《Next Research》：Double transplantation enhanced yield and reduced arsenic accumulation in rice (
Oryza sativa L.): A morphological, biochemical, and molecular investigation
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水稻双移植（DT）在砷污染土壤中的效应研究，对比单移植（ST），发现DT显著提升产量并减少稻米无机砷含量，通过增强细胞壁结构（如纤维素、半纤维素）及调控CESA基因表达实现。
Nidhi Tyagi | Ankita Gupta | Kritika Sinha | Shraddha Singh | Mohammad Mahmudur Rahman | Sudhakar Srivastava
印度北方邦瓦拉纳西班纳拉斯印度教大学环境与可持续发展研究所植物胁迫生物学实验室，邮编221005
摘要
水稻（Oryza sativa L.）面临诸多挑战，包括产量低和砷（As）污染问题，这需要采取可持续的农艺干预措施。本研究评估了双移栽（DT）方法在提高水稻产量和减少砷积累方面的效果，与单移栽（ST）方法进行了对比。在印度北方邦的一个砷污染田地中，使用这两种方法种植了两个水稻品种：Sambha Mansoori和Kaveri Chintu。研究评估了形态学、生化和分子参数，以及产量和总砷含量及砷形态的变化。结果表明，双移栽显著改善了两个品种的形态特征，如茎秆生物量、分蘖数和小穗数。双移栽植株的根细胞壁成分（如纤维素、果胶、半纤维素1（HC1）和HC2）含量增加，表明其结构完整性得到增强。此外，RT-PCR分析显示，在双移栽条件下，两个品种的纤维素合成酶（CESA）基因表达下调，且这种下调具有品种特异性。结果表明，双移栽可能通过改变细胞壁组成来影响细胞内的砷浓度。产量分析显示，双移栽使两个品种的谷物产量均有所增加，其中Sambha Mansoori的增幅更为显著。更重要的是，双移栽显著降低了谷物中的总砷含量，尤其是在Sambha Mansoori中。砷形态分析显示，双移栽处理的Sambha Mansoori中无机砷含量下降，而有机砷含量上升。这些发现表明，双移栽是一种有前景的可持续水稻种植方法，能够提高产量、改善植株健康状况并减少砷积累。然而，仍需进一步研究以了解双移栽技术的机制，并优化其在不同水稻品种和环境条件下的应用。
引言
农业是人类文明的基础，已从自给农业发展成为复杂的农业生态系统，在全球粮食安全和经济稳定中发挥着关键作用。印度-恒河平原（IGP）是集约化农业的重要中心，印度的农业部门一直是经济支柱[1]。在不同的地理区域，当地社区历史上发展出了适应当地环境条件的创新农业实践。其中一种实践是水稻的双移栽（DT），主要在印度北方邦的边缘化农民中采用。这种技术起源于比哈尔邦、西孟加拉邦及邻近亚洲国家的类似做法[[2], [3], [4], [5]]。双移栽在不同地区有不同的名称，例如阿萨姆邦的Ballan系统、梅加拉亚邦的Changgini Geani系统、比哈尔邦的Kharonha系统、印度北方邦东部的Kalam或Sunda系统，以及孟加拉国的Balon系统[6]。
双移栽首先在初级苗圃中密集播种水稻种子，然后将3-4周大的幼苗以高密度（9-10株/m2）和紧密间距（7-10厘米）移植到二级苗圃中，在那里进行10-15天的优化施肥处理后最终移栽到田间。与传统单移栽（ST）相比，双移栽能够促进早期植株的健壮生长，增强根系结构和稳定性[7]。与ST相比，中间苗圃减少了投入成本和劳动力[7]。多项研究表明，双移栽显著提高了植株表现，例如分蘖长度增加15%、穗长增加17%、秸秆产量增加13%[8,4,5]。此外，谷物产量提高了45%至80%，凸显了双移栽的农艺优势[3,5]。改良型双移栽（MDT）已成为西孟加拉邦沿海地区种植水稻的有效策略，提高了对延迟季风和洪水的抗性[9]。一项使用2000-2012年田间数据和CERES-Rice作物模型的研究表明，品种改良使产量潜力提高了18.0-41.4%，同时优化移栽日期可使产量提高1.9-6.7%。早期移栽结合高产品种可以延长生长周期，使产量潜力提高26.3-51.8%[10]。在一些易受洪水影响的地区，农民采用双移栽甚至三移栽技术，以培育出更高大的幼苗，以便在积水条件下进行移栽（在孟加拉国和印度通常在生长季节开始时进行），或在洪水退去后重新移植幼苗。双移栽水稻在商业上具有可行性，因为据称其产量高于使用同龄幼苗的传统移栽方法[4]。这样培育出的强壮高大幼苗更能抵御移栽时的不利条件（如洪水）。因此，水稻幼苗的移栽方式对其生长、抗逆性和产量有显著影响。双移栽作为一种可持续的替代方案，能够增强幼苗的抗逆性，加速移栽后的生长，并在气候变化不确定性增加的情况下最大化产量潜力。
鉴于双移栽方法所赋予的结构完整性和活力，假设双移栽植株比单移栽植株更能抵抗非生物胁迫（包括砷毒性）。水稻中的砷污染对全球超过30亿消费者构成重大公共卫生风险，导致数百万人患砷相关疾病[12]。砷毒性的主要症状包括种子发芽受阻、幼苗生长受阻、叶片黄化、坏死斑块、光合作用效率下降和谷物产量减少[13,14]。最常见的砷形态是亚砷酸盐（As(III)）[15]。其他形式的砷包括砷酸盐（As(V)）、二甲基砷酸（DMA）和单甲基砷酸（MMA）[15,16]。水稻籽粒中的砷含量差异很大，通常在0.02至0.90 mg/kg之间[12]。由于日益关注，已制定出精米中无机砷的监管限值为0.2 mg/kg，糙米为0.35 mg/kg[17]。水稻籽粒中的砷积累受土壤砷含量、灌溉方式、地理和环境因素[18], [19], [20]、品种基因型[21,22]以及收获后处理[23]的影响。
迄今为止，尚无研究探讨双移栽对水稻砷胁迫和积累的影响。鉴于双移栽的潜力，本研究旨在评估其在减少水稻籽粒中砷吸收方面的有效性。研究假设双移栽引起的植物生长动态变化会改变土壤中砷的生物利用度和其在水稻植株中的积累。此外，预计表现出更强活力和抗逆性的双移栽植株会限制砷的吸收和转运。为此，在砷污染田地中，使用Sambha Mansoori和Kaveri Chintu两个品种分别进行了双移栽和单移栽处理，并分析了其形态学、生化、遗传学和产量参数，以及籽粒中的砷积累和化学形态。
实验地点的地理位置和研究设计
这项为期两年的研究（2020-2021年）在印度北方邦东部的农业气候区进行。实验时间覆盖了2020年和2021年的7月至11月，即印度北部的主要雨季。7月至9月期间降雨量较大，导致以雨水灌溉为主。Ghazipur地区的平均月降雨量在26毫米（7月）到4毫米（11月）之间[24]。
结果与讨论
从形态学、生化和分子层面评估了水稻植株的表现，以全面了解双移栽方法对水稻产量和砷积累的影响机制。
单移栽和双移栽植株根部和茎部的砷积累
对两个品种的水稻植株根部和茎部的砷分析表明，双移栽条件下的砷积累显著低于单移栽条件。在Sambha Mansoori品种中，2020年和2021年的研究期间，根部砷含量分别减少了21-22%，茎部减少了37-40%。在Kaveri Chintu品种中，根部砷含量减少了15-18%，茎部减少了23-24%。
水稻籽粒中的总无机砷和DMA积累
与单移栽方法相比，双移栽方法显著降低了Sambha Mansoori和Kaveri Chintu两个品种籽粒中的砷含量。Sambha Mansoori-DT处理的砷含量降低了11-13%（图8a），而Kaveri Chintu-DT处理的砷含量降低了2-4%。2021年的籽粒样本分析显示存在亚砷酸盐（As(III)）、砷酸盐（As(V)）和二甲基砷酸（DMA），未检测到单甲基砷酸（MMA）。
分析参数的相关性
比较双移栽和单移栽处理的所有参数的热图分析（图9）清楚地显示了两种栽培方法之间的差异。抗氧化酶的活性在双移栽组中明显降低，圆圈大小较小。总体而言，热图表明双移栽方法提高了产量，改善了植株健康状况，并显著减少了水稻中的砷积累。
结论
总之，本研究提供了强有力的证据，支持双移栽作为一种可持续农业实践的可行性，特别是在砷污染地区的水稻种植中。双移栽方法通过增强植株细胞壁的结构完整性有效缓解了砷胁迫，从而促进了植株的生长和发育。双移栽条件下水稻产量的显著增加，以及砷积累的显著减少，进一步证明了其有效性。
作者贡献声明
Nidhi Tyagi：概念构思、方法设计、研究实施、数据分析、初稿撰写。
Ankita Gupta：方法设计、研究实施、数据分析、数据整理、初稿撰写。
Kritika Sinha：审稿与编辑。
Shraddha Singh：资源提供、审稿与编辑。
Mohammad Mahmudur Rahman：资源提供、审稿与编辑。
Sudhakar Srivastava：概念构思、数据整理、项目监督、资金获取、审稿与编辑、数据可视化。
数据可用性
数据可应要求提供。
作者贡献声明
Nidhi Tyagi：初稿撰写、方法设计、研究实施、数据分析、概念构思。
Ankita Gupta：初稿撰写、方法设计、研究实施、数据分析。
Kritika Sinha：审稿与编辑。
Shraddha Singh：审稿与编辑、资源提供。
Mohammad Mahmudur Rahman：审稿与编辑、资源提供。
Sudhakar Srivastava：审稿与编辑、数据可视化、项目监督、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢班纳拉斯印度教大学Eminence研究所提供的资助（资助编号：6031）。
