镉（Cd）是一种广泛存在于环境中的重金属元素，具有很强的生物毒性^[1].土壤中的Cd一方面源于矿质风化、铁锰共沉、大气干湿沉降等自然条件，另一方面也与化肥、农药和土壤改良剂的施用及污水灌溉等人为因素密切相关^[2].Cd在土壤中的活性较强，容易通过水稻根系的吸收和转运进入籽粒中，随后进入食物链对人们的健康造成威胁^[3].

水稻根系通过质外体途径和共质体途径吸收并将其转移至根系中柱中。质外体途径主要由细胞壁和细胞间隙构成的自由空间组成，不需要消耗能量，属于被动吸收；共质体途径是通过细胞内原生质流动和胞间连丝进行，属于主动吸收，需要消耗代谢能量。Cd离子主要利用载体蛋白并借助代谢能量转运到根系细胞内，之后利用胞间连丝转移至根系维管柱向地上部分转运^[4].水稻Cd高积累品种根茎各部位的Cd²⁺流速都明显大于低积累品种，是导致其根系和地上部 Cd 积累量显着高于低积累品种的主要原因^[5].水稻籽粒Cd含量的差异很大程度上受到根部吸收和向地上部转运的制约^{[6, 7]}.

水稻Cd吸收转运机制的研究结果表明，Cd是水稻生长发育的非必需元素，能通过许多金属离子兼用通道，如重金属ATP酶（Heavy metal transporting ATPase,简称HMA）、阳离子交换器[Cation（Ca²⁺）/H⁺ exchanger,CAXs]、锌铁转运蛋白（ZIP）、Mg²⁺通道、Ca²⁺和K⁺通道等进入水稻体内^{[5, 8, 9]},说明许多水稻品种对Cd的吸收和转运缺乏选择性和专化性。非选择性阳离子通道（NSCCs）普遍存在于植物原生质、液泡膜和其他内膜系统中^[10],是以阳离子的低分辨力为特征的一类离子通道，这些离子通道的本质特征是它们缺乏离子选择性，能同时允许一价和二价阳离子通过。越来越多的实验结果证明，NSCCs在植物体的营养吸收、细胞内外阳离子分布等方面发挥着重要作用^[10],它既可以转运Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、NH₄⁺、Zn²⁺、Mn²⁺等植物必需的营养元素^{[11, 12]},同时也是一些重金属阳离子Cs⁺、Pb²⁺、Hg⁺和Cd²⁺等进入细胞的途径^{[13, 14, 15, 16]},因而成为植物营养与环境方面的研究热点。研究表明，镧（La）能够抑制多种植物细胞质膜上的非选择性阳离子通道，例如，菜豆（Phaseolus vulgaris）种皮细胞和种子薄壁细胞上负责二价阳离子转运的外向整流阳离子通道^[17]、拟南芥根细胞上的电压依赖型阳离子通道和谷氨酸激活型阳离子通道^{[18, 19]}都能被微摩尔浓度的La³⁺所抑制。由于NSCCs是多种通道蛋白的集合体，对阳离子的选择性很低，很难确定单个NSCC通道与单个离子吸收之间的定量关系。但是，将NSCCs看作一个整体，利用对各种NSCCs具有抑制作用的专性抑制剂来调控NSCCs的活性，可以间接获得NSCCs对Cd转运的贡献率。因此，本研究采用镧抑制水稻体内NSCCs活性的方法，对NSCCs在水稻吸收Cd的过程中所起的作用及其不同品种间的差异进行了比较。 1 材料与方法 1.1 材料

材料为湖南广泛种植早熟籼稻品种：T优705和湘早籼24.其中T优705为高积累Cd品种，湘早籼24为低积累Cd品种^[6]. 1.2 培养与处理方法

挑取健康饱满的水稻种子，用5%次氯酸钠浸泡15 min,蒸馏水冲洗3次后置于培养皿中，于30℃的恒温黑暗培养箱中进行催芽，催芽1 d后将已萌发的种子转移至盛有Hoagland营养液的培养箱中，在人工气候室中培养至3叶期（昼：温度27.0℃、湿度40% RH、光照100%、16 h;夜：温度20.0℃、湿度65% RH、光照0%、8 h）.

参照Véry等的方法^[18],对不同浓度LaCl₃的抑制效果进行比较，发现2.69×10^-4 mg·L^-1 LaCl₃能显着抑制水稻幼苗对Cd的吸收和转运。因此，配置2组溶液进行胁迫处理，一组为含2.69×10^-4 mg·L^-1 LaCl₃的7个Cd浓度处理，其中Cd（CdCl₂·2.5H₂O）浓度分别为0、0.1、0.3、0.4、0.5、0.7、1.0 mg·L^-1;另一组为不加LaCl₃的这7个Cd浓度处理。选择长势相近的3叶期水稻幼苗，分别移入盛有8 L上述处理液的水培箱中，置于人工气候室内胁迫3 d后收获水稻幼苗。每个处理21株，3次重复。 1.3 Cd含量测定方法

用电子天平分别称量水稻幼苗地上和根系的鲜重，用0.09 mg·L^-1的CaCl₂浸泡10 min,蒸馏水冲洗3次，再用去离子水冲洗3次，于105℃烘箱中杀青20 min后，70℃烘干至恒重，再称量地上和根系的干重，剪碎，用于Cd含量测定。

准确称取烘干的材料于消煮管内，加HNO₃ 7 mL,浸泡过夜，采用消解仪ED54消煮，消煮温度控制在110℃，1.5 h后取出，自然冷却，加入H₂O₂ 1 mL,于150℃消煮2.5 h后自然冷却，最后170℃赶酸至体积为1 mL左右，消煮完成后去离子水定容到25 mL,用原子吸收光谱仪（AAS ZEEnit700）测定样品Cd含量。 1.4 数据统计及分析

水稻幼苗根系的Cd积累量随着环境中Cd浓度的升高而持续增加，高积累品种T优705根系中的Cd含量显着高于低积累品种湘早籼24（图 1A）.Cd浓度低于0.1 mg·L^-1时，两种水稻根系中Cd含量无差异；Cd浓度高于0.1 mg·L^-1时，根系中的Cd累积速率下降，但两种水稻根系中Cd含量差异越来越大，T优705的Cd含量均明显高于湘早籼24;当Cd浓度超过0.5 mg·L^-1时，根系中的Cd积累速率再次跃升，随后又进入缓慢增长期。0.3 mg·L^-1 Cd浓度下，T优705根系中Cd含量是湘早籼24的1.36倍，1.0 mg·L^-1 Cd浓度下T优705根系中Cd含量是湘早籼24的1.51倍。水稻幼苗根系的Cd积累量表现出双等温线特征。

水稻地上部的Cd含量显着低于根系，同样表现出双等温线的积累特征（图 1B）.Cd浓度低于0.1 mg·L^-1时，两种水稻地上部Cd含量无差异；在Cd浓度为0.1~0.5 mg·L^-1的环境中，湘早籼24地上部的Cd含量呈饱和状态，而T优705表现为稳定增加的趋势，两种水稻地上部中Cd含量差异越来越大，T优705的Cd含量均明显高于湘早籼24;当环境中的Cd浓度超过0.5 mg·kg^-1时，T优705和湘早籼24地上部的Cd积累量再次跃升。当溶液中的Cd为0.3 mg·L^-1时，T优705地上部Cd含量比湘早籼24地上部高9.22 mg·kg^-1,当溶液中的Cd为1.0 mg·L^-1时，T优705地上部的Cd含量比湘早籼24地上部高出14.60 mg·kg^-1,说明高积累品种对Cd的吸收转运效率高于低积累品种。

图 1 不同Cd浓度处理下根系（A）和地上部（B）Cd含量 Figure 1 Content of Cd in rice roots（A） and shoots（B） at different Cd concentrations

图选项

NSCCs具有转运多种阳离子的功能。培养液中加入2.69×10^-4 mg·L^-1的LaCl₃以后，两种水稻根系中的Cd含量明显下降（图 2A）,说明LaCl₃有效抑制了水稻幼苗根系吸收积累Cd的能力。当Cd浓度低于0.4 mg·L^-1时，两种水稻根系中的Cd含量不断增加；Cd浓度在0.4~0.7 mg·L^-1时，根系中的Cd积累量增长缓慢；当Cd浓度超过0.7 mg·L^-1时，T优705和湘早籼24根系中的Cd积累量再次迅速增加。在Cd浓度相同的环境中，T优705根系中的Cd含量仍明显高于湘早籼24,表明两种水稻对NSCCs抑制剂的敏感性有显着差异。

LaCl₃对水稻幼苗地上部Cd积累量的抑制效果非常明显，不仅Cd积累量的双等温线特征消失，而且品种间差异性明显缩小，特别是在Cd浓度低于0.5 mg·L^-1时，T优705和湘早籼24地上部的Cd积累量几乎无差异（图 2B）,说明LaCl₃有效抑制了根系中Cd向地上部的转运。

图 2 LaCl3对不同Cd浓度处理下水稻根系（A）和地上部（B）Cd积累量的影响 Figure 2 Influence of LaCl3 on Cd accumulation in rice roots（A）and shoots（B） at different Cd concentrations

图选项

培养液中加入NSCCs抑制剂后，水稻根系与地上部的Cd积累量大幅度下降。随着环境中Cd浓度的升高，NSCCs对水稻根系Cd吸收积累量的贡献率呈明显的下降趋势（图 3A）,说明环境中Cd浓度越高，NSCCs的贡献率越低。NSCCs对T优705根系中Cd积累的贡献率明显低于湘早籼24,当Cd处理浓度从0.1 mg·L^-1增加到1.0 mg·L^-1时，NSCCs对湘早籼24根系中的Cd积累贡献率从53.5%下降到26.2%,对T优705的贡献率从38.8%下降到8.9%,说明T优705根系中其他离子通道的Cd转运效率比NSCCs更高。

NSCCs对水稻幼苗地上部Cd积累量的贡献率非常高，且在高积累和低积累品种间无显着差异（图 3B）.当Cd处理浓度从0.1 mg·kg^-1增加到1.0 mg·kg^-1时，NSCCs对湘早籼24地上部的Cd积累贡献率从93.5%下降到36.8%,对T优705的贡献率从83.7%下降到32.1%,说明NSCCs对水稻幼苗地上部Cd积累量的贡献率高于根系，在较低Cd浓度处理下，水稻根系中吸收积累的Cd主要通过NSCCs转运到地上部。

图 3 NSCCs对水稻根系（A）和地上部（B）Cd积累量的贡献率 Figure 3 Contribution rates of NSCCs-mediated Cd uptake to Cd accumulation in rice roots（A） and shoots（B） at different Cd concentrations

图选项

Epstein等首先发现了大麦根系K⁺吸收过程中的双等温线特征，大麦根系中的高亲和系统对低浓度K⁺的吸收表现出饱和动力学特征，而低亲和系统对高浓度K⁺的吸收表现为另一条饱和曲线^[20].之后的一系列相关研究分别为这两种机制提供了证据，并发现高亲和吸收系统中转运蛋白起了较为重要的作用，而在低亲和系统中通道运输有重要的作用^[16].本研究发现，水稻幼苗根系和地上部的Cd积累量也表现出双等温线特征，在Cd浓度为0~0.5 mg·L^-1及0.5~1.0 mg·L^-1的两个范围内形成了两条独立的Cd吸收饱和曲线。这说明水稻对Cd的吸收也存在两种途径，即载体蛋白组成的高亲和转运系统（载体运输）和由通道蛋白组成的低亲和转运系统（通道运输）,前者主要在低Cd浓度下起作用，后者主要在高Cd浓度下起作用。

高积累品种和低积累品种的双等温线特征有明显的差异。高积累品种根系和地上部的Cd积累量随着环境中Cd浓度的增加而持续增长，但低积累品种根系和地上部的积累量很容易进入缓慢增长期（图 1）,说明高积累品种幼苗的Cd吸收转运效率明显高于低积累品种。水稻体内钾累积与运转能力的基因型差异非常显着，与钾低效基因型相比，钾高效基因型苗期钾素累积量较大，吸收曲线特征也有明显差异^[21].这种转运能力的差异与它们所拥有的NSCCs通道类型可能有密切的关系。NSCCs对T优705根系中Cd积累的贡献率明显低于湘早籼24（图 3）,说明高积累品种T优705中拥有丰富的离子通道类型，NSCCs只是其中的一部分，而低积累品种湘早籼24主要依靠NSCCs进行Cd的吸收和转运。由此可见，Cd积累特征在基因型间的差异取决于离子通道类型。 3.2 NSCCs对水稻幼苗Cd吸收累积特性的影响

环境中的Cd通过质外体和共质体途径进入根系组织后，受内皮层凯氏带和木栓层的阻碍，最后都要经过共质体系统的识别和转运，才能进入根系中柱的木质部^[22],然后继续向地上部转运。本研究结果表明，非选择性阳离子通道（NSCCs）对水稻幼苗的Cd吸收转运过程有显着的影响，对地上部Cd积累量的贡献率显着高于地下部，对低积累品种根系Cd积累量的贡献率明显高于高积累品种（图 3）.当环境中的Cd浓度低于0.1 mg·L^-1时，根系中38.8%~53.5%的Cd是通过NSCCs进入的，随着环境中Cd浓度的不断升高，NSCCs对根系Cd积累量的贡献率越来越小。这可能是因为高浓度的Cd提高了其竞争Ca²⁺和K⁺等其他离子通道的能力^[8],锌铁转运蛋白OsIRT1^[23]、自然抗性巨嗜细胞蛋白（Nramps）^{[24, 25]}、重金属ATP酶（HMA）^{[26, 27]}等转运蛋白发挥了更重要作用，因而使NSCCs的贡献率下降。

地上部的Cd积累量一方面取决于根系细胞中可移动的Cd浓度，另一方面取决于根系维管束组织向地上部转运Cd的效率。当根系中的Cd浓度低于70 mg·kg^-1时，NSCCs对Cd向水稻茎叶的转运起了主导作用，对地上部Cd积累量的贡献率高达80%以上。随着根系中Cd浓度的不断提高，NSCCs对地上部Cd积累量贡献率呈下降趋势，但高积累品种和低积累品种间没有表现出显着差异。这说明多种离子通道参与了根系Cd向地上部分的转运，而NSCCs可能是水稻高亲和转运系统的重要组成部分，能将低浓度的Cd有效转运到地上部。

植物对Cd吸收转运的机制比较复杂，本研究通过加入非选择性阳离子通道抑制剂可以间接证明NSCCs在Cd转运方面的贡献，作为NSCCs在Cd转移特性方面的一种参考，但与NSCCs有关通道蛋白的基因表达及调控机制尚不清楚，在这方面的深入研究将有助于进一步揭示重金属离子对植物的毒害机理。 4 结论

水稻根系和地上部对Cd的吸收均存在高、低亲和两种转运系统，高Cd浓度下发挥主要作用的低亲和系统是决定水稻Cd积累量的主要因素；高积累品种幼苗的Cd吸收转运效率明显高于低积累品种。

NSCCs在水稻吸收Cd的过程中发挥了重要作用，对根系Cd积累量的贡献率为8.9%~53.5% ,对地上部Cd积累量的贡献率为32.1%~93.5% ;环境中的Cd浓度越高，NSCCs的贡献率越低；对低积累品种的贡献率高于高积累品种，对地上部积累量的贡献率大于根系。