作物杂志,2017, 第1期: 14–19 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2017.01.003

• 专题综述 • 上一篇    下一篇

水稻Cd吸收、转运机理研究进展

周志波1,2,易亚科1,2,陈光辉1,2   

  1. 1湖南农业大学农学院,410128,湖南长沙
    2南方粮油作物协同创新中心,410128,湖南长沙
  • 收稿日期:2016-10-14 修回日期:2016-12-07 出版日期:2017-02-15 发布日期:2018-08-26
  • 作者简介:周志波,硕士研究生,研究方向为种子生理生化
  • 基金资助:
    镉低积累水稻品种筛选课题;专用水稻适宜品种的筛选及其标准化生产技术(2016YFD0300509);教育部创新团队发展计划“作物抗逆与种质创新”(IRT1239)

Advances in Cd Uptake and Transport in Rice

Zhou Zhibo1,2,Yi Yake1,2,Chen Guanghui1,2   

  1. 1 College of Agronomy,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,Hunan,China
    2 Collaborative InnovationCenter of Paddy Crop and Oil Crops in Southern,Changsha 410128,Hunan,China
  • Received:2016-10-14 Revised:2016-12-07 Online:2017-02-15 Published:2018-08-26

摘要:

综述水稻不同营养器官Cd吸收途径以及水稻根系Cd吸收、根系Cd外排、细胞壁Cd固定和液泡区室化作用、根系向地上部运输Cd等过程中参与Cd运输的各种转运蛋白功能的研究,并阐述影响水稻Cd吸收、转运的内在和外在因素,在此基础上提出问题和今后研究方向。

关键词: 水稻, 营养器官, Cd, 转运蛋白

Abstract:

The Cd uptake pathway of rice in different vegetative organs and the functional analysis of related protein transporters in rice from root Cd uptake, root Cd efflux, cell wall fixation and vacuolar segregation, root transport to shoot and so on were summarized, and the internal and external factors that affect the uptake and transport of Cd in rice, problems and future research directions were elaborated in this study.

Key words: Oryza sativa, Vegetative organs, Cadmium, Transporter

图1

水稻根系Cd吸收途径"

图2

水稻根系Cd吸收、转运示意 (A:根系Cd吸收,B:根系Cd外排,C:细胞壁Cd固定,D:液泡区室化作用,E:向地上部运输Cd,“→”运输方向)"

[1] 李婧, 周艳文, 陈森 , 等. 我国土壤镉污染现状、危害及其治理方法综述. 安徽农学通报, 2015,21(24):104-107.
[2] 史静, 潘根兴, 夏运生 , 等. 镉胁迫对两品种水稻生长及抗氧化酶系统的影响.生态环境学报, 2013(5):832-837.
[3] 李冰, 王昌全, 李枝 , 等. Cd胁迫下杂交水稻对Cd的吸收及其动态变化.生态环境学报, 2014(2):312-316.
[4] Mendez-Armenta M, Rios C . Cadmium neurotoxicity. Environmental Toxicology Pharmacology, 2007,23:350-358.
doi: 10.1016/j.etap.2006.11.009
[5] 孟桂元, 蒋端生, 柏连阳 , 等. Cd胁迫下苎麻的生长响应与富集、转运特征研究. 生态科学, 2012,31(2):192-196.
[6] 杨朝东, 张霞, 刘国锋 , 等. 植物根中质外体屏障结构和生理功能研究进展.植物研究, 2013(1):114-119.
[7] 曾翔 . 水稻镉积累和耐性机理及其品种间差异研究. 长沙:湖南农业大学, 2006.
[8] 张利强 . 水稻重金属镉的吸收、转运和积累特性研究. 北京:中国农业科学院, 2012.
[9] 李燕婷, 李秀英, 肖艳 , 等. 叶面肥的营养机理及应用研究进展.中国农业科学, 2009(1):162-172.
[10] 龙思斯, 宋正国, 雷鸣 , 等. 不同外源镉对水稻生长和富集镉的影响研究.农业环境科学学报, 2016(3):419-424.
[11] Verbruggen N, Hermans C, Schat H . Mechanisms to cope with arsenic or cadmium excess in plants. Current Opinion in Plant Biology, 2009,12(3):364-372.
doi: 10.1016/j.pbi.2009.05.001
[12] 王亚平, 潘小菲, 许春雪 , 等. 土壤对镉离子的竞争吸附研究—以北京城近郊为例.岩矿测试, 2007(4):251-256.
[13] 张参俊, 尹洁, 张长波 , 等. 非选择性阳离子通道对水稻幼苗镉吸收转运特性的影响.农业环境科学学报, 2015(6):1028-1033.
[14] 杨菲, 唐明凤, 朱玉兴 . 水稻对镉的吸收和转运的分子机理.杂交水稻, 2015(3):2-8.
[15] Moons A . Ospdr9,which encodes a PDR-type ABC transporter,is induced by heavy metals,hypoxic stress and redox perturbations in rice roots. FEBS Letters, 2003,553(3):370-376.
doi: 10.1016/S0014-5793(03)01060-3
[16] Ishimaru Y, Bashir K, Nakanishi H , et al. OsNRAMP5,a major player for constitutive iron and manganese uptake in rice. Plant Signaling & Behavior, 2012,7(7):763-766.
[17] Yongjie Y, Jie X, Ruijie C . Excessive nitrate enhances cadmium (Cd) uptake by up-regulating the expression of OsIRT1 in rice (Oryza sativa.). Environmental and Experimental Botany, 2016,122:141-149.
doi: 10.1016/j.envexpbot.2015.10.001
[18] Curie C, Cassin G, Couch D , et al. Metal movement within the plant:Contribution of nicotianamine and yellow stripe 1-like transporters. Annals of Botany, 2009,103(1):1-11.
doi: 10.1093/aob/mcn207
[19] Hugo S, Yasuhiro I, Gynheung A . Low cadmium (LCD),a novel gene related to cadmium tolerance and accumulation in rice. Journal of Experimental Botany, 2011,62(15):5727-5734.
doi: 10.1093/jxb/err300
[20] Lee S, Kim Y Y, Lee Y , et al. Rice P1B-type heavy-metal AT-Pase,OsHMA9,is a metal efflux protein. Plant Physiology, 2007,145(3):831-842.
doi: 10.1104/pp.107.102236
[21] 段德超, 于明革, 施积炎 . 植物对铅的吸收、转运、累积和解毒机制研究进展.应用生态学报, 2014(1):287-296.
[22] Xiong J, An L, Lu H , et al. Exogenous nitric oxide enhances cadmium tolerance of rice by increasing pectin and hemicellulose contents in root cell wall. Planta, 2009,230(4):755-765.
doi: 10.1007/s00425-009-0984-5
[23] 刘宝秀, 袁连玉, 王晶 , 等. 水稻金属耐受蛋白基因OsMTP2生物信息学及表达分析.热带亚热带植物学报, 2012(1):8-12.
[24] Sasaki A, Yamaji N, Ma J F . Overexpression of OsHMA3 enhances Cd tolerance and expression of Zn transporter genes in rice. Journal of Experimental Botany, 2014,65(20):6013-6021.
doi: 10.1093/jxb/eru340
[25] Huang X Y, Deng F, Yamaji N , et al. A heavy metal P-type ATPase OsHMA4 prevents copper accumulation in rice grain. Nature Communications, 2016,7:12138.
doi: 10.1038/ncomms12138
[26] Vliet V L, Peterson C, Hale B . Cd accumulation in roots and shoots of durum wheat:the roles of transpiration rate and apoplastic bypass. Journal of Experimental Botany, 2007,58(11):2939-2947.
doi: 10.1093/jxb/erm119
[27] 张军, 束文圣 . 植物对重金属镉的耐受机制.植物生理与分子生物学学报, 2006(1):1-8.
[28] Xin J L, Huang B H, Dai H W . Difference in root-to-shoot Cd translocation and characterization of Cd accumulation during fruit development in two capsicum annuum cultivars. Plant and Soil, 2015,394(1-2):287-300.
doi: 10.1007/s11104-015-2535-0
[29] 韩立娜, 居学海, 张长波 , 等. 水稻镉离子流速的基因型差异及其与镉积累量的关系研究.农业环境科学学报, 2014(1):37-42.
[30] Fontanili L, Lancilli C, Suzui N , et al. Kinetic analysis of zinc/cadmium reciprocal competitions suggests a possible Zn-insensitive pathway for root-to-shoot cadmium translocation in rice. Rice, 2016,9(1):16.
doi: 10.1186/s12284-016-0088-3
[31] 柳检, 罗立强 . As、Cd和Pb植物根系吸收途径和影响因素研究现状与进展.岩矿测试, 2015(3):269-277.
[32] Oda K, Otani M, Uraguchi S , et al. Rice ABCG43 is Cd inducible and confers Cd tolerance on yeast. Bioscience Biotechnology Biochemistry, 2011,75(6):1211-1213.
doi: 10.1271/bbb.110193
[33] Satoh-Nagasawa N, Mori M, Sakurai K , et al. Functional relationship heavy metal P-type ATPases (OsHMA2 and OsHMA3) of rice (Oryza sativa) using RNAi. Plant Biotechnology, 2013,30(5):511-515.
doi: 10.5511/plantbiotechnology.13.0616a
[34] Meng Y, Yuanyuan Z, Lejing Z , et al. OsNRAMP5 contributes to manganese translocation and distribution in rice shoots. Journal of Experimental Botany, 2014,65(17):4849-4861
doi: 10.1093/jxb/eru259
[35] Takahashi R, Ishimaru Y, Senoura T , et al. The OsNRAMP1 iron transporter is involved in Cd accumulation in rice. Journal of Experimental Botany, 2011,62(14):4843-4850.
doi: 10.1093/jxb/err136
[36] Tanaka K, Fujimaki S, Fujiwara T , et al. Quantitative estimation of the contribution of the phloem in cadmium transport to grains in rice plants (Oryza sativa L.). Soil Science and Plant Nutrition, 2007,53(1):72-77.
doi: 10.1111/j.1747-0765.2007.00116.x
[37] Yoneyama T, Ishikawa S, Fujimaki S . Route and regulation of zinc,cadmium,and iron transport in rice plants (Oryza sativa L.) during vegetative growth and grain filling:Metal transporters,metal speciation,grain Cd reduction and Zn and Fe biofortification. International Journal Molecular Sciences, 2015,16(8):19111-19129.
doi: 10.3390/ijms160819111
[38] Kobayashi N I, Tanoi K, Hirose A . Characterization of rapid inter vascular transport of cadmium in rice stem by radioisotope imaging. Journal of Experimental Botany, 2013,64(2):507-517.
doi: 10.1093/jxb/ers344
[39] Tanaka K, Fujimaki S, Fujiwara T , et al. Cadmium concentrations in the phloem sap of rice plants (Oryza sativa L) treated with a nutrient solution containing cadmium. Soil Science and Plant Nutrition, 2003,49(2):311-313.
doi: 10.1080/00380768.2003.10410014
[40] Kashiwagi T, Shindoh K, Hirotsu N , et al. Evidence for separate translocation pathways in determining cadmium accumulation in grain and aerial plant parts in rice. BMC Plant Biology, 2009,9(8):1-10.
doi: 10.1186/1471-2229-9-1
[41] Yamaji N, Xia J X, Mitani-Ueno N , et al. Preferential delivery of zinc to developing tissues in rice is mediated by P-type heavy metal ATPase OsHMA2. Plant Physiology, 2013,162(2):927-939.
doi: 10.1104/pp.113.216564
[42] Shimpei U, Takehiro K, Takuya S . Low-affinity cation transporter(OsLCT1) regulates cadmium transport into rice grains. Proceedings of The National Academy of Sciences of The Stations of America, 2011,108(52):20959-20964.
doi: 10.1073/pnas.1116531109
[43] 曾翔, 张玉烛, 王凯荣 , 等. 不同品种水稻糙米含镉量差异.生态与农村环境学报, 2006(1):67-69,83.
[44] 李坤权, 刘建国, 陆小龙 , 等. 水稻不同品种对镉吸收及分配的差异.农业环境科学学报, 2003(5):529-532.
[45] 张洪江 . 镉安全水稻亲本材料的筛选及其生理机制研究. 成都:四川农业大学, 2012.
[46] Ueno D, Kono I, Yokosho K , et al. A major quantitative trait locus controlling cadmium translocation in rice (Oryza sativa). New Phytologist, 2009,182(3):644-653.
doi: 10.1111/j.1469-8137.2009.02784.x
[47] Ishikawa S, Ae N, Yano M . Chromosomal regions with quantitative trait loci controlling cadmium concentration in brown rice. New Phytologist, 2005,168(2):345-350.
doi: 10.1111/j.1469-8137.2005.01516.x
[48] 刘利, 郝小花, 田连福 , 等. 植物吸收、转运和积累镉的机理研究进展.生命科学研究, 2015(2):176-184.
[49] 陈京都, 刘萌, 顾海燕 , 等. 不同土壤质地条件下麦秸、铅对镉在水稻-土壤系统中迁移的影响.农业环境科学学报, 2011(7):1295-1299.
[50] 吴曼, 徐明岗, 徐绍辉 , 等. 有机质对红壤和黑土中外源铅镉稳定化过程的影响. 农业环境科学学报, 2011,30(3):461-467.
[51] 陈雪, 刘丹青, 王淑 , 等. 不同土壤的还原状况对铁镉形态转化和水稻吸收的影响.土壤学报, 2013(3):548-555.
[52] 杨忠芳, 陈岳龙, 钱鑂 , 等. 土壤pH对镉存在形态影响的模拟实验研究.地学前缘, 2005(1):252-260.
[53] 陈爱葵, 王茂意, 刘晓海 , 等. 水稻对重金属镉的吸收及耐性机理研究进展.生态科学, 2013(4):514-522.
[54] 张雪霞, 张晓霞, 郑煜基 , 等. 水分管理对硫铁镉在水稻根区变化规律及其在水稻中积累的影响.环境科学, 2013(7):2837-2846.
[55] 何洋, 刘洋, 方宝华 , 等. 温度对不同水稻品种糙米镉(Cd)含量的影响.中国稻米, 2016(2):31-35.
[56] 贾倩, 胡敏, 张洋洋 , 等. 钾硅肥施用对水稻吸收铅、镉的影响.农业环境科学学报, 2015(12):2245-2251.
[1] 姬生栋 栗 鹏 李江伟 宋刘敏 刘苗苗 高狂龙 尹海庆. 水稻株系与亲本间灌浆期POD 酶谱及遗传效应分析[J]. 作物杂志, 2018, (5): 17–20
[2] 马孟莉 郑 云 周晓梅 张婷婷 张晓倩 卢丙越. 云南哈尼梯田红米地方品种遗传多样性分析[J]. 作物杂志, 2018, (5): 21–26
[3] 陈瑛瑛 王徐艺凌 朱宇涵 武 威 刘 涛 孙成明. 水稻穗部氮素含量高光谱估测研究[J]. 作物杂志, 2018, (5): 116–120
[4] 隋阳辉, 高继平 刘彩虹, 徐正进 王延波 赵海岩. 东北冷凉地区秸秆还田方式对水稻#br# 光合、干物质积累及氮素吸收的影响[J]. 作物杂志, 2018, (5): 137–143
[5] 梁晓宇, 林春雨, 马淑梅, 王洋. 水稻耐盐碱胁迫优异等位变异的发掘[J]. 作物杂志, 2018, (4): 48–52
[6] 罗海斌, 蒋胜理, 黄诚梅, 曹辉庆, 邓智年, 吴凯朝, 徐林, 陆珍, 魏源文. 甘蔗ScHAK10基因克隆及表达分析[J]. 作物杂志, 2018, (4): 53–61
[7] 章星传, 黄文轩, 朱宽宇, 王志琴, 杨建昌. 施氮量对不同水稻品种氮肥利用率与农艺性状的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 69–78
[8] 曾波. 近30年来我国水稻主要品种更新换代历程浅析[J]. 作物杂志, 2018, (3): 1–7
[9] 张莉,李赞堂,王士银,麻艳超,东方阳,李学勇,徐江. 水稻氮素吸收低效型突变体osnad1的生理和遗传分析[J]. 作物杂志, 2018, (3): 68–76
[10] 赫臣,郑桂萍,赵海成,陈立强,李红宇,吕艳东,宋江. 增施腐殖酸及减量施肥对盐碱地水稻穗部性状与产量的影响[J]. 作物杂志, 2018, (3): 129–134
[11] 崔勇. 稻田水旱轮作的研究进展[J]. 作物杂志, 2018, (3): 8–14
[12] 唐志强,董立强,李睿,张丽颖,何娜,李跃东. 氮素与土壤类型对水稻秧苗素质及养分吸收的影响[J]. 作物杂志, 2018, (3): 141–147
[13] 曹玉巧,聂庆凯,高云,许自成黄五星,. 植物中镉及其螯合物相关转运蛋白研究进展[J]. 作物杂志, 2018, (3): 15–24
[14] 曾波,孙世贤,王洁. 我国水稻主要品种近30年来审定及推广应用概况[J]. 作物杂志, 2018, (2): 1–5
[15] 曲歌,陈争光,王雪. 基于近红外光谱与SIMCA和PLS-DA的水稻品种鉴别[J]. 作物杂志, 2018, (2): 166–170
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 赵广才,常旭虹,王德梅,陶志强,王艳杰,杨玉双,朱英杰. 小麦生产概况及其发展[J]. 作物杂志, 2018, (4): 1 –7 .
[2] 权宝全,白冬梅,田跃霞,薛云云. 不同源库关系对花生光合特性及产量的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 102 –105 .
[3] 黄学芳,黄明镜,刘化涛,赵聪,王娟玲. 覆膜穴播条件下降水年型和群体密度对张杂谷5号分蘖成穗及产量的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 106 –113 .
[4] 黄文辉, 王会, 梅德圣. 农作物抗倒性研究进展[J]. 作物杂志, 2018, (4): 13 –19 .
[5] 赵云,徐彩龙,杨旭,李素真,周静,李继存,韩天富,吴存祥. 不同播种方式对麦茬夏大豆保苗和生产效益的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 114 –120 .
[6] 陆梅,孙敏,任爱霞,雷妙妙,薛玲珠,高志强. 喷施叶面肥对旱地小麦生长的影响及与产量的关系[J]. 作物杂志, 2018, (4): 121 –125 .
[7] 王晓飞,徐海军,郭梦桥,肖宇,程薪宇,刘淑霞,关向军,吴耀坤,赵伟华,魏国江. 播期、密度及施肥对寒地油用型紫苏产量的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 126 –130 .
[8] 朱鹏锦,庞新华,梁春,谭秦亮,严霖,周全光,欧克维. 低温胁迫对甘蔗幼苗活性氧代谢和抗氧化酶的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 131 –137 .
[9] 高杰,李青风,彭秋,焦晓燕,王劲松. 不同养分配比对糯高粱物质生产及氮磷钾利用效率的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 138 –142 .
[10] 商娜,杨中旭,李秋芝,尹会会,王士红,李海涛,李彤,张晗. 鲁西地区常规棉聊棉6号留叶枝栽培的适宜密度研究[J]. 作物杂志, 2018, (4): 143 –148 .