滕 浪， 付天嶺， 鄭 鋒， 普天赟， 高珍冉， 秦 松， 羅德強(qiáng)， 何騰兵,

(1.銅仁市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 貴州 銅仁 554300； 2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025；3.貴州大學(xué)新農(nóng)村發(fā)展研究院， 貴陽(yáng) 550025； 4.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所， 貴陽(yáng) 550025；5.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所， 貴陽(yáng) 550025)

鎘(Cd)是稻田土壤主要的重金屬污染元素，水稻對(duì)Cd具有很強(qiáng)的吸收能力，農(nóng)田土壤中主要是以Ca2+的形態(tài)通過(guò)水稻根系進(jìn)入水稻體內(nèi)積累，對(duì)水稻產(chǎn)生毒害作用[1]。一般來(lái)說(shuō)，水稻對(duì)Cd的解毒與耐受機(jī)制有2個(gè)基本途徑，一是解毒排斥機(jī)制，即避免過(guò)量Cd進(jìn)入水稻組織細(xì)胞，或者阻礙Cd在水稻體內(nèi)的運(yùn)輸；另一途徑是內(nèi)部耐受機(jī)制，即Cd結(jié)合到細(xì)胞壁上、主動(dòng)運(yùn)輸進(jìn)入液泡或與某有機(jī)酸和蛋白質(zhì)結(jié)合等[2]。水稻各品種對(duì)Cd吸附能力有顯著差異[3-4]，呈現(xiàn)出秈型雜交稻>粳型雜交稻>常規(guī)秈稻>常規(guī)粳稻的規(guī)律，各部位Cd積累量由高到低順序?yàn)椋焊?、莖葉、穗軸、籽粒[5-6]，水稻對(duì)Cd的吸收能力差異性取決于各水稻品種的基因型差異。鈣是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，參與細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)合成，并且還能與磷脂分子聯(lián)結(jié)起來(lái)，穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)[7]。Ca2+與Cb2+具有半徑相近電荷相同的特點(diǎn)，能夠相互形成競(jìng)爭(zhēng)離子，共同競(jìng)爭(zhēng)植物根表面的吸附位點(diǎn)與離子通道，從而降低植物對(duì)Cd的吸收[8]。植物抗脅迫能力與植物體內(nèi)的抗氧化酶活性息息相關(guān)，研究表明，添加外源Ca2+能夠使水稻植物體內(nèi)抗氧化酶及抗氧化物質(zhì)的活性提高，減少丙二醛與自由基含量，但是對(duì)植物耐Cd性機(jī)理尚不明確[9]。已有大量研究表明，在稻田土壤Cd污染治理中，施用含Ca材料的調(diào)理劑與肥料，能夠降低水稻根系對(duì)Cd的吸收，可有效地降低水稻籽粒中Cd的含量，保障糧食安全[10-11]，但是未明確指出是材料中Ca降低了水稻對(duì)Cd的吸收。

貴州屬于Cd的地球化學(xué)背景異常區(qū)，土壤中Cd平均含量為0.659 mg/kg[12]，同時(shí)，貴州也是西南典型的喀斯特地區(qū)，土壤與水中富含Ca2+、Mg2+、CO32-/HCO3-、SO42-等，其中Ca2+含量占陽(yáng)離子總量的40%～80%[13]。已有研究表明，在喀斯特地區(qū)中性土壤Cd的有效態(tài)占比較低，從而降低水稻對(duì)Cd的吸收[14]。田茂苑[15]研究表明，在貴州典型喀斯特地區(qū)石灰性水稻土中Cd風(fēng)險(xiǎn)程度較高，而稻米風(fēng)險(xiǎn)較低，在黃壤性與紅壤性水稻土中土壤與稻米風(fēng)險(xiǎn)格局呈現(xiàn)一致性。但上述研究均未指明喀斯特地區(qū)土壤某種物質(zhì)對(duì)水稻Cd積累有影響，因此本研究根據(jù)喀斯特地區(qū)土壤與稻田灌溉水中Ca2+含量，探討Ca2+能否降低水稻苗期對(duì)Cd的吸收。采用本地水稻品種紅優(yōu)2號(hào)、黑糯72與雜交品種C兩優(yōu)華占、宜香優(yōu)2115相對(duì)比，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)液短期培養(yǎng)的方法，研究不同Cd污染程度下添加不同濃度Ca2+對(duì)水稻苗期根系Cd吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)的影響，同時(shí)為非喀斯特地區(qū)施用含Ca材料修復(fù)治理不同程度Cd污染稻田土壤提供理論依據(jù)，對(duì)篩選低富集水稻品種具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種選擇秈稻：紅優(yōu)2號(hào)、宜香優(yōu)2115、C兩優(yōu)華占；粳稻：黑糯72，其中紅優(yōu)2號(hào)與黑糯72為貴州地方品種，C兩優(yōu)華占(C 815 S×華占)為兩系雜交品種，宜香優(yōu)2115(宜香1 A×雅恢2115)為三系雜交品種。水稻種子與幼苗均由貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019年6月12—19日進(jìn)行，采用1/4水培營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，營(yíng)養(yǎng)液由硝酸銨、二水磷酸氫鈉、硫酸鉀等物質(zhì)混合配置而成[16]。處理所用試劑為分析純氯化鎘(CdCl2)及氯化鈣(CaCl2)。水培所用容器為1 000 mL棕色廣口瓶，瓶口用定植棉固定。選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的3葉1心的水稻秧苗，用蒸餾水清洗根系后移栽至1 L營(yíng)養(yǎng)液中，4株/瓶，每2 d用NaOH與HCl調(diào)節(jié)pH值保持在5.75，設(shè)置2個(gè)Cd2+濃度水平：1.0、2.0 mg/L(簡(jiǎn)稱(chēng)為：Cd 1、Cd 2)，4個(gè)Ca2+濃度0、0.5、1.0、2.0 g/L(簡(jiǎn)稱(chēng)為：Ca 0、Ca 1、Ca 2、Ca 3)，在2個(gè)Cd2+水平下添加4種不同濃度Ca2+培養(yǎng)，1個(gè)空白對(duì)照(Cd 0 Ca 0)，共計(jì)9個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。每60 h更換一次營(yíng)養(yǎng)液，每次更換營(yíng)養(yǎng)液添加相應(yīng)Cd2+與Ca2+處理，共計(jì)換3次營(yíng)養(yǎng)液，培養(yǎng)7 d。

1.3 樣品處理及測(cè)定

將水稻根系用0.02 mol/L的Na2EDTA溶液浸泡15 min，除去表面Cd2+與Ca2+，用超純水沖洗水稻根系3次，吸干水分，然后將水稻根系、葉鞘、葉片分開(kāi)，稱(chēng)取鮮重后烘干。植物中Cd與Ca含量：用HNO3-H2O2消解，用原子吸收分光光度計(jì)(ICE-3500)測(cè)定，每個(gè)樣品3個(gè)重復(fù)，同時(shí)用芹菜標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(GBW 10048)進(jìn)行質(zhì)量控制，試驗(yàn)過(guò)程中均使用優(yōu)級(jí)純藥品與超純水。

2 結(jié)果與分析

2.1 Ca2+對(duì)水稻根系、葉鞘及葉片Cd與Ca吸收的影響

由圖1可知，在Cd 1與Cd 2脅迫下，水稻根系對(duì)Cd的吸收能力地方品種<雜交品種，添加Ca2+對(duì)紅優(yōu)2號(hào)根系Cd吸收呈先增加后降低的趨勢(shì)，其他水稻品種根系對(duì)Cd的吸收均呈降低趨勢(shì)。在Cd 1與Cd 2濃度脅迫下，添加Ca 2以上濃度處理水稻根系對(duì)Cd的吸收差異均達(dá)顯著水平(p<0.05)，在Cd 1 Ca 3處理時(shí)各品種水稻根系Cd含量依次為：紅優(yōu)2號(hào)>C兩優(yōu)華占>宜香優(yōu)2115>黑糯72，與Cd 1 Ca 0相比分別下降33.63%、52.24%、68.79%、72.60%；在Cd 2 Ca 3處理時(shí)各品種水稻根系Cd含量依次為：C兩優(yōu)華占>紅優(yōu)2號(hào)>黑糯72>宜香優(yōu)2115，與Cd 2 Ca 0相比分別下降51.71%、58.39%、71.38%、80.21%。綜上所述，Cd脅迫下添加Ca2+能夠降低根系對(duì)Cd的吸收。

由圖2可知，在Cd 1與Cd 2脅迫下，水稻葉鞘中Cd的含量地方品種低于雜交品種，紅優(yōu)2號(hào)葉鞘中Cd的含量隨著Ca2+濃度的增加呈先增加后降低的趨勢(shì)，在Cd 1與Cd 2濃度脅迫下，添加Ca 2、Ca 3水平水稻葉鞘Cd含量均顯著降低，且在Ca 3水平下，水稻葉鞘對(duì)Cd的吸收量最小，在Cd 1 Ca 3處理水稻葉鞘Cd含量依次為：紅優(yōu)2號(hào)>C兩優(yōu)華占>宜香優(yōu)2115>黑糯72，與Cd 1 Ca 0相比分別降低47.85%、58.50%、67.86%、65.60%，在Cd 2 Ca 3處理各水稻葉鞘Cd含量依次為：C兩優(yōu)華占=紅優(yōu)2號(hào)>黑糯72>宜香優(yōu)2115，與Cd 2 Ca 0相比分別降低67.77%、39.03%、60.54%、73.59%。綜上所述，Cd脅迫下添加Ca2+能夠降低水稻葉鞘中Cd的含量。

注：不同小寫(xiě)字母表示在同Cd脅迫下不同施Ca量處理對(duì)水稻根系Cd吸收間差異性顯著(p<0.05)。下同。圖1 Ca2+對(duì)Cd脅迫下水稻根系Cd吸收的影響Fig.1 Effect of Ca2+ on cadmium uptake by rice roots under cadmium stress

圖2 Ca2+對(duì)Cd脅迫下水稻葉鞘Cd吸收的影響Fig.2 Effect of Ca2+ on cadmium uptake by rice sheath under cadmium stress

由圖3可知，在Cd 1與Cd 2脅迫下，水稻葉片中Cd含量本地品種低于雜交品種。在添加Ca2+后，各處理水稻葉片中Cd的含量與Cd 1 Ca 0、Cd 2 Ca 0相比均顯著下降，且隨著Ca2+濃度的增加而降低，在Cd 1 Ca 3與Cd 2 Ca 3時(shí)，降低幅度最大。在Cd 1 Ca 3處理下水稻葉片Cd含量依次為：宜香優(yōu)2115>C兩優(yōu)華占>紅優(yōu)2號(hào)>黑糯72，與Cd 1 Ca 0相比分別下降60.03%、75.04%、58.19%、64.66%；在Cd 2 Ca 3處理下水稻葉片Cd含量依次為：宜香優(yōu)2115>黑糯72>紅優(yōu)2號(hào)>C兩優(yōu)華占，與Cd 2 Ca 0相比分別下降59.35%、56.77%、46.39%、71.73%。綜上所述，在Cd脅迫下Ca2+能夠降低水稻葉片中Cd含量。

由表1可知，4個(gè)水稻品種各器官Ca含量分布規(guī)律為：莖鞘>葉片>根系，4個(gè)品種Ca含量分布規(guī)律為：C兩優(yōu)華占>紅優(yōu)2號(hào)>宜香優(yōu)2115>黑糯72。在Cd脅迫下紅優(yōu)2號(hào)、C兩優(yōu)華占及宜香優(yōu)2115均降低了水稻根系中的Ca含量，在Cd 1與Cd 2脅迫下添加Ca2+，水稻各器官中的Cd含量均顯著提高，4個(gè)水稻品種在兩種Cd濃度脅迫下各器官Ca含量Ca 3均顯著高于Ca 1。綜上所述，在Cd脅迫下添加Ca2+，能夠促進(jìn)水稻根系對(duì)Ca的吸收，吸收量隨著Ca的增加而增加。

表1 4個(gè)水稻品種各器官Ca含量 Table 1 Calcium content in each organ of 4 rice varieties 單位：g/kg

圖3 Ca2+對(duì)Cd脅迫下水稻葉片Cd吸收的影響Fig.3 Effect of Ca2+ on cadmium uptake in rice leaves under cadmium stress

2.2 Ca2+對(duì)Cd在水稻各器官遷移系數(shù)的影響

由圖4可知，各水稻品種在不同濃度Cd脅迫下Ca2+對(duì)葉鞘/根系轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響有差異。貴州地方品種紅優(yōu)2號(hào)與黑糯72在不同濃度Cd脅迫下Ca2+對(duì)葉鞘/根系轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響沒(méi)有差異，雜交品種C兩優(yōu)華占與宜香優(yōu)2115在高濃度Cd脅迫下添加Ca2+有顯著差異，C兩優(yōu)華占在Cd脅迫下添加Ca2+轉(zhuǎn)移系數(shù)均降低，且有顯著差異，添加Ca2+處理與Cd 2 Ca 0相比，轉(zhuǎn)移系數(shù)降低33.33%～35.80%，由此說(shuō)明在Cd脅迫下添加Ca2+能夠降低C兩優(yōu)華占中Cd由根系向葉鞘與葉片運(yùn)輸。宜香優(yōu)2115在高濃度Cd脅迫下Ca2+對(duì)葉鞘/根系轉(zhuǎn)移系數(shù)均升高，且有顯著差異，添加Ca2+處理與Cd 2 Ca 0相比，轉(zhuǎn)移系數(shù)升高18.52%～48.15%，由此說(shuō)明在Cd脅迫下添加Ca2+能加快宜香優(yōu)2115中Cd由根系向葉鞘與葉片運(yùn)輸。

圖4 Ca2+對(duì)Cd脅迫下水稻葉鞘/根系Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響Fig.4 Effect of Ca2+ on leaf sheath/root transfer coefficient of rice under cadmium stress

圖6 不同水稻品種根部與葉鞘中Cd含量相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis of cadmium content in roots and sheaths of different rice cultivars

由圖5可知，各水稻品種在不同濃度Cd脅迫下Ca2+對(duì)Cd在葉片/葉鞘的轉(zhuǎn)移系數(shù)有差異。紅優(yōu)2號(hào)在Cd 1 Ca 1處理下與同濃度Cd脅迫下有顯著差異，Cd 1 Ca 1與Cd 1 Ca 0相比Cd在葉片/葉鞘間的轉(zhuǎn)移系數(shù)降低39.78%；黑糯72各處理間沒(méi)有顯著差異；C兩優(yōu)華占在Cd 1水平脅迫下Ca2+對(duì)Cd在葉片/葉鞘的轉(zhuǎn)移系數(shù)降低12.97%～39.77 %，在Cd 2水平脅迫下添加Ca2+處理，Cd 2 Ca 1與Cd 2 Ca 0相比轉(zhuǎn)移系數(shù)升高39.16%，存在顯著差異；宜香優(yōu)2115在同Cd脅迫水平下各處理間無(wú)顯著差異。

2.3 Ca2+對(duì)不同水稻品種各器官中Cd含量相關(guān)性的影響

由圖6可知，在不同濃度Ca2+處理下，水稻根系與葉鞘中Cd積累量呈顯著正相關(guān)，不同水稻品種間相關(guān)性強(qiáng)弱關(guān)系為：黑糯72>宜香優(yōu)2115>紅優(yōu)2號(hào)>C兩優(yōu)華占，說(shuō)明添加Ca2+對(duì)黑糯72根系中的Cd向葉鞘中遷移的促進(jìn)作用最強(qiáng)，對(duì)C兩優(yōu)華占根系中Cd向葉鞘遷移促進(jìn)作用最弱。由此得出，添加Ca2+可加速黑糯72中Cd由地下部分向地上部分轉(zhuǎn)移，增加地上部分的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 Ca2+對(duì)Cd脅迫下水稻葉片/葉鞘Cd轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響Fig.5 Effect of Ca2+ on leaf/leaf sheath transfer coefficient of rice under cadmium stress

由圖7可知，在不同Ca2+濃度處理下，水稻葉鞘與葉片中的Cd含量呈顯著正相關(guān)，不同水稻品種間相關(guān)性強(qiáng)弱關(guān)系為宜香優(yōu)2115>黑糯72>C兩優(yōu)華占>紅優(yōu)2號(hào)，說(shuō)明Ca2+對(duì)宜香優(yōu)2115葉鞘中Cd向葉片中遷移的促進(jìn)作用最強(qiáng)，對(duì)C兩優(yōu)華占的促進(jìn)作用較弱，由此得出，Ca2+能夠增加宜香優(yōu)2115葉鞘中Cd的移動(dòng)性，增加水稻葉片中Cd的含量。由此可知，Ca2+能夠促進(jìn)宜香優(yōu)2115與黑糯72中Cd的移動(dòng)性，能夠增加水稻葉鞘與葉片中Cd風(fēng)險(xiǎn)，Ca2+能夠降低C兩優(yōu)華占與紅優(yōu)2號(hào)中Cd的移動(dòng)性，讓大部分Cd儲(chǔ)存在根系中，降低了葉鞘與葉片中Cd的風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 水稻品種葉鞘與葉片中Cd含量相關(guān)性分析Fig.7 Correlation analysis for cadmium content between leaf sheath and leaves of rice varieties

3 討 論

3.1 Ca2+對(duì)水稻Cd積累的機(jī)理研究

Ca是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，參與細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)合成，并且還能與磷脂分子聯(lián)結(jié)起來(lái)，穩(wěn)定細(xì)胞膜，對(duì)膜結(jié)合蛋白的穩(wěn)定性、參與細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)也有重要作用[7]。水稻對(duì)Cd的吸收主要通過(guò)外質(zhì)體與共質(zhì)體途徑進(jìn)入根系維管柱中，外質(zhì)體途徑是水稻植株內(nèi)外Cd濃度差使Cd2+擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞，然后通過(guò)質(zhì)外空間進(jìn)入根系維管柱中，屬于被動(dòng)運(yùn)輸，隨著Cd濃度差異的增加，被動(dòng)吸收越多；共質(zhì)體途徑是利用代謝能量使Cd載體蛋白進(jìn)入根系細(xì)胞，通過(guò)胞間連絲轉(zhuǎn)移至根系維管柱中，屬于主動(dòng)運(yùn)輸[2]。水稻對(duì)Ca的吸收主要以共質(zhì)體途徑，是通過(guò)能量代謝使Ca載體蛋白進(jìn)入植物根系，最后通過(guò)胞間連絲進(jìn)入根系維管柱中，屬于主動(dòng)運(yùn)輸[17]，因此在Cd脅迫下Ca2+導(dǎo)致水稻對(duì)Cd的吸收能力降低有3個(gè)可能，第1是Cd與Ca相互競(jìng)爭(zhēng)能量，第2是Cd與Ca競(jìng)爭(zhēng)載體蛋白，第3是Cd與Ca載體蛋白競(jìng)爭(zhēng)通道，此外，Cd2+與Ca2+因半徑相近電性相同，共同競(jìng)爭(zhēng)水稻根系離子吸附位點(diǎn)，也會(huì)降低水稻對(duì)Cd的吸收[8]。本研究在營(yíng)養(yǎng)液中添加Cd2+與Ca2+，不同濃度Ca2+能夠降低水稻苗期對(duì)Cd的吸收，且隨著Ca2+濃度的增加，各部位Cd含量差異越明顯，水稻各器官Cd分布遵循根系>葉鞘>葉片的規(guī)律。由表3～表6可知，4個(gè)水稻品種各器官中Cd和Ca含量均呈極顯著相關(guān)性，相關(guān)性強(qiáng)弱為：雜交品種>本地品種，原因是雜交品種代謝能力強(qiáng)，Cd與Ca在根系、葉鞘及葉片間的移動(dòng)速率高[2-3]。水稻根系中Cd與Ca均呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性強(qiáng)弱順序?yàn)椋阂讼銉?yōu)2115>黑糯72>紅優(yōu)2號(hào)>C兩優(yōu)華占，C兩優(yōu)華占是雜交品種，水稻生長(zhǎng)比紅優(yōu)2號(hào)旺盛，根系對(duì)Cd的吸收能力較強(qiáng)，根系中Cd與Ca相關(guān)性較差，可能是由于在低濃度Ca2+處理下，根系對(duì)Ca的吸收能力較低，對(duì)Cd的吸收作用增強(qiáng)，導(dǎo)致根系中Cd大量富集[8]，在Cd 1 Ca 1與Cd 2 Ca 1處理下，黑糯72、C兩優(yōu)華占、宜香優(yōu)2115根系含量均高于紅優(yōu)2號(hào)，可能是由于在低Ca濃度下，水稻根系向葉鞘轉(zhuǎn)移速率Ca大于Cd，Cd大量在根系聚集，導(dǎo)致根系Cd含量增加[9]。4個(gè)水稻品種苗期雜交品種對(duì)Cd的吸收能力較強(qiáng)，添加Ca2+均顯著提高根系中Ca含量，兩個(gè)地方品種水稻品種有差異，紅優(yōu)2號(hào)是秈稻、黑糯72是粳稻，有研究表明，秈稻比粳稻對(duì)Cd的吸收能力強(qiáng)[7]，且紅優(yōu)2號(hào)根系Ca含量比黑糯72低。水稻雜交品種根系比本地品種長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，本地品種水稻根系、葉鞘及葉片中Cd含量占比范圍分別為44.70%～55.26%、29.47%～32.08%、15.27%～23.23%，雜交品種根系、葉鞘及葉片中Cd含量占比范圍分別為46.28%～49.35%、30.24%～32.77%、17.88%～23.48%，可知Ca2+對(duì)根系中Cd的轉(zhuǎn)移速率雜交品種比本地品種強(qiáng)，雜交品種根系中的Cd易向地上部位轉(zhuǎn)移，本地品種中的Cd更多的是儲(chǔ)存在根系中，可能是因?yàn)樗炯?xì)胞形態(tài)維持受有絲分裂的過(guò)程受Ca調(diào)蛋白(Ca2+-CaM)的調(diào)控，雜交品種有絲分裂強(qiáng)于本地品種，CaM蛋白調(diào)控能力本地品種比雜交品種強(qiáng)，從而阻礙根系對(duì)Cd的吸收，在低濃度Cd脅迫下，Cd2+通過(guò)Ca2+通道進(jìn)入根系，Cd含量在體內(nèi)升高會(huì)抑制Ca的吸收，在高濃度Cd脅迫下，Cd2+占用Ca2+通道需要消耗大量的能量，CaM蛋白的活性受到影響，導(dǎo)致水稻根系不良生長(zhǎng)，從而減少水稻對(duì)Cd的吸收。Wei-Jie Xue等[18]研究得出，Ca/Mn條件下水稻根系影響Cd的化學(xué)形態(tài)，使得Cd的有效性降低，從而減少了Cd對(duì)水稻的毒害作用，與本研究結(jié)果一致，可能是因?yàn)镃a與Cd的半徑相近電價(jià)相同，Ca2+也會(huì)通過(guò)影響根系的生長(zhǎng)，從而減少Cd的毒害作用。Johnson P T等[19]研究得出，Cd脅迫下Ca2+能夠降低過(guò)氧化氫與丙二醛的含量，減少自由基的合成，增強(qiáng)酶抗氧化性的活性減緩水稻對(duì)Cd的吸收，可能是Ca參與水稻抗氧化酶的調(diào)節(jié)，降低了水稻體內(nèi)自由基的合成，減少了Cd的毒害作用。徐勝光等[20]認(rèn)為，Ca能夠刺激水稻根系產(chǎn)生有利于提升pH值的物質(zhì)增加土壤pH值，使得Cd的有效性含量降低，減少水稻根系對(duì)Cd的吸收。本研究中可能是Ca2+促進(jìn)水稻根系分泌中多種有機(jī)酸能起到螯合Cd的作用，降低營(yíng)養(yǎng)液中Cd的活性[21]。周金林等[22]研究表明，Cd脅迫能夠抑制葉綠素a與葉綠素b的合成，使氣孔增加，光合作用減弱，同時(shí)，還導(dǎo)致丙二醛含量升高，過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶、超氧化物歧化酶的活性增加，Cd積累能力不同的品種間活性氧差異顯著。朱智偉等[23]研究表明，Ca能夠減少活性氧與丙二醛對(duì)植物的毒害，調(diào)控植物葉綠素含量與氣孔導(dǎo)度，增強(qiáng)光合作用。因此，在Cd脅迫下施Ca能夠降低Cd的毒害作用，導(dǎo)致水稻對(duì)Cd的吸收降低。何俊瑜等[24]研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫能夠使根尖細(xì)胞有絲阻滯，并使染色體畸變率增加；張思思[25]研究表明，Ca能夠調(diào)控根毛極性生長(zhǎng)，且Ca是構(gòu)成細(xì)胞壁與細(xì)胞膜等結(jié)構(gòu)的必須元素，在維護(hù)正常結(jié)構(gòu)與功能、減緩與減少細(xì)胞膜的毒害與損傷等方面發(fā)揮重要作用，本研究結(jié)果與之一致，可能是因?yàn)镃a通過(guò)調(diào)控水稻 根系增強(qiáng)有絲分裂，促進(jìn)水稻細(xì)胞壁的合成與強(qiáng)化，導(dǎo)致水稻根系對(duì)Cd的吸收能力減弱。

表2 紅優(yōu)2號(hào)各器官Cd與Ca含量相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of Cd and Ca content in various organs of Hongyou 2

表3 黑糯72各器官Cd與Ca含量相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of Cd and Ca contents in organs of Heinuo 72

表4 C兩優(yōu)華占各器官Cd與Ca含量相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of Cd and Ca contents in variousorgans of C Liangyouhuazhan

表5 宜香優(yōu)2115各器官Cd與Ca含量相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of Cd and Ca contents in various organs of Yixiangyou 2115

圖8 Ca2+離子對(duì)水稻Cd吸收的示意圖 Fig.8 Schematic diagram of Ca2+ uptake by cadmium in rice

3.2 Ca2+對(duì)不同水稻品種Cd吸收差異性研究

由圖8可知，雜交水稻對(duì)Cd的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)能力比地方品種強(qiáng)，已有研究表明，不同水稻品種對(duì)重金屬Cd的吸收能力不同，各器官中含量也有顯著差異[3-4]；楊祥田等[27]研究表明，水稻根系、莖、葉、穗、糙米中Cd含量與水稻類(lèi)型有顯著相關(guān)，其中糙米中Cd含量呈秈型雜交稻>粳型雜交稻>常規(guī)秈稻>常規(guī)粳稻，說(shuō)明水稻對(duì)Cd的吸收能力為雜交稻>常規(guī)稻，秈稻>粳稻，本研究結(jié)果與之基本一致，可能是因?yàn)殡s交稻生長(zhǎng)力較強(qiáng)，能夠更加充分地利用養(yǎng)分，從而促進(jìn)水稻對(duì)Cd的吸收。本研究各水稻品種中Cd含量依次為根系>葉鞘>葉片，這與鴻凱等[28]的研究結(jié)果一致。不同水稻品種對(duì)Cd吸收和運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)制不同，因此造成品種之間各器官Cd含量有巨大差異[29]。本研究表明，貴州本地品種比雜交品種各器官Cd含量低，本地水稻根系Cd含量表現(xiàn)為：紅優(yōu)2號(hào)>黑糯72，葉鞘與葉片Cd含量均為：黑糯72>紅優(yōu)2號(hào)，說(shuō)明在黑糯72根系中Cd易向地上部轉(zhuǎn)移，雜交品種根系、葉鞘及葉片Cd含量均顯示出C兩優(yōu)華占>宜香優(yōu)2115，這說(shuō)明各水稻品種之間Cd的吸收分配存在差異[30]。

由圖9可知，雜交品種(C兩優(yōu)華占、宜香優(yōu)2115)比本地品種(紅優(yōu)2號(hào)、黑糯72)水稻根系側(cè)根發(fā)達(dá)，須根系較多，水稻株高長(zhǎng)勢(shì)雜交品種比本地品種強(qiáng)。LIU J G等[31]研究表明，水稻對(duì)Cd的吸收主要受根系生長(zhǎng)的影響，根系較發(fā)達(dá)的品種對(duì)Cd的吸收能力較強(qiáng)，本研究結(jié)果與之一致。Hui Yu等[32]研究表明，雜交品種比本地品種各器官Cd的含量高，可能是因?yàn)楸镜仄贩N已經(jīng)適應(yīng)當(dāng)?shù)氐臏囟取穸燃肮庹涨闆r；因長(zhǎng)期生長(zhǎng)在Cd地質(zhì)高背景地區(qū)[12]，根系對(duì)Cd的感應(yīng)能力較差，而雜交品種選育環(huán)境與推廣環(huán)境有差異，特別是土壤中Cd2+與Ca2+含量差異較大，因此雜交品種對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中Cd2+與Ca2+感應(yīng)能力較強(qiáng)，雜交品種對(duì)Cd的吸收速率大于本地品種。Li Kun等[33]研究表明，在輕微Cd污染區(qū)，低富集Cd水稻品種稻米中Cd含量超標(biāo)，可能是篩選研究環(huán)境因子不同引起的，即各水稻品種對(duì)Cd積累受地力條件、農(nóng)藝性狀及溫度濕度等環(huán)境因子的影響，故水稻對(duì)Cd的吸收可能還受溫度、濕度、光照及土壤中Ca2+濃度等因素的影響。

圖9 不同水稻品種苗期長(zhǎng)勢(shì)情況Fig.9 Growth situation of different rice varieties in seedling stage

4 結(jié) 論

通過(guò)水培試驗(yàn)，探究Cd脅迫下添加Ca2+對(duì)水稻苗期Cd積累的影響，初步得到以下結(jié)論：

1) 在Cd脅迫下Ca能夠顯著降低水稻根系、葉鞘及葉片中Cd含量，且在2 g/kg處理下降Cd效果最為顯著；

2) 在Cd脅迫下各水稻品種對(duì)Cd的吸收能力有明顯差異，強(qiáng)弱關(guān)系為：宜香優(yōu)2115>C兩優(yōu)華占>紅優(yōu)2號(hào)>黑糯72，雜交品種比本地品種Cd吸收能力強(qiáng)；

3) 水稻根系、葉鞘及葉片中Cd的含量關(guān)系為：根系>葉鞘>葉片，且根系對(duì)葉鞘及葉片中Cd與Ca含量均有顯著影響。