2022, Vol. 43
2. 生态环境部华南环境科学研究所, 广州 510530;
3. 广东省农田重金属污染土壤治理与修复工程技术研究中心, 广州 510530
, SUN Meng-qiang2,3 , XIAO Yu-tang1 , WEI Hang2,3 , ZHANG Jian-qiang2,3 , CHEN Zhi-liang2,3
2. South China Institute of Environmental Sciences, Guangzhou 510530, China;
3. Guangdong Engineering Technology Research Center of Heavy Metal Pollution Control and Restoration in Farmland Soil, Guangzhou 510530, China
砷(As)是一种存在于自然环境中的类金属, 毒害植物并积累在植株内, 并通过食物链造成环境和健康风险[1].水稻(Oryza sativa L.)作为数十亿人的主要粮食作物, 在淹水条件下, 水稻比其他作物更容易吸收As [2].水稻主要通过根部吸收As并转移至谷粒, 并在根、茎、叶和谷粒中依次累积[3].有研究表明, 随着土壤As含量的升高, 水稻生长也受到抑制, 在ω(As)高于60 mg ·kg-1土壤中生长的水稻植株出现生长迟缓、褐斑和叶片焦黄等毒害症状[4].由于高As污染土壤会导致水稻As积累增多, 人类食用As积累量过高的大米会引起一系列急性和慢性疾病, 如心血管、神经和生殖系统损伤以及皮肤、膀胱、肺和胃癌等[5~7].因此, 迫切需要寻找有效的方法来降低大米As污染的危害.
目前, 通过田间水分管理、土壤添加药剂和叶面材料喷施等方式能有效降低大米As污染[8~10].如: 在土壤中添加硅类物质, 可有效降低水稻根部三价砷[As(Ⅲ)]的吸收[8, 11~13].Wu等[14]的研究发现干湿交替结合施磷可以保持籽粒中相对较低的As含量, 促进根表铁膜的形成.一般而言, 叶面喷施可有效提高药剂的利用效率, 通过叶面喷施将药剂高效释放到叶片细胞内, 并与金属螯合, 降低As迁移而达到解毒效果.如: Yang等[15]在田间试验中, 发现在开花期叶面喷施2, 3-二巯基琥珀酸(DMSA) 可提高旗叶As含量, 降低水稻籽粒、穗节、穗颈和穗轴中As的含量, 抑制As从旗叶向籽粒迁移.Cui等[16]的研究发现, 叶面喷施纳米二氧化硅可提高果胶质的合成, 增强细胞壁的厚度从而抑制As进入水稻细胞.目前常见叶面喷施药剂在使用过程中存在渗透性不佳、合成成本高和造成环境污染等问题, 需要进一步改良和优化.
壳聚糖是一种天然物质, 具有可生物降解性、高渗透性和可提高作物的抗病性及产量特点, 在有机农业中得到应用[17].相较于壳聚糖, 通过化学降解、酶降解或辐射降解等方式得到的小分子量壳聚糖, 具有更广适用范围[17].有研究表明, 小分子量的壳聚糖能促进植物种子发芽、植物生长及抑制真菌的感染[18].此外, 壳聚糖具有丰富的胺基(—NH2)和羟基(—OH)等官能团, 可携带微量元素形成稳定性、溶解性高的生物聚合物, 并作用于植物气生器官, 通过叶面调控, 促进植物生长和缩短生长周期[19, 20].如, 叶面喷施壳聚糖负载锌纳米材料可提高小麦的锌含量, 促进小麦的生长[21].喷施壳聚糖负载氮磷钾纳米颗粒于砂质土壤上的小麦叶片, 可在提高小麦产量的同时缩短其生长周期[22].目前, 改性壳聚糖纳米材料多用于水稻叶面喷施的抗病性和抗逆性研究, 关于改性壳聚糖用于水稻As吸收的研究尚未见到报道, 因此, 利用叶面喷施改性壳聚糖应用于水稻As污染解毒具有重要的研究意义.
水稻作为典型的富硅植物, 可通过外源补充硅来降低As的负荷, 减少As诱导的氧化应激和对植物生长抑制等影响[23].基于此, 本文通过壳聚糖和有机硅制备壳聚糖负载氧化硅叶面材料(NCSI), 并研究高浓度五价砷[As(Ⅴ)]污染下, 在不同水稻品种灌浆期叶面喷施NCSI材料后, 对水稻各器官的As积累特性及抗氧化防御系统的影响, 进一步探究叶面喷施NCSI降低水稻As累积及解毒可行性.
1 材料与方法 1.1 试验材料供试水稻: 南粳2728(杂交稻, 中熟中粳稻品种)、临稻16(杂交稻, 中晚熟粳稻品种)、郑旱10号(常规稻, 粳型常规旱稻品种)和农垦58(常规稻, 粳型常规水稻); 试验所用主要试剂壳聚糖购置于阿拉丁试剂(上海)有限公司.过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和谷胱甘肽(GSH)试剂盒购买于江苏科铭科技有限公司.本试验中As(Ⅴ)由Na3AsO4提供.
1.2 壳聚糖负载氧化硅的制备称取6 g壳聚糖溶于3% 150 mL乙酸溶液中, 水域45℃加热搅拌溶解, 逐滴缓慢加入100 mL 4% H2 O2溶液, 60℃保温4 h, 取出冷却至室温.调节pH至中性, 静置12 h, 抽滤后滤液中加入450 mL 25%(体积分数)乙醇溶液, 静置1 h, 离心产物冷冻干燥后获得固体备用, 记为材料1.
氧化硅贮备液的制作参考Wang等[24]的方法: 50 mL无水乙醇和5 mL 30%(体积分数)氨水混合并用封口膜密封, 磁力搅拌1 h(40℃, 300 r ·min-1), 将1.05 mL原硅酸四乙酯逐滴加至该混合物中, 并封口膜密封搅拌3 h(40℃, 300 r ·min-1), 向混合物中添加80 mL去离子水, 磁力搅拌1 h(75℃, 300 r ·min-1)以蒸发掉过量的乙醇和氨, 最后用去离子水稀释至200 mL, 记为材料2.
取1 mg的材料1溶于0.5 L的1%乙酸中, 逐滴加入0.05 L材料2, 室温搅拌0.5 h.然后, 逐滴加入0.2 L 1 mg ·mL-1 TPP溶液, 搅拌0.5 h.最后用超纯水稀释至1 L, 获得浓度为1.25mmol ·L-1 (以可溶性硅计)溶液, 记为NCSI.
1.3 试验设计与处理 1.3.1 水稻培育供试水稻作为试验材料, 在温室内进行试验.挑选饱满均一的水稻种子在100 mL 30%过氧化氢(H2 O2)中浸泡15 min后, 用去离子水反复冲洗3次, 均匀播撒于培养皿中并放入28℃培养箱中进行催芽, 待水稻苗长至三叶一心期转移至含有木村B营养液[25]的水培桶中培养, 营养液成分见表 1.培养期间, 每3 d更换一次营养液, 整个水培过程均在温室内完成, 本试验期间温室昼夜温度为[(25/20±5)℃], 相对湿度为60%.
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表 1 木村B营养液成分及浓度 Table 1 Composition and concentration of Kimura B nutrient solution |
1.3.2 试验处理
待4个品种水稻长至灌浆期, 各品种挑选长势一致的水稻, 将其转移至含100 μmol ·L-1 As(Ⅴ)木村B营养液中[相当于土壤中ω(有效态As)为7.5 mg ·kg-1, 根据施强等[26]以湖南省6种典型母质水稻土As剖面的研究, 有效态As占总As的质量分数为0.49% ~15.46%(平均值为3.04%).通过计算, 培养液100 μmol ·L-1 As(Ⅴ), 相当于土壤ω(总As)为48.51~1 530.61 mg ·kg-1 (平均值为246.71 mg ·kg-1)], 每个品种水稻设置2个试验组(一组为对照组, 一组为叶面喷施处理组), 每个处理设置3个平行, 每个平行3颗水稻.处理组水稻叶面喷施上述方法制备好的NCSI溶液30 mL(每亩地按种植密度株距10 cm约15 000株计算, 需要喷施约150 L材料), 对照组叶面喷施等量的去离子水.在喷施材料后3 d、14 d收取水稻样品.在喷施材料后3 d, 对照组记为3 d空白, 叶面喷施组为3 d处理; 喷施材料后14 d, 对照组记为14 d空白, 叶面喷施组为14 d处理.
1.3.3 分析方法(1) As含量的测定 将收集到的水稻样品用去离子水反复冲洗, 并用吸水纸吸干水稻样品表面水分.水稻根系样品置于冰浴的漂洗液中(1mmol ·L-1 K2PO4, 0.5 mmol ·L-1 Ca(NO3)2, 5 mmol ·L-1 MES, pH 6.0)浸泡15 min, 用于去除附着在根系表面的As.然后将水稻的根、茎、叶和籽粒分开并放入牛皮纸信封中, 在80℃下烘干至恒重, 称取地上部样品0.200 0 g(根系样品0.100 0 g), 放置于聚乙烯消解管中, 加入5 mL优级纯浓硝酸, 盖上盖子静置过夜, 次日将管子放入石墨炉消解仪(广州格丹纳仪器有限公司, D4), 80℃ 1 h, 然后将温度提高到130℃, 直至消解完全[25].分析过程以大米粉成分分析标准物质GBW(E)100353和加标回收试验进行质量控制, 总As回收率为95.8% ~104.7%.消解完成并过滤后用电感耦合等离子体质谱仪(Agilent, ICP-MS 7800) 测定水稻样品中As含量.
(2) 水稻各部分As转移系数 水稻叶片到籽粒的转移系数(TF叶-籽粒), 茎部到籽粒的转移系数(TF茎-籽粒), 茎部到叶子的转移系数(TF茎-叶)以及根到茎部(TF根-茎)的转移系数根据以下公式计算[8]:
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(1) |
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(3) |
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式中, CGrain、CLeaf、CSteam和CRoot分别为水稻籽粒、叶子、茎和根As含量(mg ·kg-1).
(3) 抗氧化系统指标分析 将收集到的新鲜水稻样品, 先用超纯水反复冲洗水稻叶片表面, 然后用吸水纸把水稻表面水分吸干, 采用酶试剂盒(购于苏州科铭生物技术有限公司)和紫外分光光度计(上海美谱达仪器有限公司, UV-1800)测定叶片中GSH的含量以及CAT和SOD活性.
1.4 数据分析使用Excel 2017进行试验数据计算、SPSS 21.0进行方差分析和相关性分析, 采用Duncan进行多重比较法, 显著水平设为0.05, Origin pro对所有试验数据进行作图.
2 结果与分析 2.1 叶面喷施对水稻籽粒As吸收的影响图 1为叶面喷施NCSI对水稻灌浆期籽粒As积累的影响.从中可知, 叶面喷施NCSI后3 d, 水稻籽粒中As的含量有明显降低, 其中, 南粳2728、郑旱10和农垦58籽粒的As含量较空白组分别降低14.44%、21.66%和10.85%.喷施处理后14 d, 临稻16、郑旱10和农垦58籽粒As含量较空白组分别降低8.63%、7.35%和5.54%.不同的是, 南粳2728籽粒As含量较空白组未有明显变化.说明, 叶面喷施NCSI可以有效降低水稻籽粒中As含量的累积, 且在不同的水稻品种中存在一定差异.
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不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05), 下同 图 1 叶面喷施对水稻籽粒砷吸收的影响 Fig. 1 Effects of foliar NCSI spraying on arsenic concentrations in rice grains |
在本研究选用的4个水稻品种, 籽粒As积累量由多至少依序为: 南粳2728>临稻16>郑旱10号>农垦58.一般而言, As在籽粒中积累量排序为稻壳>麸皮>糙米>生米>精米>熟米[27].在叶面喷施NCSI后3 d, 水稻处于灌浆前期, 胚的各器官还尚未完成, 稻壳和麸皮占籽粒的比重大, 而随着培养时间增长, 胚的各器官大体发育完成, 稻壳、麸皮在籽粒中的占比逐渐减小, 因而14 d空白组及处理组的籽粒As含量均低于3 d.喷施NCSI 3 d后, 南粳2728、郑旱10号和农垦58, 处理组的籽粒As含量均显著低于空白组, 临稻16的处理组籽粒As含量略高于空白组, 而4 d后, 临稻16处理组籽粒As含量低于空白组, 说明NCSI降低籽粒As积累量的效率可能与水稻品种有关.随着培养时间增长, 郑旱10号和农垦58叶面处理组籽粒As含量比空白组低, 但不显著, 而南粳2728处理组籽粒As含量略高于空白组, 这可能与叶面喷施NCSI的次数及浓度相关, 还需进一步探究.总体而言, 叶面喷施NCSI可降低灌浆期籽粒As积累.
2.2 叶面喷施对水稻叶片As吸收的影响图 2表示叶面喷施NCSI对水稻灌浆期水稻叶片As积累的影响.从中可知, 随着时间的增加, 无论是空白组还是处理组, 叶面中As积累量均有较明显增加.不同的是, 喷施处理之后水稻叶片中As含量高于空白组, 当叶面喷施处理后3 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻叶片中As含量较空白组分别升高了30.83%、15.29%、18.41%和28.57%.喷施处理后14 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻叶片中As含量较空白组分别升高了1.17%、9.20%、13.21%和11.01%.这说明叶面喷施处理NCSI在较短时间内能促进As的叶面累积, 随着培养时间增加到14 d, 叶面喷施处理水稻叶片As的累积能力减弱.综上, 叶片喷施NCSI后, 可促进As在水稻叶面的积累.
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图 2 叶面喷施对水稻叶片砷吸收的影响 Fig. 2 Effects of foliar NCSI spraying on arsenic concentrations in leaves |
图 3表示叶面喷施NCSI对灌浆期水稻茎部As积累的影响.从中可知, 当叶面喷施处理后3 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻茎部As含量较空白组分别升高了65.91%、81.35%、34.36%和30.14%.随着培养时间增加到14 d, 临稻16和南粳2728水稻茎部As含量较空白组分别降低了2.29%和7.27%, 相反的是, 郑旱10号和农垦58水稻茎部As含量较空白组分别升高了106.15%和75.98%.这说明叶面喷施相同剂量的NCSI在短时间内能促进水稻As的累积.但随着时间增加, 叶面喷施NCSI杂交稻品种水稻茎中As积累量降低, 常规稻品种水稻茎中As积累量升高.这可能是由于常规稻和杂交稻经NCSI处理, 常规稻向茎部迁移的As含量较高, 多于杂交稻, 相似结果也在Liu等[28]研究中得到验证.
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图 3 叶面喷施对水稻茎部砷吸收的影响 Fig. 3 Effects of foliar NCSI spraying on arsenic concentrations in stems |
图 4表示叶面喷施NCSI对水稻灌浆期水稻根As积累的影响.从中可知, 叶面喷施NCSI处理后, 水稻根部As积累量降低.叶面喷施处理后3 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻根部As含量较空白组分别降低了1.12%、7.27%、18.18%和22.79%. 随着培养时间的增加, 无论是空白组还是叶面处理组, 水稻根部As积累量均有较明显升高, 且叶面喷施NCSI处理不同水稻品种根部As含量低于空白组, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻茎部As含量较空白组分别降低了31.75%、14.86%、4.24%和0.43%.综上, 叶面喷施NCSI后可降低水稻根部对As吸收.
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图 4 叶面喷施对水稻根部砷吸收的影响 Fig. 4 Effects of foliar NCSI spraying on arsenic concentrations in roots |
由图 4可知, 4个水稻品种根部As含量, 3 d和14 d时, 叶面处理组均低于空白组, 不同点在于, 14 d杂交稻叶面处理组根部As含量显著低于空白组, 而常规稻叶面处理组根部As含量较空白组虽下降, 但下降量不显著.这可能导致常规稻根部可往上迁移的As含量比杂交稻多, 因而出现叶面喷施NCSI杂交稻品种水稻茎中As积累量降低, 常规稻品种水稻茎中As积累量升高这一现象.
2.5 叶面喷施对水稻As转运系数的影响图 5表示叶面喷施对水稻根、茎、叶和籽粒之间As转运系数的影响.图 5(a)显示, 随着培养时间增加到14 d, 叶面喷施NCSI不同水稻叶片As向籽粒的迁移系数较空白组低, 这进一步说明叶面喷施NCSI能有效降低As从叶片向籽粒的迁移, 并在叶片中累积.图 5(b)显示叶面喷施NCSI后3 d, 4个品种水稻茎部As向籽粒迁移系数均显著下降, 随着培养时间增加到14 d, 南粳2728叶面喷施NCSI组茎部As向籽粒迁移系数略高于空白组, 其余3个品种水稻叶面处理组均低于空白组, 说明叶面喷施NCSI可有效降低水稻茎部As向籽粒迁移.图 5(c)显示, 叶面喷施后3 d, 叶面喷施NCSI能有效降低As从茎部向叶片的迁移, 然而在喷施NCSI 14 d之后, 不同水稻品种茎部As向叶片的迁移表现出差异性, 其中, 南粳2728和临稻16两个水稻品种的茎部As向叶的迁移系数较空白组高, 而郑旱10号和农垦58两个水稻品种的茎部As向叶的迁移系数较空白组低.由图 5(d)可知, 叶面喷施NCSI促进水稻根部As向茎的迁移.综上, 叶面喷施NCSI可有效降低As往籽粒迁移.
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图 5 叶面喷施对水稻根、茎、叶和籽粒之间转运系数的影响 Fig. 5 Effects of foliar NCSI spraying on transfer coefficient between roots, stems, leaves and rice grains |
图 6表示叶面喷施NCSI对水稻叶片抗氧化防御系统的影响.由图 6(a)可知, 叶面喷施处理后3 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻叶片SOD酶活性较空白组分别升高了25.79%、4.01%、26.16%和5.73%.叶面喷施处理后14 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻叶片SOD酶活性较空白组分别升高了24.83%、3.03%、20.99%和54.08%.同时, 由图 6(b)可知, 叶面喷施处理后3 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻叶片CAT酶活性较空白组分别升高了27.26%、8.23%、91.17%和14.11%.叶面喷施处理后14 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻叶片CAT酶活性较空白组分别升高了121.23%、12.01%、2.33%和12.69%.
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图 6 叶面喷施对水稻叶面抗氧化系统的影响 Fig. 6 Effects of foliar NCSI spraying on the change in antioxidant system of rice leaves |
由图 6(c)可知, 叶面喷施处理后3 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻叶片GSH含量较空白组分别升高了21.03%、40.83%、3.65%和49.22%.叶面喷施处理后14 d, 临稻16、南粳2728、郑旱10和农垦58水稻叶片GSH含量较空白组分别升高了3.16%、40.62%、0.65%和4.36%.综上, 相较于空白组, 叶面喷施NCSI可提高SOD、CAT酶活性和GSH质量摩尔浓度, 即可提高受As(Ⅴ)胁迫水稻叶片酶活性, 提高抗氧化防御能力从而减轻氧化应激, 缓解As(Ⅴ)毒性.
2.7 相关性分析图 7表示叶面喷施处理后的14 d, 4个品种水稻SOD酶活性、CAT酶活性、GSH、ω(籽粒As)、ω(叶片As)、ω(茎部As)、ω(根部As)、TFleaf- grain、TFstem- grain、TFstem- leaf和TFroot-steam之间的相关性.从中可知, 4个品种水稻叶片SOD酶活性与CAT酶活性均表现为显著正相关.这说明NCSI喷施可增强SOD酶与CAT酶在植物抗氧化酶促防御系统中协同作用, SOD酶通过清除植物体内ROS并生成毒性较低的H2 O2, CAT酶则进一步将H2 O2分解[29]; 在植物细胞中, GSH可通过还原As(Ⅴ)为As(Ⅲ)并将其螯合在液泡中, 从而降低As对植物的胁迫, GSH质量摩尔浓度的高低可一定程度上反映出细胞解毒作用[30, 31].临稻16、南粳2728和农垦58叶片中GSH质量摩尔浓度与叶子As含量在0.01水平上显著正相关, 这说明NCSI可提高叶片细胞中GSH质量摩尔浓度和As累积量.然而, 郑旱10号在0.05水平上显著负相关, 这可能与植物品种有关.相似的, 临稻16、南粳2728和农垦58这3个品种水稻GSH质量摩尔浓度与茎部As含量呈正相关, 与TFstem- leaf和TFleaf- grain呈负相关, 其中农垦58和临稻16在0.01水平上显著相关, 然而郑旱10呈负相关, 这可能与上述郑旱10号GSH与叶片As含量弱相关的原因一致, 叶面喷施NCSI可能存在其他机制降低郑旱10籽粒As含量.综上, 通过4个品种水稻各指标间相关性分析可推测: 叶面喷施NCSI促进叶片GSH增加, 使更多的As固定在叶片中, 减少As向谷物的转运.
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1.SOD酶活性, 2.CAT酶活性, 3. GSH, 4. ω(籽粒As), 5. ω(叶片As), 6. ω(茎部As), 7. ω(根部As), 8.TFleaf-grain, 9.TFstem-grain, 10.TFstem-leaf, 11.TFroot-steam; *和**分别表示在0.05和0.01水平上显著相关; 样本数n=12 图 7 不同试验检测指标相关性分析的热图 Fig. 7 Heatmap of the correlations among different experimental factors |
As是植物正常生长发育非必需营养元素, As可诱导植物氧化应激反应, 产生过量活性氧(ROS)并使ROS清除失衡, 从而降低光合作用, 导致气孔关闭, 改变多种酶的活性, 最终导致细胞损伤和死亡[32].植物通过增加抗氧化酶的产生来应对氧化应激[33].酶促防御系统中的SOD和CAT等几种酶可降低O2－ ·和H2 O2等物质对细胞膜脂的伤害[29].在本研究中, 4种水稻叶面喷施NCSI后, 叶片中CAT和SOD活性升高.产生这一现象的原因可能有两个.其一, 叶面喷施NCSI本身会导致抗氧化酶活性增加.壳聚糖诱导植物H2 O2积累, 激活植物免疫系统, 导致ROS增加[34]. Singh等[35]的研究发现, 壳聚糖可通过上调葡萄活性氧通道基因表达, 提高抗氧化能力.Geng等[36]的研究发现, 硅通过增强抗氧化剂防御能力改善受有机砷酸(ASA)胁迫的水稻幼苗的生长情况并减轻其氧化应激.其二, As含量的变化也进一步诱导叶片酶促防护系统的表达[36].在本研究中, 叶面喷施NCSI, 叶子As含量升高, 籽粒As含量降低, 这说明NCSI可抑制As从叶子向籽粒迁移, As积累在叶片上, 刺激活性氧, 导致抗氧化酶增加.综上, 叶面喷施NCSI能诱导抗氧化物酶活性的提高来增强水稻的抗氧化能力, 以清除ROS自由基, 从而提高水稻对As耐受性, 缓解As毒害.
水稻受重金属胁迫时, 有两类抗氧化防御系统, 一类为酶促防御系统, 包括上述的SOD和CAT以及其他抗氧化酶, 另一类为非酶促防御系统[32].GSH作为非酶促防御系统中一种重要的抗氧化剂, 在氧化还原信号传导和植物生长发育中发挥重要作用[37].在植物抗氧化胁迫过程中, GSH可通过改变膜蛋白巯基和二硫键化合物的含量对植物起保护作用[31].本试验中, 通过叶面喷施NCSI后, 4种水稻品种叶片处理组GSH含量较空白组有明显升高, 表明NCSI大大提高了GSH清除ROS的能力, 参与了水稻活性氧代谢, 从而减弱了As对水稻的伤害.
As(Ⅴ)通过磷酸盐通道进入水稻[38].As(Ⅴ)进入水稻根部后, 一部分通过磷酸盐协助蛋白进入木质部和韧皮部向上迁移, 一部分会被还原为As(Ⅲ)[39].被还原的As(Ⅲ)部分通过Lsi1(硅酸内流转运蛋白)外排至营养液中, 部分被隔离在液泡, 部分通过Lsi2(硅酸外排转运蛋白)等协助蛋白通过木质和韧皮运输向上迁移.在本研究中, 叶面喷施NCSI的4个品种水稻根部As含量均低于空白组.这一现象的原因可能有两个.其一, 壳聚糖提高水稻生长, 促进根部对营养液中的生长必需元素的吸收, 如磷(P).As(Ⅴ)和P同时竞争磷酸盐协助蛋白, 降低根部吸收As(Ⅴ).其二, 外源添加Si降低水稻根部吸收As(Ⅴ)和As(Ⅲ).添加Si促进水稻生长, 促进水稻对营养液中P吸收, 同时, 可能减弱As(Ⅲ)吸收转运蛋白Lsi1的表达, 降低根部对As吸收[40].
As进入水稻根部后通过韧皮部和木质部向上迁移, 到达茎叶主要通过木质部运输[41].叶面喷施NCSI, 水稻茎叶As含量上升.产生这一现象可能主要有3个方面原因.其一, 叶面喷施NCSI可提高茎叶对As耐受性.As胁迫破坏细胞膜的完整性, 影响水稻呼吸作用及叶面光合作用, 危害水稻生长[42]. 外源添加壳聚糖和硅可促进水稻幼苗生长.有研究通过共表达网络分析(co-expression network analysis)发现[43], 施用40 mg ·L-1 80%脱乙酰度的壳聚糖可通过细胞核和叶绿体之间的基因表达网络促进水稻幼苗生长.有研究通过外源添加Si发现[44], Si可通过调控受As胁迫水稻的基因表达, 提高水稻的光合作用, 提高水稻对As的耐受性.研究发现[45], 受As胁迫下, 在水稻生殖生长阶段外源添加Si, 可有效提高水稻光合作用.其二, 叶面喷施NCSI可调控协助As吸收转运蛋白的表达.通过叶面喷施NCSI, 根部As含量下降, 茎叶As含量较空白组上升, 这说明叶面喷施NCSI可抑制根部对As吸收, 但促进了根部向茎叶迁移.在本试验中, 由图 5可知, 处理组的根部向茎部的迁移系数较空白组大.这可能是因为NCSI进入木质部后, 往下迁移的过程中, 促进Lsi2表达, 使根部的As往上迁移[40, 46].其三, 叶面喷施NCSI促进了叶和茎部的GSH和植物螯合素(PCs)含量, 从而使As固定在茎叶中.通过相关性分析, 4种水稻品种中, 除郑旱10外, 其余3个品种水稻叶片As含量与GSH呈正相关.叶面喷施NCSI提高GSH含量, 并间接促进了被水稻吸收的As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ).一方面, GSH直接与As(Ⅲ)螯合, 使As固定在叶片中[47]; 另一方面促进植物螯合素的增加[47], 植物螯合素与As(Ⅲ) 螯合[48], 从而使As固定在水稻叶片中, 降低As向水稻籽粒的迁移.
PCs是影响水稻秸秆As往籽粒迁移的因素之一.水稻对As(Ⅴ)解毒机制之一是通过酶促或非酶促反应将As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ), As(Ⅲ)与GSH和PCs螯合在细胞液泡中, 从而降低As往上迁移.水稻砷酸还原酶可将As(Ⅴ)迅速还原为As(Ⅲ)[39].Duan等[49]的研究发现, 茎秆PCs含量与籽粒As积累呈负相关, 并指出通过提高促使PCs合成酶的表达是有效降低水稻As含量的有效方法之一.在非酶促反应中, GSH可作为还原剂被氧化为谷胱甘肽二硫化物(GSSG), 将As(Ⅴ)还原为As(Ⅲ)[30].同时, GSH在As的生物转化中发挥作用, 是植物细胞中非蛋白硫醇的主要来源之一, 以及合成金属螯合配体PCs所需的底物[36]. Liu等[31]的研究发现, 拟南芥谷胱甘肽(GSH)缺失突变体cad2-1对As(Ⅴ)的敏感性约为野生型的20倍, As与GSH复合产生As(Ⅲ)-(GS)3及As与PCs复合产生的As(Ⅲ)- PCs含量降低.在本研究中, 通过相关性分析, 水稻叶片中GSH含量与TFleaf- grain和TFstem- grain呈负相关.这可能是因为NCSI进入叶面后, 往上迁移时促进韧皮部中GSH和PCs增加.Ye等[50]发现, 提高胁迫水稻As(Ⅴ)浓度, 水稻韧皮部分泌物中检测到高浓度的PCs.As由茎叶向籽粒迁移通过木质部和韧皮部运输, 其中韧皮部占主导[27].叶面喷施NCSI可能在韧皮部中促进PCs合成, 直接抑制籽粒As积累.
4 结论(1) 在高浓度As(Ⅴ)水培环境下, 通过叶面喷施NCSI处理灌浆期临稻16、南粳2728、郑旱10号和农垦58, 可降低籽粒和根部的As含量, 促进水稻叶片As累积.
(2) 叶面喷施NCSI虽然促进了As从根部向茎部迁移, 但显著抑制As从茎部、叶片向籽粒的迁移.
(3) 叶面喷施处理NCSI后, 导致水稻抗氧化应激, 提高了水稻叶片CAT和SOD的活性, 以及增加了GSH质量摩尔浓度.
(4) 叶面喷施处理NCSI促进了GSH质量摩尔浓度以及叶片As含量增加, 根据相关性分析, GSH质量摩尔浓度与叶片As含量显著相关, 可推断叶面喷施处理NCSI促进了As在水稻叶片的螯合, 从而抑制了As从叶片向籽粒的迁移.
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