苗期水稻吸收、轉運SbV的研究

黃艷超　胡瑩　劉云霞　黃益宗　武雪芳

摘要：采用營養液培養的方法，在有根表鐵膜存在條件下，對2個品種的苗期水稻吸收、轉運Sb（V）進行了研究，水稻植株誘導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）的營養介質中。研究結果表明，水稻各部位（鐵膜、根、莖葉）中Sb含量隨營養介質中Sb（V）濃度增加而升高；但Sb從根向地上部莖葉內轉運的轉運系數以及Sb在各部位的分配比例僅與水稻品種有關，與外界Sb（V）濃度無關，揚稻6號水稻對Sb的轉運系數以及在地上部莖葉中的分配比例顯著低于農墾57；在營養介質中Sb濃度相同時，2個品種水稻根表鐵膜內Sb含量無明顯差異。

關鍵詞：水稻；五價銻；吸收轉運；根表鐵膜

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

湖南省是中國水稻生產大省，也是很多金屬礦產的主要產地，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濟效益的同時對礦區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的項目，但美國和歐盟均已將銻列為優先控制污染物[2-3]；因此，我們需要對水稻銻污染予以關注。

水稻是一種水生植物，為了適應漬水厭氧環境的影響，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到根系。根系將部分氧氣和一些其他的氧化性物質釋放到根際，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的傳輸，如As、Cu、Cd、Mn、Ni等[5-7]。目前，關于銻吸收和轉運的研究還不是很多[8]，本試驗采用水培的方法，對在根表鐵膜存在的條件下水稻吸收轉運銻的問題開展研究，為防治水稻銻污染提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試水稻

本試驗選用2個品種的水稻（Oryza sativa L.），分別為揚稻6號、農墾57，其中揚稻6號為秈稻，農墾57為粳稻，均由南京農業大學提供。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濃度的營養液中培養1周，而后再轉移到1/3濃度的營養液中培養2周。用于放置營養液的水培器皿是500 mL的PVC管（直徑7.5 cm、高 14 cm水培罐），每個水培罐中放1株水稻苗。全量營養液配方參照文獻[9]。水稻的培養和后期處理均在可控光溫的培養室中進行。培養室工作條件為：25 ℃、14 h光照，20 ℃、10 h黑暗，光照濃度為260～350 μmol/（m2·s），相對濕度為60%～70%。

1.2 處理方法

2個水稻各選取長勢一致的植株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，而后轉入500 mL濃度為1×10-3 mol/L的 Fe2SO4溶液中24 h，以便誘導水稻根表鐵膜的形成。待根表鐵膜形成后將所有水稻轉入去離子水中放置6 h，而后再置于1/3強度營養液中培養48 h。之后將每個品種的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]營養液中培養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?。菏斋@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）測定其中Fe、Sb濃度。

經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優級純硝酸，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10 min，75 ℃ 持續10 min，95 ℃ 持續30 min，升溫時間為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）測定Sb濃度。消解時所用標準物質為灌木枝葉（GBW07603，《生物成分分析——灌木枝葉成分分析標準物質》）。

1.4 數據分析

根向地上部轉移Sb的能力用轉運系數（translocation factor，簡稱TF）表示：

2 結果與分析

2.1 生物量與根表鐵膜形成量

由于品種不同，2個水稻根表鐵膜形成量和生物量均有所差別。揚稻6號根表鐵膜形成量明顯低于農墾57，僅為農墾57的54%，但農墾57根系、地上部莖葉的生物量則比揚稻6號要低，分別僅為揚稻6號的47%、54%（表1）。

2.2 根表鐵膜、根、莖葉中的Sb含量

個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個品種水稻之間根表鐵膜內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，揚稻6號和農墾57根中Sb含量也逐漸升高，在相同濃度Sb處理下揚稻6號根中Sb含量要高于農墾57。從圖3可以看出，揚稻6號和農墾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，揚稻6號莖葉中Sb含量要明顯低于農墾57。

2.3 Sb轉運系數與分配比例

2個品種水稻在不同濃度Sb處理時，Sb從根中向地上部莖葉中轉運的轉運系數見表2。從表2可以看出，同一品種水稻的轉運系數并不隨溶液中Sb濃度的增加而發生明顯變化，但2個品種水稻之間的轉運系數差異明顯，揚稻6號的轉運系數明顯低于農墾57，僅為農墾57的24%～47%。

2個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的分配比例在揚稻6號和農墾57間并無明顯差異，但農墾57莖葉中Sb的分配比例明顯高于揚稻6號，根中結果則與莖葉相反。

3 結論與討論

目前，關于銻對水稻影響的相關研究還不多，現有研究結果表明，銻對水稻生長發育產生影響。在水培條件下，當溶液中Sb（V）濃度為5 μmol/L時水稻根系的生長就會受到抑制[10]。本試驗中2個品種水稻根部、地上部莖葉的生物量均未隨溶液中Sb濃度的增加而發生變化，原因可能是由于處理時間較短，Sb對水稻植株的毒害作用還未開始顯現。

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等的試驗結果[11]一致。但相同品種水稻根向地上部轉運的轉運系數和不同部位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Sb濃度不高于100 μmol/L時，Sb（V）在水稻體內的轉運和分配并不受外界Sb濃度的影響。

在不同濃度Sb處理下，揚稻6號和農墾57根和地上部莖葉中Sb濃度以及轉運系數均有所差別。表明水稻品種是影響水稻吸收轉運Sb的主要因素，揚稻6號根系比農墾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運，與楊婧等用同樣品種的水稻在土培條件下對砷的研究結果[12]一致。

綜上所述，Sb（V）更容易在根表鐵膜中積累，其向植物體內的吸收轉運主要受水稻品種的影響。但水稻對Sb（V）的吸收、轉運機制目前還不是很清楚。黃益宗等在水培條件下研究發現，水稻對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），此結論也與Tschan等對玉米和向日葵的研究結果[10，13]一致。有學者推測出現這種情況可能與As、Sb 2種元素五價氧化物的空間結構有關，五價砷（AsO43-）的空間結構為四面體，而 Sb（OH）6- 是八面體結構。建議在以后研究中可以考慮利用生物生理學、細胞生物學以及分子生物學等手段來深入研究銻的吸收、轉運等作用機制，以便為防治水稻銻污染提供理論支持。

參考文獻：

[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. 銻對水稻根生長的影響及銻的吸收動力學特性[J]. 環境化學，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]. 生態毒理學報，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. 肥水耦合對寒地水稻品質的影響 [J]. 江蘇農業科學，2015，43（10）：71-74.