硅素分期施用對鎘污染水稻光合特性及物質積累的影響

潘伯桂,劉丙權,蔡昆爭,王 維,田紀輝,呂穩(wěn)穩(wěn), 蔡一霞,*

1 華南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院,廣州 510642 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南熱帶農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,廣州 510642 3 廣東省生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)重點實驗室,廣州 510642 4 華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,廣州 510642

隨著工業(yè)化及城市化的快速推進,“三廢”不合理排放及農(nóng)業(yè)投入品超量施用,使得環(huán)境問題頻頻出現(xiàn),其中農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染尤為突出[1]。當前我國有超過2.786×109m2的農(nóng)田土壤存在著不同程度的鎘(Cd)污染[2]。Cd是一種具有潛在生物毒性的重金屬元素,在土壤中極具移動性,易通過植物吸收并經(jīng)食物鏈富集,給人體健康帶來巨大危害[3]。此外,化肥不科學施用加重土壤酸化,活化土壤微域Cd組分,易造成鹽基離子(如鈣、鎂、鉀、鈉等)[4]和硅(Si)[5]的淋失,導致土壤養(yǎng)分有效性降低。

世界上有超半數(shù)以上的人以水稻(OryzasativaL.)為主食,特別是亞洲國家[6]。研究表明,遭受Cd脅迫后,水稻的生長發(fā)育嚴重受阻[7]。特別是Cd2+通過干擾葉綠素合成相關酶活性和破壞葉綠細胞結構,嚴重影響光合功能,導致物質積累受阻而造成產(chǎn)量和品質下降[8]。為此,基于邊生產(chǎn)邊修復的理論,常見的修復手段有施用土壤調理劑、噴施葉面抑制劑和微生物修復技術等[9]。出于對成本及實際效益等因素的考慮,經(jīng)濟便捷和環(huán)境友好的農(nóng)藝管理措施備受青睞。據(jù)潘伯桂等[10]研究表明,2.0 mmol/L的Si處理能顯著提高水稻幼苗對Cd的耐性。張麗娜等[11]研究發(fā)現(xiàn),在Cd脅迫下,移栽期施Si能增加水稻幼苗葉綠素含量及降低Cd積累。也有研究發(fā)現(xiàn)水稻對Si的吸收利用不只在苗期,營養(yǎng)生長旺盛的拔節(jié)期亦是重要的Si供給期,然而Cd2+亦能隨之進入稻株[12]。

當前的研究大多關注土壤-植物耦合系統(tǒng)中Cd的固存與遷移[13]及Si提高水稻對Cd的抗性[14],但對光合代謝的調控及物質積累方面的研究較少。此外,大田生產(chǎn)上Si的施用大多采用基肥土施[15]或葉面噴施[16],但幼苗對Si的吸收率不高,且葉面噴施Si的同化率較低[17]。再者,施Si過量或過早均可能會影響幼苗對礦質元素的吸收[18]。因此,常規(guī)的硅肥模式缺乏針對性且易造成浪費。Cai等[17]研究認為Cd脅迫下移栽期施Si有利于水稻幼苗生長及實現(xiàn)Cd在根中的固定,而拔節(jié)期施Si更有利于灌漿及減少Cd向籽粒的轉移。據(jù)賀敏杰等[19]發(fā)現(xiàn)硅素于移栽期和拔節(jié)期1:1分期施用更有利于降低成熟期土壤Cd有效性。值得注意的是,營養(yǎng)生長期葉片新陳代謝旺盛,能充當蓄積Cd的“庫”器官;而生殖生長后期葉片逐漸衰老則充當向籽粒凈轉移Cd的“源”器官[20]。因此,從Cd脅迫下水稻Si最佳吸收效率的角度出發(fā),結合其在水稻拔節(jié)期能有效地提高光合效率及產(chǎn)量的效應[21],優(yōu)化硅肥施用對水稻耐Cd性、光合及物質積累的響應值得進一步探討。本試驗在施Si總量不變的基礎上于移栽期和拔節(jié)期這兩個關鍵生育期進行等量硅素分期施用,研究Cd污染下硅素分期施用對水稻光合特性、Cd轉運與積累等影響,通過葉片Cd亞細胞分布及其化學形態(tài)變化來闡明硅素分期施用調節(jié)Cd污染下水稻光合及物質積累響應機制。采用主成分分析進行綜合評價,優(yōu)化Cd污染下調節(jié)水稻耐Cd性及光合特性的施Si方式,為探索出一種新型且簡便的施Si方式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2019年8月10日—11月25日和2020年8月16日—11月28日在華南農(nóng)業(yè)大學生態(tài)學試驗基地(23.21°N, 113.42°E)的溫室大棚內進行。供試土壤采自廣東省某段(24.69°N, 113.55°E)毗鄰某鋼鐵冶煉廠下游的農(nóng)田耕作層土壤,經(jīng)人工過3 mm孔徑篩并混勻,采用楊劍虹等[22]方法分析其基本理化性質:土壤pH 5.72、電導率4.98 mS/cm、陽離子交換量6.51 cmol(+)/kg、有機質53.78 g/kg、總鎘4.21 mg/kg、有效鎘2.00 mg/kg、總氮2.75 g/kg、總磷0.88 g/kg、總鉀6.85 g/kg和有效硅52.48 mg/kg。供試水稻品種為當?shù)刂髟缘拿老阏?號(OryzasativaL.)。在20 cm×28 cm×17 cm(下口徑×上口徑×盆高)黑色塑料盆缽中裝入5 kg過篩供試土,于移栽前3 d加水浸泡。以硅酸鉀(K2SiO3)為Si源,充分溶于一定體積的去離子水中,用量筒精準量取硅酸鉀水溶液施入種植盆土壤中。在總施Si量(2 mmol/kg K2SiO3)一致的基礎上,設置3種Si施用處理:移栽期施Si(T)、移栽期與拔節(jié)期等量分期施Si(TJ)、拔節(jié)期施硅(J),以不施Si為對照(CK),每個水平設置6個重復。用含等量K+的KCl于移栽期施入CK盆中以抵消因施Si帶入的額外K+。在生長期中始終保持淹有1—3 cm的水層至收獲前一周不再澆水,使水分自然落干。試驗期間盆缽隨機排列,且每周隨機調換位置。其余農(nóng)藝管理措施如肥料施用和病蟲鼠害防治等按照當?shù)爻Ｒ?guī)習慣。

1.2 測定項目與方法

1.2.1光合指標的測定

在水稻移栽后35(分蘗盛期)、57(拔節(jié)期施Si后7 d)、75(抽穗期)、107 d(成熟期)9: 00—11: 00對水稻主莖倒數(shù)第三片完全展開葉進行光合分析。測定時隨機選取整張葉片的中間部分且避開主葉脈,各處理重復測定5次。用Li-6400XT便攜式光合儀(Li-COR, Lincoln Inc., USA)測定光合參數(shù);用葉綠素熒光儀(Dual-PAM-Ⅱ, Walz., Germany)測定熒光參數(shù);用手持式葉綠素計(SPAD-502 Plus, Konica Minolta Inc., Japan)測定葉片相對葉綠素含量(SPAD值)。儀器的參數(shù)設定及使用均依據(jù)操作手冊進行。

1.2.2水稻組織Cd、Si的測定及產(chǎn)量分析

對水稻成熟期(移栽后107 d)的劍葉和籽粒進行測試分析。參照Fu等[23]方法提取葉片細胞壁(CW)、葉綠體(Chp)、線粒體(MC)、細胞質(Cyp)等亞細胞組分及葉片無機態(tài)Cd(F1)、有機態(tài)Cd(F2)、果膠和蛋白質結合態(tài)Cd(F3)、不溶解性磷酸Cd(F4)、草酸Cd(F5)、殘渣態(tài)Cd(F6)六種Cd的化學形態(tài)。用微波消解儀(CEM Mars6, USA)對葉片和籽粒進行混酸(HNO3∶HClO4=4∶1)消解。上述Cd提取液及消解液均使用華南理工大學醫(yī)療器械研究檢驗中心的電感耦合等離子體質譜儀(Thermo Fisher Scientic, USA)檢測。采用硅鉬藍分光光度法[24]測定Si濃度。對收獲籽粒進行產(chǎn)量及構成因素分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過Excel 2019進行數(shù)據(jù)整理,經(jīng)SPSS 24.0軟件進行統(tǒng)計分析,用SigmaPlot 14.0繪圖。數(shù)據(jù)采用單因素法(One-way ANOVA)進行方差分析,鄧肯新復極差法(DMRT)進行多重比較(P=0.05),皮爾遜法(Pearson)進行(雙尾)相關性檢驗。在R×64 3.6.3中導入ADE-4軟件包進行主成分分析(Principal component analyses, PCA),利用二維空間載荷圖和得分圖來直觀地展現(xiàn)多元數(shù)據(jù)分析結果。用籽粒Cd濃度(mg/kg)與葉片Cd濃度(mg/kg)之比來表示單位質量的葉片Cd轉移系數(shù)[25]。統(tǒng)一采用平均值±標準偏差(Mean±SD,n=3)的形式表示數(shù)據(jù)。

2 結果與分析

2.1 水稻葉片和籽粒Si、Cd濃度及葉片Cd轉移系數(shù)

從表1可知,施Si后葉片和籽粒Si濃度均有所增加,拔節(jié)期施Si(TJ、J處理)使其積累更為顯著。但Si對葉片和籽粒Cd濃度影響卻表現(xiàn)不同。施Si能增加葉片Cd濃度,2019年TJ處理的葉片Cd濃度明顯比CK高出54.55%,2020年TJ和J處理的葉片Cd濃度分別比T處理高11.46%和5.67%。然而,施Si卻使籽粒Cd濃度顯著降低,導致Cd由葉片向籽粒的轉移減少,T、TJ和J處理葉片Cd轉移系數(shù)較CK分別平均降低33.92%、56.67%和52.16%。

表1 施Si對Cd脅迫下葉片和籽粒Si、Cd濃度及葉片Cd轉移系數(shù)的影響

2.2 水稻葉片Cd亞細胞分布及其化學形態(tài)

Cd在葉片組織中的亞細胞分配及各形態(tài)濃度如圖1所示。CK組葉片的細胞質Cd占整個細胞結構Cd含量比重較高(達53.01%—54.15%),施硅后細胞質Cd含量顯著降低,而細胞壁Cd含量則顯著增加,2019年T、TJ、J處理細胞壁較CK分別增加了16.75%、21.18%和42.26%的Cd固持量;2020年則增加了6.14%、27.14%和18.04%。兩季水稻葉片線粒體組分中Cd含量受Si處理后顯著降低;而葉綠體組分中Cd含量在Si處理下呈現(xiàn)年際間的差異,2019年降低葉綠體Cd組分濃度,而2020年則增加該組分Cd濃度。

圖1 施Si對Cd脅迫下葉片亞細胞結構及Cd化學形態(tài)的影響

Cd在葉片組織中更多的是保留在F3—F5中(圖1)。兩季結果均表明,TJ處理能夠增加F3、F4及F6等不活潑組分Cd濃度,降低F1、F2易移動組分Cd濃度,2020年的降幅更顯著,其中TJ處理對F1、F2組分的Cd濃度降低尤為明顯。而F5組分(草酸結合態(tài)Cd)在Si處理下年際間存在差異,2019年T處理F5組分Cd濃度與CK無顯著差異,TJ處理顯著增加,J處理明顯降低;而2020年各施Si處理F5組分Cd濃度均降低。

2.3 水稻光合參數(shù)

由圖2可見,Si對水稻葉片的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間二氧化碳濃度(Ci)有一定的影響。分蘗盛期,T和TJ處理的Pn要明顯高于CK和J處理,兩季水稻葉片的Pn均在抽穗期達到峰值,其中TJ處理葉片在移栽后57 d至75 d具有較高的Pn。隨著水稻生長發(fā)育的推進,Tr和Gs均呈下降趨勢,而施Si能一定程度延緩其降低,Si處理下成熟期(移栽后107 d)水稻葉片Tr和Gs高于CK,其中TJ和J處理較明顯,這說明拔節(jié)期施硅(TJ、J處理)可以通過提高葉片的Pn、Tr、Gs值來延長葉片的光合功能。Si對Ci的影響在移栽后75 d表現(xiàn)出年際間的差異,但在灌漿結實期間3種Si處理葉片Ci的變化趨勢基本一致,與T、J兩處理相比,TJ處理葉片Ci明顯升高。

圖2 施Si對Cd脅迫下水稻各生育期光合作用的影響

2.4 水稻熒光參數(shù)及相對葉綠素含量

從圖3可知,不同Si處理對兩季水稻葉片F(xiàn)v/Fm值沒有顯著影響,但Si處理在一定程度上提高ΦPSⅡ、qP以及ETR,且年際間存在一些差異,2020年水稻葉片的ΦPSⅡ、qP以及ETR值在拔節(jié)期施硅后7 d(57 d)均明顯低于2019年,其余時期的變化規(guī)律大體相同。2020年Si處理能夠有效降低成熟期葉片NPQ,但2019年晚季效果不明顯。此外,硅可以提高水稻抽穗前葉片SPAD值,2019年TJ和J處理在移栽后57—75 d有較高的SPAD值,但在灌漿結實期(移栽后75—107 d)各處理間差異不顯著(P>0.05)。

圖3 施Si對Cd脅迫下水稻熒光參數(shù)和相對葉綠素含量的影響

2.5 水稻產(chǎn)量及構成因素

從表2可知,施Si對水稻產(chǎn)量及其構成因素有顯著影響。施Si后能顯著提高水稻單株有效穗數(shù),其中拔節(jié)期施硅(TJ、J處理)在2019年及2020年較CK組分別增加了15.80%—17.81%,12.00%—16.09%。同時,2020年中TJ處理能夠極顯著地提高每穗粒數(shù)(P<0.05),與對照相比增幅達28.05%,但在2019年處理間差異不顯著。對于結實率而言,兩季水稻中均顯示硅處理后的促進優(yōu)勢,拔節(jié)期施硅處理(J處理)均能保持著較高的結實率。與2019年相比,2020年Si處理顯著提高千粒重,與CK處理相比,T、TJ、J處理增幅分別為4.02%、11.73%以及11.17%。結合盆栽產(chǎn)量來看,硅處理在兩季水稻產(chǎn)量均明顯提高,其中TJ處理在兩季水稻的增產(chǎn)效果最顯著,且2019年實際產(chǎn)量整體高于2020年。

表2 施Si對Cd脅迫下水稻產(chǎn)量及構成因素的影響

2.6 水稻光合參數(shù)、Cd與Si濃度及產(chǎn)量的多元數(shù)據(jù)分析

利用主成分分析綜合評價了不同Si處理對水稻Cd積累和光合特性的影響效果(圖4)。第一主成分(PC1)和第2主成分(PC2)累計方差貢獻率達到70.9%,可涵蓋原始數(shù)據(jù)總量的70.9%。其中PC1方差貢獻率為50.1%,主要與Pn、Gs、葉殘渣態(tài)Cd、細胞質Cd、線粒體Cd、Fv/Fm的變化有關;PC2方差貢獻度為20.8%,分別與葉片Cd轉移系數(shù)(MF葉-籽粒)、Tr、不溶性磷酸Cd濃度有關。主成分得分圖展現(xiàn)了各處理數(shù)據(jù)點的主成分得分情況,不同Si處理間的差異達到顯著水平(P=0.016)。結合主成分荷載圖來看,CK明顯趨向于增加F1-Cd、F2-Cd以及葉片Cd轉移系數(shù)。T和J處理的特征差異主要體現(xiàn)在PC1中,有利于介導氣孔導度的開啟,促進光合速率。而TJ處理的綜合特征差異主要體現(xiàn)在PC2中,有利于增加葉片細胞壁Cd濃度以及F6-Cd濃度,提高蒸騰作用及增產(chǎn),且要優(yōu)于T和J處理。綜合評價Si處理對水稻Cd抗性及光合、產(chǎn)量等影響,可推測TJ處理的效果要優(yōu)于J和T處理。

圖4 處理間Cd濃度、光合參數(shù)及產(chǎn)量的主成分分析

此外,通過分析葉片Si含量與Cd濃度及光合參數(shù)相關性(表3),發(fā)現(xiàn)葉片Si含量與葉片Cd濃度、SPAD、qP、ΦPSⅡ和ETR表現(xiàn)為極顯著或顯著正相關,而與籽粒Cd濃度則呈極顯著負相關。

表3 葉片Si含量與Cd濃度及光合參數(shù)的相關性分析

3 討論

遭受Cd污染后,水稻葉片會產(chǎn)生一系列的毒害癥狀,如葉綠素合成受阻、光合作用受限及光能轉化效率降低等,降低葉片對產(chǎn)量的貢獻度,但施Si可有效緩解該毒害效應[26]。Si作為水稻生長發(fā)育所需的有益元素,可與Cd發(fā)生沉降反應來降低其毒性[27]。此外Si還能以“Si-細胞壁基質”復合體的形式集聚在細胞壁上,增加對Cd的固定作用,進而有效減輕葉片Cd毒性及保護葉片的生理機能[28—29]。本研究表明,Si處理后水稻葉片Cd濃度明顯增加,葉片Si濃度與Cd含量呈極顯著正相關(r=0.754,P<0.01),但增加的Cd更多地以難移動的形態(tài)(果膠和蛋白質結合態(tài)Cd、不溶解性磷酸Cd、殘渣態(tài)Cd)鈍化在細胞壁吸附位點以修飾和降低其孔隙度,占比達55.37%—62.18%(圖1),這可防止Cd對葉片結構的損壞。究其原因可能是Si施用后調動細胞壁多糖與蛋白分子中的極性配位基團,如羧基、羥基、醛基等,使Cd2+在細胞內不能以游離態(tài)大量存在[30]。另外,也有可能與Si營養(yǎng)有關[20],Si沉積于蒸騰流末端,利于Cd在葉片中累積[31]。Shahid等[32]發(fā)現(xiàn)重金屬更多地蓄積在新陳代謝旺盛的“庫”器官(葉片),從而減少Cd在營養(yǎng)器官(籽粒)的蓄積。本研究結果也表明Si處理后可有效減少Cd在籽粒的積累,且籽粒中的Cd含量與其Si濃度呈極顯著負相關關系(r=-0.854,P<0.01)。齊穗后葉片逐漸衰老而變成含Cd的“源”器官,其蓄積的Cd可再活化并隨灌漿物質通過韌皮部篩管向籽粒轉運,這是決定稻米Cd積累的關鍵過程[20,33—35]。與CK相比,施Si可顯著降低葉片Cd轉移系數(shù),其中TJ處理降幅達47.29%—66.05%,從而有效地充當消減籽粒Cd的屏障。

據(jù)報道,Si能在水稻表皮細胞沉積形成“硅-角質”雙層結構,使功能葉片增厚、挺立并改善其冠層的受光姿態(tài)[36],有助于捕獲光能和提高光能利用率。此外,葉綠素含量、熒光與光合作用密切相關,任何逆境對光合作用產(chǎn)生的影響均可通過葉綠素熒光誘導動力學參數(shù)的變化來反映[37]。本研究Si處理尤其是TJ處理能夠更顯著地緩解稻葉因Cd脅迫而表現(xiàn)的光抑制現(xiàn)象(圖3),表現(xiàn)在水稻營養(yǎng)生長階段其SPAD值顯著增加,與Si在葉片的積累發(fā)揮著正反饋作用(r=0.653,P<0.05)。此外,拔節(jié)期施硅(TJ、J處理)顯著提高成熟期Pn、Tr、Gs以延緩功能葉片的早衰及促進光合產(chǎn)物積累,增加葉片對Cd的蓄積及籽粒的物質積累。尤其Tr的升高有利于水分和營養(yǎng)元素完成木質部裝載并向籽粒轉移[38]。另有研究[39—40]發(fā)現(xiàn),Si隨著蒸騰運輸途中能硅化形成膠狀硅,這能極大程度地與Cd2+產(chǎn)生競爭與拮抗反應,同時促進能吸附及螯合Cd2+的抗氧化物質生成,共同作用以實現(xiàn)稻株體內Cd2+毒性減弱,從而增強水稻對Cd的耐受性。張云等[41]通過激光掃描共聚焦顯微鏡觀察Cd2+在葉片的分布,發(fā)現(xiàn)其更多地聚集在氣孔處,這嚴重限制了氣孔的開合從而影響植株的氣體交換,而硅化后的細胞能夠調節(jié)葉片的氣孔運動[42]。本研究TJ處理能在孕穗灌漿乃至結實期持續(xù)有效地促進氣孔的開啟,保證光合原料(CO2)供給充足,有利于光合產(chǎn)物的制造。Cd進入植物細胞后首先對線粒體產(chǎn)生毒害作用,干擾光合電子的傳遞[43]。本實驗TJ處理較T處理或J處理顯著地降低線粒體Cd濃度,這能增強激發(fā)態(tài)電子的傳遞率(ETR),其與葉片Si濃度呈正相關關系(r=0.637,P<0.05),并提高PSⅡ實際光合效率,有效地增加非光化學淬滅系數(shù)。光合系統(tǒng)中能量轉換靠電子傳遞完成,若PSII吸收的能量未能及時擴散,則過剩的光電子將誘導活性氧產(chǎn)生從而損壞葉綠體機構[44]。而本研究發(fā)現(xiàn)TJ處理對生殖生長期水稻的NPQ顯著增加,這表明水稻的熱耗散量增多,尤其硅素分期施用可更有效地緩解Cd對水稻光合作用的抑制,從而提高光能轉化效率和促進產(chǎn)量形成。值得注意的是,本試驗進行了年際驗證分析,部分光合特性結果存在一定的年際差異,因光合指標受分析環(huán)境條件的影響較大,對于這一點,還有待進一步研究。

不同Si處理對水稻均有一定的增產(chǎn)作用,T、TJ、J較CK分別增產(chǎn)18.99%、38.81%和23.33%。據(jù)Cai等[17]研究認為拔節(jié)期施Si較CK增產(chǎn)10.52%,而基施Si肥增產(chǎn)7.02%。Si協(xié)調增產(chǎn)的直接原因在于提高每穗粒數(shù)和結實率,其次是千粒重的增加[45]。在本研究中,施Si利于水稻光合作用加強,TJ處理較CK顯著增加每穗粒數(shù)(16.50%)和結實率(6.99%)。綜合評價可以發(fā)現(xiàn)Si處理對水稻耐Cd性、光合特性及產(chǎn)量的影響作用大小為TJ>J>T。

4 結論

3種硅肥施用模式中,Si素于移栽期與拔節(jié)期分期施用(TJ處理)更利于提升水稻耐鎘性、光合特性及物質積累。與T和J處理相比,TJ處理顯著促進葉片Si素積累,增加Cd在葉片的固定,有效地緩解Cd對光合器官的損傷和降低Cd由葉片向籽粒的轉移。此外,TJ處理顯著提高水稻整個生育期的Pn、Tr、Gs,有效地提升光合功能;同時ETR和ΦPSⅡ得到顯著提升,進一步促進光合產(chǎn)物合成與輸送。結合光合特性、Cd積累及稻米安全性,本研究推薦在Cd污染稻田中于移栽期和拔節(jié)期分期施用硅素,以獲得最佳的控鎘增產(chǎn)效果。