苗期水稻吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)SbV的研究

黃艷超　胡瑩　劉云霞　黃益宗　武雪芳

摘要：采用營養(yǎng)液培養(yǎng)的方法，在有根表鐵膜存在條件下，對(duì)2個(gè)品種的苗期水稻吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)Sb（V）進(jìn)行了研究，水稻植株誘導(dǎo)出鐵膜后分別暴露在含有0.25、1.00、5.00、20.00、50.00、100.00 μmol/L Sb（V）的營養(yǎng)介質(zhì)中。研究結(jié)果表明，水稻各部位（鐵膜、根、莖葉）中Sb含量隨營養(yǎng)介質(zhì)中Sb（V）濃度增加而升高；但Sb從根向地上部莖葉內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)以及Sb在各部位的分配比例僅與水稻品種有關(guān)，與外界Sb（V）濃度無關(guān)，揚(yáng)稻6號(hào)水稻對(duì)Sb的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)以及在地上部莖葉中的分配比例顯著低于農(nóng)墾57；在營養(yǎng)介質(zhì)中Sb濃度相同時(shí)，2個(gè)品種水稻根表鐵膜內(nèi)Sb含量無明顯差異。

關(guān)鍵詞：水稻；五價(jià)銻；吸收轉(zhuǎn)運(yùn)；根表鐵膜

中圖分類號(hào)： S511.01；X173 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0068-03

湖南省是中國水稻生產(chǎn)大省，也是很多金屬礦產(chǎn)的主要產(chǎn)地，中國最大的銻礦基地就坐落在湖南。銻的開采和冶煉在帶來經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)對(duì)礦區(qū)周邊的水稻田也造成了污染[1]。雖然我國尚未將銻列入大米安全必須檢測(cè)的項(xiàng)目，但美國和歐盟均已將銻列為優(yōu)先控制污染物[2-3]；因此，我們需要對(duì)水稻銻污染予以關(guān)注。

水稻是一種水生植物，為了適應(yīng)漬水厭氧環(huán)境的影響，水稻根系形成了大量通氣組織，從而能將空氣中的氧氣通過葉片傳輸?shù)礁怠８祵⒉糠盅鯕夂鸵恍┢渌难趸晕镔|(zhì)釋放到根際，使得土壤中Fe2+、Mn2+被氧化成鐵錳氧化物，這些氧化物沉積在水稻根表，形成了大量的鐵氧化膠膜（簡(jiǎn)稱鐵膜）[4]。根表鐵膜表面帶有兩性電荷，因此能夠影響很多陰陽離子向水稻體內(nèi)的傳輸，如As、Cu、Cd、Mn、Ni等[5-7]。目前，關(guān)于銻吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的研究還不是很多[8]，本試驗(yàn)采用水培的方法，對(duì)在根表鐵膜存在的條件下水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)銻的問題開展研究，為防治水稻銻污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試水稻

本試驗(yàn)選用2個(gè)品種的水稻（Oryza sativa L.），分別為揚(yáng)稻6號(hào)、農(nóng)墾57，其中揚(yáng)稻6號(hào)為秈稻，農(nóng)墾57為粳稻，均由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)提供。挑選若干籽粒飽滿、大小均勻的水稻種子，置于30% H2O2消毒10～15 min，而后用去離子水沖洗干凈，播種于濕潤的珍珠巖中發(fā)芽。在珍珠巖中生長3周后，挑選生長一致的水稻苗移栽到1/9濃度的營養(yǎng)液中培養(yǎng)1周，而后再轉(zhuǎn)移到1/3濃度的營養(yǎng)液中培養(yǎng)2周。用于放置營養(yǎng)液的水培器皿是500 mL的PVC管（直徑7.5 cm、高 14 cm水培罐），每個(gè)水培罐中放1株水稻苗。全量營養(yǎng)液配方參照文獻(xiàn)[9]。水稻的培養(yǎng)和后期處理均在可控光溫的培養(yǎng)室中進(jìn)行。培養(yǎng)室工作條件為：25 ℃、14 h光照，20 ℃、10 h黑暗，光照濃度為260～350 μmol/（m2·s），相對(duì)濕度為60%～70%。

1.2 處理方法

2個(gè)水稻各選取長勢(shì)一致的植株24株，分成6組，每組4株。所有水稻置于去離子水中放置12 h，而后轉(zhuǎn)入500 mL濃度為1×10-3 mol/L的 Fe2SO4溶液中24 h，以便誘導(dǎo)水稻根表鐵膜的形成。待根表鐵膜形成后將所有水稻轉(zhuǎn)入去離子水中放置6 h，而后再置于1/3強(qiáng)度營養(yǎng)液中培養(yǎng)48 h。之后將每個(gè)品種的6組水稻分別置于含有0.25、1.00、5.00、2000、50.00、100.00 μmol/L的Sb（V）[以（KSb（OH）6形式加入]營養(yǎng)液中培養(yǎng)48 h。

1.3 樣品采集、制備與分析

水稻處理完成后，根系鐵膜用DCB（dithionite-citrate-bicarbonate）法提取：收獲后的水稻新鮮根系用去離子水沖凈，放到100 mL的燒杯中，加入0.03 mol/L Na3C6H5O7· 2H2O和0.125 mol/L NaHCO3的混合液30 mL，1.0 g Na2S2O4，混合均勻后，在室溫（20～25 ℃）下浸提1 h，然后將浸提液轉(zhuǎn)入50 mL容量瓶中，用去離子水沖洗根系3次后定容至50 mL。過濾后的提取液用ICP-OES（Optima 2000 DV，Perkin Elmer，USA）測(cè)定其中Fe、Sb濃度。

經(jīng)DCB浸提后的水稻根系和水稻莖葉置于70 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量，然后磨碎，稱取0.1 g左右樣品。放入50 mL離心管中，加入2 mL優(yōu)級(jí)純硝酸，浸泡過夜。浸泡完畢后將樣品放入微波消解儀（Mars，Matthews Inc.，USA）中消解。消解程序如下：功率600 W，55 ℃ 持續(xù)10 min，75 ℃ 持續(xù)10 min，95 ℃ 持續(xù)30 min，升溫時(shí)間為5 min。樣品消解完畢后用超純水定容至50 mL。過濾后用ICP-MS（Agilent 7500，Agilent Technologies，Palo Alto，CA，USA）測(cè)定Sb濃度。消解時(shí)所用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為灌木枝葉（GBW07603，《生物成分分析——灌木枝葉成分分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)》）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根向地上部轉(zhuǎn)移Sb的能力用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（translocation factor，簡(jiǎn)稱TF）表示：

2 結(jié)果與分析

2.1 生物量與根表鐵膜形成量

由于品種不同，2個(gè)水稻根表鐵膜形成量和生物量均有所差別。揚(yáng)稻6號(hào)根表鐵膜形成量明顯低于農(nóng)墾57，僅為農(nóng)墾57的54%，但農(nóng)墾57根系、地上部莖葉的生物量則比揚(yáng)稻6號(hào)要低，分別僅為揚(yáng)稻6號(hào)的47%、54%（表1）。

2.2 根表鐵膜、根、莖葉中的Sb含量

個(gè)品種水稻根表鐵膜中Sb含量隨著處理液中Sb濃度增加而升高，但在相同濃度Sb處理下2個(gè)品種水稻之間根表鐵膜內(nèi)Sb含量沒有顯著差別。從圖2可以看出，隨著處理液中Sb濃度增加，揚(yáng)稻6號(hào)和農(nóng)墾57根中Sb含量也逐漸升高，在相同濃度Sb處理下?lián)P稻6號(hào)根中Sb含量要高于農(nóng)墾57。從圖3可以看出，揚(yáng)稻6號(hào)和農(nóng)墾57莖葉中Sb含量同樣隨著處理液中Sb濃度增加而升高，但與根中相反的是，揚(yáng)稻6號(hào)莖葉中Sb含量要明顯低于農(nóng)墾57。

2.3 Sb轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與分配比例

2個(gè)品種水稻在不同濃度Sb處理時(shí)，Sb從根中向地上部莖葉中轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)見表2。從表2可以看出，同一品種水稻的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)并不隨溶液中Sb濃度的增加而發(fā)生明顯變化，但2個(gè)品種水稻之間的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)差異明顯，揚(yáng)稻6號(hào)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)明顯低于農(nóng)墾57，僅為農(nóng)墾57的24%～47%。

2個(gè)品種水稻在不同濃度Sb處理后莖葉、根和根表鐵膜中Sb的分配比例見表3，可見2個(gè)品種水稻中Sb的分配比例均為莖葉<根部<根表鐵膜。相同品種相同部位的Sb分配比例并不隨外界處理液中Sb濃度的變化而有較大變化。比較2個(gè)品種相同部位的Sb分配比例可知，根表鐵膜中Sb的分配比例在揚(yáng)稻6號(hào)和農(nóng)墾57間并無明顯差異，但農(nóng)墾57莖葉中Sb的分配比例明顯高于揚(yáng)稻6號(hào)，根中結(jié)果則與莖葉相反。

3 結(jié)論與討論

目前，關(guān)于銻對(duì)水稻影響的相關(guān)研究還不多，現(xiàn)有研究結(jié)果表明，銻對(duì)水稻生長發(fā)育產(chǎn)生影響。在水培條件下，當(dāng)溶液中Sb（V）濃度為5 μmol/L時(shí)水稻根系的生長就會(huì)受到抑制[10]。本試驗(yàn)中2個(gè)品種水稻根部、地上部莖葉的生物量均未隨溶液中Sb濃度的增加而發(fā)生變化，原因可能是由于處理時(shí)間較短，Sb對(duì)水稻植株的毒害作用還未開始顯現(xiàn)。

根表鐵膜、根、地上部莖葉中Sb含量均隨外界Sb濃度的增加而增加，與Ren等的試驗(yàn)結(jié)果[11]一致。但相同品種水稻根向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和不同部位Sb含量的比例則未隨溶液中Sb濃度的增加而有所差異，表明在有根表鐵膜存在的條件下，當(dāng)Sb濃度不高于100 μmol/L時(shí)，Sb（V）在水稻體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)和分配并不受外界Sb濃度的影響。

在不同濃度Sb處理下，揚(yáng)稻6號(hào)和農(nóng)墾57根和地上部莖葉中Sb濃度以及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均有所差別。表明水稻品種是影響水稻吸收轉(zhuǎn)運(yùn)Sb的主要因素，揚(yáng)稻6號(hào)根系比農(nóng)墾57更容易從外界吸收Sb（V），但不容易從根部向體上部莖葉中轉(zhuǎn)運(yùn)，與楊婧等用同樣品種的水稻在土培條件下對(duì)砷的研究結(jié)果[12]一致。

綜上所述，Sb（V）更容易在根表鐵膜中積累，其向植物體內(nèi)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)主要受水稻品種的影響。但水稻對(duì)Sb（V）的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制目前還不是很清楚。黃益宗等在水培條件下研究發(fā)現(xiàn)，水稻對(duì)Sb（V）的吸收并不受磷（PO43-）的影響，證明水稻并不像吸收As（V）那樣通過磷酸鹽途徑吸收Sb（V），此結(jié)論也與Tschan等對(duì)玉米和向日葵的研究結(jié)果[10，13]一致。有學(xué)者推測(cè)出現(xiàn)這種情況可能與As、Sb 2種元素五價(jià)氧化物的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，五價(jià)砷（AsO43-）的空間結(jié)構(gòu)為四面體，而 Sb（OH）6- 是八面體結(jié)構(gòu)。建議在以后研究中可以考慮利用生物生理學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)以及分子生物學(xué)等手段來深入研究銻的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)等作用機(jī)制，以便為防治水稻銻污染提供理論支持。

參考文獻(xiàn)：

[1]He M C，Wang X Q，Wu F C，et al. Antimony pollution in China[J]. Science of the Total Environment，2012，421/422：41-50.

[2]United States Environmental Protection Agency. Integrated risk information system[R]. Rome：EPA，1999.

[3]Council of the European Communities.Council directive 76/464/EEC of 4 May 1976 on pollution caused by certain dangerous substances discharged into the aquatic environment of the community[J]. Official Journal of the European Communities，1976，129：23-29.

[4]Armstrong W，Boatman D J. Some field observations relating the growth of bog plants to conditions of soil aeration[J]. Journal of Ecology，1967，55：101-110.

[5]Chen Z，Zhu Y G，Liu W J，et al. Direct evidence showing the effect of root surface iron plaque on arsenite and arsenate uptake into rice （Oryza sativa） roots[J]. New Phytologist，2005，165（1）：91-97.

[6]Batty L，Baker A，Wheeler B，et al. The effect of pH and plaque on the uptake of Cu and Mn in Phragmites australis （Cav.） Trin ex[J]. Steudel.Annals of Botany，2000，86（3）：647-653.

[7]Wang T，Peverly J. Iron oxidation states on root surfaces of a wetland plant（Phragmites australis）[J]. Soil Science Society of America Journal，1999，63（1）：247-252.

[8]Huang Y C，Chen Z，Liu W J. Influence of iron plaque and cultivars on antimony uptake by and translocation in rice （Oryza sativa L.） seedlings exposed to Sb（Ⅲ） or Sb（V）[J]. Plant and Soil，2012，352（1/2）：41-49.

[9]Liu W J，Zhu Y G，Smith F A，et al. Do iron plaque and genotypes affect arsenate uptake and translocation by rice seedlings （Oryza sativa L.） grown in solution culture[J]. Journal of Experimental Botany，2004，55（43）：1707-1713.

[10]黃益宗，胡 瑩，劉云霞. 銻對(duì)水稻根生長的影響及銻的吸收動(dòng)力學(xué)特性[J]. 環(huán)境化學(xué)，2010，29（4）：640-643.

[11]Ren J H，Ma L Q，Sun H J，et al. Antimony uptake，translocation and speciation in rice plants exposed to antimonite and antimonate[J]. Science of the Total Environment，2014，475：83-89.

[12]楊 婧，胡 瑩，王新軍，等. 兩種通氣組織不同的水稻品種根表鐵膜的形成及砷吸收積累的差異[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2009，4（5）：711-717.

[13]Tschan M，Robinson B，Schulin R. Antimony uptake by Zea mays （L.） and Helianthus annuus （L.） from nutrient solution[J]. Environmental Geochemistry and Health，2008，30（2）：187-191.郭曉紅，呂艷東，周 健，等. 肥水耦合對(duì)寒地水稻品質(zhì)的影響 [J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：71-74.