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JHM专栏 | 浙江大学刘飞课题组：重金属胁迫下水稻根系表型信息响应机理与快速检测方法

时间：2023-08-17 来源：浏览：

JHM专栏 | 浙江大学刘飞课题组：重金属胁迫下水稻根系表型信息响应机理与快速检测方法

刘飞教授环境人Environmentor

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第一作者： 王唯

通讯作者： 刘飞

通讯单位： 浙江大学生物系统工程与食品科学学院

论文DOI： 10.1016/j.jhazmat.2023.131010

图片摘要

成果简介

近日，浙江大学刘飞教授实验室在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Response mechanism and rapid detection of phenotypic information in rice root under heavy metal stress”的研究论文。本研究揭示了不同镉胁迫条件下水稻根系的响应机理，建立了水稻根系表型信息的快速定量检测方法，对于作物重金属污染防控与食品安全监管具有重要意义。

全文速览

根系是影响水稻籽粒中镉（Cd）积累的重要器官，为了评估镉对水稻根系表型的影响，本研究探究了镉积累、逆境生理、形态参数和微观结构等表型信息的响应机理，揭示了镉对根系表型具有“低促高抑”作用；应用LIBS和高光谱成像技术，建立了镉积累与逆境生理定量分析模型，实现了镉、可溶性蛋白、丙二醛的快速检测，其中最优预测模型的相关系数均高于0.90。与传统化学分析方法相比，检测时间缩短90%以上，证明了光谱技术用于作物根系表型信息快速检测的巨大潜力。

引言

镉污染已成为破坏生态环境、威胁粮食安全、危害人类健康的严重问题。水稻对镉具有强吸收特性，低浓度镉污染也会通过根部吸收，导致大米中镉含量超标。根系对镉的吸收是制约水稻籽粒中镉积累的关键环节。因此，研究镉对水稻根系表型信息的影响对于防控作物重金属风险具有重要意义。

图文导读

图1 ：基于LIBS技术的水稻根系镉检测方法。

分析不同镉条件下水稻根系的镉积累量，结果表明：水稻根系镉积累量随着胁迫时间和浓度的增加均呈增加趋势。融合应用LIBS技术和化学计量学方法，采用小波变换、中值绝对偏差、面积归一化等预处理方法提高光谱稳定性，缓解基体效应，建立的全谱LS-SVM模型（Rp =0.9958，RMSEP=29.58 mg/kg）具有最优预测效果，而基于特征波段的RF-LSSVM模型（Rp=0.9923，RMSEP=43.16 mg/kg）则同时兼顾预测准确性与模型复杂度。

图2 ：水稻根系可溶性蛋白、丙二醛逆境响应及快速检测。

分析了镉胁迫下水稻根系可溶性蛋白、丙二醛的逆境响应，结果表明：低浓度镉促进可溶性蛋白代谢，抑制丙二醛合成；高浓度镉加强可溶性蛋白分解，促进丙二醛合成。基于高光谱成像技术与化学计量学方法，采用竞争自适应重加权采样（CARS）筛选强相关性特征波段，建立的可溶性蛋白、丙二醛快速检测最优模型均为CARS-ELM，Rp大于0.90，变量减少96%以上，为作物根系逆境生理信息快速检测提供了技术支撑。

图3 ：水稻根系形态参数的逆境响应。

图4 ：水稻根系形态参数相关性分析。

基于WinRHIZO根系分析系统，分析不同镉胁迫条件下水稻根系形态参数的逆境响应，结果表明：形态参数在低浓度镉（5/25 μM）条件下获得最佳生长状态，在高浓度镉（100 μM）条件下获得最差生长状态，揭示镉胁迫对水稻根系形态参数具有“低促高抑”作用，结果显示水稻根系总根长、总表面积、总体积、根尖数、分枝数具有强相关性。

图5 ：水稻根系截面与根尖表面的微观结构。

分析了镉胁迫下水稻根系微观结构，结果表明：高浓度镉胁迫会改变细胞形状，造成质壁分离，增加嗜锇颗粒、淀粉粒的数量，破坏根系表皮、皮层、中柱鞘等微观结构，形成根表铁膜。

小结

本研究揭示了不同镉胁迫条件下水稻根系镉积累、逆境生理、形态参数、微观结构的响应机理，探究了水稻根系镉积累与逆境生理的快速检测方法，具体结论如下：（1）镉对水稻根系表型信息（逆境生理、形态参数、微观结构）具有“低促高抑”作用。（2）LIBS技术对于水稻根系镉积累快速精准检测表现出巨大潜力。（3）高光谱成像技术可用于实现水稻根系逆境生理的快速检测。本研究为作物根系多表型信息精准快速检测提供了技术支撑，对于预防重金属污染与保障粮食安全具有重要意义。

作者简介

第一作者： 王唯，中国科学院城市环境研究所博士后，主要研究方向为重金属胁迫下植物-环境信息快速检测方法研究。

通讯作者： 刘飞，浙江大学教授、博导，浙江大学农业信息技术研究所副所长、农业农村部光谱检测重点实验室副主任。刘飞教授创建的智慧田园与生态健康实验室（iGE）主要从事智慧农业信息感知与无人机遥感技术装备、植物-土壤-环境系统矿质营养与重金属元素波谱检测技术与仪器的研发与产业化应用。主持国家重点研发计划课题、863计划课题、国家自然科学基金项目等项目30多项。出版《Agricultural Internet of Things: Technologies and Applications》、《光谱及成像技术在农业中的应用》、《农用无人机技术及其应用》、《精细农业》等著作5部。在Journal of Hazardous Materials, Analytical Chemistry, Science of the Total Environment, Trends in Analytical Chemistry, Environmental Pollution, Food Chemistry等期刊发表SCI论文100余篇，Web of Science核心集H指数32，获授权发明专利40多项，美国、荷兰等国际专利5项。获国家科技进步奖二等奖1项、省部级一等奖4项、全国百篇优秀博士学位论文提名奖、大北农科技奖--智慧农业奖、第十九届中国专利优秀奖、中国农业工程学会第七届青年科技奖等荣誉。

JHM家族期刊包括Journal of Hazardous Materials (JHM)，Journal of Hazardous Materials Letters (JHM Letters), 和Journal of Hazardous Materials Advances (JHMA)。三本期刊拥有相同的scope，侧重在环境危险物质的迁移，影响，检测，和去除。旗舰期刊JH M发表高水平科研和综述文章，JHM Letters完全开放获取，发表Letter-type科研和前沿综述文章（3000字限制，4副图/表），JHMA定位为中档开放获取期刊。

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