广西热作所科技人员在国际SCI期刊发表水稻锌镉互作及镉积累调控研究论文

近日，广西热作所科研人员在国际期刊《Agronomy》发表题为“Physiological Response States Distinguish Contrasting Zinc-Mediated Cadmium Redistribution Across 44 Rice Cultivars”（生理响应状态揭示44个水稻品种锌介导镉再分配的差异性）的研究论文。该研究以44个水稻品种为材料，综合运用植物生理生化分析、随机森林机器学习和稀疏偏最小二乘回归等方法，系统研究了锌对不同水稻品种镉吸收和转运的影响，揭示了锌镉互作效应的显著品种差异及其相关生理调控特征，为水稻镉积累风险评估和低镉品种筛选提供了新的研究依据。

图1 论文信息

镉（Cd）是农田土壤中备受关注的重金属污染物，其在水稻中的积累直接关系到稻米质量安全。锌（Zn）是植物生长必需的微量元素，由于锌与镉化学性质相似，两者在植物吸收和运输过程中存在竞争关系。已有研究表明，合理补锌能够在一定条件下降低水稻镉积累，因此被认为是缓解农作物镉污染的潜在调控措施。然而，不同水稻品种对锌镉共同暴露的响应存在明显差异，补锌能否普遍抑制镉向地上部转运，以及品种间响应差异背后的生理机制，均有待进一步研究。

本研究选取我国南方地区种植的44个水稻品种，设置单独镉处理和镉锌共同处理，在统一水培条件下比较不同品种根部与地上部的镉积累变化，并同步测定生长指标、光合特性、叶绿素荧光参数及根系生理特征。在此基础上，利用随机森林模型分析影响镉积累响应方向和变化幅度的关键因素；进一步选取12个具有代表性的品种，整合活性氧代谢、抗氧化酶活性、植物激素、黄酮及酚类代谢物和金属转运蛋白相关基因表达等数据，构建多层次分析框架，探索不同镉响应类型的潜在生理调控机制。

研究结果表明，补锌对不同水稻品种镉积累的影响存在显著差异。根据根部和地上部镉含量的变化方向，44个品种可划分为四种响应类型：根部和地上部镉含量均降低的“双重抑制型”（14个），根部降低而地上部升高的“地上部促进型”（13个），根部升高而地上部降低的“根部促进型”（11个），以及根部和地上部均升高的“双重促进型”（6个）。不同品种的响应强度相差近200倍。值得注意的是，44个品种中有19个在补锌后出现地上部镉含量升高的现象，说明锌对镉积累的调控并非总是表现为抑制作用，部分品种甚至会出现地上部镉积累增加的情况。

图2 44个水稻品种的锌镉互作响应类型及生理响应差异

随机森林分析进一步发现，水稻原有的镉、锌积累状态以及补锌引起的生长和光合生理变化，与不同品种的镉响应方向密切相关。其中，模型对地上部镉积累变化方向的分类准确率约为70%，对镉由根部向地上部转运变化方向的分类准确率约为68%，但对镉积累变化幅度的预测能力相对有限。这表明，不同水稻品种对补锌的响应不仅受到原有金属积累特征影响，还与补锌后形成的生理状态有关，且响应方向与响应强度可能受到不同因素的共同影响。

在此基础上，研究通过稀疏偏最小二乘回归分析，进一步识别了不同镉响应过程所关联的生理和代谢特征。结果显示，根部活性氧氧化还原状态及黄酮类物质变化，与镉由根向地上部转运的差异密切相关；地上部镉积累变化主要与黄酮类物质及植物激素相关特征有关；植株整体镉积累变化幅度则更多地与酚类及黄酮类代谢特征相关。这些结果表明，锌介导的镉吸收、转运及积累变化可能涉及不同的生理调控过程，其中根部氧化还原状态可能是影响镉转运响应的重要因素。

研究还筛选出一批在试验条件下镉积累水平较低至中等、且补锌后地上部镉含量降低或保持稳定的水稻品种，为后续耐镉及低镉积累种质评价提供了候选材料。该研究表明，补锌对水稻镉积累的影响具有明显的品种依赖性，不能简单将补锌视为适用于所有品种的统一降镉措施。研究成果为理解锌镉互作的复杂生理机制、筛选低镉水稻品种、优化镉污染农田调控策略提供了科学依据。后续仍需结合污染稻田土壤试验和稻米镉含量测定，进一步验证相关结果的实际应用效果。

论文第一作者为广西热作所陈仕淼，通讯作者为广西热作所陆覃昱。广西热作所单彬、广西农业科学院农业资源与环境研究所郑富海等科研人员共同参与研究。

该研究得到国家自然科学基金项目（32201392）和广西科技重大专项（桂科AA24263045）资助。

论文链接：https://doi.org/10.3390/agronomy16191899

热作所  陈仕淼供稿/供图

一审一校：单   彬

二审二校：麦   荷

三审三校：李   军