镉对不同水稻品种叶片矿质元素含量的影响

张亚东 杨仁杰 刘海学 李永俊

（1.天津农学院农学与资源环境学院，天津 300384；2.天津市绿丰园艺新技术开发有限公司，天津 300380）

镉（Cd）是一种对动植物具有极强毒性的重金属元素，因高移动性、高毒性和污染面积最大被列为污染的“五毒之首”［1］。虽然植物体内的矿质元素含量较少，但是对植物有至关重要的作用；Cd 极易被植物体吸收积累，阻碍植物对矿质元素的吸收［2］。

目前，国内外就Cd对水稻影响机制的研究主要集中在水稻生长发育、水稻耐镉性的生理生化机制、遗传机理及分子生物学研究等方面，但是就Cd对矿质元素吸收影响方面的研究具有较大差异，目前没有明确一致的结论［3］。为了探究Cd对水稻吸收重要矿质元素的影响，本试验选取了常见的29种水稻品种，在0.5mg/kg的Cd胁迫下培养后，进行Fe、铜（Cu）、锰（Mn）、钾（K）、Ca、钠（Na）、Zn 和锰（Mg）8 种矿质元素检测，以期为耐Cd 品种的选育、Cd对水稻矿质元素吸收影响的研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为天津农学院实验室保留的29 种水稻品种（品系），分别为铁秆乌（1）、台山糯（9）、陆财号（14）、南雄（20）、柳叶粘（34）、矮脚早（37）、香稻（42）、旱麻稻（43）、津原45（45）、竹珍B（58）、青四矮16B（64）、粳7623（72）、柳沙1号（80）、津原89（89）、津原香98（98）、天农粳518（518）、金稻777（777）、C2106恢复系（C2106）、C34恢复系（C34）、C418恢复系（C418）、津原E28（E28）、天津农学院品系1（P1）、天津农学院品系2（P2）、天津农学院品系3（P3）、天津农学院品系4（P4）、天津农学院品系5（P5）、津原U99（U99）、津川1 号（C1）和津原黑1 号（H1）。括号内的数字和字母表示水稻品种（品系）代号。

1.2 材料培养

采用水培法，以木村营养液为基础，对培养至三叶一心期的水稻幼苗进行Cd 处理，加入浓度0.5mg/L 氯化镉（CdCl2）溶液，以只经过营养液处理的水稻（CK）作为对照，重复3次。

1.3 矿质元素测定

用TAS-990 AFG型原子吸收分光光度计测定Fe、Zn、Cu、Ca、Mn和Mg，用火焰离子分光光度计测定K和Na。

1.4 数据统计分析

试验采用Excel 2016 和SPSS20 进行数据的处理与分析。相对含量计算公式如下：相对含量=（胁迫后矿质元素含量-胁迫前矿质元素含量）/胁迫前矿质元素含量。

2 结果与分析

2.1 镉对水稻叶片矿质元素含量的影响

由表1可知，总体来看，水稻叶片中Fe含量呈现上升趋势，增幅为7%～130%，其中粳7623 增幅最大，增加了130%；水稻叶片中Mn、Zn 含量呈现下降趋势，降幅为7%～67%和1%～46%，津原黑1 号Mn 含量变化幅度最大，降低了67%，陆财号Zn 含量变化最大，降低了46%；水稻叶片中其余矿质元素含量变化趋势不明显。水稻叶片中Zn、Cu、Ca、Mn、K 和Na 的含量变化幅度分别为-46%～86%、-49%～82%、-43%～157%、-60%～99%、96%～57%和-54%～73%。

2.2 不同品种水稻矿质元素相对含量的聚类分析

近年来，热图（Heatmap）作为一种统计方法得到了广泛应用，可以将大量的数据简单聚合，以一种直观的渐进色带模式将结果展示出来，可以看出数据的疏密和频率高低程度。图1是不同品种水稻矿质元素相对含量聚类热图。由图1可以看出，Cu和Zn、Mg和Ca的相对含量具有较大的相似性，Mn和Cu相对含量的相似性最小。Mn相对含量总体小于0，呈现下降趋势；Fe相对含量总体数值大于0，呈现上升趋势；其他矿质元素变化趋势不明显。

表1 Cd处理下不同品种水稻叶片矿质元素含量和相对含量 mg/kg

（续表1）

图1 水稻叶片矿质元素相对含量聚类热图

3 讨论

经Cd 胁迫后，水稻叶片中Fe 含量表现为上升趋势，其余矿质元素变化趋势不明显，品种间具有较大的差异性，这是因为不同基因型和不同品种的水稻在应对Cd胁迫时对矿质元素的吸收存在差异［4］。Fe是叶绿素的重要组成部分，Cd 会破坏叶片中的叶绿素［5］，Cd 在伤害水稻叶片的同时可能启动了水稻的保护机制，促使水稻叶片吸收Fe 来抵御Cd 的毒害作用，最终表现为叶片中Fe 含量增加。

Zn和Cd是同族元素，二者经常以二价阳离子形式存在，化学性质具有相似性，在植物体内的积累和吸收会存在一定的相互作用［6］。这种相互作用表现为水稻进行正常的生长代谢时，Zn和Cd会竞争相同的转运蛋白，膜蛋白会优先结合对水稻生长发育起重要作用的Zn，从而抑制水稻对Cd 的吸收［7］。但是，本试验结果显示，Zn 含量整体上呈下降趋势，说明本研究所施用的Cd 浓度已抑制膜蛋白对Zn 的结合。Cu 和Cd 含量之间呈极显著的正相关［8］，这种相关性表现在Cd 含量的增加会伴随Cu含量的增加［9］。Cd 对Zn 具有抑制作用，Cd 对Cu 具有协同作用，在探究Cd 胁迫下Cu 和Zn 的关系时发现，Cu 和Zn属于同一周期的元素，同周期内的元素原子拥有相似的内层电子分布，在性质水平上具有相似性［10］。这进一步验证了本研究得出的在Cd胁迫下Cu和Zn具有相似性的结论。

Mg 和Ca 拥有最大的相似度，是因为Mg 和Ca 拥有共同的膜表面配位体和离子通道［11］。Mn 含量整体表现为下降趋势，因为Mn离子和Cd离子均为二价离子，离子半径非常接近［12］，而且植物体内的多种载体蛋白在转运Mn的同时会转运Cd，两者具有显著的竞争性，同时Cd的竞争性大于Mn［13-14］。因此，在Cd处理下，Mn的整体含量呈下降趋势。

4 结论

在Cd 胁迫下，会提高水稻叶片中的Fe 含量，最终表现为Cd会促进Fe的吸收；会降低水稻叶片中Mn和Zn的含量，最终表现为Cd 对Mn 和Zn 具有抑制作用；水稻叶片中的Cu和Zn、Mg和Ca的相对含量表现出相似性。