渗氧调控对水稻吸收土壤Cd的影响及其机制研究

Cadmium (Cd) contamination in paddy soils and rice is an important environmental problem in China. For large areas of moderately or slightly Cd-polluted paddy soils , taking measures to reduce soil Cd uptake by crops are critical for reducing health risks. Radial oxygen loss (ROL) from rice roots can limit Cd uptake and decrease Cd accumulation in rice grains. Therefore, it is possible to control Cd uptake by rice through ROL regulation. However, until now very few related information has been reported. the mechanisms and effects of ROL regulation on Cd uptake by rice are poorly understood. We previously demonstrated that rice genotypes with higher ROL accumulated lower Cd concentrations. The objectives of the present study were to investigate iron plaque oxidizability or adsorption on the root surface; rhizosphere microorganism composition; and interactions between Cd, Fe, Mn, and Zn and cation transmembrane root transport under several conditions. We investigated different cultivars with higher and lower ROL, various water management protocols. The effects of these variables on Cd uptake from soil in rice will be discussed and the molecular mechanism of these differences will be described. Our results provide useful information and a theoretical basis for the development of techniques that enhance ROL in rice roots and reduce the health risks posed by Cd-contaminated rice.

我国稻田土壤Cd污染及大米Cd超标是急需解决的重要环境问题。面对大面积受中、低度Cd污染的水稻田，降低水稻对土壤Cd的吸收及大米的Cd积累是实施过程阻断、控制健康风险的理想途径。渗氧能够限制水稻对土壤Cd的吸收、降低籽粒Cd积累，因此，通过渗氧调控有可能可以控制水稻对土壤Cd的吸收。但相关研究却鲜见报道。本项目拟在前期研究筛选出的高渗氧低Cd积累水稻品种和低渗氧高Cd积累水稻品种基础上，研究不同渗氧调控措施（高/低渗氧品种、不同水分管理）对水稻吸收土壤Cd的影响，并从根表铁膜氧化能力和吸附能力、根际微生物、根际金属Cd、Fe、Mn、Zn相互作用与跨质膜转运等方面，探讨不同渗氧调控措施对水稻吸收土壤Cd的影响机理，揭示其分子机制，为通过提高根部渗氧能力以降低水稻Cd吸收提供理论依据，从而开辟一条通过渗氧调控来控制水稻Cd风险的新途径。

我国稻田土壤Cd污染及大米Cd超标是急需解决的重要环境问题。面对大面积受中、低度Cd污染 的水稻田，降低水稻对土壤Cd的吸收及大米的Cd积累是实施过程阻断、控制健康风险的理想途径。渗氧能够限制水稻对土壤Cd的吸收、降低籽粒Cd积累，然而其相关机理还不清楚。本项目拟在前期研究筛选出的高渗氧低Cd积累水稻品种和低渗氧高Cd积累水稻品种基础上，研究不同渗氧调控措施（高/低渗氧品种、水分管理、光照强度）对根表铁膜氧化能力、根际微生物、根际金属Cd、Fe、Mn、Zn相互作用与跨质膜转运的影响，探讨这些影响与水稻吸收土壤Cd的关系，并弄清其分子机制。研究发现不同品种、不同水光管理下水稻对Cd的吸收存在明显差异，水稻根系渗氧高的品种在淹水光照条件下对Cd的积累较低，表明通过特殊的水稻品种筛选以及采取合理的水光管理措施，能够降低Cd污染稻田中稻米的Cd含量。研究还发现渗氧较高的品种其根际微生物优势群的丰度较高，地上部的转移系数以及茎叶对Cd的积累较低。在两个生长时期两个品种在淹水条件下，渗氧较高，根际微生物变形菌门和嗜酸菌门在门水平的丰度也较高，其地上部对Cd的积累也较低。在淹水处理下，相对于排水处理，根表铁膜中Cd含量明显升高，而水稻体内的POD活性明显降低。不同水光管理不同品种根际pH和Eh存在明显差异，尤其在生长后期。淹水条件下的pH低而Eh高。在水稻生长后期淹水时茎OsHMA2的表达量低于排水时的表达量；而水稻茎叶Cd含量和根向茎叶的转运也较低。随着Cd处理浓度和生长期的增加，OsHMA2的表达量增加，植物对Cd的积累也增加。渗氧能力强的水稻品种，以及增强渗氧能力的环境因素能够使得水稻释放更多的渗氧到根际，从而改变根际pH、Eh，进而改变重金属的形态，以及植物组织的相关基因表达，进而降低了水稻地上部对Cd的积累。实验结果为筛选水稻低累积品种和高渗氧调控方式提供理论依据。