鎘在不同基因型水稻根系的分布及轉運特征.pdf

1、我國農(nóng)田土壤鎘等重金屬污染問題日趨嚴重，是威脅我國農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)的最主要環(huán)境問題之一。鎘在土壤-作物系統(tǒng)中移動性強，容易通過食物鏈的作用進入人體內(nèi)危害人體健康。水稻（Oryza sativa L.）是我國最主要的糧食作物，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當前中輕度農(nóng)田土壤稻米安全生產(chǎn)問題的有效途徑，但這都有賴于深入揭示水稻籽粒對鎘的吸收與積累機制。然而，目前有關水稻對鎘的吸收、轉運與積累機制尚不完

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，綜合運用同步輻射X射線熒光光譜(SR-XRF)、電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)以及實時熒光定量PCR等技術手段，比較研究了籽粒鎘高積累基因型(HA)和低積累基因型(LA)水稻根系對鎘的吸收、積累與轉運的差異，以期為揭示水稻地上部積累鎘的生理生化與分子機制奠定基礎。研究取得的主要結果如下:
　　1、通過溶液培養(yǎng)實驗，采用ICP-MS和qRT-PCR等技術分析比較了

3、兩種基因型水稻根系對鎘的吸收與轉運特征的差異及其與籽粒鎘積累之間的關系。水稻根系對鎘吸收的時間動力學結果表明，鎘高積累基因型水稻根系對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運鎘的速率顯著高于后者。對木質部汁液中鎘的含量分析也進一步證實了高積累基因型水稻根系木質部對鎘的裝載速率要顯著高于低積累基因型?？梢姡叻e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鎘的高效木質部裝載速率及鎘向地上部快速轉運的能力，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胞中鎘相關的液泡膜基因OsHMA3表達量顯著上調(diào)，而在高積累基因型水稻根系OsHMA3的表達量顯著下調(diào)或無明顯變化。相反，后者根系中介導木質部裝載過程的鋅、鎘基因OsHMA2顯著上調(diào)，這說明鋅、鎘基因OsHMA2可能介導了籽粒鎘高積累基因型水稻根系木質部對鎘的裝載過程。進一步研究發(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運鎘的能力，尤其是對低積累基因型水稻而言。上述結果均表明，水稻籽粒對鎘的高量積累主要與其根系向地上部轉運鎘的能力密切相關，而根系木質部對鎘的快速裝載過程極可能由高量表達的鋅鎘轉運子OsHMA2介導。
　　2、采用ICP-MS和SR-XRF技術研究比較了兩種基因型水稻根系中鎘在組織與細胞水平上的微區(qū)分布特征。結果表明，鎘在不同根部位的積累量有明顯差異，無論在短期(24 h)鎘處理還

6、是長期(7 d)鎘處理條件下，側根中鎘的含量均遠遠高于其他根區(qū)，說明側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，而隨著鎘處理時間延長至7d，鎘低積累水稻側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根吸收的鎘更多地通過木質部運輸被轉移到了地上部所致。根系整體鎘的XRF分布圖像進一步證

7、實了上述結果，表明隨著鎘處理時間的延長兩種基因型水稻鎘積累差異逐漸加大。為進一步探究鎘在根系細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，高積累水稻側根區(qū)中鎘在中柱的集中分布更為明顯?？梢姡k高積累水稻根系吸收的鎘更容易進入中柱的木質部區(qū)域，進而裝載到木質部導管轉運到地上部。綜上所述，水稻根系不同區(qū)域對鎘的吸收能力不同，而側根是其大量吸收鎘的最主要區(qū)域，且水稻籽粒對鎘的積累能力與鎘