研究团队揭示锌在土壤-水稻系统镉迁移中的多重功能

镉（Cd）是一种众所周知的有毒微量元素，与营养元素锌（Zn）同属一类。锌肥对提高作物产量、增加食物营养和减少镉在谷物中的积累非常重要。然而，与排水条件下的协同效应不同，在淹水条件下，锌对镉在稻米中的积累具有拮抗作用。在水稻植株中，锌对镉吸收和根-地上部转运的矛盾作用导致了稻米镉积累的提高或抑制。因此，有必要进一步研究锌对土壤-水稻系统在淹水和排水条件下镉吸收和转运的制约效应及其机制。

针对上述科学问题，广东省科学院生态环境与土壤研究所李芳柏研究员团队通过盆栽实验，采用金属稳定同位素方法与基因表达丰度分析，研究了不同水分条件下土壤-水稻系统锌与镉迁移转运机制以及在不同水分条件下锌制约水稻吸收转运镉的效应与机制。

研究表明，在排水条件下，根系中OsHMA2表达量比淹水条件下高，但锌调控、铁调控类转运蛋白(ZIP)家族基因的表达量却比淹水条件下低，这导致地上部中的非重锌同位素相对于根系富集，但不影响镉同位素分馏。因而，排水条件似乎对锌而不是镉从根到地上部的转运途径产生了显著影响，并增加了锌通过OsHMA2的转运。

除OsNRAMP1和OsNRAMP5外，锌添加对基因表达的影响与从淹水状态切换到排水状态时观察到的变化相似。然而，添加锌后，土壤溶液-水稻植株和根-地上部分馏（Δ⁶⁶Zn_{水稻植株-土壤溶液}=−0.49 ~ −0.40‰，Δ⁶⁶Zn_{地上部-根}=−0.36 ~ −0.27‰）表明，锌吸收与转运分别通过非特异性吸收途径和OsHMA2进行。然而，根部吸收与根部-地上部转运过程产生镉同位素分馏变小且几乎不变，表明OsNRAMP5和OsHMA2分别对镉吸收和根-地转运至关重要，促进了镉在稻米中的积累。这项研究表明，高锌供应通过共享不同的途径，并利用对镉具有高亲和力的非锌敏感途径，促进了水稻对镉的吸收和根到地上部的转运。上述研究结果在解读土壤-水稻系统中锌对镉吸收转运基础上，进一步阐明了吸收与转运过程所涉及的途径，并厘清了锌强化下水稻吸收与转运锌与镉的途径，为锌对镉的制约机制提供了见解。

无论水分状况如何，锌对镉都有促进作用，使过量的镉向地上部和稻米转运。因此，锌和镉复合污染水稻土可能增加水稻稻米中镉积累的风险，尤其是在锌矿区周围的稻田中。而硫酸锌作为锌肥，由于伏打电池原理，限制了镉在稻米中的积累，增加了锌的溶解度，降低了镉的有效性。然而，由于OsHMA2基因表达对外界锌水平有响应，编辑OsHMA2基因序列以增加其对锌的亲和力和降低对镉的亲和力，筛选具有高锌转运相关ZIP家族基因的功能性OsHMA3水稻植株，可能有助于提高稻米品质和安全性。

土壤-水稻系统中锌和镉吸收与根-地上部转运途径

以上研究成果发表在环境科学权威期刊Environmental Science and Technology。广东省科学院生态环境与土壤研究所钟松雄博士为论文第一作者，李芳柏研究员为通讯作者。该研究获得国家重点基金、国家自然基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金联合基金、广东省科学院发展专项资金等项目的支持。

论文信息：

Zhong S.X.; Li X.M.; Fang L.P.; Bai J.H.; Gao R.C.; Huang Y.; Huang Y.M.; Liu Y.H.; Liu C.P.; Yin H.M.; Liu T.C.; Huang, F.;Li, F.B.* Multifunctional roles of zinc in cadmium transport in soil-rice systems: novel insights from stable isotope fractionation and gene expression. Environ. Sci. Technol. 2024. 58 (28), 12467-12476

DOI: 10.1021/acs.est.4c01851

（土壤化学团队 钟松雄/供稿）