鎘在不同基因型水稻根系的分布及轉(zhuǎn)運(yùn)特征.pdf

1、我國(guó)農(nóng)田土壤鎘等重金屬污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，是威脅我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的最主要環(huán)境問(wèn)題之一。鎘在土壤-作物系統(tǒng)中移動(dòng)性強(qiáng)，容易通過(guò)食物鏈的作用進(jìn)入人體內(nèi)危害人體健康。水稻（Oryza sativa L.）是我國(guó)最主要的糧食作物，研發(fā)阻控鎘從土壤向水稻籽粒遷移的農(nóng)藝措施或篩選鎘低積累水稻品種是解決我國(guó)當(dāng)前中輕度農(nóng)田土壤稻米安全生產(chǎn)問(wèn)題的有效途徑，但這都有賴于深入揭示水稻籽粒對(duì)鎘的吸收與積累機(jī)制。然而，目前有關(guān)水稻對(duì)鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與積累機(jī)制尚不完

2、全清楚。本研究以課題組前期篩選的兩種不同鎘積累基因型水稻為材料，綜合運(yùn)用同步輻射X射線熒光光譜(SR-XRF)、電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)以及實(shí)時(shí)熒光定量PCR等技術(shù)手段，比較研究了籽粒鎘高積累基因型(HA)和低積累基因型(LA)水稻根系對(duì)鎘的吸收、積累與轉(zhuǎn)運(yùn)的差異，以期為揭示水稻地上部積累鎘的生理生化與分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)。研究取得的主要結(jié)果如下:
　　1、通過(guò)溶液培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，采用ICP-MS和qRT-PCR等技術(shù)分析比較了

3、兩種基因型水稻根系對(duì)鎘的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)特征的差異及其與籽粒鎘積累之間的關(guān)系。水稻根系對(duì)鎘吸收的時(shí)間動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明，鎘高積累基因型水稻根系對(duì)鎘的總吸收量要稍高于低積累基因型，但差異并不顯著。然而，鎘高積累基因型根系鎘含量要低于低積累基因型水稻，主要原因在于鎘高積累基因型水稻根向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的速率顯著高于后者。對(duì)木質(zhì)部汁液中鎘的含量分析也進(jìn)一步證實(shí)了高積累基因型水稻根系木質(zhì)部對(duì)鎘的裝載速率要顯著高于低積累基因型?？梢?jiàn)，高積累基因型水稻籽粒積累高

4、量鎘的最主要原因之一是其根系對(duì)鎘的高效木質(zhì)部裝載速率及鎘向地上部快速轉(zhuǎn)運(yùn)的能力，而非根系吸收能力。qRT-PCR分析表明，高鎘脅迫條件下，低積累基因型水稻根細(xì)胞中鎘相關(guān)的液泡膜基因OsHMA3表達(dá)量顯著上調(diào)，而在高積累基因型水稻根系OsHMA3的表達(dá)量顯著下調(diào)或無(wú)明顯變化。相反，后者根系中介導(dǎo)木質(zhì)部裝載過(guò)程的鋅、鎘基因OsHMA2顯著上調(diào)，這說(shuō)明鋅、鎘基因OsHMA2可能介導(dǎo)了籽粒鎘高積累基因型水稻根系木質(zhì)部對(duì)鎘的裝載過(guò)程。進(jìn)一步研究發(fā)

5、現(xiàn)在溶液中外源添加鋅離子能顯著提高水稻根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的能力，尤其是對(duì)低積累基因型水稻而言。上述結(jié)果均表明，水稻籽粒對(duì)鎘的高量積累主要與其根系向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)鎘的能力密切相關(guān)，而根系木質(zhì)部對(duì)鎘的快速裝載過(guò)程極可能由高量表達(dá)的鋅鎘轉(zhuǎn)運(yùn)子OsHMA2介導(dǎo)。
　　2、采用ICP-MS和SR-XRF技術(shù)研究比較了兩種基因型水稻根系中鎘在組織與細(xì)胞水平上的微區(qū)分布特征。結(jié)果表明，鎘在不同根部位的積累量有明顯差異，無(wú)論在短期(24 h)鎘處理還

6、是長(zhǎng)期(7 d)鎘處理?xiàng)l件下，側(cè)根中鎘的含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他根區(qū)，說(shuō)明側(cè)根是水稻根系吸收鎘的主要部位。比較兩種基因型水稻發(fā)現(xiàn)，在鎘處理24 h后高積累基因型水稻根系側(cè)根的鎘含量略高于低積累基因型，但其他部位的鎘含量顯著低于后者，而隨著鎘處理時(shí)間延長(zhǎng)至7d，鎘低積累水稻側(cè)根中鎘含量急劇上升，顯著高于鎘高積累基因型，這可能是由于高鎘脅迫下鎘高積累基因型水稻側(cè)根吸收的鎘更多地通過(guò)木質(zhì)部運(yùn)輸被轉(zhuǎn)移到了地上部所致。根系整體鎘的XRF分布圖像進(jìn)一步證

7、實(shí)了上述結(jié)果，表明隨著鎘處理時(shí)間的延長(zhǎng)兩種基因型水稻鎘積累差異逐漸加大。為進(jìn)一步探究鎘在根系細(xì)胞水平上的分布特征，采用M-XRF掃描分析，發(fā)現(xiàn)鎘較多地分布在根表皮及中柱中。而與鎘低積累水稻相比，高積累水稻側(cè)根區(qū)中鎘在中柱的集中分布更為明顯。可見(jiàn)，鎘高積累水稻根系吸收的鎘更容易進(jìn)入中柱的木質(zhì)部區(qū)域，進(jìn)而裝載到木質(zhì)部導(dǎo)管轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部。綜上所述，水稻根系不同區(qū)域?qū)︽k的吸收能力不同，而側(cè)根是其大量吸收鎘的最主要區(qū)域，且水稻籽粒對(duì)鎘的積累能力與鎘