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【凯来谱成果分享】高分辨激光成像技术揭示岩溶土中水稻根际特征中Cd的根系吸收和籽粒积累机理
来源:本站编辑 发布时间:2024-04-02 浏览量:90

镉(Cd)是一种非人体必需元素,已被国际癌症研究机构确定为Ⅰ类致癌物。谷物和蔬菜是最常见的饮食摄入Cd来源。部分地区存在高Cd地质背景,再加上人为来源,使Cd成为土壤中最常见的重金属污染物。水稻往往会从土壤中吸收大量的Cd,与小麦和其他谷类作物相比,水稻的Cd含量高出三到四倍。有调查显示,在183个Cd污染土壤(低于5 mg/kg)的水稻样品中,61.7%的样品含有过量的Cd(高于0.2 mg/kg)。这对食品安全生产和人类健康构成了重大挑战。因此,必须制定有效的管理策略,最大限度地减少水稻对Cd的吸收,确保粮食安全。

摘要

目前的研究对于含Cd水稻土壤中植物根系-土壤界面重金属Cd的活化效应,尤其是Cd的结合形态和有效性随时间和空间的变化过程尚不清楚。作者采用盆栽和根箱栽培试验方法,研究了4种含高Cd(0.11–3.70 mg/kg)水稻土壤在水稻不同生长期的Cd形态、土壤和水稻根茎叶Cd含量,并利用土壤酶谱法和pH平面光极技术揭示土壤中磷酸酶活性差异和不同部位pH值差异,结合来谱测试服务(LA-ICP-TOFMS)对使用梯度薄膜扩散技术(DGT)在水稻根系-土壤界面展开取回的凝胶薄膜进行元素成像,观察到了界面Cd、Fe和Mn空间分布揭示了Cd的根系吸收和籽粒积累机理,以及影响Cd的有效性和吸收转运的主导因素。相关合作成果发表于环境科学领域国际一流期刊《Chemosphere》(IF 8.8)上。

首先,作者分析了采自广西的4种土壤的理化性质(表1),以及盆栽实验种植水稻后水稻各生长期土壤孔隙水中Cd(a)、DOC(b)、Mn(c)、Fe(d)、Ca(e)和Zn(f)的含量变化(图1),测试了块状土、根际土、根、茎、叶 的Cd含量并进行相关性分析(图2)。数据显示,从根到茎再到籽粒,Cd的浓度逐渐下降,且仅在土壤A中生长的谷物Cd含量超标(0.24>0.20 mg/kg标准),尽管该土壤的总Cd含量最低。与之相呼应的是在谷物成熟前排水期土壤A中孔隙水Cd的异常增加,表明这一时期对Cd在水稻籽粒中的积累起着至关重要的调控作用。DOC、Fe、Mn、Ca和Zn的浓度变化影响了Cd的溶解度和生物有效性,且根中Mn和籽粒Cd含量之间呈负相关,结合前人研究成果,证明Mn可能通过共享的OsNramp5转运蛋白限制Cd向籽粒中的转运。

 

表1 四种土壤(A、B、C、D)的理化性质

 

图1 在水稻不同生长阶段土壤孔隙水中Cd、DOC、Mn、Fe、Ca和Zn的含量变化

 

图2 成熟期土壤-水稻体系不同部位的镉含量,以及BCF和TF(a);五种元素(Cd、Mn、Fe、Ca和Zn)在不同部位与土壤性质的相关性分析(b)

随后,作者采用了土壤酶谱法、平面光极技术(PO),研究土壤中磷酸酶和pH的分布差异(图3)。结果表明,土壤A中水稻根系附近酸性磷酸酶活性最高,而土壤C中酸性磷酸酶活性较低。土壤A中总Cd含量最低,谷物Cd含量最高且Cd富集系数和转运系数都最高,说明酸性磷酸酶可能在Cd的活化效应和植物Cd积累中发挥促进作用。PO技术研究了土壤B和C根际pH的空间差异,pH值在最接近根部的地方增加,这种局部碱性可能会稳定根系附近的Cd,限制根系对Cd吸收,这可能是水稻的自我保护机制。

 

图3 土壤A(a)和C(b)中酸性磷酸酶活性(pmol cm-2 h-1)的差异,以及土壤B(c)和C(d)中pH值的变化。(a)和(b)中的数值表示镉胁迫下酸性磷酸酶的反应强度

为了进一步了解水稻根际中Cd–Fe–Mn的相互关系。作者利用梯度扩散薄膜技术(DGT),并与LA-ICP-MS(ESL imageGEO+ICP-TOFMS)成像技术相结合,揭示了水稻根际-土壤界面Cd、Fe和Mn的分布(图4)。图像显示,土壤A中 Cd主要在根系附近积累,土壤B和C根系周围的Cd含量较低,周围块状土壤中的Cd含量较高,而土壤D缺乏明确的规律,这可能是由于D中总Cd含量低。且Cd和Mn的分布密切相关——较高的Mn分布区域呈现较低的Cd分布,呈拮抗关系;Fe与Cd的分布没有明显的相关性。这些趋势表明,与Fe相比,土壤Mn对Cd的影响更大。

 

图4 LA-ICP-TOFMS对DGT技术获取的植物根际-土壤界面凝胶膜中Cd、Mn和Fe的高分辨率成像

结论

研究结果表面,含Cd土壤中生长的水稻会吸收并积累Cd,且植物对Cd的富集和转运与Cd的活化效应和有效性有关,土壤Cd含量最低的土壤A中水稻富集系数和转运系数最高。作者采用成像技术观察到Cd的根系吸收和籽粒积累过程,发现水稻根际特征与Cd积累之间存在联系,根系活动和土壤理化性质会影响Cd的生物有效性。酸性磷酸酶的活性、土壤pH 、Mn含量是影响Cd的有效性和根系吸收转运的主导因素。

(备注:中文译本仅供参考,以英文原版为准)

 

 

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凯来谱

上海凯来谱科技有限公司专注提供激光剥蚀相关联用技术的应用开发和分析测试服务,围绕全新飞秒激光及传统193准分子激光技术打造的联用测试系统(LA-LIBS-ICPMS),引领激光剥蚀联用技术在各行业的应用,积极参与业内重点实验室合作开发,应用成果已于近期陆续发布中!

 
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