【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

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，结合凯来谱测试服务（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。

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。

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。

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