水稻对土壤重金属镉的响应及其调控

水稻对土壤重金属镉的响应及其调控

黄冬芬 

【摘要】： 镉(Cd)是农田土壤中主要的污染物质。随着工业的发展,Cd污染日趋严重,对农业生产和人类健康构成严重的威胁。本研究以水稻不同品种为材料,研究Cd对水稻产量和品质的影响及其生理机制,探讨通过灌溉和施肥等农艺措施减轻Cd对水稻危害的技术途径,为水稻优质安全生产提供理论依据和实践指导。主要结果如下: 

   1、Cd对水稻产量和品质的影响当土壤Cd浓度为60或90 mg kg~(-1)时,扬稻6号和扬粳9538的产量与对照(土壤未加Cd处理)无显著差异。这两品种在Cd浓度为120或180 mg kg~(-1)以及武运粳7号在Cd浓度为60或120 mg kg~(-1)条件下产量均较对照显著降低。在Cd胁迫下产量降低的原因主要在于穗数或每穗颖花数的减少,Cd对结实率和千粒重无显著影响。Cd对稻米加工品质、外观品质、蒸煮品质以及蛋白质含量无显著影响。随土壤Cd浓度的增加,稻米醇溶蛋白含量增加,清蛋白和球蛋白含量则降低。当土壤Cd浓度为60和90 mg kg~(-1)时,稻米淀粉谱的最高粘度、热浆粘度、最终粘度、崩解值和消减值与对照无显著差异;当土壤Cd浓度为120和180 mg kg~(-1)时,稻米淀粉谱的最高粘度和崩解值显著降低,热浆粘度、最终粘度和消减值显著增加。在相同土壤Cd浓度下,同一器官的Cd浓度在品种间无显著差异,但扬稻6号Cd累积量高于扬粳9538。表明Cd对水稻产量的影响以及Cd在稻株的累积量在品种间存在差异,高浓度Cd可降低稻米的营养品质和食味性。

2、水稻对Cd胁迫的生理响应Cd胁迫增加了根系和叶片自由基含量;诱导超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)同工酶小分子量的特异表达;增加了水稻根系分泌物含量;降低了水稻DNA和蛋白质含量;水稻可溶性蛋白质一维电泳和二维电泳分析结果表明,Cd胁迫后水稻可溶性蛋白质表达发生改变。Cd诱导了水稻幼苗根系10个蛋白质点和叶片8个蛋白质点的表达,抑制了根系4个蛋白质点和叶片8个蛋白质点的表达。 

3、水稻耐Cd性不同品种一些农艺与生理性状Cd处理后,耐Cd基因型(汕优63和扬粳9538)籽粒产量较CK(土壤中未加Cd)降低了6.2%~8.9%,Cd敏感基因型(扬稻6号和武运粳7号)产量较对照降低38.3%~47.1%。Cd处理后每盆穗数和每穗颖花数减少是减产的主要原因,结实率和千粒重在Cd处理与CK间无显著差异。Cd处理显著抑制了Cd敏感基因型的分蘖发生,导致整个生育期干物质积累的显著下降。Cd处理对物质运转率和收获指数无显著影响。在Cd胁迫下,分蘖至拔节期Cd敏感基因型的根系活力、叶片光合速率、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性明显低于耐Cd基因型,叶片超氧自由基和过氧化氢含量、乙烯释放速率及根系伤流液中1-氨基环丙烷1-羧酸浓度则显著高于耐Cd基因型。抽穗以后Cd对上述生理指标以及整个生育时期叶片脱落酸含量无显著影响。说明Cd对水稻生长发育的影响主要在生育前期(分蘖至拔节期),此期分蘖发生多、根系活力和叶片抗氧化保护系统能力强及乙烯合成少是耐Cd基因型水稻的主要农艺和生理特征。 

4、结实期灌溉方式对水稻品质和不同器官Cd浓度与分配的影响在土壤Cd污染条件下,与水层灌溉(WW)相比,结实期轻干-湿交替灌溉(MD)可以增加产量和改善稻米的加工与外观品质,结实期重干-湿交替灌溉(SD)则降低产量和品质。MD和SD均可增加Cd在根的浓度和分配比例,降低Cd在茎叶的浓度和分配比例;MD对籽粒和精米中的Cd浓度无明显影响,但可显著降低Cd在籽粒中的分配比例,SD则增加了籽粒和精米的Cd浓度。在MD条件下,根系活力增强和叶片气孔导度降低(即蒸腾强度小)是根系Cd浓度大、茎叶Cd浓度小以及籽粒Cd分配比例低的重要原因;而在SD条件下,根系和籽粒Cd浓度大、茎叶Cd浓度小与气孔导度显著降低和茎叶Cd表观输出率大幅度增加有密切关系。 

5、全生育期干湿交替灌溉对水稻产量和品质及Cd积累的影响与保持水层(WW)相比,全生育期轻干湿交替灌溉(MD)提高了根系氧化力和光合速率,使产量增加了8.6-10%,改善了加工品质和外观品质,全生育期重干湿交替灌溉(SD)的结果则相反。MD和SD均降低了叶片蒸腾速率,SD尤为明显。MD和SD显著增加了根系中Cd的浓度,降低了稻草中Cd的浓度。MD使籽粒中Cd浓度降低了8.6-9.7%,精米中Cd浓度降低了27-31%。SD则显著增加了籽粒中Cd浓度,但降低了Cd在精米中浓度。说明全生育期轻干湿交替灌溉可以增加产量和减少Cd在水稻可食部分的含量。 

6、氮肥对水稻品质和不同器官Cd浓度与分配的影响在相同施氮量情况下,Cd处理显著降低了产量。在相同土壤Cd浓度下,产量随施氮量(0～600 kg ha~(-1))的增加而提高。施氮量和Cd处理对稻米的出糙率、精米率和整精米率无显著影响。在相同施氮量情况下,Cd处理使胶稠度增加,直链淀粉含量降低。Cd对稻米垩白率、垩白度和蛋白质含量无显著影响。随施氮量的增加,颖壳、糠层和精米中Cd浓度均随之增加,但精米Cd浓度在0N(不施氮)与MN(300 kg ha~(-1))之间无显著差异。Cd在颖壳和糠层中的分配比例也随施氮量的增加而显著提高,但Cd在精米中的分配比例则随施氮量的增加而显著降低。表明在Cd污染的稻田适当施用氮肥并不会明显增加Cd在精米中的浓度,并可降低Cd在精米中的分配比例。