2. 甘肃农业大学资源与环境学院, 兰州 730070;
3. 江西省科学院生物资源研究所, 南昌 330096;
4. 中国科学院生态环境研究中心, 北京 100085;
5. 上饶师范学院历史地理与旅游学院, 上饶 334000
2. College of Resources and Environmental Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;
3. Institute of Biological Resources, Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang 330096, China;
4. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
5. School of History Geography and Tourism, Shangrao Normal University, Shangrao 334000, China
土壤锑(Sb)的背景值为0.054 mg ·kg-1,通常<1.0 mg ·kg-1,我国土壤Sb的背景浓度范围0.38~2.98 mg ·kg-1[1, 2]. 欧共体理事会(Council of the European Communities)(EU,1976)和美国国家环境保护署(USEPA,1979)早在1976年和1979年分别将Sb列为优先污染物[3]. 我国是世界上最主要的Sb矿储量和Sb生产大国,总保有储量为278 万t,居世界第1位,主要集中在湖南、 贵州、 广西等南方省区[4]. 在最近的几十年,Sb的全球流动量增加了至少十倍[5]. 环境中Sb的毒性取决于其形态,Sb形态毒性顺序为: 有机Sb
硼(B)是植物生长发育所必需的矿质营养元素. 对植物细胞壁和细胞膜的结构与稳定、 碳水化合物的运输、 蛋白质和核酸的代谢、 花粉萌发和花粉管的生长等都有着广泛的影响[9]. 在植物代谢中,B和其他微量元素有所不同,它不是植物体的结构部分,也不参与氧化还原作用,它最重要的作用是促进碳水化合物的运输,使糖的运转顺利进行[10]. 在植物体内,Sb的运输途径尚不明确. 以往研究报道显示,生物体似乎没有专门的吸收系统参与Sb的吸收,Sb的吸收可能利用了必需元素或者生物的分子吸收系统,而B作为植物生长发育必须的元素对植物的重金属胁迫具有拮抗作用,因此添加外源B对水稻吸收Sb可能会有重要影响. 目前关于B缓解重金属胁迫的报道,多是关于B能减轻铝离子的毒害作用[11],但关于Sb对水稻的毒性,及B对Sb毒性影响的报道较少,因此研究外源施用B对水稻吸收积累Sb的影响及其作用机制,以期为Sb污染土壤修复提供理论基础.
1 材料与方法 1.1 水稻品种水稻(Oryza sativa L.)品种为嘉花一号,由嘉兴农业科学院提供,是一种常见的南方晚稻品种.
1.2 实验方法 1.2.1 植株培养挑选个大、 饱满的水稻种子若干粒,用15%的双氧水浸泡10 min,然后用蒸馏水完全洗净,均匀放入湿润的珍珠岩中发芽,定期浇水,保持珍珠岩湿润. 在珍珠岩中生长20 d后,将幼苗从中转移出来用去离子水洗掉黏附在根上的珍珠岩颗粒,然后挑选生长一致的水稻苗移栽到500 mL PVC罐中(直径为7.5 cm×高为14 cm,每罐两株苗),包含1/3强度的营养液,此营养液配方是参考Hewitt法[12]并加以改进,配方为(mmol ·L-1): NH4NO3,5; K2SO4,2; MgSO4,1.5; CaCl2,4; KH2PO4,1.3; 和(M): Fe(Ⅱ)-EDTA,50; CuSO4,1.0; ZnSO4,1.0; MnSO4,5.0; H3BO3,10; Na2MoO4,0.5; CoSO4,0.2. 3 d换一次营养液,用0.1 mol ·L-1 KOH或HCl将pH 值调到5.5.
1.2.2 水稻生长条件实验在可控光温度和湿度的生长室中进行,28℃/14 h光照和20℃/10 h黑暗,光照强度为260~350 μmol ·(m2 ·s)-1,相对湿度为60%~70%.
1.2.3 实验处理水稻幼苗在营养液中生长15 d后,Sb(Ⅲ)、 Sb(Ⅴ)和B分别以分析纯的酒石酸锑钾、 锑酸钾和硼酸的形式同时加入. 营养液中Sb的浓度分别为0、 10和30 μmol ·L-1,B的浓度分别为0.5mg ·L-1和2.0 mg ·L-1. 每个处理4次重复,每3 d换一次营养液. 水稻幼苗处理Sb和B 15 d后收获. 在生长期内每天随机调整水培罐的位置.
1.3 样品的分析收获后,水稻植株分为根和茎叶2部分,在70℃下干燥48 h,称量根、 茎叶的干物质重量. 称量0.2 g左右磨碎的根或茎叶样品放入消煮管中,加入5 mL优级纯的浓HNO3后放置过夜,空白和标准样品(GBW10016国家标准物质研究中心)同时做,以确保消煮后计算回收率. 样品放入微波消解仪(MARS5,CEM Microwave Technology Ltd. USA)中进行消解. 消解程序: 15 min升到180℃,在此温度下保持15 min,然后20 min的降温过程(根据CEM公司推荐的方法修改). 消煮完成后用超纯水定容至50 mL,过滤. 用ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer,Optima 2000 DV,Perkin Elmer,USA)测定消煮液中的Sb和B的浓度.
1.4 数据分析富集系数(Bio-accumulating factor,BAF): 水稻植株中Sb或B浓度与水溶液中Sb或B 浓度的比值,表示水稻富集Sb或B的能力.
所有的实验数据均采用统计软件SPSS 17.0和SigmaPlot 12.5进行统计和方差分析.
2 结果与分析 2.1 B和Sb处理对水稻生长的影响水稻的生物量随Sb处理浓度的增加而逐渐受到抑制(表 1). 经过Sb(Ⅲ)处理后,水稻生长受到明显的抑制,表现为茎叶卷曲、 叶片发黄、 根系少而短,生长缓慢; 低浓度Sb(Ⅴ)(10 μmol ·L-1)处理则促进水稻的生长(表 1),这与以往的文献报道相一致[8]. 由表 1可知,Sb(Ⅲ)处理对水稻茎叶干重的影响达到极显著水平(P<0.05),但低浓度Sb(Ⅲ)(10 μmol ·L-1)处理对水稻根干重的影响没有达到显著水平. 施B可缓解Sb对水稻的毒害,尤其对Sb(Ⅲ)处理水稻毒害缓解作用更明显(P<0.05). Sb(Ⅴ)处理对水稻叶干重和根干重有显著的影响,同时B和Sb(Ⅴ)对水稻茎叶干重有显著的交互作用影响(P<0.05).
![]() | 表 1 B对Sb胁迫下水稻生物量的影响 1) Table 1 Effect of B on the biomass of rice seedlings under Sb stress |
图 1为B和Sb处理对水稻茎叶和根系中B含量的影响,从中可以看出,当溶液中B 浓度为0.5 mg ·L-1时,添加三价Sb 10 μmol ·L-1和30 μmol ·L-1均可以显著地降低水稻茎叶中的B含量10.8%和57.6%(与对照处理相比,P<0.05),但是10 μmol ·L-1的Sb(Ⅲ) 浓度却显著地提高水稻根系的B含量,而30 μmol ·L-1的Sb(Ⅲ) 浓度则降低水稻根系B含量比率达75.6%(图 1). 当溶液中的B 浓度为2.0 mg ·L-1时,添加三价Sb 10 μmol ·L-1和30 μmol ·L-1导致水稻根系B含量分别比对照处理降低27.7%和52.1%,但10 μmol ·L-1的Sb(Ⅲ) 浓度却显著地提高水稻茎叶的B含量,而30 μmol ·L-1的Sb(Ⅲ) 浓度降低水稻茎叶B含量比率达32.9%(图 1).
在低浓度B处理下(0.5 mg ·L-1),添加Sb(Ⅴ)浓度为10 μmol ·L-1时可显著地提高水稻茎叶B含量11.6%(与对照处理相比),但却显著地降低水稻根系B含量比率达16.0%; 30 μmol ·L-1的Sb(Ⅴ)浓度对水稻茎叶和根系B含量影响不大. 在高浓度B处理下(2.0 mg ·L-1),添加Sb(Ⅴ)浓度为10 μmol ·L-1时可显著地降低水稻茎叶B含量7.8%(与对照处理相比,P<0.05),但却显著地提高水稻根系B含量比率达12.0%; 30 μmol ·L-1的Sb(Ⅴ)浓度可显著提高水稻茎叶B含量12.6%,但却显著地降低水稻根系B含量比率达12.8%.
统计水稻根系和茎叶中的B积累量,发现两种价态的Sb对B积累量的影响结果与其对水稻根系和茎叶B浓度的影响趋势类似(表 2),即10μmol ·L-1和30 μmol ·L-1的Sb(Ⅲ)浓度显著地降低水稻根系对B的积累,根系中B积累量比CK 降低27.5%和68.5%(B 2.0mg ·L-1处理),但10 μmol ·L-1的Sb(Ⅲ)浓度却显著地促进了水稻根系对B的积累,积累量比CK提高30.1%(B 0.5mg ·L-1处理). 在B 0.5 mg ·L-1处理下,10μmol ·L-1和30 μmol ·L-1的Sb(Ⅴ)浓度可显著地提高水稻根系和茎叶对B的积累,B积累量比CK提高10.3%~23.7%和12.8%~6.9%; 在B 2.0 mg ·L-1处理下,10μmol ·L-1和30 μmol ·L-1的Sb(Ⅴ)浓度均可显著地提高水稻根系和茎叶对B的积累. 不管是B 0.5 mg ·L-1处理还是B 2.0 mg ·L-1处理,10μmol ·L-1和30 μmol ·L-1的Sb(Ⅲ)浓度均可以显著地降低水稻茎叶和根系对B的积累(P<0.05),除了10 μmol ·L-1Sb(Ⅲ)+0.5 mg ·L-1B处理以外; 但10μmol ·L-1和30 μmol ·L-1的Sb(Ⅴ)浓度均可以显著地提高水稻茎叶和根系对B的积累(P<0.05),除了30 μmol ·L-1Sb(Ⅲ)+0.5 mg ·L-1B处理以外.
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图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同 图 1 B和Sb处理对水稻茎叶和根中B含量的影响 Fig. 1 Effect of B and Sb treatment on the B concentrations in shoots and roots of rice plants |
![]() | 表 2 Sb对水稻根系和茎叶中B总量的影响
Table 2 Effect of different Sb forms on the total B amount in rice root and shoot
|
2.3 B和Sb交互作用对水稻吸收积累Sb的影响
B和Sb交互作用对水稻茎叶和根系中Sb含量的影响见图 2,从中可以看出,B增加显著地降低水稻根系对两种价态Sb的吸收积累(P<0.05). 当营养液中Sb(Ⅲ)浓度为10 μmol ·L-1时,添加2.0 mg ·L-1的B可导致水稻根系Sb含量比B 0.5mg ·L-1处理降低9.2%,水稻茎叶Sb含量降低39.1%; 当营养液中Sb(Ⅲ)浓度为30 μmol ·L-1时,添加2.0 mg ·L-1的B可导致水稻根系Sb含量比B 0.5 mg ·L-1处理降低25.6%,但却显著地提高水稻茎叶的Sb含量,Sb含量比B 0.5 mg ·L-1处理提高61.9%.
当营养液中Sb(Ⅴ)浓度为10 μmol ·L-1时,B 0.5 mg ·L-1处理的水稻茎叶和根系Sb含量分别为15.2 mg ·kg-1和53.5 mg ·kg-1,B 2.0 mg ·L-1处理显著地提高水稻茎叶Sb含量,但导致水稻根系Sb含量比B 0.5 mg ·L-1处理降低10.7%. 当营养液中Sb(Ⅴ)浓度为30 μmol ·L-1时,B 0.5 mg ·L-1处理的水稻茎叶和根系Sb含量分别为27.9 mg ·kg-1和74.5 mg ·kg-1,提高B浓度到2.0 mg ·L-1对水稻茎叶Sb含量影响不大,但导致水稻根系Sb含量比B 0.5 mg ·L-1处理降低13.9%.
B和Sb交互作用对水稻茎叶和根系Sb积累总量的影响结果表明(表 3),不管是10 μmol ·L-1和30 μmol ·L-1的Sb(Ⅲ)处理,添加2.0 mg ·L-1的B可以显著地降低水稻根系对Sb的积累(P<0.05); 但10 μmol ·L-1和30 μmol ·L-1的Sb(Ⅴ)处理,添加2.0 mg ·L-1的B对水稻根系Sb的积累影响不大. 当Sb(Ⅲ)浓度为10 μmol ·L-1时,添加2.0 mg ·L-1的B可导致水稻根系和茎叶Sb积累总量分别比B 0.5 mg ·L-1处理降低25.7%和24.5%; 当Sb(Ⅲ)浓度为30 μmol ·L-1时,添加2.0 mg ·L-1的B可导致水稻根系Sb积累总量比B 0.5 mg ·L-1处理降低49.7%. 同样,当Sb(Ⅴ)浓度为10 μmol ·L-1时,添加2.0 mg ·L-1的B可导致水稻茎叶Sb积累总量比B 0.5 mg ·L-1处理提高60.7%; 当Sb(Ⅴ)浓度为30 μmol ·L-1时,添加2.0 mg ·L-1的B对水稻根系和茎叶Sb积累总量影响都不大.
![]() | 图 2 B和Sb处理对水稻茎叶和根中Sb含量的影响 Fig. 2 Effect of B and Sb treatment on the Sb concentrations in shoots and roots of rice |
![]() | 表 3 B对水稻根系和茎叶中Sb总量的影响
Table 3 Effect of B on the total Sb amount in rice root and shoot
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2.4 Sb在水稻根系和茎叶中的富集系数和分配比率
不同B添加量对水稻根系和茎叶Sb富集系数的影响见表 4. 从中可见,水稻根系Sb的富集系数大于水稻茎叶Sb的富集系数. 水稻根系中,Sb(Ⅲ)处理的富集系数显著大于Sb(Ⅴ) 处理的富集系数. B浓度的增加显著地降低两种Sb价态处理后水稻根系中Sb的富集系数[除30 μmol ·L-1 Sb(Ⅴ)处理外],但B增加反而提高某些处理水稻茎叶中Sb的富集系数.
表 5为不同B浓度处理下水稻根系和茎叶中Sb的分配比率,从中可以看出,Sb(Ⅲ)处理下有88.8%~95.8%的Sb分配在根系里,4.2%~11.2%的Sb分配在茎叶里; Sb(Ⅴ)处理下有66.6%~77.8%的Sb分配在根系里,22.2%~33.4%的Sb分配在茎叶里. 不同B浓度处理对水稻根系和茎叶中Sb的分配比率影响有差异. B浓度的增加可显著地降低Sb(Ⅴ)处理水稻根系中Sb的分配比率,而显著地提高Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)处理下水稻茎叶中Sb的分配比率(P<0.05).
![]() | 表 4 Sb在水稻根系和茎叶中的富集系数 Table 4 Bio-accumulation factor (BAF) of Sb in rice root and shoot |
![]() | 表 5 Sb在水稻根系和茎叶中的分配比率
/%
Table 5 Distribution ratio of Sb in root and shoot/%
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3 讨论
Sb在元素周期表中是与As同族的元素,它的一些性质类似于As,对植物生长有毒害作用. 不同价态的Sb毒害作用有差异,一般来说Sb(Ⅲ)的毒性高于Sb(Ⅴ)[13]. 本研究结果也发现,Sb处理后水稻生长受到明显的抑制,Sb(Ⅲ)比Sb(Ⅴ)对水稻毒害更明显. 此次实验水稻对Sb的富集能力均表现为Sb(Ⅲ)最强,Sb(Ⅴ)次之(表 4),这可能是因为水稻对Sb(Ⅲ)和Sb(Ⅴ)的吸收转运机制不同而造成的,然而目前对植物体内Sb的吸收途径尚不明确. 有研究发现,在微生物体内Sb(Ⅲ)可通过GlpF蛋白、 Fsp1蛋白和水甘油通道蛋白(AQP1)进入细胞,通过ArsB蛋白、 Acr3p 蛋白和ABC超家族转运蛋白流出细胞[14, 15]. 可见Sb(Ⅲ)进入细胞更多依赖于与运载蛋白有关的主动吸收作用[16]. Tschan等[17]通过对许多文献数据的分析,总结出植物可能通过蒸腾的水流进行被动吸收和转运Sb(Ⅴ),并认为Sb(Ⅴ) 通过蒸腾作用被动吸收必须要克服一些在植物根系存在的具有选择性的障碍,这些障碍控制着水份和土壤溶质从根部向茎叶中转运. 他们进而对这一推论进行解释: 植物根系皮层中的质外体能够允许土壤溶液中的溶质直接进入根系内部,而在根系中柱,质外体被凯氏带从皮层分隔开(凯氏带迫使水分和溶质通过共质体运输通道进入内皮层细胞,以便达到根系中柱内部). 此外他们认为Sb(Ⅲ)可能通过水通道蛋白被动扩散,从非原生质体穿过细胞膜进入细胞内,但水通道蛋白不让Sb(Ⅴ)阴离子进入,Sb(Ⅴ)阴离子进入细胞内需要转运子调控.
硼(B)是植物生长发育必需的微量营养元素之一. B虽然不是植物体内各种有机物的组成成分,但它的存在能加强植物的某些重要生理机能[18]. 多数研究者认为B和Ca一样,属于被动吸收的营养元素,它在木质部中向上运输,主要受水分蒸腾作用控制,并通过水通道蛋白PIP1(plasma membrane intrinsic proteins) 进入植物细胞[19]. B的吸收速率与植物的蒸腾速率成正比,随质流进入根部,在根表自由空间与糖络合,因而吸收作用很快. 植物在干旱、 盐害、 寒冷、 养分缺乏、 土壤酸化和光照变化等逆境胁迫下,在一定程度上均会通过调控水通道蛋白保持器官和细胞水分的平衡,以适应胁迫环境[20]. 本研究结果发现,提高B浓度可缓解Sb对水稻的毒害,降低水稻根系和茎叶对Sb的吸收积累,并影响Sb在水稻根系和茎叶中的富集系数和分配比率(表 4和表 5). 但是在实验过程中,B与两种形态Sb的相互作用也出现不规律的影响,特别是B与Sb(Ⅴ)处理,导致这种现象的原因有两种: 一是水稻吸收B和Sb(Ⅴ)有不同的机制,因此Sb(Ⅴ)与B之间相互的影响不大,但也会通过影响水稻的生长发育而影响两种元素在水稻植株中的分布; 二是人工气候室光照的影响,尽管在实验过程中会有规律的调动培养罐的位置,但仍会受到光照不平衡的影响,特别是对依赖蒸腾作用在水稻植株中转运的B元素,影响的程度会更大. 前人也有关于B缓解其它重金属的报道,添加B可降低重金属的富集系数. 外源B缓解水稻Sb胁迫的机制目前还不太清楚,可能的机制: 一方面是Sb(Ⅴ)和B具有拮抗作用,相互竞争,从而减少水稻对Sb(Ⅴ)的吸收; 另一方面,B通过水通道蛋白PIP1(plasma membrane intrinsic proteins) 进入植物细胞,这与Sb(Ⅲ)通过水通道蛋白被动扩散,从非原生质体穿过细胞膜进入细胞内的原理相似,进而形成竞争吸收,因此降低植株对Sb(Ⅲ)的吸收. 为了阐明外源B缓解水稻Sb毒害的机制,需要人们加强这方面的研究.
4 结论(1)添加30 μmol ·L-1的Sb(Ⅲ)或Sb(Ⅴ)均对水稻生长有抑制作用,但10 μmol ·L-1的Sb(Ⅴ) 则促进水稻的生长,Sb(Ⅲ)较Sb(Ⅴ)处理对水稻生长毒害更明显,增加B用量可缓解Sb对水稻的毒害,尤其对Sb(Ⅲ)处理的水稻毒害缓解作用更明显.
(2)三价Sb和五价Sb的添加均显著地影响水稻根系和茎叶对B的吸收积累. 当Sb(Ⅲ)浓度均为30 μmol ·L-1时,可导致水稻茎叶和根系B含量分别比不施Sb的对照处理降低57.6%和75.6%.
(3) B浓度的增加也影响水稻对Sb的吸收积累,水稻根系的Sb含量均随着B浓度的增加而显著地降低,但是水稻茎叶Sb含量随B浓度的增加变化不一样,其中Sb(Ⅴ)随着B浓度的增加而显著地提高,低浓度Sb(Ⅲ)随着B浓度的增加而显著地降低,高浓度Sb(Ⅲ)随着B浓度的增加而显著地提高.
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