硅對鎘脅迫下水稻幼苗培養液指標及其生物量的影響

(南寧師范高等專科學校化學與生物工程系，廣西 龍州532400)

摘要：通過溶液培養，研究不同濃度Si(0#65380;30#65380;80#65380;130#65380;180 mg·L^－1SiO2)在4．0 mg·L^－1Cd2+濃度脅迫下對水稻幼苗培養液中的Si#65380;Cd含量#65380;pH值及其下降值#65380;根系細胞K+外流量和根#65380;莖葉干重的影響#65377;結果表明，大量的Si可通過在水稻體外(培養液中)與Cd相結合，形成了Si－Cd絡合物，從而束縛了Cd的活性，使培養液中有效Cd含量明顯下降，降低了Cd對水稻幼苗的毒性，最終抑制水稻對培養液中鎘的吸收#65377;此外，隨著培養液中SiO2濃度的加入，根系細胞K+外流量極顯著(P<0．01)降低，培養液中的pH值下降，說明Si可以減輕Cd對水稻根系細胞質膜的傷害，使細胞質膜透性下降，從而保護了水稻細胞膜不受Cd的破壞，進而增加了水稻幼苗根#65380;莖#65380;葉的生物量#65377;

關鍵詞：水稻；幼苗；硅(Si)；鎘(Cd)脅迫；生物量

中圖分類號：S511：S317；X5文獻標識碼：A文章編號：0439－8114(2008)06－0639－03

Effect of Cadmium Stress by Silicon on Some Indicators of the Cultivation and Biomass of Oryza sativa L． Seedlings

HUANG Qiu－chan，WEI You－huan，WEI Liang－xing，NONG Ke－liang

(Department of Chemistry and Biology Engineering， Nanning Teachers College， Longzhou 532400，Guangxi，China)

Abstract： The effect of silicon on some indicators of the culture solution and biomass of Oryza sativa L． seedlings under cadmium stress was studied by hydroponic culture method．The Oryza sativa L． seedlings at the Cd2+ concentrayion of 4．0 mg·L^－1 were treated with SiO2 at 0#65380;30#65380;80#65380;130#65380;180mg·L^－1 concentrations respectively． The results showed that a large number of Si combined with Cd to form Si－Cd complex in vitro (culture solution)， therefore dampening the activity of Cd． The effective Cd in the solution was significantly decreased． In addition， as the increasing of SiO2 concentration， the flow of K+ in root cells was significantly decreased (P<0．01)， pH was also decreased． Those indicated that Si could reduce the cell membrane damage caused by Cd， decrease the cell membrane permeability， then increase the biomass．

Key words： Oryza sativa L． seedling；silicon(Si)；cadmium(Cd) stress；biomass

近年來，隨著工業“三廢”排放量的增加，固體廢棄物的處理不善，污水的灌溉#65380;肥料的施用等使大量的Cd進入環境，導致農業自身污染加劇，農田土壤中有毒重金屬含量急劇增加#65377;據報道，我國農田重金屬Cd污染面積已達2萬hm2，每年生產的Cd含量超標的農產品達14．6億kg，且有日益加重的趨勢[1]#65377;水稻是極易累積Cd的作物，且稻米是我國城鄉居民賴以生存的主糧#65377;研究表明，Cd可通過食物鏈進入人體，并對人體健康產生嚴重的危害效應[2]#65377;而Si是土壤中最豐富的元素，它可提高植物對重金屬毒害的耐受力和農作物的產量并改善作物品質[3]#65377;迄今為止，雖然國內外在水稻對Cd的吸收#65380;運輸#65380;累積等方面進行了大量研究[4－7]，但有關Si緩解Cd對水稻的毒害效應報道較少[1，8^－11]#65377;為此，本文研究了Si對Cd脅迫下水稻幼苗培養液中的Si#65380;Cd含量和pH值變化及其根系細胞K+外流量等的影響，旨在探討Si對Cd脅迫下水稻幼苗在植株體外的解毒機制，并期望為硅肥的應用提供理論依據#65377;

1材料與方法

1)供試材料秈型雜交水稻金優528(廣西大學水稻研究所提供)#65377;

2)硅酸貯備液的制備[9]溶解28．42 g硅酸鈉(Na2SiO4·9H2O)，定容至1L#65377;硅酸鈉溶液通過填充有陽離子交換樹脂的層析柱以除去硅酸溶液中的鈉離子#65377;收集層析流出液得含SiO2 0．1 mol·L^－1的硅酸貯備液#65377;

3)植株培養水稻種子用1%的次氯酸鈉溶液消毒15 min，去離子水沖洗干凈并浸種48 h#65377;露白后置于尼龍網上發芽，尼龍網漂浮于0．5 mmol·L^－1的CaCl2(pH值6．0)溶液上#65377;2葉1心后，選取長勢一致的幼苗移植于1/5強度的木村B營養液(pH值6．0)中，每盆種植6穴，每穴4株，共24株#65377;培養期間每天補充營養液2次，每隔2 d更換營養液#65377;5葉1心后經0．5mmol·L^－1 CaCl2溶液浸洗過夜的幼苗為供試植株#65377;

4)試驗設計試驗共設6個處理，處理1：不加Si也不加Cd(CK)；處理2~6：加Cd2+(CdCl2，4．0 mg·L^－1)+SiO2(0#65380;30#65380;80#65380;130#65380;180 mg·L^－1SiO2)#65377;處理溶液的pH值6．00，處理期間每天用去離子水補充水分蒸發部分#65377;每個處理均設3個重復#65377;處理4 d后收獲植株，稱重并按如下方法分析各項指標#65377;

5)測定方法 ①水稻幼苗培養液中Si含量的測定：采用硅鉬藍比色法測定[12]：用紫外可見分光光度計(UV758型，上海天普分析儀器有限公司)在660 nm波長下比色測定其吸光值#65377;②水稻幼苗培養液中Cd含量的測定：采用微波消解，原子吸收分光光度法測定[9]#65377;③水稻幼苗培養液中pH值的測定：處理期間，每天用pH計直接測定培養液中的pH值變化情況#65377;④水稻幼苗培養液中根系細胞K+外流量的測定[1]：用火焰光度計(FP6410型，上海欣益儀器儀表有限公司)測定#65377;

6)數據處理與統計檢驗以上試驗均至少重復3次，各處理組均設3個重復，試驗數據采用Microsoft Office Excel 2003進行處理，采用DPS統計軟件進行多重比較(新復極差法)#65377;

2結果與分析

2．1硅對鎘脅迫下水稻幼苗培養液中Si#65380;Cd含量的影響

試驗結果表明，在單純的Cd脅迫下，培養液中的Cd含量最低，但隨著營養液中SiO2的加入，水稻幼苗培養液中Si#65380;Cd含量隨著SiO2濃度的增加而極顯著(P<0．01)上升(圖1)，且在水稻培養液中的Si#65380;Cd含量呈正相關#65377;說明隨著營養液中有效硅(SiO2)含量的增加，培養液中容易被水稻吸收的活性鎘與硅酸根結合成比較牢固的結構[8]，在水稻體外(培養液中)已有大量的Si與Cd相結合，形成了Si－Cd絡合物，從而束縛了Cd的活性，使培養液中有效鎘含量明顯下降，降低了Cd對水稻幼苗的毒害，最終抑制水稻對培養液中鎘的吸收，從而使殘留在培養液中的Cd含量增多；而在未加SiO2的情況(單純Cd脅迫)下，培養液中的Cd未被Si束縛，使大量的Cd被水稻吸收至植株體內，最終使留在培養液中的Cd減少#65377;

2．2硅對鎘脅迫下水稻幼苗培養液中pH的影響

在Cd脅迫下，處理4 d后的培養液pH值均比剛處理時(pH值6．00)低，盡管如此，隨著SiO2濃度的增加，此時培養液各pH值卻呈顯著上升的趨勢(圖2)；但與剛處理時培養液pH值(pH值6．00)相比，其下降的值卻隨著SiO2濃度的增加而呈極顯著下降(P<0．01)的趨勢(圖3)#65377;說明隨著SiO2的加入，Cd對水稻幼苗根系的破壞程度逐漸下降，從而使K+#65380;Na+等陽離子外流量減少，而培養液中原有的各種陽離子已被水稻吸收至植株體內，進而導致培養液中的陽離子越來越少，最終使培養液pH值比處理時降低，但隨著營養液中有效硅(SiO2)含量的增加，在培養液中已有大量的Si與Cd相結合，形成了Si－Cd絡合物，從而使培養液pH值隨著SiO2濃度的增加而增加；同時，其下降值卻逐漸減少#65377;表明加入SiO2后，降低了水稻幼苗根系細胞質膜透性，使K+#65380;Na+等陽離子外流量減少，且水稻可通過根系分泌物作用，一定程度上對根際微域產生了酸化作用，最終使培養溶液pH值降低#65377;這與徐勝光等[13]的報道相吻合，但與張云龍等[14]的報道有些不一致，這可能是因為張云龍等是盆栽試驗，試驗前土壤中的各陽離子較多，且加入的硅素為硅酸鈉和鋼渣，由于鋼渣中含有偏堿性物質，從而使土壤pH值比試驗前高#65377;而本試驗采用的是溶液培養法，加入的是硅酸鈉#65377;

2．3硅對鎘脅迫下水稻幼苗根系細胞K+外流量的影響

由圖4可知，在Cd脅迫下，根系細胞K+外流量顯著增加，為對照的139．23%，說明其細胞質膜透性顯著(P<0．05)增加#65377;隨著營養液中SiO2濃度的加入，根系細胞K+外流量極顯著(P<0．01)降低，且隨著SiO2濃度的增加而呈下降趨勢，當SiO2濃度為130 mg·L^－1時，根系細胞K+外流量最少#65377;說明Si可以減輕Cd對水稻根系細胞質膜的傷害，使細胞質膜透性下降，從而保護了水稻細胞膜不受Cd的破壞，從而使生物量增加(圖5)#65377;

2．4硅對鎘脅迫下水稻幼苗根#65380;莖葉干重的影響

從圖5可知，在相同Cd濃度條件下，隨著培養液中SiO2濃度的增加，生物量有增加的趨勢，當SiO2濃度達到80 mg·L^－1后，根系干重和莖葉干重均達到對照的90%以上，特別是在SiO2濃度為130 mg·L^－1時，根系和莖葉干重均高于其他處理，分別為對照的99．65%和99．86%[1]，說明此SiO2濃度條件下，水稻的生長狀況較好，可能是在Cd2+濃度為4．0mg·L^－1#65380;SiO2濃度為130 mg·L^－1時，培養液中的Si能最大限量地與Cd結合形成了Si－Cd絡合物(圖1)，從而降低游離態Cd的毒性，減輕了Cd對根系細胞質膜透性的破壞(圖4)，使溶液中pH值下降值最少(圖3)，使培養液pH值在該濃度條件下，pH值為最大(圖2)，在pH值較高的環境下Cd沉淀速度和穩定性能遠遠大于pH值較小的環境，因而水稻幼苗受Cd污染的程度相對減輕，最終使水稻幼苗根#65380;莖葉干重增加(圖5)，達到提高生物量的目的#65377;

3結論

綜上所述，Si對減輕水稻幼苗的Cd毒害起了重要作用，Si可增加水稻幼苗對Cd毒害的抵御能力#65377;其可能機制除了Si能抑制水稻對Cd的吸收#65380;減少Cd的向上運輸#65380;增加Cd在細胞壁中的沉積#65380;改變自由空間中Cd的形態#65380;提高幼苗葉片葉綠素含量#65380;促進根的伸長和側根的生長[1，9]#65380;且水稻體內硅結合蛋白通過誘導Si在水稻根的內皮層及纖維層細胞附近沉積，進而阻塞細胞壁孔隙度，影響Cd的質外體運輸[11]等途徑減輕Cd對水稻幼苗的毒害外，還可以通過在水稻體外(培養液中)大量的Si與Cd相結合，形成了Si－Cd絡合物，使培養液pH值隨著SiO2濃度的增加而增加；同時，pH值的下降值卻逐漸減少，從而束縛了Cd的活性，使培養液中有效Cd含量明顯下降，降低了Cd對幼苗的毒害，最終抑制水稻對培養液中Cd的吸收#65377;此外，隨著培養液中SiO2濃度的加入，根系細胞K+外流量極顯著(P<0．01)降低，說明Si可以減輕Cd對根系細胞質膜的傷害，使細胞質膜透性下降，從而使根系細胞質膜免受Cd的破壞，進而增加了水稻幼苗根#65380;莖葉干重，達到提高生物量的目的#65377;然而，有關Si緩解Cd脅迫下水稻幼苗的毒害機制，特別是在分子生物學上的解毒機制知之甚少，有待進一步研究#65377;

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