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水稻镉安全材料分蘖期根部镉积累分布特征

李芹 张曼 张锡洲 余海英 李廷轩

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水稻镉安全材料分蘖期根部镉积累分布特征

    作者简介: 李芹 E-mail: liqin_sicau@163.com;
    通讯作者: 李廷轩, E-mail:litinx@263.net

Accumulation and distribution characteristics of Cd in roots of cadmium-safe rice line at tillering stage

    Corresponding author: Ting-xuan LI, E-mail:litinx@263.net
  • 摘要: 【目的】镉 (Cd) 低积累作物的培育和应用是减少土壤中Cd通过食物链危害人体健康的重要途径。通过研究Cd处理下水稻分蘖期根部Cd的积累分布特征,揭示水稻Cd安全材料根部Cd的固持机理,为水稻Cd安全品种的培育提供理论依据。【方法】以水稻Cd安全材料D62B为供试材料,普通材料Luhui17为对照,进行水培试验。水稻秧苗于三叶一心时移栽至盆中 (40 cm × 60 cm × 15 cm),以CdCl2·2.5H2O加入营养液,设0 (CK)、0.5 (Cd0.5)、1.0 (Cd1)、2.0 (Cd2) mg/L 4个Cd浓度处理,30天后收获,分为根和地上部测定其Cd全量。采用化学试剂逐步提取法和差速离心法分别测定根部Cd化学形态和亚细胞分布特征,并进一步结合细胞壁多糖,研究其对Cd的响应特征。【结果】1) Cd处理下D62B各部位Cd含量显著低于Luhui17,转移系数较小,其根部Cd向地上部转移较少。2) 随Cd处理浓度升高D62B根部水提取态Cd分配比例降低,盐酸提取态Cd、残渣态Cd分配比例升高,Cd移动性减弱。D62B根部Cd以氯化钠提取态为主 (48.9%~52.1%),高浓度Cd处理 (2.0 mg/L) 下其分配比例是Luhui17的1.11倍,水提取态是Luhui17的82.3%,其根中Cd的移动性弱于普通材料。3) D62B根部Cd主要分布于可溶部分和细胞壁,其中细胞壁Cd分配比例为38.6%~41.8%,高于Luhui17。随Cd处理浓度升高,D62B根细胞壁Cd分配比例降幅小于Luhui17,其细胞壁对Cd的固持作用有限但强于普通材料。4) D62B根细胞壁半纤维素1的Cd含量是果胶的7.74~8.40倍,Cd主要与细胞壁中半纤维素1结合。半纤维素1 Cd含量随Cd处理浓度升高而显著增加,2.0 mg/L Cd处理下D62B和Luhui17半纤维素1单位总糖Cd结合量较1.0 mg/L Cd处理分别增加32.6%、11.2%,D62B根细胞壁半纤维素1的Cd结合能力强于Luhui17。【结论】水稻Cd安全材料D62B各部位Cd含量低于Luhui17,其转移系数较小。D62B根中Cd主要为氯化钠提取态,随Cd处理浓度升高,根部Cd向移动性较弱的化学形态转化。D62B根细胞壁中Cd主要与半纤维素1结合,由于其Cd结合能力较强,D62B根细胞壁对Cd的固持作用强于普通材料。因此,D62B对Cd的转移能力弱于普通材料,是其籽粒Cd安全的重要原因。
  • 图 1  Cd处理下两类水稻材料根部Cd的亚细胞分配比例

    Figure 1.  Proportion of subcellular distribution of Cd in roots of two rice lines treated with Cd

    图 2  Cd处理下两类水稻材料根细胞壁果胶糖醛酸和Cd含量的变化

    Figure 2.  Uronic acid and Cd content in pectin of roots cell wall of two rice lines treated with Cd

    图 3  Cd处理下两类水稻材料根细胞壁半纤维素1总糖和Cd含量的变化

    Figure 3.  Total polysaccharide and Cd content in hemicellulose1 of roots cell wall of two rice lines treated with Cd

    表 1  Cd处理对两类水稻材料各部位Cd含量和转移系数的影响

    Table 1.  Effect of Cd treatments on Cd content in different parts and transfer factor of two rice lines

    处理
    Treatment
    根Root (mg/kg,DW)地上部Shoot (mg/kg,DW)转移系数Transfer factor
    D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17
    CK
    Cd0.5 99.59 c103.44 c*17.78 c21.47 c*0.180.21
    Cd1111.43 b124.37 b*25.10 b30.15 b*0.220.24
    Cd2132.36 a150.09 a*32.81 a43.45 a*0.250.29
    注(Note):“—”—未检出 Not detected;同列数值后不同小写字母表示相同材料在水稻同一部位不同镉浓度处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters in a column indicate significant differences among Cd treatments in the same part of a rice line at the 0.05 level;*—相同处理同一部位不同材料间在 0.05 水平差异显著 Significant differences between rice lines for the same Cd treatment of each part at the 0.05 level.
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    表 2  Cd处理下两类水稻材料根部Cd化学形态分布 (mg/kg,FW)

    Table 2.  Cd distribution of chemical forms in roots of two rice lines treated with Cd

    处理TreatmentFEFWFNaClFHAcFHClFR
    D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17
    CK
    Cd0.5 8.17 c 9.93 c*13.25 c18.25 c*30.50 c36.92 c*5.00 c5.50 c*0.67 c0.92 c*0.99 c1.33 c*
    Cd111.58 b12.82 b*16.17 b21.17 b*36.23 b41.25 b*5.67 b6.42 b*0.92 b1.17 b*1.58 b1.58 b
    Cd216.67 a18.92 a*18.25 a26.67 a*40.67 a44.17 a*5.92 a8.00 a*1.17 a1.83 a*1.83 a2.08 a*
    注(Note):FE—乙醇提取态镉 Cd extracted by 80% ethanol;FW—水提取态镉 Cd extracted by d-H2O;FNaCl—氯化钠提取态镉 Cd extracted by 1 mol/L NaCl;FHAc—醋酸提取态镉 Cd extracted by 2% acetic acid;FHCl—盐酸提取态镉 Cd extracted by 0.6 mg/L HCl;FR—残渣态镉 Cd in the residue;“—”—未检出Not detected. 同列数值后不同小写字母表示同一材料不同处理间在 0.05 水平差异显著 Different small letters in a column indicate significant differences among Cd treatments of a rice line at the 0.05 level;*—相同处理不同材料间在 0.05 水平差异显著 Significant differences between rice lines for the same Cd treatment at the 0.05 level.
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    表 3  Cd处理下两类水稻材料根部Cd化学形态分配比例 (%)

    Table 3.  Proportion of Cd chemical forms in roots of two rice lines treated with Cd

    处理TreatmentFEFWFNaClFHAcFHClFR
    D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17
    Cd0.513.9513.6322.6225.0552.0750.688.547.551.141.261.691.83
    Cd116.0515.1922.4125.0850.2148.877.867.611.281.392.191.87
    Cd219.7318.6121.6026.2348.1243.447.017.871.381.802.172.05
    注(Note):FE—乙醇提取态镉 Cd extracted by 80% ethanol;FW—水提取态镉 Cd extracted by d-H2O;FNaCl—氯化钠提取态镉 Cd extracted by 1 mol/L NaCl;FHAc—醋酸提取态镉 Cd extracted by 2% acetic acid;FHCl—盐酸提取态镉 Cd extracted by 0.6 mg/L HCl;FR—残渣态镉 Cd in the residue.
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    表 4  Cd处理下两类水稻材料根部Cd的亚细胞分布特征 (mg/kg, FW)

    Table 4.  Subcellular distribution of Cd in roots of two rice lines treated with Cd

    处理
    Treatment
    可溶部分 Soluble fraction细胞壁 Cell wall细胞器 Organelle
    D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17
    CK
    Cd0.514.04 c15.76 c*11.44 b11.94 c1.88 c2.31 c
    Cd 117.75 b23.46 b*13.00 b16.19 b*2.88 b3.84 b*
    Cd 223.38 a32.46 a*18.25 a20.38 a*3.94 a5.44 a*
    注(Note):“—”—未检出 Not detected;同列数值后不同小写字母表示同一材料不同处理间在 0.05 水平差异显著 Different small letters in a column indicate significant differences among Cd treatments of a rice line at the 0.05 level;*—相同处理不同材料间在 0.05 水平差异显著 Significant differences between rice lines for the same Cd treatment at the 0.05 level.
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-26
  • 刊出日期:  2019-03-01

水稻镉安全材料分蘖期根部镉积累分布特征

    作者简介:李芹 E-mail: liqin_sicau@163.com
    通讯作者: 李廷轩, litinx@263.net
  • 四川农业大学资源学院,四川成都 611130

摘要: 目的镉 (Cd) 低积累作物的培育和应用是减少土壤中Cd通过食物链危害人体健康的重要途径。通过研究Cd处理下水稻分蘖期根部Cd的积累分布特征,揭示水稻Cd安全材料根部Cd的固持机理,为水稻Cd安全品种的培育提供理论依据。方法以水稻Cd安全材料D62B为供试材料,普通材料Luhui17为对照,进行水培试验。水稻秧苗于三叶一心时移栽至盆中 (40 cm × 60 cm × 15 cm),以CdCl2·2.5H2O加入营养液,设0 (CK)、0.5 (Cd0.5)、1.0 (Cd1)、2.0 (Cd2) mg/L 4个Cd浓度处理,30天后收获,分为根和地上部测定其Cd全量。采用化学试剂逐步提取法和差速离心法分别测定根部Cd化学形态和亚细胞分布特征,并进一步结合细胞壁多糖,研究其对Cd的响应特征。结果1) Cd处理下D62B各部位Cd含量显著低于Luhui17,转移系数较小,其根部Cd向地上部转移较少。2) 随Cd处理浓度升高D62B根部水提取态Cd分配比例降低,盐酸提取态Cd、残渣态Cd分配比例升高,Cd移动性减弱。D62B根部Cd以氯化钠提取态为主 (48.9%~52.1%),高浓度Cd处理 (2.0 mg/L) 下其分配比例是Luhui17的1.11倍,水提取态是Luhui17的82.3%,其根中Cd的移动性弱于普通材料。3) D62B根部Cd主要分布于可溶部分和细胞壁,其中细胞壁Cd分配比例为38.6%~41.8%,高于Luhui17。随Cd处理浓度升高,D62B根细胞壁Cd分配比例降幅小于Luhui17,其细胞壁对Cd的固持作用有限但强于普通材料。4) D62B根细胞壁半纤维素1的Cd含量是果胶的7.74~8.40倍,Cd主要与细胞壁中半纤维素1结合。半纤维素1 Cd含量随Cd处理浓度升高而显著增加,2.0 mg/L Cd处理下D62B和Luhui17半纤维素1单位总糖Cd结合量较1.0 mg/L Cd处理分别增加32.6%、11.2%,D62B根细胞壁半纤维素1的Cd结合能力强于Luhui17。结论水稻Cd安全材料D62B各部位Cd含量低于Luhui17,其转移系数较小。D62B根中Cd主要为氯化钠提取态,随Cd处理浓度升高,根部Cd向移动性较弱的化学形态转化。D62B根细胞壁中Cd主要与半纤维素1结合,由于其Cd结合能力较强,D62B根细胞壁对Cd的固持作用强于普通材料。因此,D62B对Cd的转移能力弱于普通材料,是其籽粒Cd安全的重要原因。

English Abstract

  • 近年来,工业生产、污水灌溉、过度施肥等人类活动导致农田Cd污染日益严重[1]。水稻是我国主要的粮食作物之一,对土壤中Cd具有较强的吸收积累能力,稻田Cd污染可通过食物链影响人体健康。因此,降低籽粒Cd含量可减少人体通过饮食摄入Cd的风险,培育籽粒Cd安全品种是保障粮食安全的有效措施[2]。水稻籽粒中Cd的积累主要受其根部向地上部转移的影响[3],该过程主要发生于水稻分蘖期[4],不同积累型间存在明显差异,Cd低积累水稻对Cd的转移能力较低[5]。植物体内的Cd大多与各种物质结合以复合物的形式存在,其移动性因化学形态不同而有所差异。根部Cd以醋酸、盐酸提取态等移动性较弱的形态为主,有利于减少作物地上部Cd的积累[6]。水稻地上部对Cd的积累不仅与根部Cd的主要化学形态有关,化学形态的分配比例也是决定植株内Cd转移难易程度的重要因素[7]。此外,由于细胞壁和液泡的区隔化作用,植物根对Cd的滞留可限制Cd通过木质部向地上部运输[8],区隔化的部位可能因Cd胁迫程度、作物种类、植株积累特性等不同而有所差异。Cd低积累水稻通过液泡的区隔化作用限制Cd向地上部的转移[9],而另有研究发现水稻根部Cd主要分布于细胞壁中,且细胞壁Cd的分配比例随Cd浓度升高而增加[10]。细胞壁对Cd的固持是水稻适应Cd胁迫的关键,Cd低积累型植物细胞壁对Cd的固持能力强于Cd高积累型[11]。细胞壁中果胶、半纤维素等多糖含有大量带负电荷的官能团可与Cd结合,细胞壁对Cd的滞留作用受多糖含量的制约[12]。因此,研究水稻根部Cd的化学形态和细胞壁对Cd的固持机理有利于探明其根部Cd的移动性,对揭示不同水稻材料Cd向地上部转移能力差异的原因具有重要意义。前期土培[13]和大田试验[14]中,水稻Cd安全材料D62B糙米Cd含量低于食品安全国家标准 (GB2762-2017) 限量 (0.2 mg/kg),其根部对Cd的滞留率较高是籽粒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过何种方式降低Cd在根部的移动性还缺乏深入探讨。本试验通过分析分蘖期水稻Cd安全材料D62B根部Cd的化学形态和亚细胞分布,结合细胞壁多糖对Cd的响应特征明确根部对Cd的滞留作用机理,以期揭示其籽粒Cd安全的原因,为Cd安全品种的培育提供理论依据。

    • 前期通过土培试验[13]及大田试验[14]筛选获得的水稻Cd安全材料D62B (糙米Cd含量低于0.2 mg/kg) 和普通材料Luhui17。两类水稻亲本材料均为籼稻,生育期基本一致,为 (150 ± 5) d,均由四川农业大学农学院提供。

    • 试验设4个Cd浓度处理:0 (CK)、0.5 (Cd0.5)、1.0 (Cd1)、2.0 (Cd2) mg/L,每个处理重复3次,完全随机排列。水稻种子经10%的H2O2消毒30 min,再用0.1%的NaClO浸种1 d后播于已消毒的石英砂盘中,在恒温恒湿箱 (温度35℃、湿度60%) 中催芽,期间用去离子水浇灌以保持一定湿度。出苗后用1/4浓度的营养液浇灌培养,三叶一心时选择长势一致的秧苗移栽至盆 (40 cm × 60 cm × 15 cm) 中,每盆18孔,每孔1株,用完全营养液预培养一周,以CdCl2·2.5H2O (分析纯) 添加在完全营养液中进行不同浓度Cd处理。营养液采用菲律宾国际水稻所 (IRRI) 推荐的营养液配方[16],每5天更换一次营养液,培养期间用0.1 mol/L的HCl或NaOH调节营养液的pH到5.5左右,采用自然光照,并补充适量去离子水。

    • 于分蘖期 (Cd处理30天) 采样,以6株为一个混合样,每盆3个混合样为1次重复,每处理采集3个重复。样品经水冲洗后,将根部浸泡于20 mmol/L Na2-EDTA溶液中15min,用去离子水润洗后吸水纸擦干,将其分为根和地上部。一部分于105℃下杀青30 min后75℃下烘干至恒重,粉碎用于植株Cd含量的测定;另一部分经液氮固定后保存于–70℃超低温冰箱中,用于Cd化学形态和亚细胞分布的测定。

    • 植株Cd含量测定采用HNO3−HClO4 (5∶1,V/V) 消化,经原子吸收分光光度计 (AAS,PinAAcle 900T,PerkinElmer,USA) 测定。

      Cd化学形态参照Su等[17]采用化学试剂逐步提取法。称取根系鲜样按照以下顺序经研磨、浸提、离心后获得上清液:1) 采用80%乙醇提取硝酸盐/亚硝酸盐、氯化物为主的无机盐和氨基酸盐;2) 采用去离子水提取水溶性Cd、Cd-有机酸复合物和Cd(H2PO4)2;3) 采用1 mol/L NaCl溶液提取果胶酸盐和Cd-蛋白质复合物;4) 采用2% HAc溶液提取CdHPO4、Cd3(PO4)2等难溶性磷酸盐;5) 采用0.6 mg/L HCl溶液提取草酸盐,并收集沉淀测定残渣态Cd。各级提取液及5) 中残渣经HNO3−HClO4 (5∶1,V/V) 消化后测定Cd含量,并分别计算各形态Cd的分配比例。

      Cd亚细胞分布测定参照Wang等[18]的方法略作调整,采用差速离心法分离根部亚细胞组分。称取根系鲜样于0.25 mol/L蔗糖、50 mmol/L Tris-HCl (pH 7.5)、1.0 mmol/L C4H10O2S2 (二硫赤藓糖醇) 组成的提取液中研磨后于4000 r/min离心15 min,沉淀为细胞壁部分,取上清液继续在16000 r/min离心30 min,离心后获得的上清液为可溶部分,主要包括细胞质及液泡内无机离子、高分子和大分子有机物质,底部碎片为细胞器部分。可溶部分过0.22 μm滤膜后直接上机测定,细胞壁、细胞器在70℃下烘干至恒重后经HNO3−HClO4 (5∶1,V/V) 消化后测定Cd含量,并分别计算各组分Cd的分配比例。

      细胞壁果胶、半纤维素Cd含量测定采用细胞粉碎、去除细胞内物质的方法[19-20]提取细胞壁,再逐步分类提取细胞壁组分。称取根鲜样于液氮中研磨成粉末,用75%乙醇冰浴20 min后于8000 r/min离心10 min,去除上清液后再经丙酮、甲醇−氯仿 (1∶1)、甲醇分别冰浴20 min,离心后剩下的颗粒即粗细胞壁。冷冻干燥后称取细胞壁粉末用沸水提取3次离心获得上清液为果胶,沉淀经4% (W/V) KOH和0.02% (W/V) KBH4提取12h,提取两次后离心获得上清液为半纤维素1。分别取果胶、半纤维素1提取液经HNO3−HClO4 (5∶1,V/V) 消化后测定Cd含量。

      果胶糖醛酸含量测定参照Zhu等[12]的方法略作调整。以半乳糖醛酸为标准物质,采用硫酸−间羟基联苯法测定果胶糖醛酸含量。取果胶提取液0.2 mL,加入1 mL含12.5 mmol/L四硼酸钠的浓硫酸沸水浴5 min,冰浴冷却至室温后加入0.02 mL 0.15%间羟基联苯溶液,混匀后静置20 min于520 nm比色测定。

      半纤维素1总糖含量测定参照Zhu等[12]的方法略作调整。以葡萄糖为标准物质,采用硫酸-苯酚法测定半纤维素1总糖含量。取半纤维素1提取液0.2 mL,加入0.01 mL 80%苯酚溶液,混匀后冰浴中加入1 mL浓硫酸混匀后静置15 min,沸水浴15 min,冷却至室温后于490 nm比色测定。

    • 转移系数 = 地上部Cd含量/根部Cd含量[21]

      采用DPS 11.0进行统计分析,LSD法进行多重比较 (P < 0.05);Origin 9.0和Excel 2013进行图表制作。

    • 表1可知,两类水稻材料各部位Cd含量随Cd处理浓度升高而显著增加;根部Cd含量高于地上部Cd含量,转移系数较小,Cd向地上部转移能力较弱。Cd处理下D62B各部位Cd含量显著低于Luhui17,其转移系数小于Luhui17。Cd2处理下D62B根、地上部Cd含量较Cd0.5处理分别增加32.9%、84.5%,而Luhui17分别增加50.7%、102.4%,D62B各部位Cd含量增幅较小。Cd0.5处理下D62B根部Cd含量与Luhui17差异不显著,而地上部Cd含量显著低于Luhui17,D62B根部Cd向地上部转移弱于Luhui17。

      处理
      Treatment
      根Root (mg/kg,DW)地上部Shoot (mg/kg,DW)转移系数Transfer factor
      D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17
      CK
      Cd0.5 99.59 c103.44 c*17.78 c21.47 c*0.180.21
      Cd1111.43 b124.37 b*25.10 b30.15 b*0.220.24
      Cd2132.36 a150.09 a*32.81 a43.45 a*0.250.29
      注(Note):“—”—未检出 Not detected;同列数值后不同小写字母表示相同材料在水稻同一部位不同镉浓度处理间在 0.05 水平差异显著 Values followed by different small letters in a column indicate significant differences among Cd treatments in the same part of a rice line at the 0.05 level;*—相同处理同一部位不同材料间在 0.05 水平差异显著 Significant differences between rice lines for the same Cd treatment of each part at the 0.05 level.

      表 1  Cd处理对两类水稻材料各部位Cd含量和转移系数的影响

      Table 1.  Effect of Cd treatments on Cd content in different parts and transfer factor of two rice lines

    • 表2可知,Cd处理下两类水稻材料根部Cd以6种化学形态存在,主要为氯化钠提取态,约占总化学形态的55%,其余各形态分布特征为水提取态 > 乙醇提取态 > 醋酸提取态 > 残渣态 > 盐酸提取态。随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根部不同形态Cd含量显著增加,D62B根部各形态Cd含量显著低于Luhui17。随Cd处理浓度升高,Cd2处理下D62B根部乙醇提取态、水提取态、氯化钠提取态、醋酸提取态、盐酸提取态、残渣态Cd含量较Cd0.5处理分别增加104%、37.7%、33.3%、18.3%、75.0%、85.2%,Luhui17分别增加90.6%、46.1%、19.6%、45.5%、100%、56.2%。Cd处理促进两类水稻材料根部乙醇、盐酸提取态Cd、残渣态Cd形成,Cd的移动性和活性减弱。D62B根部乙醇提取态Cd、氯化钠提取态Cd、残渣态Cd增幅高于Luhui17,其根部Cd更多转化为移动性较弱的形态。

      处理TreatmentFEFWFNaClFHAcFHClFR
      D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17
      CK
      Cd0.5 8.17 c 9.93 c*13.25 c18.25 c*30.50 c36.92 c*5.00 c5.50 c*0.67 c0.92 c*0.99 c1.33 c*
      Cd111.58 b12.82 b*16.17 b21.17 b*36.23 b41.25 b*5.67 b6.42 b*0.92 b1.17 b*1.58 b1.58 b
      Cd216.67 a18.92 a*18.25 a26.67 a*40.67 a44.17 a*5.92 a8.00 a*1.17 a1.83 a*1.83 a2.08 a*
      注(Note):FE—乙醇提取态镉 Cd extracted by 80% ethanol;FW—水提取态镉 Cd extracted by d-H2O;FNaCl—氯化钠提取态镉 Cd extracted by 1 mol/L NaCl;FHAc—醋酸提取态镉 Cd extracted by 2% acetic acid;FHCl—盐酸提取态镉 Cd extracted by 0.6 mg/L HCl;FR—残渣态镉 Cd in the residue;“—”—未检出Not detected. 同列数值后不同小写字母表示同一材料不同处理间在 0.05 水平差异显著 Different small letters in a column indicate significant differences among Cd treatments of a rice line at the 0.05 level;*—相同处理不同材料间在 0.05 水平差异显著 Significant differences between rice lines for the same Cd treatment at the 0.05 level.

      表 2  Cd处理下两类水稻材料根部Cd化学形态分布 (mg/kg,FW)

      Table 2.  Cd distribution of chemical forms in roots of two rice lines treated with Cd

      表3可知,Cd处理下两类水稻材料根部氯化钠提取态Cd分配比例最高,盐酸提取态Cd最低,Cd的分配比例总体表现为氯化钠提取态 > 水提取态 > 乙醇提取态 > 醋酸提取态 > 残渣态 > 盐酸提取态。随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根部乙醇提取态Cd、残渣态Cd分配比例升高,氯化钠、盐酸提取态Cd分配比例降低。Cd处理下两类水稻材料根部水、醋酸提取态Cd分配比例变化趋势不同,D62B根部水、醋酸提取态Cd分配比例随Cd处理浓度升高而降低,Luhui17则随Cd处理浓度升高而增加,Luhui17根部Cd移动性增大。Cd处理下D62B根部乙醇、氯化钠提取态Cd分配比例高于Luhui17,水、盐酸提取态Cd分配比例低于Luhui17,D62B根部Cd移动性较弱。Cd处理下两类水稻材料根部醋酸提取态、残渣态Cd分配比例因Cd处理浓度而不同,Cd0.5处理下D62B根部醋酸提取态Cd分配比例高于Luhui17,残渣态Cd低于Luhui17,Cd1处理下其根部醋酸提取态、残渣态Cd分配比例均高于Luhui17,Cd2处理下D62B根部醋酸提取态Cd分配比例低于Luhui17,残渣态Cd高于Luhui17,高Cd浓度处理下D62B根部Cd的移动性较弱。

      处理TreatmentFEFWFNaClFHAcFHClFR
      D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17
      Cd0.513.9513.6322.6225.0552.0750.688.547.551.141.261.691.83
      Cd116.0515.1922.4125.0850.2148.877.867.611.281.392.191.87
      Cd219.7318.6121.6026.2348.1243.447.017.871.381.802.172.05
      注(Note):FE—乙醇提取态镉 Cd extracted by 80% ethanol;FW—水提取态镉 Cd extracted by d-H2O;FNaCl—氯化钠提取态镉 Cd extracted by 1 mol/L NaCl;FHAc—醋酸提取态镉 Cd extracted by 2% acetic acid;FHCl—盐酸提取态镉 Cd extracted by 0.6 mg/L HCl;FR—残渣态镉 Cd in the residue.

      表 3  Cd处理下两类水稻材料根部Cd化学形态分配比例 (%)

      Table 3.  Proportion of Cd chemical forms in roots of two rice lines treated with Cd

    • 表4可知,Cd处理下两类水稻材料根细胞可溶部分 (除细胞器外的原生质体部分,包括胞液和液泡) Cd含量最高,其次为细胞壁,细胞器Cd含量最低。随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根部亚细胞Cd含量显著增加,D62B根部各亚细胞Cd含量低于Luhui17。Cd0.5处理下,D62B根细胞可溶部分Cd含量显著低于Luhui17,细胞壁、细胞器Cd含量与Luhui17差异不显著,Luhui17根部Cd易向细胞可溶部分转移。Cd1、Cd2处理下,D62B各亚细胞组分Cd含量显著低于Luhui17。Cd2处理下D62B和Luhui17根细胞可溶部分Cd含量较Cd0.5处理分别增加66.5%和106.0%,细胞壁Cd含量分别增加59.6%和70.7%,细胞器Cd含量分别增加110.0%和107.1%,细胞器增幅最大,随Cd处理浓度升高,Cd跨膜进入细胞原生质增多。D62B根细胞可溶部分Cd含量增幅明显低于Luhui17,其根部Cd向细胞可溶部分中转移较少。

      处理
      Treatment
      可溶部分 Soluble fraction细胞壁 Cell wall细胞器 Organelle
      D62BLuhui17D62BLuhui17D62BLuhui17
      CK
      Cd0.514.04 c15.76 c*11.44 b11.94 c1.88 c2.31 c
      Cd 117.75 b23.46 b*13.00 b16.19 b*2.88 b3.84 b*
      Cd 223.38 a32.46 a*18.25 a20.38 a*3.94 a5.44 a*
      注(Note):“—”—未检出 Not detected;同列数值后不同小写字母表示同一材料不同处理间在 0.05 水平差异显著 Different small letters in a column indicate significant differences among Cd treatments of a rice line at the 0.05 level;*—相同处理不同材料间在 0.05 水平差异显著 Significant differences between rice lines for the same Cd treatment at the 0.05 level.

      表 4  Cd处理下两类水稻材料根部Cd的亚细胞分布特征 (mg/kg, FW)

      Table 4.  Subcellular distribution of Cd in roots of two rice lines treated with Cd

      图1可知,Cd处理下两类水稻材料根细胞可溶部分Cd分配比例最高,其次为细胞壁,细胞器Cd分配比例最低。随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根细胞可溶部分和细胞器Cd分配比例升高,而细胞壁降低,细胞壁对Cd的结合能力有限,高浓度Cd处理下Cd跨膜进入细胞原生质中。Cd处理下D62B根细胞可溶部分、细胞器Cd分配比例低于Luhui17,细胞壁Cd分配比例高于Luhui17,其细胞壁对Cd的结合能力较强,其细胞内生理活性较高的区域Cd积累较少。随Cd处理浓度升高,D62B根细胞壁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细胞壁对Cd的固持能力较强,进入细胞原生质体的Cd少于Luhui17。

      图  1  Cd处理下两类水稻材料根部Cd的亚细胞分配比例

      Figure 1.  Proportion of subcellular distribution of Cd in roots of two rice lines treated with Cd

    • 图2可知,随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根细胞壁果胶糖醛酸含量及其Cd含量呈逐渐增加的趋势,且D62B根细胞壁果胶Cd含量显著低于Luhui17。Cd0.5处理下水稻根细胞壁果胶糖醛酸含量与CK差异不显著,而Cd1、Cd2处理下显著增加,中高浓度Cd处理促进根细胞壁果胶的合成。随Cd处理浓度升高,Cd1处理下D62B和Luhui17根细胞壁果胶糖醛酸含量分别增加27.4%、35.4%,Cd2处理下D62B和Luhui17根细胞壁果胶糖醛酸含量分别增加42.4%、93.5%,D62B根细胞壁中合成果胶糖醛酸少于Luhui17。随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根细胞壁果胶Cd含量显著增加,结合图2A,除Cd2处理外,两类水稻材料根细胞壁果胶糖醛酸含量差异不显著,而D62B果胶Cd含量显著低于Luhui17,可见两类水稻材料单位果胶Cd结合量不同。Cd0.5、Cd1、Cd2处理下D62B根细胞壁果胶分别可结合0.069、0.082、0.109 mg Cd/mg糖醛酸,而Luhui17分别结合0.085、0.102、0.101 mg Cd/mg糖醛酸。随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根细胞壁果胶对Cd的结合增加,Cd0.5、Cd1处理下D62B果胶对Cd结合较少。Cd2处理下Luhui17单位果胶糖醛酸Cd结合总量不再增加,D62B果胶对Cd结合增加明显。低、中浓度Cd处理下两类水稻材料根细胞壁果胶对Cd的结合不饱和,高浓度处理下D62B根细胞壁果胶对Cd的结合能力强于Luhui17。

      图  2  Cd处理下两类水稻材料根细胞壁果胶糖醛酸和Cd含量的变化

      Figure 2.  Uronic acid and Cd content in pectin of roots cell wall of two rice lines treated with Cd

    • 图3可知,随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根细胞壁半纤维素1总糖含量及其Cd含量呈逐渐增加的趋势。Cd处理下两类水稻材料根细胞壁半纤维素1总糖含量及其Cd含量远高于果胶糖醛酸含量 (图2A) 及其Cd含量 (图2B),可知细胞壁中Cd主要与半纤维素1结合。相较于CK处理,Cd0.5处理下两类水稻材料根细胞壁半纤维素1总糖含量差异不显著,而Cd1、Cd2处理下显著增加,中、高浓度Cd处理促进根细胞壁半纤维素1的合成。Cd处理下两类水稻材料根细胞壁半纤维素1总糖含量差异不显著,随Cd处理浓度升高,Cd1处理下D62B和Luhui17根细胞壁半纤维素1总糖含量分别增加50.0%、29.0%,Cd2处理下分别增加57.8%、35.4%,D62B根细胞壁中合成半纤维素1总糖多于Luhui17。随Cd处理浓度升高,D62B半纤维素1Cd含量显著增加,Cd0.5处理下Luhui17半纤维素1Cd含量显著低于Cd1处理,而Cd1、Cd2处理下差异不显著。结合图3A,Cd0.5、Cd1、Cd2处理下D62B根细胞壁半纤维素1分别可结合0.068、0.073、0.096 mg Cd/mg总糖,而Luhui17分别结合0.078、0.111、0.124 mg Cd/mg总糖。随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根细胞壁半纤维素1对Cd的结合增加,Cd2处理下D62B、Luhui17单位半纤维素1Cd结合量较Cd1处理分别增加32.6%、11.2%。不同浓度Cd处理下两类水稻材料根细胞壁半纤维素1对Cd的结合均未饱和,高浓度Cd处理下D62B半纤维素1对Cd的结合增幅较大。Cd2处理下两类水稻材料半纤维素1Cd含量差异不显著,而D62B根细胞壁Cd含量显著低于Luhui17 (表4),高浓度Cd处理下D62B半纤维素1对细胞壁中Cd结合相对比例较高。

      图  3  Cd处理下两类水稻材料根细胞壁半纤维素1总糖和Cd含量的变化

      Figure 3.  Total polysaccharide and Cd content in hemicellulose1 of roots cell wall of two rice lines treated with Cd

    • 水稻地上部Cd的积累主要受根向地上部Cd转移能力的影响[22],其移动难易程度与根部Cd的亚细胞分布有关[23]。本研究中两类水稻材料根细胞可溶部分 (胞质和液泡) Cd含量最高,与Li等[24]和Shi等[25]研究结果一致,而水稻No.6 huaidao[1]和Zhonghua11[26]根部Cd主要分布于细胞壁中,这是由于在不同的研究中栽培介质、培养时间、Cd处理浓度等栽培条件均有较大差异,并且不同水稻材料自身生长特性不同,根部Cd亚细胞分布特征呈现明显的材料间差异[9]。本研究中可溶部分包括胞质和液泡,液泡占细胞原生质容积的大部分且具有较高的Cd积累潜力,因此较多的Cd分布于可溶部分可能与液泡的区隔化作用有关[27]。且由于细胞壁中可与Cd结合的多糖官能团、蛋白质数目的限制,高浓度Cd处理下细胞壁对Cd的结合作用有限[28]。Cd处理下水稻Cd安全材料D62B根部亚细胞Cd含量显著低于Luhui17,但细胞壁Cd的分配比例高于Luhui17,其细胞壁对Cd的结合能力强于普通材料,与Yu等[29]和Zhang等[30]研究结果一致。细胞壁中含有多种官能团可与Cd发生离子交换、吸附、络合、沉淀等反应,有利于减少Cd的移动,因此细胞壁对Cd的结合能力不同是导致不同积累型作物Cd转移差异的重要原因[31]。Cd低积累辣椒[32]根细胞壁Cd分配比例较高,而Cd耐性萝卜 (低积累) 根细胞壁Cd分配比例低于敏感性品种[33],Cd低积累型豆瓣菜根细胞壁Cd分配比例仅在高浓度Cd处理下高于Cd高积累型[28],由此可见细胞壁对根部Cd固持作用的贡献不仅与作物种类有关,还受Cd胁迫程度的影响。随Cd处理浓度升高,Cd高积累小白菜细胞壁Cd分配比例降低,而Cd低积累小白菜仅可溶部分降低[34],本研究中两类水稻材料根细胞壁Cd分配比例降低,D62B降幅小于Luhui17,可知细胞壁在Cd低积累材料适应高Cd胁迫中发挥重要作用,但可能对Cd的结合能力有限。

    • 果胶分布于细胞壁胞间层,主要成分是部分甲酯化的α-1,4-D-聚半乳糖醛酸,含有丰富的羧基、羟基等官能团,可提供带有负电荷的Cd结合位点。Cd处理下两类水稻根细胞壁果胶的糖醛酸含量、Cd含量显著增加,可知果胶的合成有利于增强根细胞壁对Cd的固持。Cd主要与果胶中的羧基结合[35],果胶对Cd的结合能力取决于羧基的数目。果胶的甲酯化程度越低,自由羧基数目越高,Cd处理下番茄细胞壁果胶组成发生改变,其甲酯化程度明显降低[36],进而增加自由羧基数目以促进果胶对Cd的结合。大量研究表明,Cd处理下植物根系果胶甲酯酶 (PME) 活性增加[37-39],可促进果胶去甲酯化,增加自由羧基数目。随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根细胞壁单位果胶糖醛酸Cd结合量增加,可能与甲酯酶活性增加有关,水稻降低果胶酯化度有利于增加果胶对Cd的结合。Cd0.5、Cd1处理下D62B单位果胶糖醛酸Cd结合量低于Luhui17,可能低浓度下D62B根细胞壁果胶的酯化度较高,还有待深入研究。果胶中羧基仅部分以电离状态存在,可与金属离子发生离子交换作用[40],且由于Ca2+的竞争吸附[41],因此较低浓度Cd处理下D62B根细胞壁果胶的官能团未完全与Cd结合。高浓度Cd处理下D62B根细胞壁单位果胶Cd结合量增加,而Luhui17几乎不变,可能由于D62B果胶的Cd固持容量较大。果胶和半纤维素的合成增多是水稻细胞壁对Cd的固持作用增强的主要原因[42],而随Cd处理浓度升高D62B根细胞壁果胶糖醛酸含量增幅小于Luhui17,其半纤维素1总糖含量增幅较大,可见两类水稻材料根细胞壁组分发育特征存在差异,可能D62B果胶对Cd结合能力较强,而普通材料由于果胶的Cd结合能力有限,在高Cd浓度下通过促进果胶的合成以增加根细胞壁对Cd的固持。

    • 果胶是一组聚半乳糖醛酸,而半纤维素是几种不同类型单糖构成的异质多聚体,其结合能力可能由于组成和性质的差异而不同。拟南芥根细胞壁中Cd主要与半纤维素结合[43],水稻细胞壁半纤维素和果胶可分别结合总Cd的56%、23%[44],本研究中两类水稻材料根细胞壁半纤维素1的Cd含量是果胶的6.80~8.40倍,可知半纤维素1是水稻根细胞壁中主要的Cd结合位点。随Cd处理浓度升高,两类水稻材料根细胞壁半纤维素1单位总糖Cd结合量增加,可能是由于半纤维素1的Cd结合容量较大,随Cd处理浓度升高,Cd结合不断增加,在本研究中高浓度Cd处理下依然未饱和。不同浓度Cd处理下,D62B根细胞壁半纤维素1单位总糖对Cd的结合较少,这是由于D62B细胞壁Cd含量显著低于Luhui17,细胞壁对Cd的固持总量较小。拟南芥根细胞壁半纤维素1对Cd的结合增强原因在于半纤维素组成糖类 (葡萄糖、木糖) 合成增多[12],本研究中随Cd处理浓度升高,D62B根细胞壁半纤维素1总糖含量增幅明显大于Luhui17,Cd处理下D62B根细胞壁合成半纤维素1增多,有利于增加其细胞壁对Cd的结合。Cd2处理下两类水稻材料半纤维素1总糖含量较Cd1处理增幅相同,而D62B和Luhui17半纤维素1Cd含量分别增加39.8%和17.2%,可知高Cd浓度处理下D62B根细胞壁半纤维素1对Cd的结合增多。Cd耐性水稻根细胞壁半纤维素Cd分配比例较大[45],其半纤维素较强的Cd结合能力促进了细胞壁对Cd的固持,对降低Cd向籽粒转移有关键作用。本研究结果与之一致,Cd2处理下两类水稻材料半纤维素1Cd含量差异不显著,而D62B根细胞壁Cd含量显著低于Lhui17,高浓度Cd处理下D62B半纤维素1对Cd的结合相对比例较高,其对Cd的结合能力较强。

    • D62B根和地上部Cd含量显著低于Luhui17,其根部Cd向地上部转移较少。D62B根部Cd主要为氯化钠提取态,随Cd处理浓度升高水提取态Cd分配比例降低,盐酸提取态Cd和残渣态Cd分配比例升高。D62B根细胞壁中Cd主要与半纤维素1结合,其结合能力强于Luhui17,其细胞壁Cd固持能力较强。因此,D62B根部Cd向移动性较弱的化学形态转化,且其细胞壁半纤维素1对Cd的固持作用较强,是水稻Cd安全材料减少Cd向籽粒运输的重要原因之一。

参考文献 (45)

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