硅對不同類型酸雨處理下水稻幼苗根系的影響

王娜娜，琚淑明，陳猛

（徐州工程學院環(huán)境工程學院，江蘇徐州221018）

硅在土壤中含量豐富，居礦質元素首位。大量研究顯示，外源硅的施用能提高植物對生物及非生物逆境脅迫的抗性。硅能調(diào)高植物抗酸雨脅迫，研究顯示硅通過改善植物表皮組織結構，增強抗氧化系統(tǒng)；提高作物的光合作用，改善體內(nèi)養(yǎng)分平衡等，以此改善植物抗性[1-3]。酸雨可以造成生態(tài)環(huán)境破壞，森林大面積死亡，農(nóng)作物減產(chǎn)，成為危害世界環(huán)境的十大問題之一。酸雨類型主要包括硫酸型、硝酸型、混合型三種。不同類型酸雨對植物影響不同，硅與不同類型酸雨對植物的影響效應還未見報道。水稻是典型的硅富集作物，干重根中的硅含量可達到10%[4]。有研究顯示反復種植水稻會導致土壤中硅元素流失，從而抑制水稻的產(chǎn)量。而世界上一半以上人口的消費主食為水稻，所以，研究外源硅對水稻種植具有實踐意義[5]。本研究調(diào)查不同類型酸雨處理下硅對水稻根系生物量，礦質元素Si，根系表型，根型指數(shù)和過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)含量的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種，“鎮(zhèn)稻95”，由徐州種子有限公司提供。水稻水培養(yǎng)液根據(jù)國際水稻研究機構的配方制備。本實驗酸雨溶液設置三種不同類型：硫酸型；硝酸型；混合型（硫酸與硝酸1∶1混合）及對照。控制三種類型酸雨溶液pH值均為3.0。已有研究成果顯示：在2mM Si施用下，對水稻生長促進作用最為顯著。2mM Si溶液通過將適量的Na2SiO3·9H2O溶解在培養(yǎng)溶液中來制備。所以，本實驗設置了0mM Si和2mM Si與不同類型酸雨單一或復合作用對水稻生長的影響[3]。

1.2 試驗方法

水稻為室內(nèi)盆栽種植，根據(jù)水稻不同生長期更換不同濃度的培養(yǎng)液。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 根系干重測定將洗凈后的根系材料放置于烘箱內(nèi)80℃，12h，用天平測定干重，各處理重復5次，取平均值。

1.3.2 根型測定不同處理的水稻幼苗根系部分放到塑料盤上，主根和須根展開。根系掃描裝置（ScanMaker i800 plus）采集根系照片，用WinRHIZO軟件（LA-S型根系分析系統(tǒng)，Quebec，China)分析根系數(shù)據(jù)，記錄總根長（TRL）、根尖數(shù)（RTN）、根系表面積（RSA）。

1.3.3 POD、CAT和APX活性的測定 采用Sajedi等方法測定POD活性。CAT采用紫外分光光度法測定。APX的活性根據(jù)Nakano等的方法測定。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)處理及常規(guī)統(tǒng)計學分析利用SPSS22.0完成，根系指標參數(shù)用winRHIZO軟件處理分析。

2 結果與分析

2.1 硅對不同類型酸雨處理下水稻幼苗生長情況和水稻根系表型及根型指數(shù)的影響

圖1 不同類型酸雨處理下根系表型

首先通過表1中干重可以看到，與對照相比，硝酸型酸雨處理（NAR）對水稻生物量具有明顯促進作用，硫酸型酸雨處理（SAR）顯著抑制水稻的生長，混合型酸雨處理（MAR）無明顯作用。施加2mM Si后，與單一2mM Si處理相比，硝酸型處理和混合型處理下水稻幼苗根系生物量顯著增加，接下來分析硅與不同類型酸雨處理下對水稻根型（如圖1）及根系指數(shù)（見表1）的影響。根型指數(shù)包括總根長（TRL），根部總表面積(RSA)，根部總體積(RV)。NAR處理促進水稻幼苗根系生長，表現(xiàn)在根型指數(shù)總根長（TRL），根部總表面積(RSA)，根部總體積（RV）（如圖3B），與對照相比（如圖1A），分別增加35.34%，60.22%，65.94%。SAR處理抑制水稻根系生長（如圖1C），TRL，RSA，RV 顯著低于對照，分別降低 4.13%，17.99%，29.99%。MAR處理中水稻TRL、RSA、RV與對照相比有所提高，但不明顯（如圖1D）。Si-NAR處理下水稻根大于對照根，并且大于2mMSi單一處理的根（圖1F）,與單一硅處理相比，水稻 TRL、RSA、RV 分別增加 11.76%，33.07%，31.63%。Si-SAR處理下水稻與單一硅處理相比，水稻TRL、RSA、RV分別降低5.26%，4.80%，23.53%。Si-MAR處理下水稻與單一硅處理相比，Si-MAR處理下水稻TRL、RSA、RV無明顯差異。

表1 不同類型酸雨處理下的根型指數(shù)

表2 不同類型酸雨處理的水稻幼苗根系中抗氧化酶含量

2.2 硅對不同類型酸雨處理下水稻幼苗根系抗氧化酶活性的影響

表2列出了用Si和不同類型酸雨處理的水稻幼苗根系中POD、CAT和APX活性的變化特征及Si含量。用Si和不同類型酸雨處理的水稻幼苗根系中的POD、CAT和APX活性存在顯著差異。與對照相比，SAR處理下CAT,POD和APX的增加量高于NAR處理下CAT、POD和APX的增加量；而NAR處理下CAT、POD和APX的增加量高于MAR處理下CAT、POD和APX的增加量。施加Si后與對照相比，單一2mM Si處理下CAT和APX的含量顯著增加，POD含量無明顯變化。Si-SAR與SAR處理相比，CAT、POD和APX含量均顯著降低；Si-SAR與對照相比，CAT、POD和APX含量均顯著增加。Si-NAR與NAR處理相比，CAT、POD和APX含量均顯著增加。Si-MAR處理與對照相比，CAT、POD和APX含量均顯著增加。Si-SAR與對照相比，CAT、POD和APX的增加量高于Si-NAR作用下 CAT、POD和APX的增加量；而Si-NAR作用CAT、POD和APX的增加量高于Si-MAR作用下CAT、POD和APX的增加量。

3 討論與結論

水稻的各種生理參數(shù)在不同類型酸雨處理中具有多樣性，硝酸型處理下的水稻生長狀態(tài)優(yōu)于硫酸型處理下水稻的生長狀態(tài)。施用Si可以緩解植物在酸脅迫下的危害，在不同類型酸雨脅迫下，水稻中Si的作用差異很大。植物的生長指標是衡量植物生長狀況的直接評價指標，也是衡量環(huán)境脅迫效應強弱的重要指標[6-8]。實驗顯示Si和不同類型酸雨對水稻根部干重的影響不同。呈現(xiàn)SAR處理抑制水稻生長，NAR促進水稻生長，MAR對水稻生長無明顯影響。SAR處理抑制水稻生長由于酸雨傷害植物組織結構，使生理代謝紊亂[8]。而NAR處理促進水稻生長和NO3-離子有關，影響機制有待進一步探討。水稻Si元素含量呈現(xiàn)NAR＞MAR＞SAR的趨勢 ,這與已有研究的結論相符[9]。單一2mM Si處理，NAR處理及Si-NAR處理皆改善水稻幼苗的根系表型和生物量。不難看出水稻的生物量，根性指數(shù)變化趨勢一致。其中Si-NAR處理改善效果最佳。Si-SAR處理下抑制作用得到緩解。這與已有研究Si可以促進植物生長并緩解非生物脅迫的結果一致[10]。Si和不同類型酸雨之間的相互作用影響水稻的根系表型和生物量，但是這種互相作用是累加性的還是協(xié)同性的，仍然不清楚，有待解決。此外在環(huán)境脅迫下，植物體內(nèi)會積累活性氧，例如H2O2。而相應的抗氧化酶也會隨之增加，包括CAT、POD、APX。 實 驗 中 ，Si-NAR 處 理CAT、POD、APX含量顯著提高，水稻幼苗生物量和根系表型有很大改善。Si-SAR處理，CAT、POD、APX含量偏低，水稻幼苗生長也呈抑制狀態(tài)。這表明硅的添加能在不同程度上提高抗氧化酶活性，提高細胞清除活性氧的能力，緩解酸雨對植物的毒害。Si在不同植物的各個器官中分布不均勻，水稻地下部分Si含量低于地上部分，本實驗只針對水稻地下部分就行研究，對于水稻地上部分各生理指標和生長狀況有待進一步探討。水稻作為喜硅植物，Si對其作用不容小覷，研究Si對水稻的作用機制及影響效果有利于改善水稻生長，提高其產(chǎn)量和品質。