铁和锌介导的水稻（Oryza sativa L.）茎-叶-籽途径中镉的转运调控

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Iron and zinc-mediated regulation of cadmium transport in the rice ( Oryza sativa L.) stem-leaf-grain pathway

水稻Fe/Zn预处理联合分蘖期补充抑制镉积累的机制研究。通过盆栽和营养液实验发现，种子期100μM Fe+0.75μM Zn预处理结合分蘖期补充，使籽粒镉含量降低66%（0.38→0.13 mg/kg），显著优于单一处理。机理包括：1）增强根系铁膜形成（Fe plaque），增加根表面积51%；2）减少游离态镉（水溶有机酸结合态Cd下降67%）；3）代谢调控，升高抗氧化物所有抗（+63%）、2,3-二羟基苯甲酸（+63%）等，降低毒性代谢物羟基苯甲酸（-46%）。该策略兼具生产增效（增产8%）和环境友好特性，为镉污染稻田安全稻米生产提供新方案。

　　铁和锌在水稻中对镉的转运具有显著的抑制作用，但其具体作用机制尚未完全阐明。本研究通过盆栽和水培实验，探讨了铁/锌协同施用对水稻中镉积累与转运的影响。在分蘖期施用铁-锌处理，能够将稻米中的镉含量降低66%（从0.38降至0.13毫克/千克，P<0.01），这一效果超过了仅在幼苗期进行预处理所实现的17%的镉减少率。铁-锌协同处理显著降低了叶片中的可溶性镉组分，具体表现为水提取的镉（水溶性有机酸结合）和氯化钠提取的镉（果胶/蛋白质结合）分别减少了67%和50%。铁和锌的存在促进了铁膜的形成和纤维根系的发展，扩大了根系横截面积51%（增加337平方厘米），增加了纤维根数量27%，以及长度3.9倍。代谢分析揭示了植物激素通路的改变，具体表现为所有antoine和2,3-二羟基苯甲酸含量分别增加了63%，而苏氨酸和羟基苯乙酸含量分别减少了30%和46%（P<0.05），这可能缓解了镉的毒性。将铁-锌预处理与分蘖期的补充施用相结合，通过物理屏障（铁膜）、化学固定（减少可溶性镉）和代谢调节三方面有效限制了镉的移动性，同时提升了微量元素含量。这一策略为减少污染稻田中与镉相关的食品安全风险提供了实用的农业解决方案。

镉是一种自然界中最具危害性的重金属之一，它在自然环境中具有极长的生物半衰期（超过20年）。镉污染已成为全球性的环境问题，威胁着粮食安全，并通过食物链的生物累积对人类健康构成显著风险。在中国，农田中镉的特定污染率已达7.0%。镉毒性会引发植物叶片黄化、坏死、萎蔫、根系伸长受阻以及生物量减少等问题。食物是人体非职业镉暴露的主要来源。镉在人体内可能积累为镉-硫蛋白，最终导致器官功能衰竭。土壤中镉的污染不仅影响土壤健康，还会直接加剧水稻种植过程中镉的积累问题，导致稻米中镉含量超标，这已成为一个日益严重的环境和健康问题。

水稻是亚洲-太平洋地区人口的主要粮食作物，其对镉的吸收能力使得镉污染成为该地区重要的环境和健康挑战。水稻被广泛认为是吸收镉能力最强的主食作物之一，东南亚地区超过40%的膳食镉摄入来自稻米。通常，农田重金属污染的治理主要采用两种策略。第一种策略旨在改变土壤中镉的形态，限制其迁移，这可以通过添加原位土壤钝化剂、选择低吸收率的水稻品种或喷洒叶面抗性剂来实现。第二种策略则聚焦于直接减少土壤中的镉含量，通过提取镉、降低土壤镉容量等方法，如电化学淋洗、客土法或植物修复。然而，第一种方法可能导致重新污染，而第二种方法则需要较长的修复周期，并占用大量农田。这些因素显著影响农业生产，不容忽视。

镉（Cd2?）可以通过根表皮细胞间的扩散或通过根毛中的转运蛋白介导的吸收进入水稻根系。进入根毛后，镉会通过胞间连丝横向运输至维管柱，随后进入木质部并向上运输。在茎节处，镉会通过分散的维管束从木质部转移到韧皮部，从而促进其在茎和叶片中的分布。某些研究表明，镉可能通过共享的转运蛋白同时进入植物体内，与必需营养元素如锌和铁产生竞争和拮抗作用。营养元素的施用可以显著减少水稻中镉的积累。例如，硅可以上调OsLsi1基因，从而通过质外体竞争减少镉的吸收，并增强镉在半纤维素复合物中的固定，同时激活SOD/POD抗氧化酶以对抗镉诱导的活性氧（ROS）。

在一项关于镉去除效果的前期研究中，我们测试了不同浓度的铁和锌处理（40、100、200微摩尔，以及0.38、0.75、1.5微摩尔的锌处理），并观察到100微摩尔铁和0.75微摩尔锌的组合处理效果最佳。研究结果表明，富集铁和锌的水稻幼苗可以显著抑制镉的积累，主要通过抑制根系吸收和阻断向上运输。然而，仍需进一步研究其对稻米积累和整个生长周期的影响。本研究通过水培和盆栽实验，对幼苗期铁-锌预处理和分蘖期补充施用的效果进行了分析，以探讨其对镉沿茎-叶-稻米路径转运的影响。同时，我们监测了水稻组织中镉的形态、氨基酸、低分子量有机酸以及根系分泌物的变化。研究旨在通过调节水稻中的铁和锌含量，限制镉的积累和转运，特别是稻米中的镉含量，并阐明镉在水稻组织中的滞留模式。这种基于营养元素的策略为在镉污染土壤中实现安全的水稻种植提供了环境友好的解决方案。

在本研究中，对水稻的处理包括幼苗期的铁-锌预处理和分蘖期的补充施用。实验设计包括对照组（A1）、富集组（A2）以及在分蘖期补充铁-锌的富集组（A2+）。这些处理被用于分析镉在水稻不同部位的积累情况。所有实验均在独立的实验中进行三次重复，以确保数据的可靠性。实验过程中采用了统一的施肥和水分管理方法，以保证实验条件的一致性。镉污染土壤取自长沙市的北山镇，是一种典型的砂质稻田土壤。测试土壤的理化性质包括pH值为5.4，有机质含量为27.9克/千克，阳离子交换容量（CEC）为9.22毫摩尔/千克，Olsen-P为32.3毫克/千克，可溶性钾为105毫克/千克，可溶性氮为141.6毫克/千克，总镉含量为0.83毫克/千克，可提取镉为0.45毫克/千克。整个水稻生长期间，盆栽中的土壤含水量保持在60%-70%。

在分蘖期，铁-锌富集的水稻（A2）表现出较低的镉积累，特别是在铁膜、根系和秸秆中。铁-锌富集的水稻显著降低了根系中的镉含量（从15.4毫克/千克降至5.5毫克/千克，P<0.01），而与对照组（A1）相比，铁膜和秸秆中的镉含量分别减少了35%和50%（P<0.05）。实验结果表明，铁-锌富集的水稻在分蘖期有效减少了镉的积累，为后续的镉转运研究奠定了基础。

水稻幼苗的生长和产量分析显示，外源施用铁和锌显著促进了水稻幼苗的生长。A1（对照）和A2（富集处理）的植株高度分别约为18厘米和22厘米，表明A2的生长比A1增加了22%（P<0.05）。A2的根长比A1增加了40%。此外，处理组的茎和叶片比对照组更为发达，叶片颜色更加鲜绿。实验结果还表明，处理后的植株产量显著增加，其中A2的产量比A1提高了8%，而A2+（分蘖期补充铁-锌的处理）的产量达到28克/盆，比A1增加了29%。A1和A2+之间的产量差异具有显著性（P<0.05），进一步验证了铁-锌富集处理对水稻产量的积极影响。

在成熟期，镉的吸收和转运受到显著影响。A2+处理显著降低了稻米和茎中的镉含量，相较于对照组（A1），稻米中的镉含量减少了66%，达到0.13毫克/千克。此外，分蘖期补充铁-锌的处理还显著降低了根系和叶片中的镉含量，而在稻米和谷壳中的镉含量则有所下降。值得注意的是，不同处理组的秸秆和根系中的镉积累量与谷壳和糙米中的镉积累量相当。铁-锌富集的水稻（A2）在成熟期有效减少了糙米和茎中的镉含量，而分蘖期补充铁-锌的处理（A2+）进一步降低了茎和根中的镉含量，并使糙米和谷壳中的镉含量减少了一半以上。这些结果表明，外源施用铁和锌能够有效减少水稻中镉的积累，特别是在稻米中。

通过分析镉在不同形态下的分布，我们发现铁-锌处理显著影响了镉的形态。在B2（铁-锌+镉处理）中，乙醇可提取的镉含量比B1（对照+镉处理）增加了18倍，而水可提取的镉含量减少了67%（P<0.01）。氯化钠可提取的镉含量减少了50%（P<0.05），盐酸可提取的镉含量减少了37%（P<0.05），而残留镉减少了92%（P<0.01）。相比之下，醋酸可提取的镉含量增加了20%。值得注意的是，水和氯化钠可提取的镉组分共同构成了总镉含量的85%，而乙醇和醋酸可提取的组分仅占6%。这表明，铁-锌处理能够促进镉向更稳定的低迁移性复合物的固定，从而有效降低其在植物体内的移动性和毒性。

在根系分泌物、根系和茎叶中，氨基酸和低分子量有机酸的含量也发生了显著变化。铁-锌处理显著降低了15种氨基酸（如天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、组氨酸、甘氨酸、苏氨酸、精氨酸、丙氨酸、酪氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸、亮氨酸和赖氨酸）的积累，其中水提取的镉含量减少最多。根系分泌物中，铁-锌处理显著降低了某些氨基酸的积累，如谷氨酸和苏氨酸。这些变化可能反映了铁-锌富集水稻在应对镉胁迫时的代谢调节机制。同时，根系分泌物中的一些有机酸，如尿苷和2,3-二羟基苯甲酸，其含量在铁-锌处理后显著增加，而羟基苯乙酸的含量则减少。这些代谢变化可能与镉的毒害缓解有关，表明铁-锌处理能够通过调控代谢途径，增强水稻对镉的耐受性。

此外，铁-锌处理对水稻的代谢通路产生了显著影响。在镉胁迫下，水稻的叶绿素和类胡萝卜素含量显著增加，表明铁-锌处理能够促进光合作用相关代谢产物的积累。叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和叶绿素总含量在铁-锌处理后分别增加了40%、80%和1.2倍，这表明铁-锌富集的水稻在光合作用和代谢调节方面具有更强的能力。这些变化可能有助于缓解镉对水稻的毒害，提高其在镉污染土壤中的生长性能。

铁-锌处理对水稻根系形态的影响也值得关注。铁-锌富集的水稻根系表现出更强的生长能力，其根系横截面积增加了51%（从652增加到989平方厘米），纤维根数量增加了27%，而纤维根长度增加了3.9倍。这些变化表明，铁-锌处理能够促进根系的发育，增强其对镉的固定和转运能力。同时，铁-锌处理还减少了根系末端的细胞脱落，改善了根系的结构和功能。这些结果表明，铁-锌处理不仅能够通过物理屏障（如铁膜）限制镉的吸收，还能通过化学固定和代谢调节等机制，有效降低镉的移动性和毒性。

本研究的结果表明，铁和锌的协同作用在缓解镉污染方面具有重要的应用价值。通过在幼苗期和分蘖期分别施用铁-锌，可以显著降低水稻中镉的积累，特别是在稻米中。这种“预防+阻断”的双重策略能够有效减少镉的迁移，提高水稻的产量和质量。此外，铁-锌处理还能够通过调控代谢通路，增强水稻的抗氧化能力，减少镉诱导的氧化应激，从而提高其在镉污染环境中的生存能力。这些发现为在镉污染稻田中实现安全的水稻种植提供了理论依据和技术支持。

综上所述，铁和锌的协同作用在水稻镉污染治理中具有重要意义。通过在不同生长阶段施用铁-锌，可以有效减少镉的吸收和转运，同时促进水稻的生长和产量。这种基于营养元素的策略不仅能够提高水稻的镉耐受性，还能通过调控代谢通路，增强其抗氧化能力，减少镉对植物的毒害。未来的研究可以进一步探讨这些代谢产物和功能氨基酸在缓解镉胁迫中的具体作用机制，以期为水稻镉污染治理提供更加全面的理论基础和技术方案。