水分管理影响水稻植株内镉分布与转运的机理研究

The suitable irrigation management is one of emergency measures to reduce the accumulation of cadmium in rice grain in polluted paddy field. This study will carry out to reach the mechanism of absorption, complication and transport of Cd in rice plants under different water managements (long-term flooding irrigation, water-saving irrigation, stage-drought irrigation). To study the relations between irrigations management and rice root absorbing ability, by analysis the composition and the content of root exudates, effect on Soil Cd availability, rhizosphere iron oxide film on the iron content; To study the complexing detoxification mechanism of non-economic organs and defense mechanism of economic organs, through the analysis on distribution of Cd in rice plant cells, chemical speciation and complex physiological enzyme activity; To study the effect of irrigation managements on the structure in spike neck tissue and the transport of cadmium in rice plant, through the cut off the source or sink tissues. This study is aim to provide a theoretical basis for madding suitable irrigation managements to reduce the absorption capacity of Cd in rice root and the transport capacity, consequently, reduce the accumulation of cadmium in rice grain.

采用适宜的水分灌溉模式以减少重金属镉在水稻籽粒中的积累量是降低镉污染稻田的米镉暴露风险的应急性措施之一。本研究拟在不同水分管理条件下（长期淹水灌溉、湿润灌溉、阶段性湿润灌溉），通过分析根系的分泌物组成与含量对土壤镉的有效性、根际铁氧化胶膜含铁量的影响，研究水分管理与水稻根系吸收能力之间的关系；采用分级离心法分析镉在植物细胞内的分布与存在的化学形态、测定与镉络合相关的生理酶活性，研究水稻植株非经济器官内对镉的络合解毒机制和经济器官的防卫机制；剪除源或库组织，分析水分管理对穗颈组织结构及镉的迁移转运的影响。为制定适宜的水分灌溉模式以提高根系、茎叶等器官对镉的吸附与络合能力，降低转运能力，最终减少镉在籽粒中的积累量提供理论依据和技术支持。

稻田土壤镉污染已经成为我国，特别是南方，影响水稻安全生产的重大挑战，这也是一项世界性难题。针对我国目前土壤的污染特点，在不能改种条件下，只能通过各种农艺技术措施调控土壤Cd的有效性和镉在水稻植株体内的迁移率，以降低米镉含量。在各项技术措施中，进行淹水管理，特别是抽穗以后，对降低米镉含量的作用最大，然而，长期淹水灌溉不利于水稻获得高产，及可能导致稻田土壤潜育化。为此，通过研究水分管理对水稻吸收与转运镉的机理机制，以制定即有利于高产，又能有效降低稻米中的镉含量的水分管理技术，是急需解决的问题。本研究选择不同吸镉能力的水稻品种，在大田和盆栽条件下，系统地分析了土壤污染程度、生态环境等因素对淹水灌溉的降镉效应的影响，发现在大面积应用水分管理时，通过优化淹水管理，可以在不降低水稻产量的前提下，又能使米镉含量降低30%左右；通过分析水稻关键生育期的镉含量与分布规律，发现淹水管理不仅仅能有效降低稻米中的镉含量，还能降低镉从根系向地上部、茎叶向籽粒中转运能力，可能的原因是淹水灌溉增加了镉在细胞壁中的比例，抑制了镉的二次分配与转移；高通量测序技术较全面和准确的反映了不同水分管理下稻田土壤微生物群落结构在门、纲、目、科、属五个水平上的分布，在不同水分管理下微生物群落多样性的表征方面具有明显的优势。随着稻田土壤含水量的减少，稻田土壤微生物群落的物种丰富度呈降低趋势，微生物群落的多样性逐渐降低。相关性分析的结果表明，灌浆期土壤镉含量与稻田土壤微生物群落结构的相关性最大。根据本项目的主要研究结果而起草的湖南省技术规程《酸性镉污染稻田安全利用技术规程－水分管理技术》，2014-2017年连续四年在湖南省的一千多万亩镉污染稻田中得到了应用，生产出一千多万吨合格的稻谷。