的活性，減少細胞氧化損傷，提高植物對非生物脅迫的耐受力[28?29]。本研究中，與對照相比，Cd 脅迫誘導了O-2的產生，表明細胞出現了氧化脅迫。外源添加20 μmol/L H2O2 后，O-2含量顯著降低（圖4-B），說明外源H2O2 可以緩解水稻根系細胞膜過氧化程度，且低濃度H2O2 效果更好。Cd 脅迫下添加H2O2清除劑后，水稻幼苗的生長受到嚴重抑制（圖2），可能是由于H2O2 清除劑降低了抗氧化酶活性，導致O-2的積累。在植物受到非生物脅迫時，外源低濃度H2O2 可能通過增強SOD、APX、CAT 等抗氧化脅迫相關酶活性，降低內源活性氧的積累；而添加H2O2抑制劑會抑制植物中APX、CAT 等酶的活性，降低植物對脅迫環境的抗性[46?48]。

OsNRAMP5 是介導水稻根系吸收Cd 的主要轉運蛋白[49]。本研究中，Cd 脅迫下外源添加H2O2 后顯著抑制了OsNRAMP5 的表達水平，導致水稻對Cd 的吸收減弱，根和地上部中Cd 離子含量均顯著下降（圖5-A、B，圖6-D）。此外，外源添加H2O2 促進水稻根系表面形成鐵膜， 根表F e 濃度顯著提高，OsIRT1 的表達上調（圖6-A，圖7-C）。有研究表明鐵膜的形成會誘導水稻的缺鐵響應，上調OsIRT1 的表達水平[50]，與本試驗結果一致。鐵膜是由于水稻泌氧在根表形成的鐵氧化物，由于其疏松多孔的特性和富含羥基等多種官能團，具有阻滯有害金屬離子進入根系的屏障作用[51]。Cd 脅迫下，水稻根表形成的鐵膜可以有效地把Cd 阻擋在根外，減少根系對Cd的吸收，降低Cd 毒害[52?53]。本研究結果表明，H2O2處理提高了根表Cd 的濃度，根表向根內的Cd2+轉移系數較Cd 脅迫下顯著降低（圖7-B、D）。因此，H2O2 促進了根表鐵膜的形成，將較多的Cd 離子吸附在根表面[36]，從而降低了根系對Cd 離子、鐵離子的吸收。

細胞壁對Cd 的區隔化是植物降低細胞Cd 毒性的重要途徑，本研究中，外源H2O2 處理降低了水稻根系可溶性部分中的Cd 含量占比，將更多的Cd 固定在細胞壁中（圖8），從而減輕了細胞質中Cd 的毒害作用。研究表明，H2O2 促進水稻根系細胞壁果膠的生物合成和去甲基化，釋放細胞壁果膠與Cd 結合的相關基團，從而增強水稻根系細胞壁與Cd 的結合能力，降低根系Cd 的毒害[54?55]。本研究中，外源H2O2 顯著提高了細胞壁果膠糖醛酸的含量（圖9-A）。果膠甲酯酶 （PME） 通過水解果膠中的甲酯基，降低果膠的甲酯化程度[20]。有報道指出，OsPME12參與了鋁誘導的細胞壁修飾[56]。擴展蛋白 （EXPA） 是一種引起植物細胞壁松弛的蛋白質，在植物細胞伸展及細胞壁修飾的生命活動中起著關鍵作用[57]。本研究中外源添加H2O2 后，與果膠去甲酯化相關基因OsPME14、OsPME40 及與細胞壁修飾相關的細胞壁松弛蛋白基因OsEXPA3、OsEXPA8、OsEXPA10 的表達水平上調 （圖9-B）。因此，H2O2 通過促進細胞壁果膠的合成和去甲酯化作用，提高了細胞壁對Cd 的結合能力。

4 結論

Cd 脅迫導致水稻體內產生大量O-2，造成水稻幼苗生長抑制。外源添加適宜水平H2O2 可降低O-2造成的氧化損傷，同時下調OsNRAMP5 的表達水平，減少水稻對Cd 的吸收。外源H2O2 還可促進水稻根表形成鐵膜，抑制Cd2+從根表向根內的轉移，促進細胞壁中Cd 的區隔化，干擾細胞質中Cd 的移動，從而減輕Cd 的細胞毒性，提高水稻抗Cd 脅迫能力。但外源高水平H2O2 緩解水稻Cd 脅迫的效果大大減弱，可能與其抑制根表鐵膜的形成有關。

參 考 文 獻：

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基金項目：國家自然科學基金項目（32172669）；湖南省教育廳重點項目（22A0157）。