Selenium enhances iron plaque formation by elevating the radial oxygen loss of roots to reduce cadmium accumulation in rice(Oryza sativa L.)

硒通過提升根的徑向氧損失增強鐵膜形成以減少水稻中的鎘積累

來源：Journal of Hazardous Materials 398 (2020) 122860

《危險材料雜志》第398卷（2020年）第122860頁

 

摘要：

摘要探討了硒如何通過增強水稻根的徑向氧損失（ROL）來促進鐵膜（IP）形成，從而減少鎘（Cd）在水稻中的積累。研究顯示，Cd脅迫增加了超氧陰離子（O2-）和過氧化氫（H2O2）水平，抑制了超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（CAT）活性，降低了ROL和鐵膜形成。而硒通過刺激SOD和CAT活性清除ROS，增強ROL和鐵膜形成，最終減少Cd在水稻中的積累。特別地，在添加Fe2+的條件下，硒顯著降低了水稻的總Cd水平。

 

研究目的：

研究目的包括調查硒對Cd脅迫下水稻生長、氧化毒性、ROL、鐵膜形成和Cd吸收的影響，并闡明硒通過增強ROL促進鐵膜形成以減少Cd積累的機制。具體目標包括：探索硒如何緩解Cd誘導的氧化應激；評估硒對ROL和鐵膜形成的驅動作用；確定硒在減少Cd積累中的作用是否依賴于Fe2+的存在。

 

研究思路：

研究采用水培實驗設計，選用水稻品種Wuyunjing21。實驗分為四種處理：對照組（CK）、僅添加硒（Se）、僅添加鎘（Cd）以及同時添加硒和鎘（Se+Cd）。硒和Cd的添加濃度分別為0.3 μmol L-1和5.0 μmol L-1。在無Fe2+條件下培養25天后，測量生長、抗氧化酶活性、ROS水平、氧剖面（使用丹麥Unisense電極）等參數。隨后，進行鐵膜形成實驗，添加1.0 mmol L-1 Fe2+并培養12天，測量鐵膜相關指標和Cd積累。數據分析包括ANOVA和LSD檢驗，以評估處理間的顯著差異。

 

測量的數據及研究意義：

1. 干重：來自圖1。研究意義：Cd脅迫顯著抑制水稻根和地上部的干重（根減少54.3%，地上部減少41.1%），而Se緩解了這種抑制（根增加56.5%，地上部增加46.9%）。該數據表明Se能減輕Cd對生長的毒性影響，突出了Se的生物保護作用。

 

2. 抗氧化酶活性（SOD和CAT）：來自圖2。研究意義：Cd降低了SOD和CAT活性（根部分別減少46.7%和54.2%），而Se恢復了這些酶的活性（根部分別增加33.2%和135%）。該數據揭示了Se通過增強抗氧化防御系統緩解Cd誘導的氧化應激。

 

3. ROS水平（O2-和H2O2）：來自圖3。研究意義：Cd增加了ROS水平（根O2-增加62.4%，H2O2增加39.2%），而Se降低了這些水平（根O2-減少31.7%，H2O2減少19.5%）。該數據證實了Se能有效清除ROS，減少氧化損傷。

 

4. 氧剖面（ROL）：來自圖4。研究意義：使用丹麥Unisense電極測量的氧剖面顯示，Cd降低了最大O2濃度（從149 μmol L-1減至104 μmol L-1）和微氧化區深度，而Se提升了這些參數（最大O2濃度增加29.8%，深度增加22.6%）。該數據直接關聯到ROL變化，為理解鐵膜形成機制提供基礎。

 

5. 鐵膜形成（DCB-extractable Fe和Cd在鐵膜中的總量）：來自圖5。研究意義：Cd減少了鐵膜形成（DCB-extractable Fe減少74.5%），而Se增強了它（增加198%）；Cd在鐵膜中的總量在Se+ Cd處理中增加了318%。該數據表明Se通過促進鐵膜作為物理屏障吸附Cd，減少Cd進入根系。

 

6. Cd積累（根和地上部Cd濃度及總Cd量）：來自圖6。研究意義：無Fe2+時，Se降低了Cd濃度（根減少34.7%，地上部減少33.5%）但不影響總Cd量；有Fe2+時，Se顯著減少總Cd量23.3%（根Cd濃度減少46.3%，地上部減少44.7%）。該數據強調了Fe2+存在下Se通過鐵膜減少Cd吸收的關鍵作用。

 

 

結論：

研究結論包括：硒通過刺激SOD和CAT活性清除ROS，緩解Cd誘導的氧化毒性，并增強ROL和鐵膜形成；在有Fe2+的條件下，硒顯著減少水稻總Cd量23.3%，主要歸因于鐵膜的物理屏障作用；ROL的提升是硒增強鐵膜形成的關鍵機制；在無Fe2+時，硒僅緩解Cd毒性而不顯著減少總Cd積累。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense電極測量的氧剖面數據具有重要研究意義：它直接量化了根際微氧化區的氧濃度分布，包括最大O2濃度和微氧化區深度，從而精確評估了徑向氧損失（ROL）的變化。這種測量方法提供了原位證據，證明Cd脅迫會減少ROL（如最大O2濃度降低43.3%），而硒能逆轉這一效應（增加29.8%）。ROL是鐵膜形成的驅動力，因為氧促進Fe2+氧化為Fe3+并沉積在根表面。因此，這些數據不僅解釋了硒如何通過增強ROL促進鐵膜形成，還為開發減少水稻Cd積累的策略（如硒肥應用）提供了機制基礎，強調了根際氧化過程在重金屬修復中的重要性。