水稻是世界三大粮食作物之一,全球一半以上的人口以大米作为主食。在我国,超过60%的人口以大米作为主食。我国居民饮食结构特点使大米成为我国居民体内镉的主要来源。随着经济社会的快速发展,我国稻田镉污染问题日益严峻,这对我国广大人民群众的身体健康产生了极大威胁,研究阻抑水稻镉吸收及向籽粒中的转运具有重要意义。本研究采用不同籽粒镉积累特性水稻,在镉污染条件下研究外源硒和硅肥对水稻的矿质营养、镉在不同部位亚细胞分布和不同化学形态含量、根表铁膜形成及对镉吸收和生理活动差异,探讨了硒和硅抑制镉向穗部转运的生理生化机制。主要研究结果如下:1.杂交籼稻镉积累品种的筛选及其与硒、硅的关系以55个杂交籼稻品种为材料,研究在镉污染大田中水稻抽穗期茎叶穗中镉含量及其转运系数对糙米镉含量的影响以及硒和硅与糙米中镉含量的关系。结果表明,杂交籼稻品种间糙米镉含量存在显著差异,糙米中镉的变化范围为0.89～2.88 mg/kg水稻抽穗期茎叶穗中镉含量以及镉从茎叶向穗部的转运系数在不同品种间存在显著差异。抽穗期茎叶穗中的硒和硅含量在供试品种中也存在显著差异。糙米中的镉含量与抽穗期水稻茎叶穗中镉含量极显著正相关(相关系数r分别为0.416**,0.565**和0.495**)和镉从茎和叶向穗部的转运系数显著或极显著正相关(相关系数r分别为0.285**和0.323);抽穗期叶和穗部的硒和糙米中镉含量显著负相关(相关系数r分别为-0.323**和-0.403**);抽穗期茎叶穗中硅含量和糙米中镉含量显著负相关(相关系数r分别为-0.750**,-0.834**和-0.628**)。糙米中的镉含量与糙米中的硒和硅含量也呈负相关关系(相关系数r为-0.704**和-0.738**)。2.氮和硅配施对杂交籼稻干物质积累和镉吸收的影响以冈优725为试验材料,设置不同的氮肥和硅肥配施处理,研究了氮肥和硅肥配施对镉胁迫下水稻干物质生产、产量及其构成因素以及镉含量的影响。结果表明:施硅能够显著促进水稻根系干物质的积累,施氮量为0、90 kg/hm2时,施硅均能够显著促进地上部干物质的积累。施硅能促进水稻地上部氮的积累。施氮量相同的条件下,施硅量150 kg/hm2处理显著增加水稻有效穗数,但显著降低水稻千粒重;在施氮0 kg/hm2时,施硅150和300 kg/hm2对水稻每穗粒数较不施硅时有显著增加作用;水稻产量在3种施氮量下,均随着施硅量的增加而提高。施硅均比不施硅处理显著降低根、茎、穗中的镉含量,但施硅使叶片镉含量升高;,施硅150和300 kg/hm2均能比不施硅时显著减少地上部镉的积累量,显著降低水稻精米中镉含量,施氮为0和90 kg/hm2时,施硅150 kg/hm2和300 kg/hm2时的精米镉含量差异显著,但施氮量为180 kg/hm2时,施硅量为150 kg/hm2和300 kg/hm2处理的精米中镉含量差异不显著。综合本研究结果,施氮180 kg/hm2+施硅150kg/hm2对冈优725的增产降镉的效果较好。3.硒对不同杂交籼稻苗期镉胁迫的缓解作用及矿质营养的影响以筛选出的籽粒低镉积累杂交稻品种宜香优2115和籽粒高镉积累杂交稻品种川谷优2348为材料,研究硒对不同类型水稻在三种镉胁迫下的缓解作用机制差异。研究结果表明,加硒显著增加了不同浓度镉胁迫下两个水稻品种幼苗的生物量、叶绿素a含量,但川谷优2348叶绿素b含量下降;加硒可增加两个水稻品种体内抗氧化物质(抗坏血酸和谷胱甘肽)含量,且川谷优2348的两种抗氧化物质含量均高于宜香2115,表现出品种间差异;在1 mmol/L镉胁迫下,硒主要通过促进川谷优2348合成更多的抗坏血酸和谷胱甘肽来提高对镉的耐受性,而宜香2115主要通过硒促进植物螯合肽的合成来降低镉毒害;加硒能使幼苗维持较高的根系活力,从而降低遭受镉胁迫伤害的程度;随着镉胁迫程度增加,两个水稻品种幼苗地上部镉含量显著上升,加硒可直接抑制两个水稻品种对镉的吸收;在镉胁迫下,硒能降低两个水稻品种地上部钙、锌含量,但对铜、锰含量变化的影响存在品种间差异,而硒对两个水稻品种根系矿质元素含量影响表现一致,即在镉胁迫下根系钙、铜含量增加,而锰、锌含量减少。4.基施硒和硅对不同杂交籼稻拔节期镉吸收及积累的影响以不同籽粒镉积累特性的杂交籼稻品种宜香优2115和川谷优2348为材料,通过盆栽试验研究基施Na2SeO3和Na2SiO3对水稻拔节期吸收积累镉的影响。试验结果表明:Na2SiO3显著提高2个水稻品种根际土壤pH,并对2个水稻品种根系生长产生抑制作用。Na2SeO3对宜香优2115根系生长无显著作用,但显著促进川谷优2348根系生长。川谷优2348铁膜中的镉含量均高于宜香优2115,表现出品种间差异。Na2SeO3和Na2SiO3使宜香优2115根表铁膜中镉含量分别比对照下降了 8.5%和14.1%,使川谷优2348根表铁膜中镉含量下降了 12.9%和39.4%。外源Na2Se03和Na2SiO3处理显著降低了宜香优2115和川谷优2348根中镉含量,并减小了 2个水稻品种镉从根向地上部的转运系数,进而减少了镉在地上部的含量。Na2Se03和Na2SiO3使水稻的总镉积累量显著下降,但对不同部位镉积累量的影响存在差异。Na2SeO3和Na2SiO3处理使2个水稻品种地上部镉积累量占总镉积累量的比例下降。外源Na2SeO3和Na2SiO3增加宜香2115铁膜中镉积累量所占比例,而增加川谷优2348根和铁膜中所占比例。相关分析结果表明:水稻根表铁膜中镉含量较高时,水稻地上部和根系中的镉积累量也较高。Na2SeO3和Na2SiO3减少了镉在水稻根和地上部的吸收和积累,最终导致成熟期2供试品种籽粒镉含量的降低,且对川谷优2348降低镉含量效果优于宜香优2115,Na2SiO3处理的效果优于Na2SeO3。5.硒和硅对镉胁迫下杂交籼稻镉含量及矿质元素的影响以宜香优2115和川谷优2348为材料进行大田试验,研究硒和硅对水稻镉及矿质营养元素含量的影响。结果表明,硒、硅对水稻茎叶穗和糙米中镉、钙、铜、锰、锌、硒和硅含量有显著影响。川谷优2348中镉、钙、铜、锰和锌含量均显著高于宜香优2115,硒和硅含量则低于后者。硒、硅降低宜香优2115茎镉、铜、锰含量、穗部铜含量及川谷优2348叶片镉含量,增加了两品种叶片及川谷优2348茎中钙含量。硅+6 μmol/L硒处理显著降低宜香优2115茎中锌、叶片中镉、川谷优2348茎中锰以及穗部钙含量,促进宜香优2115叶片铜、锌含量的升高;硅+12 μmol/L硒处理抑制川谷优2348茎中镉、锌和宜香优2115穗部锌的积累,促进川谷优2348茎中铜和穗部锰、锌的积累。所有硒、硅处理均降低宜香优2115穗部镉含量,单施硅处理下宜香优2115穗部镉含量最低(5.4 mg/kg);12 μmol/L硒单独处理下川谷优2348穗部镉含量下降幅度变小(7.0mg/kg),硅+12μmol/L硒不能降低穗部镉含量。宜香优2115在单施6 μmol/L硒下糙米镉含量最低,川谷优2348则在硅+6 μmol/L硒和12 μmol/L硒下糙米镉含量最低。6.硒和硅对镉胁迫下杂交籼稻镉化学形态和亚细胞分布的影响以宜香优2115和川谷优2348为材料,采用大田试验的方法,用差速离心法和化学试剂逐步提取法,研究了硒和硅对不同籽粒镉积累水稻根茎叶中不同化学形态镉含量以及穗颈节间和叶片中不同亚细胞组分镉含量的影响。研究结果表明,叶面施硒主要对水稻根系中醋酸提取态和盐酸提取态镉含量产生影响,宜香优2115在叶面施硒处理下盐酸提取态镉含量为10.63 mg/kg,显著高于对照,川谷优2348则在叶面施硒处理下醋酸和盐酸提取态镉含量分别为27.83 mg/kg和16.42 mg/kg显著高于对照;施硅则减少了水稻根系中各化学形态镉含量;硒和硅配施对水稻根系各化学形态镉含量的影响在两个品种间存在差异,川谷优2348在硒硅配施处理下的乙醇提取态、去离子水提取态、醋酸提取态和盐酸提取态镉显著高于单独施硅处理。硒和硅均减少了两个品种茎叶中高活性态镉含量和总镉含量,且两个品种均在硒硅配合施用下最低。硒硅配施下,两个水稻品种根茎叶的乙醇和去离子水提取态镉所占比例均下降,盐酸提取态镉所占比例均升高。细胞中镉主要分布在细胞壁和细胞可溶性组分中,与对照相比,硒主要增加了两个水稻品种细胞可溶性组分含量,硅则主要增加细胞壁组分镉含量。硒和硅配施对细胞不同组分的影响则因品种和部位的不同而存在差异。7.硒和硅对镉胁迫下不同杂交籼稻生理生化特性的影响以不同籽粒镉积累水稻品种宜香优2115和川谷优2348为材料,研究硒和硅对镉胁迫下水稻穗颈节间和剑叶生理生化特性的影响。研究结果表明,硒显著提高两个水稻叶片中非蛋白巯基、谷胱甘肽和植物螯合肽含量,叶面施硒的效果显著优于叶面施硒+基施硅处理,基施硅肥对谷胱甘肽和非蛋白巯基含量的影响在品种间存在差异,在宜香优2115中比对照低6.4%和12.3%,但在川谷优2348中比对照高8.5%和5.3%。硒和硅可增加穗颈节间纤维素含量,两个品种间有相似的变化趋势。叶面施硒对两个水稻品种穗颈节间纤维素含量无显著影响,硅则能够显著增加穗颈节间纤维素含量,宜香优2115中单独施硅和硒硅共施处理穗颈节间纤维素含量分别比对照高11.4%和17.4%,川谷优2348在相同处理下比对照分别高11.5%和20.0%。水稻体内抗坏血酸和可溶性蛋白含量在硒和硅处理下都显著升高,但硒和硅对可溶性蛋白含量在不同品种间的影响存在差异。硒和硅能显著提高水稻叶片谷胱甘肽过氧化物酶活性,硒对谷胱甘肽过氧化物酶活性的提高优于硅处理,硒硅配施对谷胱甘肽过氧化物酶活性的提升效果最显著。硒硅处理对叶和穗部镉含量有显著的降低作用,但单独硒处理对穗颈节间镉含量无显著作用。硒单独处理对宜香优2115叶片向穗部的镉转运系数无显著影响,但对穗颈节间向穗部的转运有显著降低作用;硒和硅处理能显著降低川谷优2348的两个转运系数。