水稻品种间根系氧化及有机酸分泌特性的差异及其对镉铅吸收的影响机制

以农田中污染范围广及污染程度高的重金属污染元素镉（Cd）、铅（Pb）为研究对象，在九年前期研究的基础上，选用六个对土壤中Cd、Pb吸收、分配及籽粒Cd、Pb浓度差异显著的典型水稻品种为材料，从多个角度研究水稻品种间吸收、分配Cd、Pb存在差异的主要生理机理，包括：①水稻品种间根系氧化特性的差异及由此产生的根际氧化还原状况、根表铁锰氧化物胶膜积累量的差异与品种间Cd、Pb吸收能力存在差异的关系；②水稻品种间根系有机酸分泌特性的差异与品种间Cd、Pb吸收、分配特性存在差异的关系。③Cd、Pb在水稻不同品种植株体内存在的化学形态及亚细胞分布与品种间Cd、Pb向籽粒分配比例存在差异的关系。研究成果可为Cd、Pb污染地区降低稻米污染的水稻品种选育、相关减污理化措施及栽培技术措施的运用提供科学依据和材料。

研究选用6个对土壤中Cd、Pb吸收、分配及籽粒Cd、Pb浓度差异显著的典型水稻品种为材料，从根系氧化特性、有机酸分泌特性及Cd、Pb在植株体内存在的化学形态及亚细胞分布等多个角度研究了水稻品种间吸收、分配Cd、Pb存在差异的主要生理机理，结果表明：（1）不同品种间根系氧化力和土壤氧化还原电位存在显著差异，品种的根系氧化力及土壤氧化还原电位与该品种对Cd、Pb的吸收能力间存在显著或极显著的相关性，根系氧化力强及土壤氧化还原电位高的品种，吸收Cd、Pb的能力强。其机理可能为：根系氧化力强 → 根际土壤氧化还原电位高 → 土壤中Cd、Pb的植物有效性高 → 根系吸收的Cd、Pb多。而水稻根表铁锰氧化胶膜的形成可能会阻碍根系对Cd、Pb的吸收。该研究结果也通过改变土壤水分供应调节土壤氧化还原状况的试验进行了验证。（2）不同品种间根系低分子量有机酸的分泌能力有显著差异, 而且土壤Cd、Pb处理会改变不同品种根系分泌有机酸的能力，结果造成品种间的差异更大。不同品种根系低分子量有机酸的分泌能力与Cd、Pb的吸收能力间相一致，吸收积累能力强的品种，根系分泌低分子量有机酸的能力也强。说明高积累Cd、Pb品种的根系能分泌较多的低分子量有机酸，与Cd、Pb结合成溶解性和移动性较强的结合体，且降低土壤的pH，从而增加土壤中Cd、Pb的植物有效性，促进根系对Cd、Pb的吸收。该研究结果也通过外源添加有机酸的试验进行了验证。（3）水稻根系吸收的Cd向地上部的运输与根中Cd存在的化学形态及Cd在根组织中的亚细胞分布有一定关系，但关系较复杂。水稻根系吸收的Pb向地上部的运输与根中乙醇提取态及残留态Pb的分布比例密切相关，与根中去离子水提取态和盐酸提取态Pb的比例及根组织中Pb的亚细胞分布有一定关系。Cd、Pb由茎叶向穗部或籽粒的运输与茎叶中乙醇提取态、去离子水提取态、残留态及盐酸提取态Cd、Pb的比例密切相关，与Cd、Pb在茎叶细胞壁及可溶性组分中的分布比例也密切相关。研究表明，水稻品种间根系氧化特性及有机酸分泌特性的差异是品种间Cd、Pb吸收能力存在差异的主要生理机制，品种间Cd、Pb在茎叶中存在的化学形态及亚细胞分布的差异是影响Cd、Pb由茎叶向籽粒运输的主要生理机制，而Cd、Pb在根组织中存在的化学形态及亚细胞分布与Cd、Pb由根系向地上部的运输间关系较复杂，需要进一步研究。