外源有机物调节水稻（Oryza sativa L.）对镉的吸收：将根表面化学性质与金属转运及耐受性联系起来

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：Exogenous organic matter modulates cadmium uptake in rice (Oryza sativa L.): Linking root surface chemistry to metal translocation and tolerance

　　魏伟环|李克伟|杰克逊·恩科·恩科|卢海龙
国家林业和草原管理局暖季型草坪草种质创新与利用工程研究中心，江苏省植物资源研究与应用重点实验室，中国科学院植物研究所（南京中山植物园纪念），南京210014，中国

**摘要**
镉（Cd(II)）对水稻生产和食品安全构成严重威胁，而外源有机物（EOM）为Cd(II)的修复提供了一种经济高效、环保的解决方案。然而，EOM对根系电化学的影响及其与Cd(II)吸收和封存的关系仍不明确。本研究在生物炭和有机酸处理条件下，阐明了两种水稻品种（Oryza sativa L.，耐Cd(II)的WYJ24和敏感的FD88）的Cd(II)耐受机制。结果表明，WYJ24表现出更强的Cd(II)耐受性，其根系伸长率更高（1.35–3.66倍于FD88），并且限制了Cd(II)的向地上部分的转移（地上部分与根部的比例< FD88）。这一现象与WYJ24根系中Cd(II)的络合能力增强（10天后分别为70.7% vs 22.9%）以及根系负电荷减少（pH 6.73时为-10.6 vs -13.4 mV）有关。在Cd(II)胁迫下，WYJ24根系分泌物分析显示特定酸类（如苹果酸、奎宁酸）的含量有针对性地增加，而敏感的FD88则表现出显著的分泌失调。此外，添加生物炭的培养基显著提高了根系的负ζ电位和功能基团浓度，这些变化与根系吸收和可交换Cd(II)总量显著相关。然而，有机酸对不同品种的作用存在差异：草酸通过质子化作用调节FD88中的Cd(II)吸附，而生物炭则增强了WYJ24中的Cd(II)络合能力。因此，研究结果表明，Cd(II)耐受性是由根系表面特性和内部封存效率共同决定的，有机改良剂通过选择性改变根系界面来发挥作用。不过，将这些水培实验结果应用于实际田间条件仍需进一步验证。

**1. 引言**
重金属（HM）污染对环境和健康构成重大风险，尤其是在农业系统中，作物对重金属的吸收可能导致其在食物链中的积累。镉（Cd(II)是一种高毒性重金属，对农业生产力、环境健康和人类福祉构成严重威胁（Jallad, 2015; Meng et al., 2022; Nkoh et al., 2022）。由于其高生物富集因子，Cd(II)容易通过必需营养素的转运蛋白从土壤进入作物可食用部分，破坏植物生理机能，并通过食物链增加人体对Cd(II)的暴露风险（Ning et al., 2023; Zhang et al., 2023）。不同品种间对Cd(II)的耐受性和积累能力存在差异，某些品种能够限制金属向可食用组织的转移（例如在白卷心菜中的研究B?czek-Kwinta et al., 2011）。这突显了利用基因型差异（包括根系排除和封存机制）来减轻Cd(II)进入食物链的潜力。
水稻（Oryza sativa L.）是全球重要的主粮作物，养活了超过一半的世界人口（Shiming, 2018）。作为中国的三大主要主粮作物之一，水稻容易通过根系吸收Cd(II)，使其在植株地上部分积累。在Cd(II)污染的稻田中，这种快速积累会导致“镉米”的产生，对消费者健康构成严重风险（Xiao et al., 2017; Yang et al., 2021）。采矿活动和电子废物拆解场对农田的快速污染使得生产高质量作物几乎变得不可能（Kong et al., 2021; Luo et al., 2011; Rautela et al., 2021）。可食用植物部分中Cd(II)的积累通常超过安全阈值，Sharma等人（2009）报告蔬菜中的铜、镉和铅含量分别高出13%、47%和9%。在中国，国家食品安全标准（GB 2762–2022(XG1–2025)）将精米中的Cd(II)最大限值设定为0.2 mg kg?1。这一严格标准凸显了开发有效农艺和遗传策略的紧迫性，如使用土壤改良剂和种植低积累品种，以减轻Cd(II)进入食物链并保护消费者健康。
植物过度暴露于重金属会损害根尖，抑制根毛发育，阻碍细胞分裂/伸长，并影响养分/水分吸收（Dong et al., 2020）。为了管理重金属污染，外源有机物（EOM），包括生物炭、有机酸和堆肥，已成为通过多种机制（如提高pH值、表面络合和促进微生物转化）固定Cd(II)的有前景的方法（Alqadami et al., 2018; He et al., 2022; Higashikawa et al., 2016）。有机改良剂在稻田土壤中显示出显著的Cd(II)固定潜力，主要通过改变土壤的物理化学性质来降低Cd(II)的生物可利用性（Huang et al., 2025; Tao et al., 2023; Xu et al., 2024a）。然而，稻田系统的氧化还原动态使修复变得复杂，因为淹水条件有利于Cd(II)的可溶性形式，从而增加其在植物体内的积累（Gao et al., 2022; He et al., 2023; Wu et al., 2025）。
生物炭是一种热解碳材料，由于其持久的芳香结构、高表面积和碱性pH值，在修复重金属污染土壤方面特别有效，这些特性共同增强了Cd(II)的吸附并促进了其以难溶形式的沉淀（He et al., 2023; Zhang et al., 2019; Zhang et al., 2014）。在Cd(II)污染的稻田中应用稻草衍生生物炭显著提高了土壤pH值，并促进了Cd(II)碳酸盐复合物的形成，从而大幅减少了水稻对Cd(II)的吸收（Rehman et al., 2020; Zhang et al., 2019）。同样，来自绿色废物或动物粪便的堆肥增加了土壤中的活性功能基团（如-COOH、-OH），这些基团可以螯合Cd(II)离子，同时刺激微生物活动进一步固定金属离子（Antonangelo et al., 2021; Liang et al., 2017; Lu et al., 2015）。这些材料的整体作用机制涉及离子交换、络合和表面吸附的结合，有效地将Cd(II)和其他金属锁定在土壤基质中，远离植物根部（Nkoh et al., 2022）。
EOM改良剂的效果受改良剂性质、土壤物理化学性质、季节变化和田间异质性的影响（Boostani et al., 2019; Lu et al., 2025）。在水稻种植的具体背景下，有机改良剂的影响受到稻田独特淹水条件的深刻影响（He et al., 2023; He et al., 2022; Yang et al., 2022; Zhu et al., 2015）。添加有机物质（如生物炭或稻草）为厌氧微生物提供了碳源，这些微生物依次减少了土壤中的电子受体。Tao等人（2023）的研究表明，生物炭和氧化锰的联合应用在降低稻田土壤和水稻植株中Cd(II)的生物可利用性方面非常有效。最近的研究还发现，在田间条件下，生物炭和石灰石的联合使用分别使土壤中可利用的Cd(II)和稻米籽粒中的Cd(II)减少了约90%和50%（Lu et al., 2025）。Xu等人（2024b）的研究表明，生物炭的石灰化和钝化作用直接使土壤中可利用的Cd(II)减少了25.2%，随后使地上部分中的Cd(II)浓度减少了13.6%。作者认为，生物炭改变了根际微生物群落，丰富了特定功能群，如还原铁的细菌、去除Cd(II)的细菌和促进植物生长的根际细菌。
在土壤系统中，有机酸的行为尤为复杂，低分子量化合物如柠檬酸和草酸根据pH值和浓度不同，既可以通过络合作用固定Cd(II)，也可以通过形成可溶性螯合物来增强其移动性（Lackovic et al., 2004; Xu and Nkoh, 2024）。同样，生物炭的功能性受原料和热解条件的影响，影响其直接吸附金属的能力与间接的pH介导效应（Li et al., 2019）。尽管EOM能够固定Cd(II)，但也有研究表明某些水溶性成分可能会增加其移动性和潜在毒性（Guo et al., 2020; He et al., 2022）。然而，最令人感兴趣的是我们对EOM成分与根系表面物理化学实体之间基本相互作用的理解仍存在关键知识空白。
土壤系统的异质性，包括其变化的pH值、有机质含量和矿物组成，常常使理解EOM-植物根系相互作用机制变得复杂。根系表面本身是金属吸收的关键因素，其ζ电位和功能基团化学性质决定了初始的Cd(II)吸附，而这种界面电荷受pH值和根系分泌物等环境条件的影响（Dong et al., 2020; Liu et al., 2017; Moradi et al., 2019; Yan et al., 2012）。因此，对这些根系水平过程的机制理解对于全面了解EOM如何影响Cd(II)的吸收和转移至关重要。
为了解决这一限制，并区分直接根系效应和土壤介导的过程，本研究采用了受控的水培系统。这种方法的选择旨在精确表征生物炭和有机酸如何改变根系界面并影响Cd(II)的动态。基于此目的，本研究的具体目标是：（i）分离根系表面电荷（ζ电位）和功能基团化学在Cd(II)结合和吸收中的机制作用；（ii）量化短期Cd(II)吸附/解吸的动力学及其随时间转化为不同化学形式（可交换、络合、沉淀）的过程；（iii）通过将改良剂引起的根系表面性质变化与Cd(II)积累和转移模式的差异联系起来，阐明不同EOM（生物炭和有机酸）对品种的特异性响应。

**2. 材料与方法**
**2.1. 有机物质的选择**
本研究中使用的生物炭由玉米秸秆（CSB）、花生秸秆（PSB）和播种向日葵籽盘（SSPB）制成。在生物炭生产过程中，热解炉的温度以20°C/min的速度升至400°C并保持3小时（Chun et al., 2004）。柠檬酸（CA）、草酸（OA）和腐殖酸（HA）购自Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd（上海，中国），未经进一步纯化即可使用。确定生物炭基本性质的具体方法已在前文中报道（Lu et al., 2022），所选性质列于表1中。

**表1. 本研究中使用的生物炭的基本物理化学性质（Lu et al., 2022）**
| 性质 | PSB | SSPB | CSB |
|--------------|---------|--------|---------|
| pH | 10.35 | 10.82 | 8.39 |
| 碱度（cmol kg?1） | 277.33 | 417.29 | 119.58 |
| 阳离子交换容量（cmol kg?1） | 123.39 | 132.55 | 148.91 |
| 总功能基团（cmol kg?1） | 150.08 | 133.70 | 174.35 |

**2.2. 根系伸长测量和镉敏感性测试**
本研究选择了两种对Cd(II)敏感性不同的水稻品种：Fudao 88（FD88，敏感）和Wuyunjing 24（WYJ24，耐受）。FD88和WYJ24种子首先用10% H2O2处理15分钟，然后清洗，并在蒸馏去离子水中浸泡6小时。之后，种子在装有纱布的周转箱中于25°C下黑暗条件下发芽。3天大的幼苗根系被浸入含有或不含Cd(II)的0.5 mM CaCl2溶液中。CdCl2作为Cd(II)来源，浓度分别为0、10、25和50 μM。48小时后，测量根系长度（浸入Cd(II)前后）。相对根系伸长率（RRE）根据公式1计算（Shu et al., 2015）：
(1) RRE = [根系在CdCl2溶液中的伸长] / [根系在无CdCl2溶液中的伸长] × 100%
在此阶段，每个水稻幼苗只有一条主根，每个处理使用一个幼苗作为重复实验。每个处理包含八个种子，每个处理有三个重复实验，结果以平均值±标准误差报告。由于缺乏针对所研究基质的特定参考物质（CRM），通过标准添加回收实验评估了方法的准确性。在分析前向代表性消化样品中添加了已知量的Cd(II)标准品，平均回收率为98 ± 3%（n = 5），证实了分析程序的可靠性。

**2.3. 评估有机物质对根系伸长和镉吸收的影响**
该实验旨在确定有机处理对水稻植株生长、根系伸长和根系电化学性质的影响。在生长到约2厘米阶段时，发芽的幼苗被转移到生长室中（光照时长=14小时，光照强度=375微摩尔光子每平方米每秒，白天温度=26摄氏度，夜间温度=20摄氏度，相对湿度=70%）（Cai等人，2022年）。当幼苗长到5厘米时，它们被移植到一个1升的聚氯乙烯（PVC）桶中，桶内含有含有或不含有有机物的营养液。生物炭（PSB、CSB、SSPB）的施用量为1.25克每升，而OA、CA和HA的施用量为50克每升，每种处理都添加了50微摩尔的Cd(II)。另一个仅含有营养液的处理作为对照组，并在相似条件下进行实验。营养液的组成如下：（毫摩尔）0.75 (NH4)2SO4、1.5 NaNO3、0.32 NaH2PO4·2H2O、0.5 K2SO4、1.7 MgSO4·7H2O、1.0 CaCl2；（微摩尔）9.1 MnCl2·4H2O、0.16 CuSO4·5H2O、0.15 ZnSO4·7H2O、0.07 (NH4)6Mo7O24·4H2O、18 H3BO3、40 FeSO4·7H2O-EDTA（Fan等人，2007年）。营养液的pH值每两天测定一次，然后更换为新鲜配制的溶液。经过五次处理（10天后），水稻根部被收获，用去离子水清洗后用于后续实验或风干。

2.4. 镉吸收和脱附量的测定
吸收实验后，水稻根部用蒸馏水冲洗以去除表面松散结合的Cd(II)。根部在105摄氏度下烘干30分钟，然后在55摄氏度下继续烘干至恒重。通过浓HNO3和30% H2O2（3:1）的消化法提取根部和茎部的总Cd(II)含量。为了区分Cd(II)的形态，根部依次置于含有0.1 M KNO3、0.05 M EDTA-2Na和0.01 M HCl的溶液中进行30分钟的脱附处理。提取出的Cd(II)分别被分类为可交换型、络合型和沉淀型（Liu和Xu，2015年）。提取物通过注射器微滤器过滤后，再用HNO3-HClO4（体积比5:1）消化，随后使用原子吸收光谱仪（Nov AA350，Analytik Jena，德国耶拿）进行分析。提取后，根部与地上部分一起在70摄氏度下烘干以测定总干重。

2.5. 根部表面的ζ电位和功能团的表征
水稻根部的ζ电位使用流动电位法原位测定（Li等人，2014年；Lu等人，2020年）。收获的水稻根部在风干前用蒸馏去离子水浸泡12小时。干燥后，将根部切成2厘米长的段，放入设备的夹持池中（内径=1.5厘米，长度=2厘米），并在不同的pH值（6.73、6.28、5.73、5.14、4.83）下记录流动电位（ΔE，毫伏）。借助自动计算机采集器，记录ΔE和液压差（ΔP，帕斯卡），并用于计算ΔE与ΔP的比值。根部的ζ电位通过Helmholtz–Smoluchowski方程（公式2）计算（Childress和Elimelech，1996年）：
(2) ζ = ΔE / (ΔP * μ * η0 * k)
其中ζ是ζ电位（毫伏）；η0是测试溶液的介电常数（法/米）；ΔE是流动电位（毫伏）；μ是溶液的动态粘度（帕斯卡秒）；ΔP是液压差（帕斯卡）；k是溶液的电导率（西门子/米）。
干燥根部的红外光谱（ATR-FTIR）使用配备钻石探头的红外光谱仪测量。按照操作标准，使用Nicolet iS10光谱仪（Analytical Instruments，美国）记录整个植物根部的表面功能团，设置扫描次数为32次，光谱范围为650–4000厘米^-1，操作分辨率为4厘米^-1。生长、吸收和脱附数据使用SPSS 26.0进行统计分析。采用单因素方差分析（ANOVA）和t检验来比较不同处理之间的差异。

2.6. 根部渗出物中有机酸的分析
从每种基因型的六株均匀大小的全株植物中收集根部渗出物，这些植物分别在含有或不含有Cd(II)的营养液中生长。切除后，根部用流动去离子水短暂冲洗以去除残留的营养液，然后浸入300毫升去离子水中4小时以收集渗出物，时间选择基于先前研究中的分泌窗口（3–24小时）（Yan等人，2012年）。取30毫升上清液通过注射器过滤器过滤，冻干成干粉，并在-80摄氏度下保存直至分析。
提取时，大约1克冻干粉与2毫升0.1%磷酸混合并在冰水浴中超声处理30分钟。离心（12,000转/分钟，5分钟）后，收集上清液，并重复提取一次。合并的上清液用0.1%磷酸稀释至最终体积5毫升，然后通过0.22微米水膜过滤后进行分析。
有机酸使用Agilent 1260 HPLC系统与Agilent 6420 A三重四极杆质谱仪（LC-MS/MS）联合测定。十二种有机酸——苹果酸、富马酸、柠檬酸、琥珀酸、马来酸、酒石酸、奎宁酸、莽草酸、马来酸、乳酸和乙酸——使用标准品在0.1%磷酸中分别校准浓度为5、10、50、100、500、1000和5000纳克/毫升。草酸单独在50、100、500、1000、5000和50000纳克/毫升的浓度下校准。流动相由（A）超纯水和（B）含0.1%甲酸的甲醇组成。

3. 结果
3.1. 不同水稻品种对Cd(II)胁迫的耐受性差异及根部表面电荷和功能团的变化
相对根伸长率（RRE）被用作定量指标来比较不同水稻品种对Cd(II)的耐受性（图1a）。在10、25和50微摩尔的Cd(II)处理下，WYJ24品种的RRE分别比FD88品种高1.35、1.88和3.66倍（P < 0.05）。因此，WYJ24被归类为耐Cd(II)的品种，而FD88为敏感品种。

图1. Wuyunjin24（WYJ24）和Fudao88（FD88）在暴露于镉48小时后的相对根伸长率（a），以及在不同有机添加剂中生长10天的根部ζ电位（b和c）。CK-对照、玉米秸秆生物炭-CSB、花生秸秆生物炭-PSB、播种向日葵板生物炭-SSPB、柠檬酸-CA和腐殖酸-HA。误差条为平均值的标准误差。
在4.83–6.73的pH范围内，根部表面的ζ电位为负值，并且随着外部溶液pH值的增加而逐渐变得更负（图1b和1c）。在任何给定的pH值下，耐Cd(II)的WYJ24品种的根部表面ζ电位的绝对值低于敏感品种FD88，表明前者在其根部表面携带的负电荷较少。例如，在对照条件下，FD88的ζ电位范围为-13.43至-6.55毫伏（图1b），而WYJ24的ζ电位范围为-10.63至-6.48毫伏（图1c），随着溶液pH值从6.73降至4.83。
生物炭显著增加了根部表面的负电荷，其中SSPB的贡献最大，其次是PSB和CSB。具体来说，在pH 6.73时，FD88根部的ζ电位在PSB、CSB和SSPB处理下分别从-13.43毫伏变为-15.75、-16.12和-17.67毫伏，而WYJ24的ζ电位分别从-10.63毫伏变为-16.77、-16.58和-16.08毫伏（图1b和1c）。在有机酸处理下，FD88根部的表面负电荷没有显著变化；然而，在pH值< 6.0时，OA通过增强质子化显著减少了根部的负电荷，使得FD88根部的负ζ电位从-11.54降至-10.06、-7.97降至-6.57、以及-6.55降至-3.94毫伏（图1b）。相反，在pH值> 4.83时，有机酸处理增加了WYJ24根部的负电荷（图1c）。例如，在pH 6.73–4.83的范围内，WYJ24根部的ζ电位在CA、OA和HA处理下分别为-14.29至-4.76、-15.33至-7.01和-14.81至-5.59毫伏，而对照处理为-10.63至-6.48毫伏。
使用ATR-FTIR光谱对根部表面功能团进行表征，发现吸收峰位于1631厘米^-1、1510厘米^-1和1248厘米^-1，分别代表酰胺I（CO伸缩振动和N-H弯曲振动）、酰胺II（N-H弯曲振动）和酰胺III（N-H弯曲振动和C-N伸缩振动）（图2）。位于1417厘米^-1的吸收峰归因于-COO^-的对称振动，而纤维素中的C-H伸缩振动和碳水化合物中的C-OH弯曲振动分别位于1369厘米^-1和1030厘米^-1（Sharifi等人，2016年；Singh和Lee，2016年；Wang等人，1992年）。功能团吸收峰的位置没有显著差异，表明根部表面含有相似的功能团。生物炭显著增加了两种品种根部的吸收峰强度，表明水稻根部表面的功能团数量显著增加。有机酸对FD88根部表面功能团的吸收峰强度没有显著影响。相反，有机酸处理显著增加了WYJ24根部表面功能团的吸收峰强度。

图2. Fudao88（a）和Wuyunjin24（b）在不同有机添加剂处理下暴露10天后的衰减全反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱。CK-对照、玉米秸秆生物炭-CSB、花生秸秆生物炭-PSB、播种向日葵板生物炭-SSPB、柠檬酸-CA和腐殖酸-HA。

3.2. 不同有机处理下总镉脱附和形态的变化
在2小时暴露后，不同水稻品种根部脱附的Cd(II)量存在显著差异，这种差异比10天后的变化更为明显（图3）。此外，2小时暴露后脱附的Cd(II)量比10天后的更多，表明植物需要更长的时间来将Cd(II)转化为不易利用的形式。对于FD88品种，生物炭处理在2小时暴露后脱附的Cd(II)最多，而在10天后，PSB处理的Cd(II)脱附量最少（图3a）。然而，在2小时暴露实验中，WYJ24品种根部脱附的Cd(II)量最大的是SSPB处理，其次是HA处理（图3b）。总体而言，FD88品种在2小时和10天暴露后根部脱附的总Cd(II)量分别在989.9至3021.8毫克/千克和292.8–652.3毫克/千克之间（图3a）。在相似条件下，WYJ24品种在2小时和10天暴露后根部脱附的总Cd(II)量分别在1283.7–3121.1毫克/千克和307.6–693.5毫克/千克之间（图3b）。

图3. Fudao88（FD88）和Wuyunjin24（WYJ24）水稻品种在暴露于镉（50微摩尔）2小时和10天后的总脱附镉量变化。CK-对照、玉米秸秆生物炭-CSB、花生秸秆生物炭-PSB、播种向日葵板生物炭-SSPB、柠檬酸-CA和腐殖酸-HA。
根据差异化的根部Cd(II)脱附曲线，总脱附的Cd(II)被操作性地分为可交换型、络合型和沉淀型，观察到可交换型Cd(II)占主导地位，其次是络合型和沉淀型（图4）。在对照处理和2小时Cd(II)暴露期间，FD88根部可交换型、络合型和沉淀型Cd(II)分别占总脱附量的42%、36.6%和21.4%（图4a），而WYJ24根部分别为56.3%、27.3%和16.4%（图4b）。对于长时间的Cd(II)处理，FD88根部可交换型、络合型和沉淀型Cd(II)分别占70.8%、22.9%和6.3%（图4c），而WYJ24根部分别为27.3%、70.7%和2.1%（图4d）。

图4. Fudao88（FD88，a和c）和Wuyunjin24（WYJ24，b和d）水稻品种在暴露于镉（50微摩尔）2小时（a和b）和10天（c和d）后的化学形态变化。CK对照组、玉米秸秆生物炭-CSB、花生秸秆生物炭-PSB以及播种向日葵盘生物炭-SSPB、柠檬酸-CA、草酸-OA和腐殖酸-HA。生物炭和有机酸处理对两种水稻品种根系中Cd(II)的形态产生了不同的影响。例如，在FD88品种的根系中，所有生物炭处理在2小时暴露实验中使可交换Cd(II)的比例增加到总释放Cd(II)的55-61%（图4a），但在10天暴露实验中这一比例降低了（图4c）。此外，有机酸在短期和长期暴露研究中都减少了根系中的可交换Cd(II)形式。然而，WYJ24在2小时暴露后表现出更稳定的可交换Cd(II)比例，除了OA处理显著降低了这一比例（图4b）。另外，图4d显示，在10天暴露后，SSPB和HA处理完全改变了WYJ24根系中Cd(II)的形态，其中98.2%和78.8%的总释放Cd(II)处于可交换形式。对于这两种品种，当任何处理降低了可交换Cd(II)的比例时，复合Cd(II)的比例相应增加。

3.3. 水稻品种中镉积累的变化
在2小时Cd(II)暴露后，生物炭和有机酸改良剂显著增强了FD88根系中的镉积累（图5a）；然而，除了PSB和OA处理外，这些改良剂也提高了地上部分的镉含量。对于这一品种，SSPB在增加根系（727%）和地上部分（144%）的镉积累方面表现出最显著的效果。相比之下，对于WYJ24，在相似条件下，生物炭和有机酸处理显著增加了根系和地上部分的镉含量，其中SSPB在根系（265%）和地上部分（356%）中同样表现出最显著的效果（图5b）。

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图5. 在不同有机添加剂存在下，Fudao88（FD88，a和b）和Wuyunjin24（WYJ24，c和d）在暴露于50 μM镉2小时（a和b）和10天（c和d）后的镉积累情况。CK对照组、玉米秸秆生物炭-CSB、花生秸秆生物炭-PSB以及播种向日葵盘生物炭-SSPB、柠檬酸-CA、草酸-OA和腐殖酸-HA。误差条为均值的标准误差。
10天的镉吸收曲线显示，两种不同品种的地上部分积累趋势比根系更为一致（图5c和5d）。对于FD88的根系，所有处理都显著增加了镉积累，除了SSPB处理显著降低了镉积累（图5c）。然而，虽然PSB和SSPB降低了地上部分的镉积累，但其他处理没有显著影响。考虑到WYJ24，观察到只有PSB处理增加了根系的镉积累，而SSPB和CA处理则显著降低了镉积累（图5d）。在这一品种的地上部分，唯一的显著变化是CSB和SSPB处理导致的镉积累减少。相比之下，在短期和长期积累实验中，FD88根系的镉吸收潜力显著低于WYJ24。

在2小时和10小时的镉暴露后，WYJ24的地上部分与根系的镉比率（图S1b）显著低于对镉敏感的FD88（图S1a）。在FD88中，对照组在2小时镉暴露后的比率显著高于所有生物炭和有机酸处理，10天后也观察到了类似的趋势，除了SSPB处理（图S1a）。相比之下，HA、CA和SSPB处理增加了WYJ24的地上部分与根系的镉比率（图S1b）。此外，对于两种品种，在2小时镉处理后，地上部分与根系的镉比率显著高于10小时后的比率，表明长时间的镉暴露逐渐增加了根系中保留的镉比例。

在pH 6.73下，水稻根系的ζ电位与根系吸收的镉量（图S2a）、地上部分吸收的镉量（图S2b）以及根系中的可交换镉比例（图S2c）呈正相关。此外，根表面电荷与根系和地上部分吸收的镉量之间也观察到了显著的线性关系，表明根表面电荷对植物根系吸收镉及其相关离子起着重要作用。此外，根系中的可交换镉与ζ电位（图S2c）以及地上部分/根系中的镉含量（图S2d）显著相关。

3.4. 植物生长及地上部分和根系伸长的变化
图S3展示了在含有镉或不含镉的溶液中暴露10天后，根系（图S3a）、地上部分（图S3b）和整株植物（图S3c）的相对生长率。与对照组相比，生物炭和有机酸改良剂显著增加了两种品种的根系相对伸长，地上部分伸长的趋势也相同。具体来说，FD88的根系和地上部分伸长分别增加了1.73-3.43倍和1.14-2.46倍，而WYJ24的根系和地上部分伸长分别增加了1.34-2.56倍和1.12-1.91倍。总体而言，生物炭处理在根系（1.67-343倍）和地上部分（1.33-2.46倍）的相对伸长方面比有机酸（1.14-2.27倍）产生了更显著的增加，表明生物炭在提高镉耐受性方面更为有效。此外，在相同的处理条件下（图S3c），镉耐受性品种WYJ24在对照组、SSPB、OA和HA处理下的整体生长情况优于对镉敏感的FD88。

3.5. 品种在镉毒性期间有机酸分泌的变化
镉耐受性（WYJ24）和对镉敏感（FD88）品种的根系分泌物谱显示了对镉暴露的根本不同反应（图6a, b）。在对照条件下，WYJ24的主要分泌物是草酸（299.0 μg g^-1）、苹果酸（285.7 μg g^-1）、乳酸（261.6 μg g^-1）、富马酸（143.9 μg g^-1）和马来酸（140.9 μg g^-1）。对于FD88，主要分泌物是苹果酸（847.1 μg g^-1）、草酸（336.4 μg g^-1）、乳酸（258.2 μg g^-1）、马来酸（254.8 μg g^-1）和琥珀酸（145.2 μg g^-1）。

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图6. 在镉处理2小时和10小时后，WYJ24（a）、FD88（b）水稻品种根系中各种有机酸分泌物的变化以及总有机酸的变化（c）。总有机酸包括醋酸、柠檬酸、富马酸、乳酸、马来酸、苹果酸、马来酸、草酸、莽草酸、琥珀酸和酒石酸。
在2小时和10小时的镉暴露下，WYJ24（图6a）和FD88（图6b）根系分泌物的变化趋势不同。在镉耐受性WYJ24中，急性2小时胁迫引发了针对性的分泌反应。12种量化有机酸中有10种的含量增加，尤其是酒石酸（+3557%）、苹果酸（+1744%）和马来酸（+1856%）的增加尤为明显。相比之下，马来酸和乳酸的含量分别减少了24.2%和15.4%。在10天的慢性暴露后，分泌物谱发生了显著变化，马来酸、琥珀酸和马来酸的含量分别减少了30.5%、13.4%和19.4%，表明这一特定分泌途径被下调（图6a）。此外，除了乳酸外，2小时暴露后的根系分泌物量显著高于10小时暴露后的量。

对镉敏感的FD88品种的反应表现为2小时后的极端和无差别的分泌增加（图6b）。苹果酸（+9566%）、莽草酸（+8641%）和琥珀酸（+3395%）的增加最为显著。此外，只有乳酸的分泌减少了19%。到10天时，大多数酸的分泌量仍高于对照组，尽管比2小时时的峰值低得多。值得注意的是，与对照组相比，马来酸和马来酸的分泌在长期胁迫后分别减少了73%和60.5%（图6b）。
与WYJ24相比，敏感的FD88表现出增强的分泌反应，其总有机酸（TOA）分泌量在2小时后增加了1061%（图6c）。这一反应的绝对幅度比耐受性WYJ24的急性反应（772%）大87.4%。在10天的慢性暴露后，两种品种的分泌都减少了。然而，WYJ24在2小时镉胁迫和10天镉胁迫下的TOA分泌量分别比FD88低40.1%、86.5%和38.1%（图6c）。

4. 讨论
4.1. 根表面电化学作为品种特异性镉耐受性的主要决定因素
本研究表明，WYJ24和FD88两种水稻品种之间的镉耐受性差异是由它们不同的根表面电化学性质决定的（图1）。WYJ24在镉胁迫下的根相对伸长（RRE）显著更高（图1a），这与金属耐受性通常与根系生长维持相关的观点一致（Munzuroglu和Geckil，2002；Ward等人，2008）。然而，我们的结果为这一现象提供了新的机制解释。我们发现，镉耐受性WYJ24在广泛的pH范围（4.83-6.73）内始终表现出较少的负根表面电荷（ζ电位），而敏感的FD88则相反（图1b和1c）。例如，在pH 6.73时，WYJ24的ζ电位为-10.63 mV，比FD88的-13.43 mV低2.8 mV。这一发现修正了根表面电荷均匀决定金属吸收的简化观点。虽然已知更负的ζ电位可以通过静电吸引增强阳离子金属的吸附（Dong等人，2020；Li等人，2014），但我们的数据显示，FD88具有更负的根表面电荷，与其根系中较高的短期镉积累相关（图5a）。这支持了Biswash等人（2021）的研究，他们发现水稻更负的根表面电荷增强了Cu(II)的吸收。此外，ATR-FTIR数据（图2）显示，两种品种的根表面含有相似的功能团，但强度不同，表明根细胞壁上常见的脱质子化羧基和酰胺基团的密度是造成这种电荷差异的关键因素。此外，根表面功能团的这种差异性脱质子化对植物根系吸收镉及其相关离子有显著影响（Biswash等人，2021；Dong等人，2020；Lu等人，2020；Lu等人，2021）。

短期和长期镉吸附谱（图3）表明，初始吸附只是更复杂耐受机制的第一阶段。WYJ24的优越耐受性似乎不在于防止初始镉结合，而在于其内部镉解毒和隔离的能力更强，这从镉形态数据（图4）中可以看出。10天后，WYJ24的根系将70.7%的吸附镉以复合形式隔离，而FD88则将70.8%的镉保留在更易生物利用和具有植物毒性的可交换形式中（图4c）。这种差异表明WYJ24采用了更有效的细胞内螯合机制，可能涉及植物螯蛋白的合成和通过转运蛋白如OsHMA3的液泡隔离（Lu等人，2019；Ning等人，2023；Sasaki等人，2014；Shao等人，2018；Ueno等人，2010）。这与Ning等人（2023）的研究结果一致，他们强调了液泡转运蛋白在减少谷物中镉积累中的作用。因此，WYJ24的策略结合了降低初始静电吸引（较低的ζ电位）和增强的内部螯合作用，从而最小化了镉的植物毒性效应，并解释了其更高的RRE和整体生长（图S3）。

4.2. 有机物质成分对根界面有不同的调节作用
我们的结果表明，生物炭和有机酸并不作为通用改良剂，而是引起根表面化学的具体且常常相反的变化，这些变化进一步受到水稻品种和暴露时间的调节（图1，图2）。生物炭的主要作用是通过显著增加根表面的负ζ电位（图1）和功能团的强度（图2）来增强根表面的反应性。例如，SSPB改良剂将FD88根系的ζ电位从-13.43 mV提高到-17.67 mV（pH 6.73）。这表明生物炭改良剂可以直接或间接增强根系上金属结合位点的密度，这种现象相比生物炭对土壤的直接影响记录较少（Nkoh等人，2022年）。ζ电位、根系中Cd(II)含量以及可交换Cd(II)组分之间的强正相关关系（图S2a和S2c）证实了这种由有机物质引起的表面电荷变化直接影响了Cd(II)的吸附动力学。此外，SSPB的卓越效果可能归因于其较高的灰分含量和碱性（表1），这可能促进了根表面功能基团（-COOH → -COO?）的脱质子化，并可能有助于形成Cd(II)-生物炭-根复合体或表面沉淀物（Xu等人，2024a）。这一发现为已建立的生物炭作用机制增添了一个新的、以根系为导向的机制，该机制主要关注土壤中Cd(II)的固定（Nkoh等人，2022年；Xu等人，2024a；Zhang等人，2019年）。进一步的研究表明，生物炭在最初2小时内增加了根系中可交换Cd(II)的组分（图4a和4b），表明其表面迅速被加载。然而，在10天后，如PSB和SSPB这样的处理方式促进了更稳定形式的形成，并减少了地上部分的积累（图5c和5d），这表明从简单的吸附转变为在根细胞间隙或共质体中更稳定的络合或沉淀（Ning等人，2023年；Sasaki等人，2014年；Ueno等人，2010年）。与生物炭不同，有机酸对根系电化学性质的影响在很大程度上依赖于品种。在敏感的FD88品种中，有机酸在低pH值下通过质子化降低了根表面的负电荷（图1b），这与它们已知的作用一致，即与Cd(II)竞争结合位点（Perelomov等人，2011年；Xu和Nkoh，2024年）。相反，在耐受性强的WYJ24品种中，有机酸（CA、OA、HA）增加了根表面的负电荷（图1c）和功能基团的强度（图2b）。这表明WYJ24可能通过分泌或整合更多的阴离子化合物来代谢响应这些酸，从而增强了其固有的络合能力（Kocaman，2023年；Osmolovskaya等人，2018年）。这种对有机酸的品种特异性反应强调了推广改良剂效果的风险，并突出了制定特定于品种的修复策略的必要性。

4.3. 吸附、形态转化和迁移在决定镉最终命运中的作用
WYJ24品种中地上部分与根系之间Cd(II)比例的一致性较低，这突显了根系电化学在确保食品安全方面的重要性，这一点在2小时和10天的暴露后都得到了证实（图S1）。这种受限的迁移是Cd(II)耐受性品种的特征，可能是由于木质部负载减少，这可能是由于流入转运蛋白（如OsNramp5）的表达或活性降低，以及通过转运蛋白（如OsHMA3）在根细胞中的液泡隔离增强（Sasaki等人，2014年；Shao等人，2018年）。此外，根系中可交换Cd(II)与地上部分Cd(II)含量之间的正相关关系（图S2d）证实了根系将Cd(II)转化为稳定络合形式的能力是限制其向可食用谷物迁移的关键因素。图5中的数据表明，Cd(II)主要分布在根系中，而不是地上部分，这与水稻中Mn的分布情况相反（Lu等人，2021年）。这种差异可能是由于两种金属在根表面的形态不同。例如，Mn主要存在于根表面的可交换态（Lu等人，2021年），而Cd(II)主要以可交换态和络合态存在（Biswash等人，2021年；Dong等人，2020年）。因此，根表面可交换态HM的较高丰度通常会促进更多的向上运输到地上部分。我们的结果显示，在2小时的Cd(II)吸收条件下，生物炭和有机酸处理显著增加了FD88根系的Cd(II)吸收量，除了PSB和OA处理外，所有其他生物炭和有机酸处理都显著增加了该品种地上部分的Cd(II)吸收量（图5a）。对于WYJ24品种，在2小时的Cd(II)吸收条件下，生物炭和有机酸处理显著增加了根系和茎部的Cd(II)吸收量（图5a）。这种时间上的差异归因于2小时后可交换Cd(II)与总吸收Cd(II)之间的正相关关系（图S2），进一步证实了可交换Cd(II)在决定Cd(II)吸收中的作用。然而，本研究中的一个有趣观察是SSPB和HA对WYJ24的影响，10天后它们分别将可交换Cd(II)组分增加了98.2%和78.8%（图4d）。这表明这些改良剂虽然可能通过保持Cd(II)的生物可利用性来促进植物吸收，但如果Cd(II)不能在根系中有效隔离，可能会对谷物质量构成风险。这种对有机酸的品种特异性反应强调了推广改良剂效果的风险，并突出了制定特定于品种的修复策略的必要性。

4.4. 吸附、形态转化和迁移在决定镉最终命运中的作用
WYJ24品种中地上部分与根系之间Cd(II)比例的一致性较低，这突显了根系电化学在确保食品安全方面的重要性，这一点在2小时和10天的暴露后都得到了证实（图S1）。这种受限的迁移是Cd(II)耐受性品种的特征，受木质部负载减少的控制，可能是由于流入转运蛋白（如OsNramp5）的表达或活性降低，以及通过转运蛋白（如OsHMA3）在根细胞中的液泡隔离增强（Sasaki等人，2014年；Shao等人，2018年）。此外，根系中可交换Cd(II)与地上部分Cd(II)含量之间的正相关关系（图S2d）证实了根系将Cd(II)转化为稳定络合形式的能力是限制其向可食用谷物迁移的关键因素。图5中的数据表明，Cd(II)主要分布在根系中，而不是水稻的地上部分，这与水稻中Mn的分布情况相反（Lu等人，2021年）。这种差异可能是由于两种金属在根表面的形态不同。例如，Mn主要存在于根表面的可交换态（Lu等人，2021年），而Cd(II)主要以可交换态和络合态存在（Biswash等人，2021年；Dong等人，2020年）。因此，根表面可交换态HM的较高丰度通常会促进更多的向上运输到地上部分。我们的结果显示，在2小时的Cd(II)吸收条件下，生物炭和有机酸处理显著增加了FD88根系的Cd(II)吸收量，除了PSB和OA处理外，所有其他生物炭和有机酸处理都显著增加了该品种地上部分的Cd(II)吸收量（图5a）。对于WYJ24品种，在2小时的Cd(II)吸收条件下，生物炭和有机酸处理显著增加了根系和茎部的Cd(II)吸收量（图5a）。这种时间上的差异归因于2小时后可交换Cd(II)与总吸收Cd(II)之间的正相关关系（图S2），进一步证实了可交换Cd(II)在决定Cd(II)吸收中的作用。然而，本研究中的一个有趣观察是SSPB和HA对WYJ24的影响，10天后它们分别将可交换Cd(II)组分增加了98.2%和78.8%（图4d）。这表明这些改良剂虽然可能通过保持Cd(II)的生物可利用性来促进植物吸收而有益，但如果Cd(II)不能在根系中有效隔离，可能会对耐受性品种的谷物质量构成风险。这种复杂的相互作用表明，改良剂的效果并非普遍适用，而是取决于品种的固有生理和遗传特性。

4.4. 不同有机酸分泌在品种特异性镉耐受性中的作用
在Cd(II)胁迫下量化内源性根系分泌物为水稻品种WYJ24和FD88采用的不同的耐受策略提供了生化证据（图6）。这解决了先前关于金属稳态研究中确定的一个关键机制缺口（Chen等人，2017年）。先前的研究表明，有机酸分泌是排除阳离子的关键机制，其中阴离子如柠檬酸和苹果酸在根际螯合有毒的Al3?，形成稳定的、非植物毒性的复合物（Ryan和Delhaize，2010年；Xiang等人，2025年；Yan等人，2012年）。然而，本研究的结果表明有机酸的作用更为复杂且是次要的，但仍受到植物固有根界面特性和内部解毒能力的调节。敏感的FD88品种在急性Cd(II)暴露下表现出显著的、无差别的有机酸分泌，包括柠檬酸（+9566%）和奎宁酸（+8641%）的极端过量分泌（图6b）。这种“应激失调”特征表现为TOA显著升高（图6c），与模型一致，即非特异性膜损伤或代谢控制丧失导致代谢成本高昂且无效的防御反应（Zambelli等人，2025年）。此外，这种高分泌模式未能阻止FD88在其根系中积累70.8%的毒性可交换态Cd(II)，并将其转移到地上部分（图S1a）。这表明FD88的内部解毒和隔离途径出现了故障。相比之下，耐受性强的WYJ24品种表现出有针对性和高度调节的分泌策略。关键酸类如苹果酸（+1744%）、马来酸（1856%）、奎宁酸（+3557%）和莽草酸（+1737%）的显著但适度的增加表明这是一种受控制的、特定配体的反应，而不是普遍的泄漏。最重要的是，WYJ24在慢性胁迫10天后通过有效下调这种分泌，使TOA恢复到接近基线水平，显示出卓越的生理调节能力。这种时间上的精确性表明，WYJ24的分泌是其防御机制的一个短暂、适应性组成部分，可能通过改变根际化学环境来适应Cd(II)，使其与更强的内部解毒系统兼容。这与根系分泌物作为植物应激适应中的动态、环境响应信号的已知作用一致（de Haas等人，2025a；de Haas等人，2025b）。这些根本不同的分泌模式直接将观察到的根表面特性与每个品种中Cd(II)的命运联系起来。WYJ24根表面较低的负电荷（图1c）提供了初步的过滤作用，减少了初始的Cd(II)吸附。随后的有针对性的、短暂的分泌可能有助于微调根际环境，可能稳定pH值或影响Cd(II)的形态转化，表现为70.7%的根系Cd(II)转化为络合形式（图4d）。对于FD88品种，更负的根表面可能促进更多的初始Cd(II)吸附，引发一系列代谢功能障碍，表现为分泌失调，导致无法在内部解毒Cd(II)。因此，虽然有机酸分泌是植物生理状态的关键诊断标志，但其赋予Cd(II)耐受性的效果取决于其与根系固有界面特性的整合，以及最重要的，是功能性内部隔离机制。

4.5. 综合机制：根-溶液界面动态和镉分配的决定因素
观察到的生理和化学表型，特别是根表面电荷的差异（图1b-c）、WYJ24的增强耐受性（图1a，图S3）、其较低的地上部分与根系之间Cd(II)比例（图S1），以及改良剂对Cd(II)形态转化的品种特异性调节（图4），表明了一种多层次的防御策略来应对Cd(II)胁迫。这种策略整合了根-土壤界面的物理化学性质与潜在的细胞和分子隔离途径。根表面性质作为金属耐受性决定因素的核心作用，在最近关于其他有毒金属的研究中得到了强有力的支持（Xiang等人，2025年）。Xiang等人（2025年）发现，蜈蚣草中不同的铝耐受性不是由内部隔离决定的，而是由根表面电荷和功能基团密度的固有调节决定的。作者表明，耐受性品种的根界面具有较低的净负电荷和较少的金属结合羧基和磷酸基团，构成了主要的排除屏障，最小化了Al3?的吸附和吸收。这强调了一个基本的生理原理：根-土壤界面的物理化学性质是金属毒性的关键和可遗传的过滤器。我们的结果将这一范式扩展到了水稻中的Cd(II)动态。Cd(II)耐受性品种WYJ24的根表面ζ电位低于敏感的FD88（图1b-c），表明其对Cd(II)离子的静电吸引力也较低。这种固有的根系特性可能构成了第一道防线，可以通过外源改良剂进行战略性的增强。有机酸对这一界面的品种特异性调节表明，WYJ24的根功能基团具有高度响应性，揭示了植物固有的排除能力与其利用根际化学增强金属固定能力的协同作用。这与根表面电荷和功能基团密度是金属耐受性的关键适应性特征的理解一致（Xiang等人，2025年；Biswash等人，2021年）。WYJ24根表面较低的负电荷可能减少了初始的静电吸引和阳离子Cd(II)的结合，形成了第一道防线。重要的是，两种品种的根表面，尤其是WYJ24，都受到有机改良剂的差异性修饰。生物炭显著增加了表面负电荷（图1b-c），可能在根系外围通过吸附和与引入的功能基团的络合作用形成了一个局部的“汇”，从而减少了Cd(II)的生物可利用性（Chun等人，2004年；Biswash等人，2021年）。相反，WYJ24根表面功能基团对有机酸的显著反应（图2）表明其增强了稳定这些外源螯合剂的能力，促进了Cd(II)在根细胞间隙中的络合，并减少了其自由离子活性，这一机制得到了WYJ24根系在长期暴露后络合态Cd(II)组分增加的支持（图4d）。这种根界面的动态调节有效地调节了可供细胞吸收的Cd(II)池。在根界面最初的物理化学过滤之后，品种特异性的内源性有机酸分泌谱（图6）构成了一个关键的二次生化过滤器，直接影响金属的形态转化和随后的分配。耐受性品种WYJ24表现出有针对性和短暂的分泌反应，其特征是在2小时后苹果酸、马来酸、奎宁酸和莽草酸的调节性增加，随后在10天后有效下调（图6a，c）。这表明了一种受控制的代谢调节，其中特定的有机酸被用来螯合根际中的Cd(II)离子，形成了较不稳定的复合物，并减少了到达根系转运蛋白的生物可利用Cd(II)池（Chen等人，2017年；Li等人，2009年；Ryan和Delhaize，2010年；Yan等人，2012年）。相比之下，敏感的FD88中柠檬酸、莽草酸、琥珀酸和奎宁酸的极端和无差别的过量分泌（图6b）可能反映了细胞稳态的丧失，代表了一种代谢成本高昂但无效的防御。然而，这种反应机制未能建立稳定的、解毒的根际环境，从而允许更多的有毒Cd(II)进入根细胞间隙。因此，根分泌物的性质和调节提供了根表面特性与Cd(II)在每个品种中最终命运之间的功能性生化联系。Cd(II) 分布的根本差异在于：WYJ24 在根部保留了更多以低毒性复合形式存在的 Cd(II)，而 FD88 则在茎部积累了更多的 Cd(II)，这表明关键转运蛋白的调控具有品种特异性（图 5）。WYJ24 更强的根部保留能力与增强的液泡隔离作用高度一致，这种作用可能由位于质膜上的转运蛋白（如 OsHMA3）介导（Sasaki 等，2014；Shao 等，2018）。OsHMA3 的过表达或更高活性能够将 Cd(II) 泵入根液泡，这是减少 Cd(II) 向茎部转移的已知机制（Ueno 等，2010）。我们的观察结果表明，WYJ24 在 10 天后将大部分根部的 Cd(II) 转化为复合形式，并可能被细胞器隔离（图 4d），这为这一机制提供了生理学证据。相反，FD88 在茎部较高的 Cd(II) 含量及其转移因子（图 S1a）可能是由于液泡隔离作用较弱，同时木质部转运蛋白的活性较强所致。例如，OsHMA2（负责 Zn/Cd(II) 的转运）和 OsLCT1（负责 Cd(II) 向籽粒的韧皮部转运）对于根部到茎部的转移至关重要（Ning 等，2023；Shao 等，2018）。FD88 的敏感表型表明，在 Cd(II) 压力下，这些外排转运蛋白的表达增加或下调不足。此外，根部细胞对 Cd(II) 的初始吸收可能受到必需金属转运蛋白（如 Fe 的 OsIRT1、OsNRAMP5（Bao 等，2025；Gui 等，2025；Tang 等，2022）和 Zn 的 ZIP 家族转运蛋白（Gong 等，2022）的调控，这些转运蛋白的表达和活性可能因品种和环境条件的不同而有所差异。特定改良剂处理后观察到的 Cd(II) 吸收减少现象，不仅可能通过外部复合作用实现，还可能通过调节这些内流转运蛋白的表达或功能来实现。虽然本研究主要关注界面化学过程，但这些分子机制为解释观察到的 Cd(II) 负载和转移差异提供了有力的框架，为未来的遗传学和转录组学研究指明了方向，以全面阐明 WYJ24 的耐受机制。

**4.6 前景**
尽管这项受控的水培研究对于分离这些基本的根部机制至关重要，但它忽略了关键的农艺学和生态学因素。土壤中存在的复杂相互作用，如根际微生物群对改良剂转化的影响、氧化还原条件变化下铁斑的形成以及改良剂材料的长期老化，都是决定田间效果的关键因素。因此，直接将其结果推广到农业生产中需要谨慎验证。未来的研究必须通过以下方式弥补这一差距：（1）在不同类型的土壤中进行田间和盆栽试验，以确认这些品种与改良剂之间的相互作用，并量化其对粮食中 Cd(II) 含量的影响（这是食品安全的最终指标）；（2）通过分析关键转运蛋白（如 OsHMA3、OsNramp5）对改良剂的响应，阐明其分子基础；（3）研究根际微生物群在调节根系分泌物、改良剂和 Cd(II) 生物利用度之间的相互作用中的协同作用。这种综合方法对于将本研究中发现的生理优势转化为可在田间应用的策略以生产安全水稻至关重要。

**5. 结论**
本研究阐明了水稻品种特异性 Cd(II) 耐受性的机制基础及其通过根部相互作用受到 EOM 的调控。利用受控的水培系统，我们发现 Cd(II) 耐受性受根部电化学性质的支配：耐受性强的 WYJ24 根部表面负电位显著较低，Cd(II) 积累量也较少，而敏感的 FD88 则相反。关键在于，耐受性并非通过阻止 Cd(II) 的初始吸附来实现，而是通过更强的内部解毒能力实现的。10 天后，WYJ24 将 70.7% 的根部 Cd(II) 分隔为稳定的复合形式，而 FD88 则有 70.8% 的 Cd(II) 以植物毒性可交换形式存在。外源有机改良剂以品种特异性的方式改变了根部的界面性质：生物炭（尤其是 SSPB）显著增加了根部表面的负电荷和官能团密度，增强了 Cd(II) 的结合能力，并促进了其向低生物可利用形式的转化；然而，有机酸的作用则相反，它们降低了 FD88 的表面负电荷，同时增加了 WYJ24 的表面负电荷，表明这种效应依赖于基因型。根系分泌物分析显示，WYJ24 在急性胁迫下采用了一种有针对性的、短暂的有机酸分泌策略，随后有效下调了 Cd(II) 的释放，而 FD88 则表现出无差别的、代谢成本较高的过度分泌反应，未能阻止 Cd(II) 向茎部的转移。根部表面电位、可交换 Cd(II) 分量与茎部 Cd(II) 含量之间的强相关性表明，根部表面电化学性质是决定 Cd(II) 命运的关键因素。这些发现表明，品种特异性的 Cd(II) 耐受性整合了三个层次的防御机制：持续的根部表面电荷作为主要的静电过滤器，受调控的有机酸分泌作为动态的生化修饰因子，以及差异化的内部隔离能力作为金属分配的最终决定因素。这一机制理解为开发针对品种的农艺策略提供了科学基础，有助于减轻 Cd(II) 进入食物链的风险并提高水稻的食品安全性。

**作者贡献声明**
Kewei Li：方法学、研究设计、数据分析、数据管理。
Weiwei Huan：方法学、研究设计、数据分析、数据管理。
Hailong Lu：写作与编辑、项目监督、资金获取、数据分析、概念构思。
Jackson Nkoh Nkoh：写作与编辑、初稿撰写、软件应用、数据分析、概念构思。