硒缓解水稻累积镉的根际调控机制研究

Cadmium (Cd) is one of the most harmful and widespread pollutants in agricultural soils. The issue of "cadmium rice" has become an attention focus, and it is urgent to develop reliable approaches to prevent Cd accumulation in rice, and to improve rice quality and ensure food security. Selenium (Se) is an essential element for humans and animals, and the antagonistic mechanism existed between Se and other heavy metals can reduce heavy metals uptake by plant. This research is conducted via hydroponic experiment, pot experiment and field experiment to investigate the effect of selenium on cadmium uptake, translocation and allocation in rice. The root division system, compartmented soil-quartz sand culture system, the extractive technique of soil solution, X-ray fluorescence (XRF), X-ray absorption near edge structure (XANES) and speciation analysis technique are used to reveal the rhizosphere process and its mechanism of selenium reducing the cadmium accumulation in rice. We aim to provide theoretical basis for developing strategies to reduce cadmium contents and to raise selenium contents in rice, to ensure food safety.

镉是农田土壤中危害最大、影响最广的重金属，近年来，"镉米"已成为社会各界关注的焦点。抑制水稻对土壤中镉的吸收，降低稻米中镉含量、提高稻米品质、保障食品安全是目前急需解决的问题之一。硒是人和动物必需的微量营养元素，能够与多种重金属元素产生拮抗效应，降低植物对重金属的吸收。本研究从当前"镉米"焦点问题出发，以硒与镉的拮抗效应为切入点，采用水培试验、盆栽试验和大田验证试验，通过分根试验、土壤-石英砂联合培养、根际土壤溶液原位提取、XRF、XANES、形态分析等技术方法，研究外源硒对水稻吸收，转运和分配镉的影响，揭示硒抑制水稻对镉的吸收累积机制和根际调控机制，为降低稻米中镉含量，提高稻米硒水平，提高水稻产量和品质提供理论依据。

"镉米"已成为社会各界关注的焦点，降低稻米中镉含量、提高稻米品质、保障食品安全是目前急需解决的问题之一。硒是人和动物必需的微量营养元素，能够与多种重金属元素产生拮抗效应。本研究从当前"镉米"焦点问题出发，以硒与镉的拮抗效应为切入点，采用水培、盆栽和大田验证试验，通过根际土壤溶液原位提取、形态分析等技术方法，研究了硒对植物吸收、转运和分配镉的影响机制，以及植物抗氧化系统对镉胁迫的响应。同时运用高效液相色谱-紫外原子荧光分光光度计分析了硒在植物体内的形态转化。试验结果表明，营养液培养条件下，短时间处理时，硒的添加对水稻镉吸收无显著影响；处理时间增加后，外源硒的添加和硒预处理均显著降低了水稻对镉的吸收和向地上部的转运。硒的添加促进了镉在植物根部细胞壁或液泡（细胞可溶组分）的沉积，从而导致细胞器的分配比例降低，向木质部的运输降低，且亚硒酸盐的降低效果优于硒酸盐。在小麦和蔬菜（生菜和油菜）上也表现出相似的结果。但是，添加硒酸盐对蔬菜镉转运有增加的趋势，硒代蛋氨酸在植物体内的含量及其与硒酸根的相对比例是控制硒处理促进或抑制镉在油菜地上部累积的关键因素。硒可以降低镉引起的植物丙二醛和过氧化氢含量的增加，提高超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和抗坏血酸过氧化物酶等主要抗氧化酶的活性，从而缓解镉引起的氧化胁迫。盆栽试验结果表明土壤淹水显著降低了酸性土壤（pH 5.25）溶液中的镉含量和水稻对镉的积累，而对碱性土壤（pH 7.26）中镉的影响较小，尤其在成熟期时无显著差异；碱性土基施亚硒酸盐（0.5和1.0 mg kg-1）降低了土壤溶液和水稻植株中的镉含量，而酸性土加硒降低了苗期水稻的镉含量，在成熟期对水稻镉累积无显著影响。田间试验结果表明，在分蘖期和孕穗期对水稻叶面喷施硒肥（15 g Se hm-2），可以有效地提高水稻籽粒对硒的累积，降低水稻籽粒镉含量，且籽粒中的镉含量与硒含量呈极显著负相关。上述研究成果揭示了硒对植物吸收、转运及累积镉的影响机制，研究结果为降低粮食和蔬菜作物镉污染，提高作物品质，保障农产品安全和人民身体健康提供了重要的理论依据。