农业部2014年发布的土壤污染调查公报显示，我国耕地土壤环境质量堪忧，其中Cd污染超标情况较为严重。调查显示，全国部分市售大米中约70%潜存Cd食物暴露风险^[1]。因此，培育和推广应用Cd安全水稻品种（CSCs）^[2]，对于实现粮食的安全生产具有重大现实意义。目前，许多学者通过筛选已得到Cd低积累品种，且多集中于植株对Cd的吸收、运输及积累特征的研究^[3-5]。研究表明，植物地上部Cd浓度取决于根系向地上部转运Cd的能力，而植物结实器官的Cd积累能力取决于营养器官向生殖器官转运Cd的能力^[6-7]。水稻开花灌浆前，糙米中60%的Cd来自水稻剑叶、茎秆等部位累积的Cd重新活化，并通过韧皮部运输到籽粒^[8]。可见，水稻糙米中Cd含量与抽穗期茎叶中Cd的累积量密切相关。同时，研究发现功能叶对籽粒正常灌浆结实起着决定性作用，而功能叶中累积的Cd可能与光合产物一起运输至籽粒^[9]，且主要是抽穗前叶中累积的Cd^[10]。水稻剑叶对Cd的输出率明显高于其他叶位叶片，可达50%^[11]。Kashiwagi等^[10]也发现，水稻下部叶中积累的Cd转运到上部叶，再由上部叶转运至茎秆和穗。然而，目前关于水稻不同叶位中累积的Cd对籽粒Cd含量的影响结果不一，且缺乏系统性。因此，本试验通过探讨水稻Cd安全材料^[12-13]不同器官对Cd的积累转移特征，明确水稻不同叶位中Cd积累量与糙米Cd含量的相关性，以期进一步揭示Cd在植株内积累与转移规律，从而为Cd低积累品种的培育和推广提供理论依据。

供试水稻：水稻Cd安全材料D62B和普通材料Luhui17，由四川农业大学农学院提供。

供试土壤：灰潮土，采自四川省都江堰市蒲阳镇双柏村。基本理化性质为：pH 6.70、有机质15.98 g·kg^-1、全氮0.92 g·kg^-1、碱解氮127.65 mg·kg^-1、有效磷8.64 mg·kg^-1、速效钾47 mg·kg^-1、全Cd 0.31 mg·kg^-1。

供试肥料：尿素（N 46%）、磷酸二氢钾（P₂O₅ 52%、K₂O 34%）、氯化钾（K₂O 63%），均为分析纯。

试验设1 mg·kg^-1（Cd1）、4 mg·kg^-1（Cd4）和8 mg·kg^-1（Cd8）3个Cd处理，每个处理重复9次，完全随机排列。用12 L的塑料桶装土10 kg（干土重），CdCl₂·2.5H₂O（分析纯试剂）以溶液形式施入土壤中，充分混匀，平衡4周待用。旱地育秧，待秧苗生长至4叶期后进行移栽，在移栽前1 d将氮、磷、钾肥（N:P₂O₅:K₂O=1.5:1:1）以溶液形式施入土壤并混匀。选择长势一致的秧苗移栽至桶中，每桶定苗2株，按照常规管理并做好防病防虫工作和长势记录。试验于2014年5至9月在四川农业大学教学科研园区有防雨设施的网室中进行。

分别于水稻分蘖期、抽穗期和成熟期采样，采用整桶采集方式，每次采样3个重复。样品采集后先用自来水冲洗干净，根部在20 mmol·L^-1 Na₂-EDTA溶液中浸泡15 min，之后用去离子水洗净，吸水纸擦干。植株样品分为根、茎、叶、穗，其中叶部分以不同叶位方式采集，即倒1叶、倒2叶、倒3叶、基部叶（倒3叶以下叶合并一起统称基部叶）。样品在105 ℃下杀青30 min后，75 ℃下烘干至恒重，粉碎备用。

土壤基本理化性质采用常规分析方法；土壤Cd全量采用HNO₃-HClO₄-HF（V/V/V，5:1:1）消化，植株Cd含量采用HNO₃-HClO₄（V/V，5:1）消化，原子吸收分光光度计测定^[14]。

根系对Cd的滞留率（%）=（1-地上部Cd含量/根系Cd含量）×100^[15]；茎叶-穗转移系数=穗部Cd含量/茎叶Cd含量。

数据统计分析采用DPS11.0，多重比较采用LSD法；图表制作采用Origin 8.1和Excel 2013。

由表 1可知，在不同生育期，两类水稻材料各器官生物量均随Cd处理浓度的提高而明显降低，且D62B降低幅度小于Luhui17。比较两类水稻材料，其根生物量在4 mg·kg^-1 Cd处理下差异达最大，茎、叶和穗生物量在8 mg·kg^-1 Cd处理下差异达最大。随着水稻生育期的推进，D62B和Luhui17各器官生物量均显著增加，且两者差异逐渐增大。不同Cd处理下，D62B根、茎生物量在抽穗期和成熟期，叶生物量在三个生育期，穗生物量在成熟期显著高于Luhui17，且D62B整株生物量均明显高于Luhui17，为Luhui17的1.12~1.26倍。这表明，D62B植株生长受Cd抑制程度小于Luhui17。

表 1 不同Cd处理浓度对水稻生物量的影响（g·株^-1） Table 1 Effects of Cd on the biomass of different tissues of rice (g·plant^-1)

表选项

由表 2可知，在不同生育期，两类水稻材料各器官Cd含量均随Cd处理浓度的提高而显著增加。不同Cd处理下，D62B茎、叶和穗的Cd含量在各生育期均显著低于Luhui17；而根部Cd含量仅在1、4 mg·kg^-1 Cd处理下达显著差异，在8 mg·kg^-1 Cd处理下，仅分蘖期差异显著。比较两类水稻材料，在8 mg·kg^-1 Cd处理下，其根、茎Cd含量在分蘖期差异最大，D62B分别为Luhui17的89.74%和65.95%；叶和穗的Cd含量在抽穗期差异最大，D62B分别为Luhui17的79.30%和34.78%。这表明，D62B对Cd的积累能力低于Luhui17。

表 2 不同Cd处理浓度对水稻各器官Cd含量的影响（mg·kg^-1） Table 2 Effect of Cd on the Cd concentration in different tissues of rice (mg·kg^-1)

表选项

由表 3可知，不同Cd处理下，两类水稻材料的根系滞留率随生育期的推进逐渐增大，在成熟期滞留率达最大；D62B根系滞留率在各生育期均大于Luhui17，且在抽穗期8 mg·kg^-1 Cd处理下差异达最大。这表明，D62B根系对Cd的固持能力大于Luhui17。茎叶-穗转移系数是穗部Cd含量与茎叶Cd含量之比，反映植株茎叶向穗部转移Cd的能力。在不同生育期，两类水稻材料茎叶-穗的转移系数均随Cd处理浓度的提高而增大。不同Cd处理下，D62B茎叶-穗的转移系数均明显低于Luhui17，抽穗期两者差异均达到最大，D62B转移系数仅为Luhui17的46.43%~52.94%。由此可知，D62B根系的固持能力大于Luhui17，而茎叶-穗的转移能力低于Luhui17。

表 3 不同Cd处理浓度对水稻根系滞留率和转移系数的影响 Table 3 Effect of Cd on retention rates and translation coefficients of rice

表选项

由图 1可知，在不同Cd处理下，两类水稻材料不同叶位Cd含量均随Cd处理浓度的提高显著增加，且不同叶位Cd含量表现为基部叶>倒3叶>倒2叶>倒1叶。两类水稻材料不同叶位Cd含量均在8 mg·kg^-1 Cd处理下差异达最大，D62B不同叶位Cd含量仅为Luhui17的72.10%~85.55%。D62B上部3片功能叶（简称3片功能叶）Cd含量均显著低于Luhui17，仅为Luhui17的60.47%~82.03%，倒2叶Cd含量与Luhui17差异最大，远大于其余叶位。

图 1 抽穗期水稻不同叶位叶片Cd含量 Figure 1 Cd concentrations in different parts of leaves of different rice cultivars at heading stage 不同小写字母表示同一处理同一材料不同叶位间差异显著（P < 0.05）；*表示同一处理同一叶位下不同材料间差异显著（P < 0.05）。下同 Different small letters mean significant difference (P < 0.05) among different leaf position. * mean significant difference (P < 0.05) among two rice cultivars. The same as below

图选项

由图 2可知，随Cd处理浓度提高，D62B和Luhi17的3片功能叶Cd积累量呈增加的趋势，基部叶Cd积累量表现为先增加后降低的特征，在4 mg·kg^-1 Cd处理浓度时达到最大值，分别高达22.26、21.24 μg·plant-1。在不同Cd处理下，D62B不同叶位Cd积累量表现为基部叶最高，其次为倒2叶，倒3叶和倒1叶最低。比较两类水稻材料可知，在1mg·kg^-1 Cd处理浓度时，D62B倒2叶Cd积累量显著低于Luhui17，为Luhi17 Cd积累量的74.37%；当Cd处理浓度增加至4、8 mg·kg^-1时，D62B倒1叶、倒2叶Cd积累量均显著低于Luhui17，仅为Luhi17 Cd积累量的82.20%~86.94%。这表明，D62B的3片功能叶Cd积累量远低于Luhui7。

图 2 抽穗期水稻不同叶位叶片Cd积累量 Figure 2 Cd accumulation in different leaf parts of different rice cultivars at heading stage

图选项

对两类水稻材料抽穗期不同叶位Cd积累量与糙米Cd含量进行相关性分析，结果（表 4）显示，两类水稻材料糙米Cd含量与3片功能叶Cd积累量呈极显著正相关关系（r=0.77^**~0.94^**），但与基部叶Cd积累量的相关性不显著。D62B倒2叶和倒3叶Cd积累量与糙米Cd含量相关系数较高，分别高达0.93和0.94，倒1叶与糙米Cd含量的相关系数也达到极显著相关（r=0.77^**），可见D62B的3片功能叶中累积的Cd对其糙米Cd含量影响较大。

表 4 水稻抽穗期不同叶位叶片Cd积累量与糙米Cd含量的相关性 Table 4 Correlation analysis between the Cd accumulation in different leaf parts at heading stage and the Cd concentrations in brown rice of the two rice cultivars

表选项

植物体内的Cd与土壤中Cd含量、生长环境、基因型、生育时期、生物量等因素相关^[16-17]。研究表明，水稻植株各器官Cd含量随土壤Cd浓度的提高而增加^[18-19]，虽然Cd在水稻植株各器官中的浓度大小顺序为根>茎>叶>穗，但不同器官间Cd浓度差异较大，且差异幅度因器官不同而有很大差别，说明不同水稻品种对Cd的积累、分布存在显著差异^[20]。本研究结果表明，两类水稻材料各器官Cd含量均随土壤Cd浓度的升高而显著增加，其根系Cd含量在Cd浓度为8 mg·kg^-1时差异不显著，但安全材料D62B茎、叶、穗的Cd含量在不同Cd处理下均显著低于Luhui17。

研究表明，水稻根部向地上部转运镉的能力很大程度上决定水稻籽粒Cd含量^[21]。本研究结果表明，D62B根系对Cd的滞留率明显大于Luhui17，且随生育期的推进，根系的滞留作用加大，说明D62B根系对Cd的固持能力明显强于Luhui17，因而可减少Cd向地上部转运，降低地上部Cd含量。这与前期研究中发现D62B根系细胞壁对Cd的固持作用强于Luhui17及D62B对Cd的转运速率小于Luhui17的结果一致^[20]。研究发现，籽粒灌浆期间，叶片中储存的部分Cd可与其他营养元素一起转运到籽粒中^[9]，且籽粒Cd含量与Cd从地上部到籽粒的分配比例高度相关^[22]。本研究表明，两类水稻材料茎叶中累积的Cd向穗部转移能力在抽穗期强于成熟期。D62B茎叶向穗的转移系数显著低于Luhui17，且随Cd处理浓度增加差异幅度呈增加的趋势。这是因为在籽粒发育过程中，营养体中Cd是按比例输出的^[11]，D62B茎叶中Cd累积量显著低于Luhui17，致使转运到籽粒中Cd总量显著小于Luhui17；而且前期研究发现D62B地上部对Cd的固持能力明显高于Luhui17，继而降低了地上部Cd的有效性^[20]。正是由于D62B这种根系对Cd的高固持作用和茎叶对Cd的低转运能力，致使D62B糙米Cd含量低于食品安全国家标准限值，表现出籽粒Cd低积累的特点。

叶片不仅是光合作用的场所，也是提供籽粒营养的储存器官。研究表明，水稻叶中活化的Cd先转运至茎节，然后通过维管束转运到上部茎节，最终经韧皮部运送到籽粒^[5]，且在灌浆初期至成熟期，水稻剑叶中Cd含量有明显的下降^[23]。本研究表明，D62B的3片功能叶Cd含量均显著低于Luhui17，且随Cd胁迫浓度的增加，两类材料Cd含量差异增大。研究发现，小麦和水稻籽粒中的Cd主要来源于茎叶中累积的Cd再活化分配到籽粒^{[8, 24]}。可见，籽粒Cd含量与叶片Cd的积累密切相关。本研究表明，在1 mg·kg^-1 Cd处理浓度时，两类水稻材料不同叶位Cd积累量差异不大，而在4、8 mg·kg^-1 Cd处理浓度时，D62B的3片功能叶Cd积累量显著低于Luhui17；D62B基部叶镉积累量分配比例明显大于Luhui17，即D62B将更多的镉累积在基部叶。D62B的3片功能叶Cd累积量表现为倒2叶>倒3叶、倒1叶。这是由于抽穗期3片功能叶生物量表现为倒2叶>倒1叶>倒3叶，田永超^[25]在探讨水稻不同叶位叶片干重时亦得到相同结果。对两类水稻材料在抽穗期不同叶位Cd积累量与糙米Cd含量进行相关性分析可知，糙米的Cd含量与3片功能叶中Cd累积量呈极显著正相关关系，但与基部叶相关性不显著，与Harris等^[26]运用同位素109Cd对基因相近的两个小麦材料进行研究得到的结果一致。这可能是由于基部叶多为衰老叶片，光合作用弱，不能向籽粒提供光合产物，而水稻3片功能叶中光合特性较好^[27]。有研究指出，3片功能叶是籽粒灌浆过程的主要营养来源，水稻的倒1叶和倒2叶对产量的贡献度约占74%^[28]。这说明D62B在抽穗期累积在3片功能叶中的Cd是糙米Cd的主要来源之一。因此，后期研究中可以深入探讨3片功能叶中累积的Cd向籽粒的转运途径及影响因素，这可能与同化物的运输、运输通道、籽粒接纳Cd的能力以及库的活性^[29]有关。

水稻Cd安全材料D62B在三个生育期茎、叶、穗的生物量显著高于普通材料Luhui17，Cd含量均显著低于Luhui17，其根系对Cd的固持作用较强，且茎叶-穗的转移系数明显小于Luhui17。同时，在抽穗期，D62B不同叶位Cd累积量表现为基部叶>倒2叶>倒3叶、倒1叶，3片功能叶Cd积累量与糙米Cd含量呈极显著正相关关系。由此表明，深入研究Cd在植株不同器官间的迁移和转运规律，尤其是3片功能叶中累积的Cd向籽粒的转运和分配规律，将有助于揭示Cd在水稻体内的转运与积累的机理，从而为Cd低积累品种的培育和推广应用提供理论依据。