1、中国水稻科学(Chin J Rice Sci),2023,37(5):486496 486 http:/ DOI:10.16819/j.1001-7216.2023.230203 硅对镉胁迫下水稻苗期抗氧化酶系统及镉离子吸收和转运相关基因表达水平的影响 黄奇娜1,#徐有祥2,#林光号3 党洪阳3 郑振权1 张燕1 王晗1 邵国胜1,*尹献远4,*(1中国水稻研究所，杭州 310006；2龙游县农业农村局，浙江 衢州 324400；3常山县农业农村局，浙江 衢州 324200；4衢州市农业农村局，浙江 衢州 324000.#共同第一作者；*通信联系人，email:；)Effects of Sil
2、icon on Antioxidant Enzyme System and Expression Levels of Genes Related to Cd2+Uptake and Transportation in Rice Seedlings Under Cadmium Stress HUANG Qina1,#,XU Youxiang2,#,LIN Guanghao3,DANG Hongyang3,ZHENG Zhenquan1,ZHANG Yan1,WANG Han1,SHAO Guosheng1,*,YIN Xianyuan4,*(1China National Rice Resear
3、ch Institute,Hangzhou 310006,China;2Agricultural and Rural Bureau of Longyou County,Quzhou 324400,China;3Agricultural and Rural Bureau of Changshan County,Quzhou 324200,China;4Agricultural and Rural Bureau of Quzhou,Quzhou 324000,China;#These authors contributed equally to this work;*Corresponding a
4、uthor,email:;)Abstract:【Objective】To elucidate the effects of exogenous silicon(Si)on plant height,dry weight,antioxidant enzyme system,and the expression levels of Cd2+related genes in rice under cadmium(Cd)stress,so as to lay a theoretical basis for clarifying the mechanism of Si in alleviating Cd
5、 toxicity in rice.【Method】Indica rice Fupin 36(FP36)and Zhongjiazao 17(ZJZ17)were hydrocultured under two Cd2+concentrations(0,5 mol/L)and three Si treatments(0,10 mol/L,1 mmol/L).The agronomic traits,antioxidant enzyme activities,and the expression levels of Cd2+uptake/transport-related genes were
6、analyzed.【Result】Cadmium stress significantly inhibited the agronomic traits and activities of antioxidant enzymes(superoxide dismutase,peroxidase,catalase,and ascorbic acid oxidase)of ZJZ17 and FP36,but exogenous Si addition could effectively alleviate the toxicity of Cd to rice,and enhance the act
7、ivities of antioxidant enzymes.Moreover,1 mmol/L Si treatment exerted a better alleviating effect on Cd stress than 10 mol/L Si.In addition,Cd stress also affected the contents of soluble protein and malondialdehyde(MDA)in rice,while Si exposure increased soluble protein content but decreased the MD
8、A content,respectively.Cd intervention significantly increased Cd content in different tissues of FP36 and ZJZ17,and its accumulation in roots was significantly higher than that in shoots.However,there was no significant difference in Cd content in rice plants under 10 mol/L Si addition;and Cd accum
9、ulation in rice was significantly decreased as exposed to 1 mmol/L Si at 5 mol/L Cd2+concentration,indicating that the Cd accumulation in shoots was higher than that in roots.The expression levels of Cd2+uptake/transport-related genes followed different trends as subjected to Cd stress and Si treatm
10、ents.Compared with zero-Cd treatment,the expression levels of OsNRAMP1,OsIRT1 and OsHMA2 were up-regulated under Cd stress,while OsNRAMP5 expression tended to be down-regulated,and the expression level of OsHMA3 remained unchanged.Moreover,the expression levels of OsNRAMP1,OsNRAMP5,OsIRT1,OsHMA2,OsH
11、MA3 were significantly decreased at 1 mmol/L Si concentration.【Conclusion】Silicon alleviates the toxicity of Cd to rice by improving the agronomic traits,activating the antioxidant system,and regulating the expression levels of Cd2+uptake/transport-related genes.Key words:rice;cadmium stress;silicon
12、;antioxidase system;relative expression of genes 摘 要：【目的】探究在镉(Cadmium，Cd)胁迫下，外源硅(Silicon，Si)对水稻株高、干物质量、抗氧化酶系统及对 Cd2+相关基因表达水平的影响，以期为阐明 Si 缓解 Cd 对水稻毒害作用机理提供理论依据。【方法】以辐收稿日期：2023-02-14；修改稿收到日期：2023-03-22。基金项目：浙江省自然科学基金重点项目（LZ22D030001）；浙江省自然科学基金探索项目（LQ22C130002）；龙游县受污染耕地安全利用示范项目（QZZCZB2023042）；受污染耕地安全利用
13、田间试验项目（CSZZ-GK-2022007）；中国水稻研究所中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（CPSIBRF-CNRRI-202121）；中国水稻研究所所级重点研发项目（CNRRI-2020-05）。黄奇娜等：硅对镉胁迫下水稻苗期抗氧化酶系统及 Cd2+相关基因表达水平的影响 487 品 36(FP36)和中嘉早 17(ZJZ17)为研究对象，通过设置不同 Cd 胁迫浓度(0、5 mol/L)和 Si 处理(0、10 mol/L、1 mmol/L)进行水培实验，重点分析处理后水稻农艺性状和抗氧化酶活性，以及 Cd2+吸收、转运相关基因表达水平的差异。【结果】Cd 胁迫可以显著抑制水稻株
14、高、干物质量和抗氧化酶(SOD、POD、CAT 和 APX)活性；但Si 能有效缓解 Cd 毒害，显著提高水稻生物量，增强抗氧化酶活性，其中 1 mmol/L Si 缓解效果更佳。此外，Si还能有效增加可溶性蛋白并降低 MDA 含量。Cd 胁迫显著增加了 FP36 和 ZJZ17 不同组织的重金属含量，其中，根系中 Cd 积累量显著高于地上部。在添加较低浓度 Si(10 mol/L)后，水稻根系和地上部 Cd 含量无显著差异；但 1 mmol/L Si 能显著降低水稻根系和地上部 Cd 含量。OsNRAMP1、OsNRAMP5、OsIRT1、OsHMA2、OsHMA3等 Cd2+吸收和转运相关
15、基因的表达水平在镉胁迫和 Si 处理后呈不同的变化趋势。其中，OsNRAMP1、OsIRT1、OsHMA2 的表达量受 Cd 胁迫影响有所上调，OsNRAMP5 表达量呈下调趋势，而 OsHMA3 则无显著变化。而外源添加 1 mmol/L Si 可显著下调上述 Cd2+吸收和转运相关基因的表达水平，重金属镉积累量下降。【结论】Si通过改善水稻的农艺性状、激活抗氧化系统，以及调控重金属 Cd2+吸收和转运相关基因的表达水平来缓解镉对水稻的毒害作用。关键词：水稻；镉胁迫；硅；抗氧化酶系统；基因表达水平 镉(Cadmium,Cd)在植物生长发育过程中属于非必需元素，具有较高的可迁移性，对植物易产生
16、毒害作用，影响农作物的产量和品质。重金属 Cd复合物比其他重金属更易溶解1，因此 Cd 更容易被植物吸收和转移，并在植物的不同组织部位积累，并由此通过食物链进入人体2。水稻对 Cd 具有较强的积累能力，其根系吸收镉之后，通常大部分会富集在根部。但随着地上部的蒸腾作用、呼吸作用等一系列的生理生化过程，根系中积累的 Cd会向地上部(茎秆、叶片和籽粒等)迁移和转运。研究表明，Cd 干扰了植物的光合作用和生物量，阻碍根系对其他必需营养元素的吸收，影响植物正常生长发育3。镉还能引起氧化应激反应诱导产生大量的活性氧(Reactive oxygen species,ROS)，中断一系列生理生化过程，直接或间
17、接地破坏植物细胞分子生物学功能4,5。硅(Silicon,Si)是水稻生长发育过程中必不可少的营养元素之一，不仅能有效提升植物生物量，还能缓解重金属 Cd 的毒害作用，增加抵御逆境的耐受力6,7。近年来，关于硅调控水稻重金属镉毒害的研究备受关注。研究发现，酸性红壤中土施硅肥能显著降低水稻糙米镉含量(降幅约38.7%48.5%)8；若结合全生育期淹水，糙米中的镉降幅可高达 86.7%9。偏中性土壤中叶面喷施硅肥也可有效降低糙米镉含量(降幅约为 58.33%10和45.26%11)。由此可见，土壤类型和理化性质、栽培措施、施用方式等的不同导致稻米降镉效果存在差异。此外，部分研究还表明，施用硅肥后糙
18、米中的镉含量有所增加12,13。关于硅肥影响水稻镉毒害的研究虽取得一定进展，但其具体调控机制尚不清楚。大量研究表明，硅主要通过参与植物体的生理代谢活动来缓解 Cd 毒害，包括影响叶片光合作用、增强水稻抗氧化酶系统活性，以及抑制 Cd 的吸收和转运等。施加 Si 能增加镉胁迫后水稻叶绿素 a、b 和类胡萝卜含量，增大叶绿体和叶肉细胞体积14，延缓叶片衰老，提高水稻叶片光合效率。Si 可增强水稻供氧量，提升抗氧化酶的氧化能力和活性15；同时，还可与 MDA 结合形成络合物，降低 MDA含量，缓解镉毒害作用16。硅还能抑制根系对镉的吸收及其在地上部的转运。研究表明，植物根系通过不同的转运载体蛋白在吸
19、收其他营养元素的同时对 Cd2+进行吸收17,18。在植物体受到 Cd 胁迫时，水 稻 重 金 属 Cd 膜 转 运 蛋 白 NRAMP(Natural resistance-associated macrophage protein)蛋白家族(OsNRAMP1、OsNRAMP5 等)、HMA(Heavy metal ATPases)蛋白家族(OsHMA2 和 OsHMA3)、铁转运离子通道相关蛋白(OsIRT1 和 OsIRT2)等基因的表达水平会发生显著变化19-23。因此，在探究 Si 如何缓解重金属 Cd 对植物的毒害机理过程中，前人对这些Cd吸收和转运相关基因表达水平进行了分析。水稻
20、植株在 Cu/Cd 胁迫下，外源添加 Si 可以显著上调 OsHMA3 基因的表达水平24。Ma 等25研究发现，在水稻植株中，Si 存在时参与 Cd 运输的OsNRAMP5 基因下调表达。Si 还可以调控其他重金属转运相关基因(OsNRAMP1、OsHMA2 等)的表达水平，影响植物根系对 Cd 的吸收和转运26,27。此外，硅还能与镉在水稻体内螯合并产生区隔化作用。Si 可与水稻细胞壁上的半纤维素组分共价交联形成 Si-半纤维素复合物28,29，增加根细胞的非蛋白巯基螯合 Cd30，降低 Cd 有效性和向地上部的转运量。到目前为止，硅肥缓解 Cd 对植株的毒害机制研究虽然取得一定的进展，但
21、在生理生化、分子和遗传水平上对其减毒机制尚不清楚，需要更多的相关研究来证实 Si 与 Cd 之间的连锁关系及其互作机制。因此，本研究拟通过重金属 Cd 胁迫处理和外488 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第37卷第5期(2023年9月)源添加 Si 的水培试验，以辐品 36(FP36)和中嘉早17(ZJZ17)水稻品种为研究对象，测定相关的农艺性状和抗氧化酶指标，以及 Cd2+吸收和转运相关基因的表达水平，旨在深入探究 Si 如何缓解重金属 Cd对植物的毒害机制，以期为硅肥精准高效防治重金属镉污染提供科学依据，为进一步的实践和应用奠定理论基础。1 材料与方法 1.1 供试品种与试
22、验处理 以籼稻品种辐品 36(FP36，镉高积累品种)和中嘉早 17(ZJZ17，镉低积累品种)为研究材料31，在中国水稻研究所富阳试验基地进行水培实验。30条件下浸种 48 h，清洗干净后 35下催芽 24 h，撒播于沙培容器中进行育秧。两叶一心时移栽至 5 L塑料桶中进行全营养液预培养 10 d，每桶种植 5 穴，每穴 3 株，各穴用树脂塑料板进行分隔，海绵固定，全营养液的配制参照 Huang 等32。水培处理实验设置 2 个镉浓度(0、5 mol/L；以 CdSO48H2O 为 Cd源)，3 个硅浓度(0、10 mol/L、1 mmol/L；以Na2SiO49H2O 为 Si 源)。每隔
23、 3 d 更换 1 次水培处理营养液，调节其 pH 值约为 5.0(0.1)。处理 14 d 后，进行相关指标测定和分析，其中一部分用于根系和地上部重金属 Cd 含量的测定，另一部分取根系用液氮冷冻后，保存于80低温冰箱中，用于重金属 Cd2+吸收、转运相关基因的表达分析。1.2 株高、地上部干物质量测定 在水培处理 14 d 后，对 FP36 和 ZJZ17 的株高、地上部干物质量进行测定。测量株高，每个处理 6次生物学重复，取其平均值。然后将地上部 105下杀青2 h后，再用烘箱65下烘干至恒重(约3 d)，称量其地上部干物质量，每个处理 3 次生物学重复，取其平均值进行数据分析。1.3
24、不同处理下水稻根系和地上部 Cd 含量测定 FP36 和 ZJZ17 水培处理 14 d 后对根系和地上部进行取样，用 0.1 mol/L 的盐酸将根系样品浸泡15 min 后再用蒸馏水冲洗 23 次。用烘箱将根系和地上部样品在 65下烘干至恒重(约 3 d)后，并研磨、粉碎；然后分别称取 0.25 g 根系和叶片样品用HNO3-H2O2法32进行硝化处理，再将收集的硝化液(10 mL)使用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICAP 61E trace analyser,Thermo-Jarrell Ashe,Franklin,MA,USA)测定重金属 Cd 含量，每个处理生物学重复 3 次，取其
25、平均值进行数据分析。1.4 水稻根系中抗氧化酶相关活性、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)含量测定 称取不同水培实验处理下两个水稻品种新鲜根系 0.5 g，测定抗氧化酶(超氧化物歧化酶，SOD；过氧化物酶，POD；过氧化氢酶，CAT；抗坏血酸氧化酶，APX)活性、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)含量。将植株用冰浴后的磷酸缓冲液(0.05 mol/L;pH=7.0;10 mL)研磨成匀浆后，在 10 000 r/min 下离心 1015 min，取其上清液(酶的粗提液)。分别采用氮蓝四唑(NBT)光还原法、紫外吸收法、愈创木酚法、比色法、考马斯亮蓝染色法和丙二醛-硫代巴比妥酸(MDA-TBA)显色法对 S
26、OD、POD、CAT、APX 等酶活性，以及可溶性蛋白和 MDA 含量进行测定33，每个处理生物学重复 3 次，取其平均值进行数据分析。1.5 Cd2+吸收和转运相关基因表达水平测定 以不同Cd浓度和Si处理浓度水培14 d的FP36和 ZJZ17 根 系 为 样 品，进 行 实 时 荧 光 定 量PCR(Real-time quantitative PCR，qRT-PCR)分析，测定 Cd2+吸收和转运相关基因的表达水平(引物序列参考 Huang 等34)。采用 TRIZOL 法提取水培处理后 ZJZ17 和 FP36 根系总 RNA，采用反转录试验体系(TaKara Primescyipt
27、 Tm RT reagent Kit with gDNA Eraser)将RNA反转录成cDNA后，以OsActin基因为内参，以不添加 Cd 和 Si 为对照，运用实时荧光定量 PCR 系统(StepOnePlus Real-Time PCR System,ABI,Thermo Fisher Scientific,USA)进行qRT-PCR(反应体系为 20 L)，数据采用 2-CT方法进行计算35。1.6 数据方差分析 采 用 Statistix 9 方 差 分 析 软 件(Analytical Software Tallahassee,FL)对试验数据进行处理与统计分析，采用 LSD 法
28、进行差异显著性检验。2 结果与分析 2.1 外源添加硅对不同 Cd积累水稻品种株高和干物质量影响 不同 Cd 和 Si 处理 14 d 后，测定水稻辐品36(FP36)和中嘉早 17(ZJZ17)的株高和干物质量，结果显示(表 1)：与 0 mol/L 相比，5.0 mol/L Cd 胁迫对水稻的生长发育有显著影响，表现为水稻株高和地上部干物质量均显著降低。其中 FP36 中两者分别降低约 33.62%和 31.37%；ZJZ17 中分别下降黄奇娜等：硅对镉胁迫下水稻苗期抗氧化酶系统及 Cd2+相关基因表达水平的影响 489 9.47%和 26.21%。与 0 mol/L Si 相比，外源添加
29、10 mol/L 和 1 mmol/L Si 可以提高 FP36 和 ZJZ17的株高和干物质量，尤其是在 5.0 mol/L Cd 胁迫处理下效果更加明显。此外，两个水稻品种的株高、地上部干物质量在较高浓度的 Si(1 mmol/L)处理下其增幅显著高于较低浓度(10 mol/L)。由此可见，镉胁迫对水稻的生长发育有显著抑制作用，外源添加 Si 可以有效缓解镉胁迫对水稻的毒害作用。2.2 外源添加 Si 对抗氧化酶系统的影响 对水稻根系的抗氧化酶活性进行测定，发现在 0 mol/L Cd 处理下，外源添加 10 mol/L 和 1 mmol/L Si 后，ZJZ17 和 FP36 根系中 S
30、OD、POD、CAT 和APX 等酶活性均呈显著增加趋势(图 1)。其中，添加 1 mmol/L Si 对抗氧化酶系统的影响明显，APX 酶活性增加尤为显著。但在5.0 mol/L Cd胁迫下，SOD、POD、CAT 和 APX 等酶活性均呈降低趋势，而外源添加 Si 可以显著缓解 Cd 对水稻抗氧化酶活性的影响，其中 1 mmol/L Si 对镉胁迫的缓解效果最佳。对可溶性蛋白和 MDA 含量测定结果显示(表2，3)，Cd 胁迫显著降低了可溶性蛋白含量并增加了MDA的含量，而外源Si可以有效缓解这一现象。结果显示，用 1 mmol/L Si 处理后，FP36 和 ZJZ17根系中的可溶性蛋白
31、含量分别增加 50.65%和54.70%。此外，Si 处理降低了水稻 MDA 含量，其中，在 FP36 和 ZJZ17 根系中分别减少 38.26%和25.41%。上述结果表明，Si 可以激活抗氧化酶活性，有效减轻水稻在镉胁迫下受到的毒害。2.3 外源 Si 对水稻 Cd 吸收和积累的影响 外源 Cd 胁迫会显著影响水稻根系和地上部的Cd 积累(图 2)。在 5.0 mol/L Cd 胁迫下，FP36 和ZJZ17 根系和地上部的 Cd 含量极显著增加，其中FP36 中 Cd 浓度分别增加为 854.69 mg/kg 和 86.95 mg/kg，ZJZ17 分别增加为 1091.42 mg/k
32、g 和 52.37 mg/kg。但在外源添加 10 mol/L Si 后，两水稻品种根系和地上部的 Cd 含量与对照相比无显著差异；而 1 mmol/L Si 可以显著降低 ZJZ17 和 FP36 的 Cd 表 1 不同 Cd 胁迫和 Si 处理下 FP36 和 ZJZ17 的株高和干物质量 Table 1.Agronomic traits of FP36 and ZJZ17 under different Cd stress and Si treatments.品种 Variety Cd 浓度 Cd concentration/(molL1)Si 浓度 Si concentration/(
33、molL1)株高 Plant height/cm 地上部干物质量 Shoot dry weight/g FP36 0 0 66.7 1.0 b 5.32 0.44 b 10 67.2 0.6 b 5.46 0.02 b 1000 70.5 1.0 a 6.05 0.05 a 5.0 0 44.3 0.4 e 3.65 0.19 cd 10 47.8 1.7 d 3.28 0.36 d 1000 50.4 2.3 c 3.73 0.04 c ZJZ17 0 0 64.6 0.3 B 6.52 0.02 BC 10 70.6 2.0 A 7.06 0.49 AB 1000 72.7 2.4 A 7
34、.22 0.52 A 5.0 0 58.5 1.4 D 4.81 0.16 D 10 57.7 2.5 D 5.08 0.28 D 1000 60.9 1.4 C 6.04 0.53 C FP36辐品 36；ZJZ17中嘉早 17。同一列中不同大写字母表示在不同 Cd 和 Si 处理下 ZJZ17 差异显著（P 0.05），同一列中不同小写字母表示 FP36 差异显著（P 0.05）。下同。FP36,Fupin 36;ZJZ17,Zhongjiazao 17;For ZJZ17,different uppercase letters indicate significant differenc
35、e under different Cd and Si treatments(P 0.05),and for FP36,different lowercase letters indicate significant difference(P 0.05).The same below.表 2 在不同 Cd 和 Si 处理下水稻 FP36 和 ZJZ17 根系中可溶性蛋白和 MDA 含量 Table 2.Soluble protein and MDA contents in roots of FP36 and ZJZ17 under different Cd and Si treatments.
36、品种 Variety Cd 浓度 Cd concentration/(molL1)Si 浓度 Si concentration/(molL1)可溶性蛋白含量 Soluble protein contents/(mgg1)MDA 含量 Malondialdehyde content/(molg1)FP36 0 0 30.89 0.46 c 29.68 0.81 b 10 34.62 0.25 a 25.27 0.84 cd 1000 33.60 0.62 b 19.68 1.49 e 5.0 0 18.69 0.20 f 37.10 4.24 a 10 23.72 0.06 e 28.50 3.
37、00 bc 1000 28.16 0.81 d 22.91 2.18 de ZJZ17 0 0 32.89 4.01 AB 22.15 2.02 B 10 36.79 3.84 A 22.26 1.59 B 1000 36.46 4.76 A 15.70 1.33 D 5.0 0 19.62 0.60 C 25.81 1.70 A 10 23.32 0.50 C 24.30 1.58 AB 1000 30.36 1.79 B 19.25 0.44 C 490 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第37卷第5期(2023年9月)A超氧化物歧化酶（SOD）；B过氧化物酶（POD）；C过氧
38、化氢酶（CAT）；D抗坏血酸氧化酶（APX）。平均数标准差（n=3）。不同大小写字母分别表示不同 Cd 和 Si 处理下 ZJZ17 和 FP36 在 P 0.05 水平上差异显著。A,Superoxide dismutase(SOD);B,Peroxidase(POD);C,Catalase(CAT);D,Ascorbic acid oxidase(APX).Data are means standard deviation(SD)fromthree replicated experiments(n=3).Different uppercase and lowercase letters a
39、bove the error bars represent significant differences of ZJZ17 and FP36,respectively under different Cd and Si treatments(P 0.05).图 1 不同 Cd 和 Si 处理下水稻 FP36 和 ZJZ17 根系中的抗氧化酶活性 Fig.1.Antioxidant enzyme activities in roots of FP36 and ZJZ17 under different Cd and Si treatments.图 2 不同 Cd 胁迫和 Si 处理下水稻 FP
40、36 和 ZJZ17 地上部（A，C）和根系（B，D）中 Cd 含量 Fig.2.Cd content in shoots(A,C)and roots(B,D)of FP36 and ZJZ17 under different Cd stress and Si treatments.黄奇娜等：硅对镉胁迫下水稻苗期抗氧化酶系统及 Cd2+相关基因表达水平的影响 491 含量。其中，FP36 根系和地上部中 Cd 含量降幅为20.70%和 31.34%，ZJZ17 中 Cd 含量降幅约为30.21%和 37.75%。因此，低浓度 Si(10 mol/L)对水稻镉积累无显著影响，但当 Si 浓度(1
41、 mmol/L)较高时则能有效降低 Cd 富集。2.4 外源硅对镉吸收/转运相关基因表达的影响 检测 Si 处理 14 d 后水稻根系中镉吸收和转运相关基因的表达水平(图 3)。与 0 mol/L Cd 相比，在 5.0 mol/L Cd 胁 迫 下，两 水 稻 根 系 中OsNRAMP1、OsIRT1 和 OsHMA2 基因表达量呈显著上调趋势，其中，FP36 根系中上调 2.84、1.86和 2.27 倍；ZJZ17 中分别上调 2.27、1.60 和 1.74倍；而 OsNRAMP5 表达水平在镉胁迫下呈降低趋势，OsHMA3 的表达量则无显著差异。在 5.0 mol/L Cd 胁迫下，
42、10 mol/L Si 处理下 OsNRAMP1、OsNRAMP5、OsIRT1、OsHMA2 及 OsHMA3 基因的表达量与 0 mol/L Si 相比无显著差异。但在 1 mmol/L Si处 理 下，OsNRAMP1、OsIRT1、OsNRAMP5、OsHMA2 及 OsHMA3 的表达量与 0 mol/L Si 相比均呈显著降低趋势，在 FP36 中分别下调 29.18%、62.33%、68.75%、76.41%和 83.66%；在 ZJZ17 中分别降低约 18.07%、71.91%、55.13%、72.41%和 74.31%。结果表明，低浓度 Si(10 mol/L)对 Cd 吸
43、收和转运相关基因的表达水平存在不同的数值表示平均数SD（n=3）。AE 分别表示 OsNRAMP1、OsNRAMP5、OsIRT1、OsHMA2、OsHMA3 基因的表达水平。Data are means standard deviation(SD)from three replicated experiments(n=3).A-E mean the relative expression of OsNRAMP1,OsNRAMP5,OsIRT1,OsHMA2,OsHMA3.图 3 不同 Cd 和 Si 处理下水稻 FP36 和 ZJZ17 根系中 Cd2+吸收和转运相关基因的表达水平 Fig.
44、3.Relative expression of Cd2+uptake/transport-related genes in roots of FP36 and ZJZ17 under different Cd and Sitreatments.492 中国水稻科学(Chin J Rice Sci)第37卷第5期(2023年9月)调控作用，而较高浓度的 Si(1 mmol/L)处理则会显著降低该基因的表达量。3 讨论 当前农田镉污染和“镉大米”事件频发，关于硅增强水稻抗逆性，缓解镉毒害的研究备受关注。水稻是喜硅作物，施用 Si 肥可以增强水稻阻镉能力，降低稻米 Cd 含量，有效解决镉超标问题，
45、提升水稻产量和稻米品质6,24,31。研究发现土施和叶面喷施硅肥的降镉效果略有差异，其中，结合全生育期淹水，稻米降镉效果十分显著36,37。尽管 Si 对 Cd吸收转运的阻碍机制已在大部分植物中得到证实，但在其他植物中却有促进 Cd 转运的作用。施加外源 Si 能增强 Cd 在植物体内的转运能力，在玉米38、芸薹属植物(油菜和印度芥菜)39、柏属植物(圆柏和侧柏)40、番茄41等植物中均有发现。此外，Si 能增强 Cd 在高积累品种中的转运能力，但对低积累品种影响不显著42。硅对植物镉吸收转运的影响还与施用的硅酸盐种类和浓度有关。酸性土壤施用不同硅酸盐(硅钾肥、硅钙肥和硅酸钠)后，硅钙肥降镉效
46、果最优(稻米降幅为 71.5%)43。与本研究结果相似，在土壤中施加 50 mg/kg SiO2导致大蒜地上部和鳞茎中镉含量增加，高浓度(500 mg/kg)SiO2则显著降低植物不同部位镉的积累44。由此，硅可能通过其他更重要的机制来提高植物耐受性，缓解镉毒害。目前，关于硅对重金属毒害作用的缓解机制主要包含两个方面：1）避免机制。水稻幼苗从土壤中吸收主要成分为硅酸，其与 Cd 等进入水稻幼苗的迁移能力直接相关45。Si 被植物吸收后在根系表皮细胞形成硅化细胞(硅质层)，增加水稻其他组织的机械性从而降低蒸腾速率，减少因蒸腾流失导致的 Cd 转运45,47。赵颖等48发现添加 Si 对水稻根系镉
47、吸收无显著影响，但其地上部镉积累量呈明显降低趋势。此外，Si 肥质外体运输途径跟踪研究表明，施加 Si 肥后，荧光染料向地上部的运输量显著降低，其中水稻地上部镉含量降低约 24%，根系镉积累量则增加近 21%49。Guo 等50发现外源施加 Si肥可显著降低水稻对镉的生物富集系数和从根部到茎部的转移系数。究其原因，可能在于外源添加大量 Si 元素(SiO2)在水稻根系细胞表面沉积，阻塞细胞壁孔隙，并且可与 Cd2+螯合形成活性较低的大分子复合物 Si-Cd2+51，从而影响根系对 Cd 的质外体运输和向地上部转运的能力，导致稻米镉含量降低26；也可能由于部分硅酸盐化合物可以水解形成凝胶状的 H
48、2SiO3，其对部分游离状态的 Cd2+有一定吸附作用，从而降低了植物生长外界环境中的 Cd浓度及其活性52。可见，外源硅使得水稻吸收的Cd 元素大部分滞留在根系，阻碍其向地上部转运和积累。2）耐受机制。主要包括 Si 调控抗氧化防御系统53，改善光合作用提高根系对其他营养物质的吸收54；促进细胞内重金属 Cd 的螯合，影响 Cd吸收和转运蛋白基因表达，减少其细胞间运输和积累55。研究发现，硅主要通过参与水稻的生理生化途径改善水稻细胞超微结构，增强抗氧化酶的活性，清除镉胁迫诱导的自由基积累等方式缓解镉对其的毒害作用6。本研究结果显示，外源添加硅可以增强 SOD、POD、CAT 和 APX 等抗
49、氧化酶活性，增加可溶性蛋白含量并降低 MDA 含量，缓解镉毒害作用。贾茜茹等56研究发现外源添加 300 mg/kg硅显著提高受镉胁迫后的黄瓜叶片 CAT、POD 和SOD 等酶活性，且 MDA 含量呈降低趋势。此外，添加外源 60 mg/L Si 对 Cd 胁迫后的板蓝根抗氧化酶(POD、SOD)活性有显著提高作用57。与之相反，Wang 等58研究发现，在镉胁迫下，叶面喷施硅肥可以有效降低 Cd SOD、POD、CAT 等抗氧化酶活性。Srivastava 等59研究表明添加硅肥、钙肥可以抑制 SOD 和 GPX 等酶的活性，而提高 CAT 酶的活性。由此可见，外源施加硅肥可以有效缓解植物
50、对重金属镉的胁迫作用，降低脂质氧化反应对水稻细胞的毒害。另外，水稻根系对镉的吸收和转运受 Cd2+相关基因的调控，如 OsNRAMP1、OsNRAMP5、OsIRT1、OsHMA2、OsHMA3 等。其中，OsNRAMP1 和OsNRAMP5 属于 NRAMP 蛋白家族，参与根系 Cd吸收和转运19,21。HMA 蛋白家族相关基因(OsHMA2和OsHMA3)主要参与植物中Cd2+迁移(区隔化于液泡)，减少 Cd2+向地上部运输23,60,61。此外，水稻能通过 Fe2+转运蛋白(OsIRT1 和 OsIRT2)从土壤中吸收 Cd2+，并向地上部运输20。在 Cd 胁迫下，外源添加 Si 可以
