2018, Vol. 39
2. 中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085;
3. 西交利物浦大学环境科学系, 苏州 215123
2. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environment Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China;
3. Department of Environmental Science, Xi'an Jiaotong-Liverpool University, Suzhou 215123, China
无机砷(iAs)是全球公认的致癌物之一, 它对人类和动物健康的危害极大[1, 2].除了土壤和水之外、砷(As)主要通过食物链进入人体危害人体健康[3].与小麦和大麦等旱地作物相比, 水稻更容易吸收累积As[4], 因此食物链成为了以大米为主食的人群摄入As的一个主要途径[5, 6].
五价砷As(Ⅴ)和三价砷As(Ⅲ)是As在淹水稻田土中的主要赋存形态, 其中以As(Ⅲ)为主[7, 8].在酸性稻田土中, As(Ⅲ)主要以非解离的亚砷酸[As(OH)3]中性分子存在, As(OH)3的解离系数(pKa)为9.22.已有研究表明As(Ⅲ)主要通过NIP水通道和硅(Si)通道进入植物根系[9~11]. Ma等[11]的研究表明As(Ⅲ)和Si在进入水稻根系时共用同一个高效转运通道. Lsi1(OsNIP2;1)和Lsi2(非水通道蛋白)两种Si转运蛋白对水稻吸收累积As贡献很大, 而且Lsi1对As(Ⅲ)的透性是双向的(吸收和外泌).施用Si肥可使水稻地上部和籽粒中的As含量分别降低78%和16%[12].拟南芥中AtNIP5;1、AtNIP6;1和AtNIP7;1, 水稻中OsNIP2;1、OsNIP2;2和OsNIP3;2以及百脉根中的LjNIP5;1和LjNIP6;1等NIP水通道蛋白在酵母中表达后可增加酵母对As(Ⅲ)的敏感性及As的富集量[10].近年来, Katsuhara等[13]发现水稻的OsNIP3;3和大麦的HvNIP1;2两种水通道蛋白也可以运输As(Ⅲ). OsNIP3;2对水稻侧根吸收As(Ⅲ)有重要作用, 敲除OsNIP3;2基因可以显著降低水稻根部的As含量[14].除了NIPs外, PIPs(质膜膜内蛋白)也被证实可以转运As(Ⅲ). Mosa等的研究表明[15], 水稻的两种PTPs(OsPIP2;4和OsPIP2;7)均可以双向转运As(Ⅲ), 且水稻和许多其他植物根系均可将进入细胞内的As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ)后外泌到生长介质中[16], 植物根系对As(Ⅲ)的吸收和外泌作用与水通道蛋白有很大关系[17, 18].
硼(B)作为植物生长发育所必需的微量元素之一, 主要以硼酸[B(OH)3]的形式存在于土壤和生物体中. B(OH)3的分子机构与As(OH)3相似, pKa为9.25, 常以不带电荷的分子存在.因此植物体内的B(OH)3运输通道也有可能运输As(OH)3.有研究表明对As吸收和转运有促进作用的NIP通道蛋白, 如OsNIP3;1、AtNIP5;1和AtNIP6;1, 也是B(OH)3载体, 对水稻和拟南芥根系吸收B有重要作用[19~22].同样, 水稻中的PIP通道蛋白(OsPIP2;4和OsPIP2;7)对B和As的运输都有调节作用[15, 23], 而且这些水通道蛋白的表达受外界环境中B含量水平的调控[23, 24].例如高B处理对OsPIP2;4和OsPIP2;7在根系中的表达起上调作用, 对其在地上部的表达则起下调作用[23]; 高B或低B条件下, AtNIP5;1和AtNIP6;1两个基因均受到下调或上调作用[21].负责侧根As(Ⅲ)转运的OsNIP3;2基因表达的组织特异性与B转运基因OsNIP3;1十分相似[14, 22].有研究表明, As(Ⅲ)处理可以普遍降低(16%~17%)挪威槭等4个树种根部的B含量, 认为这些树种主要通过B通道吸收As(Ⅲ)[25].不过对于As超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata L.), 营养液中添加B(OH)3和Si(OH)4均未影响其对As(Ⅲ)的吸收[26], 而磷酸盐可以减少蜈蚣草对As(Ⅲ)的吸收[27].
综上所述, 施B处理或许可以通过竞争吸收或基因表达调控来降低水稻对As的吸收累积, 而施B能否以及如何影响水稻对As的吸收和外泌尚不明晰.本研究通过设计3组水培试验, 旨在探明: ①营养液不同供B浓度和叶面施B对水稻幼苗吸收As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的影响; ②B与As(Ⅴ)、As(Ⅲ)在水稻幼苗中分布的关系; ③叶面施B对水稻幼苗根系外泌As的影响.
1 材料与方法 1.1 试验条件和植物培养试验于人工气候室中进行, 25℃/14 h光照和20℃/10 h黑暗, 光照强度为350 mmol·(m2·s)-1, 相对湿度为60%~70%.挑选个大、饱满的水稻种子, 用30%的双氧水浸泡15 min, 然后用蒸馏水充分洗净, 均匀放入湿润的珍珠岩中发芽.在珍珠岩中生长3周后, 挑选生长一致的幼苗移栽到盛有500 mL不同B浓度的1/2强度营养液的盆中(高14 cm, 直径7 cm)培养3 d, 每盆2株.全营养液配方为: 5.0 mmol·L-1NH4NO3、2.0 mmol·L-1K2SO4、4.0 mmol·L-1CaCl2、1.5 mmol·L-1MgSO4·7H2O、1.3 mmol·L-1KH2PO4、50 μmol·L-1 Fe(Ⅱ)-EDTA、5.0 μmol·L-1 H3BO3、0.5 μmol·L-1 ZnSO4·7H2O、0.5 μmol·L-1 CuSO4·5H2O、2.5 μmol·L-1 MnSO4·H2O、0.25 μmol·L-1 Na2MoO4·2H2O和0.1 μmol·L-1 CoSO4·7H2O, 营养液每3 d更换一次, 并用0.2 mol·L-1 KOH和4.0 mol·L-1HCl将pH值调至5.5.
1.2 根系供B对水稻吸收As的影响(试验一)将预培养的水稻幼苗继续在不缺B全营养液中培养1周后, 移入含有As(Ⅴ)或As(Ⅲ)的不同B浓度的全营养液中. As(Ⅲ)、As(Ⅴ)和B分别以优级纯NaAsO2, Na2HAsO4·7H2O和H3BO3的形式加入. B的处理浓度分别为0、10和40 μmol·L-1, As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的浓度均为10 μmol·L-1.共6个处理, 每个处理4个重复, 每盆2株水稻苗, 500 mL营养液. As处理2 d后收获, 将水稻幼苗根和地上部分开, 用去离子水洗净后用吸水纸吸干水分并称重后在液氮下研磨粉碎, 用来测定As(Ⅴ)、As(Ⅲ)和总As含量.另外, 准备与培养水稻幼苗相同的含As(Ⅲ)或As(Ⅴ)的全营养液各4盆, 顶部加盖、不移入水稻, 1周后检测营养液中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的浓度.
1.3 叶面施B对水稻吸收As的影响(试验二)将上述在缺B的1/2营养液中预培养3 d后的水稻幼苗移入缺B的全营养液中继续培养1周后开始As处理.在缺B营养液中添加浓度为10 μmol·L-1的As(Ⅲ)或As(Ⅴ). B以H3BO3的形式进行叶面喷施, 浓度分别为9和36 mmol·L-1, 并设置去离子水叶面喷施作为对照(所有喷施溶液均含有质量分数为0.0015%的Triton X-100, pH为6.0).每盆喷施3 mL, 每天喷施1次.喷施处理1周后, 先将水稻幼苗地上部用质量分数为0.0015%的Triton X-100溶液浸洗3次, 去除附着于叶表的B[28], 然后去离子水洗净、收获, 液氮条件下分别研磨地上部和根样, 测定B、As(Ⅴ)、As(Ⅲ)和总As的含量.
1.4 叶面施B对水稻根系外泌As的影响(试验三)将水稻幼苗在缺B的全营养液中培养1周(如试验二), 然后进行10 μmol·L-1的As(Ⅲ)或As(Ⅴ)预处理1周后, 将水稻根系在温度为0~2℃的解吸附溶液(1 mmol·L-1K2HPO4, 5 mmol·L-1MES, 0.5 mmol·L-1Ca(NO3)2, pH 6.0)中漂洗10 s, 再浸泡10 min以去除质外体上吸附的As后[29], 用0~2℃的去离子水冲洗干净.在根系洗净后, 随机取4盆As(Ⅴ)预处理和4盆As(Ⅲ)预处理的水稻幼苗收获, 用来测定地上部和根的总As含量, 作为As外泌前水稻幼苗体内的总As含量.将其余12盆As(Ⅴ)预处理和12盆As(Ⅲ)预处理的幼苗移入盛有40 mL全营养液(缺B、不加As)的盆中继续培养, 每盆2株水稻幼苗, 并立即进行叶面施B处理(同试验二).每天记录盆中剩余营养液的体积, 并将其避光储存于2℃冰箱, 测定营养液中总As质量浓度.每天更换营养液和叶面施B, 1周后取样, 分别测定根系与地上部的总As含量.
1.5 测试方法液氮条件下研磨的植物样品(0.05~0.10 g)用10 mL 1%(体积分数)的优级纯硝酸溶液于微波消解仪中进行消解, 使用高效液相色谱-电感耦合等离子体质谱联用仪(HPLC-ICP-MS, 7500a, 安捷伦科技有限公司)测定As(Ⅲ)和As(Ⅴ)[30].在消解和测试过程中通过空白、标准物质(GBW 07603, 灌木枝叶)、脉冲注入As(Ⅲ)和As(Ⅴ) (0.5 mL As 1 000 μg·L-1)来进行质量控制.消解和测试过程中的参数和程序设置参考文献[31].
地上部和根中总As含量使用电感耦合等离子体质谱仪进行测定(ICP-MS, 7500a, 安捷伦科技有限公司)[31].液氮条件下研磨的植物样品(0.05~0.10 g)用2 mL优级纯浓硝酸于微波消解仪中进行消解.在消解和测定过程中使用试剂空白和标准物质(GBW 07603, 灌木枝叶)来进行质量控制, 加标回收率为103%.
使用ICP-MS进行B质量浓度的测定.称取0.15 g研磨好的样品放入瓷坩埚中, 于100℃烘干, 然后在500℃条件下灼烧2 h.将灰分用10 mL 0.1 mol·L-1的优级纯HCl溶解后用超纯水定容.使用标准物质(GBW 07603, 灌木枝叶)来进行质量控制, B的加标回收率为110%.
1.6 数据分析所有的试验数据使用双因素方差分析检验As(Ⅲ)和As(Ⅴ)处理和不同B水平处理下水稻幼苗吸收或外泌As的显著性差异、累积B的显著性差异, 以及不同价态As与B水平处理的交互作用.使用最小显著性差异法比较不同处理数据平均值间的显著性差异(P < 0.05).所有的数据均采用统计软件SPSS 16.0进行分析. As根吸收效率为水稻幼苗地上部和根部的As累积总量与根鲜重的比值, As转运系数为地上部As含量与根部As含量的比值.
2 结果与分析 2.1 营养液中不同B浓度对水稻幼苗吸收As的影响试验一中, 随着营养液中B浓度的增加, 在两种价态As处理下, 水稻根系和地上部的As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量均未有显著变化(图 1).如图 1(a)所示, 在As(Ⅴ)和As(Ⅲ)处理下, 水稻地上部的As(Ⅲ)含量平均比As(Ⅴ)分别高出4.0倍和9.1倍(P < 0.05);而不论在何种B浓度水平下, As(Ⅲ)处理下的水稻根部As(Ⅲ)含量始终显著高于As(Ⅴ), 而As(Ⅴ)处理下的As(Ⅲ)含量则始终显著低于As(Ⅴ)(P < 0.05)[图 1(b)].
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B0、B10和B40分别表示营养液中H3BO3的浓度为0、10和40 μmol·L-1; 柱上方同一测定指标有不同的大写或小写字母者表示差异显著(P < 0.05) 图 1 两种价态As处理条件下, 营养液中不同供B浓度对水稻幼苗地上部及根部中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量的影响(平均值±标准误, n=4) Fig. 1 Effects of B additions to culture solution with 10 μmol·L-1 As(Ⅲ) or As(Ⅴ) on As(Ⅲ) and As(Ⅴ) concentrations in shoots and roots of rice seedlings (means±SE, n=4) |
As(Ⅲ)处理条件下, 水稻地上部和根部的平均总As含量分别比As(Ⅴ)处理高292.2%和151.9%(P < 0.05), 总As根吸收效率平均比As(Ⅴ)处理高出203.8%(P < 0.05)(图 2).同样, As(Ⅲ)处理下的As转运系数平均比As(Ⅴ)处理高56.7%.但两种价态As处理下, 营养液中不同B水平对水稻苗期地上部和根部As含量、As转运系数和根吸收效率均未产生显著影响(图 2).
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B0、B10和B40分别表示营养液中H3BO3的浓度为0、10和40 μmol·L-1; 柱上方同一测定指标有不同的大写或小写字母者表示差异显著(P < 0.05) 图 2 两种价态As处理条件下, 营养液中不同供B浓度对水稻幼苗地上部及根部总As含量和As根吸收效率的影响(平均值±标准误, n=4) Fig. 2 Effect of B additions to culture solution with 10 μmol·L-1 As(Ⅲ) or As(Ⅴ) on As concentrations in shoots and roots and As uptake efficiency of rice seedlings (means±SE, n=4) |
未培养水稻幼苗的营养液中, As(Ⅲ)或As(Ⅴ)浓度在1周后无明显变化.初始As(Ⅲ)浓度为10 μmol·L-1的营养液中, 1周后营养液中的As(Ⅲ)有约0.9%氧化为As(Ⅴ)(P>0.05);初始As(Ⅴ)浓度为10 μmol·L-1的营养液中, 1周后营养液中的As(Ⅴ)有约0.2%还原为As(Ⅲ)(P>0.05).
2.2 叶面施B对水稻幼苗吸收As的影响为探明植株体内B水平对水稻吸收As的影响, 开展了叶面施B对水稻幼苗吸收As的影响试验.随着施B浓度的增加, 水稻地上部的B含量从最初的4.2 μg·g-1增至70.4 μg·g-1; 而根部As含量和As根吸收效率在As(Ⅴ)处理下分别降低了20.9%和18.0%, 在As(Ⅲ)处理下分别降低了12.6%和13.8%(P < 0.05)(表 1).但在两种价态As处理下, 叶面施B均未显著降低水稻地上部中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的含量和总As含量(P < 0.05)[图 3(a)和表 1]. As(Ⅲ)处理下的根部As(Ⅴ)含量和两种价态As处理下的根部As(Ⅲ)含量均未随施B量的增加而显著变化, 而叶面施B导致As(Ⅴ)处理下水稻根部As(Ⅴ)含量降低了29.8%(P < 0.05)[图 3(b)].
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B0、B9和B36分别表示叶面喷施H3BO3溶液浓度为0、9和36 μmol·L-1; 柱上方同一测定指标有不同的大写或小写字母者表示差异显著(P < 0.05) 图 3 叶面施B对水稻幼苗地上部和根部As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量的影响(平均值±标准误, n=4) Fig. 3 Effects of foliar B supply on As(Ⅲ) and As(Ⅴ) concentrations in shoots and roots of rice seedlings (means±SE, n=4) |
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表 1 As(Ⅲ)或As(Ⅴ)处理条件下, 不同叶面施B水平对水稻幼苗地上部和根部中的总As含量和B含量、As根吸收效率和As转运系数的影响 Table 1 Total As and B concentrations in the shoots and roots, uptake efficiency and transfer coefficient of As in rice seedlings grown in culture solutions with As(Ⅲ) or As(Ⅴ) under foliar sprays of different B concentrations |
As(Ⅴ)处理下, 根部B含量随叶面施B水平的增加而最高降低47.1%(P < 0.05), As(Ⅲ)处理下根部B含量则无显著性变化, 表现为不同价态As处理和叶面施B水平在对根部B含量的影响上存在显著交互作用(表 1). As(Ⅴ)处理下的平均根部B含量比As(Ⅲ)处理高85.3%(P < 0.05). As(Ⅲ)处理中水稻地上部和根部的总As含量、As转移系数和根吸收效率均高于As(Ⅴ)处理(表 1), 与试验一结果类似.
进一步分析表明, 在As(Ⅴ)处理条件下, 随叶面施B水平的增加, 根部B含量与根部总As含量和根部As(Ⅴ)含量均呈显著正相关(图 4), 而与根部As(Ⅲ)无相关性.这表明在As(Ⅴ)处理条件下, 随叶面施B浓度增加, 根部中B含量与As(Ⅴ)含量的变化趋势相同.
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图 4 不同叶面施B水平及As(Ⅴ)处理条件下, 水稻幼苗根部B含量与根部总As含量和根部As(Ⅴ)含量之间的相关关系 Fig. 4 Relationship between root B concentration of rice seedlings grown in culture solutions with 10 μmol·L-1 As(Ⅴ) under foliar sprays of different B concentrations, and total As and As(Ⅴ) concentrations in roots |
经过As(Ⅴ)或As(Ⅲ)预处理的水稻幼苗在转移至不含As与B的营养液中后便开始外泌As.经过As(Ⅲ)预处理幼苗的每日As外泌量大于As(Ⅴ)预处理的幼苗, 外泌量峰值出现于移苗后的第1 d, 每盆幼苗的As外泌量分别为3.8~4.1 μg和2.4~2.6 μg, 随后两种价态As预处理水稻幼苗的As外泌量均逐日下降.经过As(Ⅲ)预处理的水稻幼苗的外泌As总量比As(Ⅴ)预处理幼苗高105.2%(P < 0.05). As(Ⅲ)预处理的水稻幼苗在叶面喷施B浓度最高(36 μmol·L-1)时外泌As量最大, 比其他两个施B处理高14.0%~16.9%, 但不显著; 叶面不同施B处理对As(Ⅴ)预处理水稻幼苗的As外泌量没有显著影响(P>0.05)(图 5).
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B0、B9和B36分别表示叶面喷施H3BO3溶液浓度为0、9和36 μmol·L-1 图 5 叶面施B处理下水稻幼苗根系每日总As外泌量 Fig. 5 Daily amount of As excreted into culture solutions by rice seedlings under different concentrations of B foliar supply |
为进一步确定由水稻幼苗根部外泌的As是来自于地上部还是只是根部, 是否存在As从地上部向根部的韧皮部转运, 对泌As前后水稻地上部和根部的As含量进行测定.不论叶面施B与否, As(Ⅲ)预处理的水稻地上部和根部的总As累积量均显著高于As(Ⅴ)预处理(P < 0.05)(图 6). As外泌7 d后, 经过As(Ⅲ)和As(Ⅴ)两种预处理的水稻地上部As总量均未有显著变化, 但根部As总量均显著减少(P < 0.05), 分别降低45.9%~64.3%和59.2%~70.7%, 这表明7 d内有高达70.7%的As可以从水稻根部外泌到生长介质中.上述结果表明, 水稻根部外泌的As直接来自于根系而非地上部, 即As没有通过韧皮部从地上部向根部运输.不论经过As(Ⅴ)或As(Ⅲ)预处理, 不同叶面施B处理之间水稻地上部和根部的As总量均没有显著差异, 从另一方面说明叶面施B对水稻根部As外泌量没有显著影响.
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B0、B9和B36分别表示叶面喷施H3BO3溶液浓度为0、9和36 μmol·L-1; 柱上方同一测定指标有不同的大写或小写字母者表示差异显著(P < 0.05);水稻幼苗在含有10 μmol·L-1As(Ⅲ)或As(Ⅴ)的营养液中预培养1周后开始叶面施B 图 6 叶面施B处理条件下水稻幼苗外泌As前后水稻幼苗地上部和根部的总As累积量 Fig. 6 Amounts of As in shoots and roots of rice seedlings before and after As extrusion under different concentrations of B foliar supply |
此外, 3组水培试验中, 不同处理之间水稻幼苗地上部和根系的生物量均未表现出显著性差异(数据未列出), 说明B和As处理均未对水稻幼苗产生毒害作用.
3 讨论在未培养水稻幼苗的营养液中, As(Ⅲ)或As(Ⅴ)在1周后未发生明显的氧化或还原, 说明存留在营养液中的微生物或自然化学反应对As的氧化还原转化几乎不起作用, As(Ⅲ)和As(Ⅴ)在营养液中均很稳定, 这与Xu等[16]的研究结果相同.
有研究表明, 由于甘油和硅酸与As(OH)3的存在形态和分子结构相似, 可以通过共用相同的运输通道来影响水稻对As(Ⅲ)的吸收[11, 32].在本研究中, 虽然B(OH)3与As(OH)3同样结构相近, 但当营养液中B浓度是As浓度的4倍时仍未显著降低水稻对As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的吸收(图 1).这可能是由于负责B(OH)3转运的水通道蛋白上的ar/R选择性过滤器对B的识别调节相对于As(Ⅲ)更加严格——水通道蛋白上的ar/R选择性过滤器以及其他结构域负责识别区分不同的底物, 如B(OH)3和As(OH)3.植物体中许多水通道蛋白对As(Ⅲ)都具有透性, 并且As(Ⅲ)的转运似乎不受ar/R选择性过滤器控制[11, 17].例如替换掉B转运通道蛋白(AtNIP5;1)ar/R选择性过滤器上第5螺旋的氨基酸, 则会导致B的转运活性大大降低, 但并不影响As(Ⅲ)的转运活性[33].这与Si的转运类似, 许多NIP蛋白可以透过As(Ⅲ), 而只有一小部分NIP蛋白允许Si通过[11, 14, 34].因此, 尽管一些水通道蛋白(如OsNIP3;1、OsPIP2;4和OsPIP2;7)对As(Ⅲ)和B都具有选择透过性, As(Ⅲ)还能够通过除B通道蛋白之外的其他途径进入水稻根系[20, 22, 23], 有可能通过转运B的水通道蛋白进入水稻根系的As(Ⅲ)只占被吸收As(Ⅲ)总量的极小部分.而作为与磷酸盐的存在形态和结构相似的As(Ⅴ)则是通过磷转运蛋白进入植物细胞[18, 35, 36], 所以本研究中在营养液中供B没有显著影响水稻吸收As(Ⅴ)(图 1和图 2).
不论是根系供B或叶面施B试验, 在相同浓度的As(Ⅴ)或As(Ⅲ)处理下, 水稻地上部的As(Ⅲ)含量均显著高于As(Ⅴ)含量[图 1(a)和图 3(a)]. Wu等[37]也得到了类似的结果: As(Ⅴ)处理24 h后, 水稻幼苗地上部中87%以上的As为As(Ⅲ).这主要归因于根部As的还原:当As(Ⅴ)通过P通道进入水稻根细胞后可以被还原为As(Ⅲ), 被还原的As(Ⅲ)除一部分被泌出根外或者与巯基络合并储存到液泡中外, 另一部分由Lsi2转运进入木质部, 进而运输累积到水稻地上部[11, 17].所以, 在相同的As(Ⅴ)或As(Ⅲ)浓度处理下, 水稻地上部会更多地累积As(Ⅲ).
随着叶面施B浓度的增加, 水稻根部As含量和As根吸收效率均分别显著降低, 但均未显著降低水稻地上部中As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的含量和总As含量[图 3(a)和表 1].这可能是由于叶面施B增加了水稻地上部的B含量, 使得位于根部的B转运通道(如OsPIP2;4或OsPIP2;7)的表达量上调, 进行了B的外排过程, 部分As共享了B的外排通道, 一定程度上增加了根中As的外排(图 5), 膜内在蛋白OsPIP2;4和OsPIP2;7在高B条件下参与B的外排过程[23]; 也有可能水稻地上部B含量的增加使参与根部B吸收的通道或蛋白(如OsNIP3;1、OsBOR1)停止表达的同时闭合了其他水通道蛋白, 从而阻止了部分As(Ⅲ)进入根系, 降低了根部As含量.以上解释只是推测, 仍需要进行大量的试验进行验证和深入研究.而叶面施B增加了水稻地上部B含量, 从而减弱或停止参与B木质部转运的蛋白或通道的表达[38, 39], 但未显著降低水稻地上部的As含量, 说明参与B木质部转运的蛋白或通道没有参与As从根向地上部的转运. Ma等[11]的研究表明, 水稻根部和地上部As含量是由不同的转运蛋白分别调控的, As(Ⅲ)转入根细胞主要由Lsi1调控, 而将As(Ⅲ)从根细胞转出到木质部主要由Lsi2负责, Lsi2对调控水稻地上部As含量更加关键.叶面施B导致水稻根部B和As(Ⅴ)含量同步降低以及As(Ⅴ)处理下根部的B含量与As(Ⅴ)含量呈显著正相关[表 1、图 3(b)和图 4(b)]均表明, As(Ⅴ)和B在水稻根部的转运可能存在相同的调控机制.本研究中, As(Ⅲ)处理水稻地上部和根部的总As含量、As转移系数和根吸收效率均高于As(Ⅴ)处理(图 2和表 1), 这与其他学者的研究结果相一致, 也是导致在淹水条件下种植的水稻比其他作物更容易吸收累积As的原因[18, 29, 32].
有研究表明, 叶面施B可以降低植物根系中的B含量[40, 41].但在本研究中, 只有在As(Ⅴ)处理下, 水稻根部B含量随着叶面施B浓度的增加而显著降低, 而在As(Ⅲ)处理下, 水稻根部B含量没有显著变化, 而且不论叶面施B水平如何, As(Ⅴ)处理下的水稻根部B含量均高于As(Ⅲ)处理(表 1).此结果较难解释, 因为As在水稻体内的转运过程较为复杂, 需要有多种转运蛋白参与, 且涉及到As的络合与液泡的隔离解毒、木质部和韧皮部的装运和卸载等许多环节, 其转运机制尚有很多未知之处[18, 42].因此还需要开展很多相关研究工作, 尤其是用分子生物学技术来阐明水稻植株体内B与As之间的吸收与转运关系.
对于As外泌, 尽管水稻植株内的OsPIP2;4和OsPIP2;7等相关水通道蛋白可以调控B和As的双向运输, 并受B含量水平的反调控, 可能参与B和As(Ⅲ)从根系细胞泌排至外部介质的过程[15, 23], 但本研究中叶面施B虽有助于增加水稻幼苗根对As的外泌, 但不显著(图 5和图 6).因此, 水稻外泌As可能不与B共享转运蛋白, 或者水稻根部通过转运B的水通道蛋白外泌的As占外泌As总量的极小部分.本研究中水稻根系高达70.7%的As可在7 d内被泌排至生长介质中(图 6), 与Duan等[43]的研究结果相近.
4 结论(1) 营养液中不同B浓度未显著影响水稻幼苗对As(Ⅴ)和As(Ⅲ)的吸收以及As从根部到地上部的转运.叶面施B使水稻根部的总As含量和As根吸收效率在As(Ⅴ)处理下分别显著降低20.9%和18.0%, 在As(Ⅲ)处理下分别显著降低12.6%和13.8%, 但对地上部总As、As(Ⅲ)和As(Ⅴ)含量的减少作用不显著.
(2) 在As(Ⅴ)处理中, 叶面施B后水稻根部B含量与As(Ⅴ)含量分别显著降低达47.1%和29.8%, 且两者呈显著正相关.
(3) As(Ⅲ)预处理后水稻幼苗的As外泌量显著高于As(Ⅴ)预处理.不论As(Ⅲ)或As(Ⅴ)预处理, 叶面施B对水稻幼苗外泌As量的增加作用不显著.水稻外泌的As直接来自于水稻根系, 不存在As从地上部到根部的韧皮部转运.
(4) B吸收通道不是水稻吸收As的主要途径, 向生长基质中施B很难减少As在水稻体内的累积.
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