丁 艷, 邢 媛, 任蒙蓮

(1.蚌埠學(xué)院, 土木與水利工程學(xué)院, 安徽 蚌埠 233000；2.揚(yáng)州大學(xué), 生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009)

磷(P)是植物生長(zhǎng)所必需的大量元素之一，是植物生長(zhǎng)和代謝必需的重要礦質(zhì)元素。磷參與核酸的合成，糖酵解，氧化還原反應(yīng)、能量轉(zhuǎn)移、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等代謝過(guò)程，其在植物的光合和呼吸等代謝過(guò)程中有著重要作用。因此，有些植物在磷供應(yīng)不足或缺磷時(shí)，其生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)受到影響。同時(shí)，植物也會(huì)對(duì)磷脅迫表現(xiàn)出適應(yīng)性反應(yīng)，如植株矮小，根系形態(tài)和構(gòu)型發(fā)生變化，等等。

水稻長(zhǎng)期生長(zhǎng)在淹水條件下，根系處于還原性較強(qiáng)的土壤環(huán)境。為了更好地適應(yīng)淹水環(huán)境，水稻地上部和根系的通氣組織大量形成，能將空氣中的氧氣通過(guò)通氣組織運(yùn)輸?shù)礁?，在滿足根系對(duì)氧氣需要的同時(shí)，能將淹水環(huán)境中還原性物質(zhì)如Fe等氧化形成鐵膜。也有研究表明，在土培條件下，當(dāng)土壤中磷含量較低時(shí)水稻根系表面可以形成紅棕色的根表鐵膜。在水培條件下，磷饑餓導(dǎo)致水稻根表產(chǎn)生鐵氧化物膜。因此，鐵膜的形成被認(rèn)為是水稻適應(yīng)逆境環(huán)境的重要機(jī)制。有研究報(bào)道，鐵膜影響植物對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。然而，關(guān)于鐵膜對(duì)植物吸收重金屬的影響的報(bào)道結(jié)論并不一致。本研究在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，以不同基因型水稻為研究對(duì)象，采用水培的方式對(duì)水稻幼苗進(jìn)行正常供磷(CK)和低磷(LP)處理15 d后，通過(guò)測(cè)定根表鐵含量(以DCB-Fe計(jì))，分析不同基因型水稻根系鐵膜的差異性，闡述根表鐵膜形成的可能機(jī)理；運(yùn)用微波消解技術(shù)測(cè)定水稻體內(nèi)Fe、Cu等元素的含量，進(jìn)一步闡述根表鐵膜對(duì)幼苗吸收養(yǎng)分的影響。旨在為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水稻生長(zhǎng)過(guò)程中肥料的合理施用提供參考。

1 材料與方法

1.1 培養(yǎng)與處理

1.1.1 供試材料 選用鄭旱6(ZH6)，耐低磷基因型；通粳981(TJ981)，磷敏感基因型；鎮(zhèn)稻99(ZD99)，根系擴(kuò)展型3種不同基因型水稻品種為實(shí)驗(yàn)材料，供試水稻種子由江蘇潤(rùn)揚(yáng)種業(yè)股份有限公司提供。

1.1.2 幼苗的培養(yǎng)與處理 選用籽粒飽滿、均勻的水稻種子放入培養(yǎng)皿(17 cm)中，用水沖洗3～5次，再用20% HO溶液消毒20 min，去離子水反復(fù)沖洗后，置于人工氣候箱中浸種、催芽(條件：黑暗24 h，溫度27 ℃)。待種子露白后，挑選發(fā)芽勢(shì)一致的種子放入96孔板(已預(yù)處理)置于塑料容器內(nèi)，采用國(guó)際水稻研究所完全培養(yǎng)液(包括：5.0 mmol/L NHNO，2.0 mmol/L KSO，4.0 mmol/L CaCl，1.5 mmol/L MgSO·7HO，1.3 mmol/L KHPO，50.0 μmol/L Fe(Ⅱ)-EDTA，10.0 μmol/L HBO，1.0 μmol/L ZnSO·7HO，1.0 μmol/L CuSO·5HO，5.0 μmol/L MnSO·HO，0.5 μmol/L NaMoO·2HO，0.2 μmol/L CoSO·7HO。用0.1 mol/L NaOH或HCl將pH調(diào)至5.4)培養(yǎng)。當(dāng)幼苗長(zhǎng)出3片時(shí)進(jìn)行分組處理，即對(duì)照組(CK)和低磷(LP)處理組。

選擇長(zhǎng)勢(shì)健壯一致的幼苗進(jìn)行分組處理，每15株幼苗為一組，每組設(shè)置5個(gè)生物學(xué)重復(fù)。對(duì)照組以全營(yíng)養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)，低磷處理組以1/25(+P)營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，其他營(yíng)養(yǎng)成分不變，置于人工氣候箱中進(jìn)行生長(zhǎng)。生長(zhǎng)條件：光/暗為14 h/10 h，溫度32 ℃/27 ℃，相對(duì)濕度60%～70%，光照為60 lx/0。每天更換1次培養(yǎng)液，連續(xù)處理15 d后，取樣，待測(cè)。

1.2 根表鐵含量的測(cè)定

水稻幼苗收獲后，其根系上的鐵膜用DCB(dithionite-citrate-bicarbonate)法浸提，即將水稻根系用自來(lái)水洗凈，吸干水分后從基部將根剪下，放到裝有0.03 mol/L檸檬酸三鈉(NaCHO·2HO)和0.125 mol/L NaHCO混合液的三角燒瓶(100 mL)中10 min，再加入1 g保險(xiǎn)粉(NaSO)，混合均勻后，在室溫下(20～25 ℃)繼續(xù)浸泡1 h，然后將浸提液轉(zhuǎn)入容量瓶中，并用去離子水沖洗根系3～5次后，定容，待測(cè)。根表鐵含量用單位根干重所吸附的根表鐵含量表示(mg/g FW)。

1.3 樣品消解與元素含量的測(cè)定

經(jīng)DCB浸提后的根系、水稻莖葉置于烘箱中110 ℃，30 min殺青，70 ℃烘干至恒重，然后將根系和莖葉分別磨碎、混勻。稱取(0.5±0.001) g樣品放入聚四氟乙烯消毒罐(100 mL)中，加入5 mL濃硝酸(優(yōu)級(jí)純)和3 mL鹽酸，再加入2滴HO溶液，放入微波加速反應(yīng)系統(tǒng)中(MARS5,CEM Microwave Technology Ltd. USA)進(jìn)行消解。將消解液轉(zhuǎn)移至50 mL容量瓶中，定容。用ICP-MS(Agilent7500a)測(cè)定元素(Mn、Fe、Zn等)濃度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，采用SPSS 12.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷導(dǎo)致根表紅棕色鐵膜的形成

磷元素供應(yīng)不足誘導(dǎo)水稻根表沉積而形成的紅棕色膜為鐵氧化物膜，簡(jiǎn)稱鐵膜。筆者前期研究結(jié)果顯示，低磷處理水稻植株2 d后，與正常供磷植株相比，缺P營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)的水稻，其根系表面出現(xiàn)淡淡的棕色，并且隨著低磷處理時(shí)間的延長(zhǎng)根表棕色也隨之加深，處理7 d后，根系表面則形成明顯的紅棕色鐵膜(已發(fā)表)，這表明，磷脅迫導(dǎo)致根系表面形成鐵膜，且鐵膜的數(shù)量或鐵含量隨著低磷處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。這可能是由于磷脅迫致使根組織細(xì)胞壁受損，F(xiàn)e在根表皮細(xì)胞的細(xì)胞壁內(nèi)壁氧化形成Fe的氧化物并在此沉積，細(xì)胞壁外壁分解，且外壁在Fe氧化形成鐵氧化物之前分解，形成破裂的細(xì)胞洞，隨后鐵氧化物與其它顆粒的混合物填充于此洞中，形成表面粗糙的鐵膜(圖1)。

圖1 低磷水稻根系表面形成紅棕色鐵膜

由圖2可以看出，與對(duì)照相比，低磷脅迫導(dǎo)致根表形成鐵膜，根表鐵含量顯著增加，其中耐低磷品種鄭旱6(ZH6)的根表鐵含量呈極顯著增加；磷敏感型品種通粳981(TJ981)的根表鐵含量最多(14.78 mg/g)，其次是鄭旱6(12.17 mg/g)，鎮(zhèn)稻99的根表鐵含量較少(11.17 mg/g)。這表明，不同基因型的水稻根表形成鐵膜的質(zhì)量存在差異。可能是由于低磷條件下不同基因型的水稻根系的氧化能力不同所致。

圖2 低磷對(duì)根表鐵含量的影響

2.2 低磷脅迫對(duì)水稻幼苗鐵(Fe)和銅(Cu)含量的影響

由圖2可以看出，低磷脅迫15 d后，3種不同基因型水稻植株根部的Fe含量和Cu含量均呈顯著增加。其中，F(xiàn)e含量的增幅分別為ZD99：139.8%，ZH6：127.1%，TJ981：199.3%。Cu含量的增幅分別為ZD99：69%，ZH6：97.2%，TJ981：77.5%。此外，ZD99和ZH6地上部組織中Fe含量較對(duì)照顯著增加(119.7%和74.7%)，但是，TJ981地上部組織Fe含量增加不明顯(12.3%)。Cu在地上部組織中的含量較對(duì)照增加不顯著，增幅分別為12.18%，15.35%，0.10%。值得注意的是，TJ981地上部組織中Fe和Cu的含量增加均未達(dá)到顯著水平。

2.3 低磷脅迫對(duì)水稻幼苗錳(Mn)和鋅(Zn)含量的影響

研究結(jié)果顯示，低磷脅迫導(dǎo)致不同基因型水稻根系中Mn含量降低，其中，ZD99和ZH6號(hào)根系中Mn含量顯著降低，降幅分別為55.11%和23.75%，而TJ98根系中Mn含量較對(duì)照減少12.5%。但是3種供試水稻品種，地上部分Mn含量受低磷脅迫的影響不明顯(圖4A)。圖4B可以看出，Zn元素在ZD99和TJ981根部和地上部的含量均有增加(9.6%和39.7%；26.2%和28.9%)，但在鄭旱6植株體內(nèi)含量相對(duì)減少(10.7%)，方差分析顯示，Zn在地上部的含量較對(duì)照呈顯著減少(-14.5%)。

圖3 低磷水稻體內(nèi)Fe、Cu含量的變化

圖4 低磷水稻體內(nèi)Mn、Zn含量的變化

2.4 低磷脅迫對(duì)水稻幼苗鈣(Ca)、鎂(Mg)、鉀(K)含量的影響

圖5顯示，3種不同基因型水稻幼苗經(jīng)低磷處理15 d后，根部組織中Mg和K的含量呈減少的趨勢(shì)，其中，ZH6水稻根部Mg、K含量顯著減少(-37.9%，-42.1%)；K含量在不同品種水稻地上部組織中較對(duì)照均有所增加(ZD99：1.05%，ZH6：9.27%，TJ981：6.58%)，方差分析顯示，ZH6和TJ981地上部K含量呈顯著增加(

P

<0.05)；Mg含量在地上部均沒(méi)有明顯變化；而Ca在ZD99根部及地上部組織中的含量有所增加，但不顯著，在TJ981根部和地上部均下降(-4.55%和-8.25%)，其中地上部含量顯著減少；ZH6號(hào)根部Ca含量顯著增加(12.87%)，地上部組織中減少(-5.90%)。

圖5 低磷水稻體內(nèi)Ca、Mg、K含量的變化

結(jié)果表明，低磷條件下不同基因型水稻根表鐵膜在一定質(zhì)量促進(jìn)了根系對(duì)Fe和Cu元素的吸收，對(duì)元素Zn、Mn、K、Ca等的吸收的影響沒(méi)有表現(xiàn)出規(guī)律性。

3 結(jié)論與討論

鐵膜的形成是水生植物適應(yīng)淹水和其他環(huán)境脅迫的重要機(jī)制之一。不同水稻品種在低磷處理下均能形成根表鐵膜，但不同品種根表鐵膜厚度存在明顯差異。本研究結(jié)果表明，低磷處理水稻幼苗15 d后，不同水稻品種根系表面均形成紅棕色的鐵膜。鐵膜的形成是由于低磷導(dǎo)致根組織細(xì)胞壁受損，鐵的氧化物在破損的細(xì)胞壁沉積形成的，且具有不可逆性。但不同基因型水稻根表鐵含量有所差異，從高至低依次為：通粳981>鄭旱6>鎮(zhèn)稻99；同時(shí)，研究得知根表鐵含量與根環(huán)境中的磷含量呈負(fù)相關(guān)，與低磷處理時(shí)間呈正相關(guān)。這與前人的研究結(jié)果基本一致。

此外，根表鐵膜屬于兩性膠體，因此其對(duì)土壤中陰、陽(yáng)離子都有一定的吸附作用，進(jìn)而影響植物對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)。有研究認(rèn)為，根際環(huán)境中的大多數(shù)金屬和非金屬元素如Zn、Pb、Sb、Cd、P、As等均可在鐵膜中富集,水稻根表鐵膜能夠在近根區(qū)域富集大量Fe、P、Zn、Mg、Mn等必需的營(yíng)養(yǎng)元素。研究表明，水稻根表鐵膜可促進(jìn)水稻對(duì)Cu和Ni的吸收；可促進(jìn)水稻對(duì)Zn的吸收，也可以抑制水稻對(duì)Zn的吸收，這是由于鐵膜形成量的不同而引起。

本研究結(jié)果表明，與對(duì)照相比，根表鐵膜促進(jìn)了水稻對(duì)Fe和Cu元素的吸收。但對(duì)其它營(yíng)養(yǎng)元素吸收的影響表現(xiàn)不一，如K、Mg和Mn含量減少，尤其在鎮(zhèn)稻99和鄭旱6根部呈顯著減少。另外，同一種元素在不同基因型水稻體內(nèi)的含量變化也表現(xiàn)不一。如Ca和Zn在不同品種水稻根部和地上部的含量變化趨勢(shì)不一。可能是由于根部鐵膜富集營(yíng)養(yǎng)元素的量不同，以及根表鐵膜在一定范圍內(nèi)促進(jìn)某種元素的吸收，但同時(shí)又成為了其它元素的障礙層，從而影響根系對(duì)元素的吸收?；蛘哒f(shuō)，根表鐵氧化物膜的形成影響根系的活性和吸收能力，從而影響礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收。

綜上所述，低磷處理水稻幼苗導(dǎo)致其根系表面形成紅棕色鐵膜，且鐵膜的形成是不可逆的；同時(shí)，根表鐵膜促使水稻體內(nèi)Fe和Cu含量顯著增加，但低磷水稻對(duì)其它營(yíng)養(yǎng)元素(K、Mg、Mn、Ca、Zn)的吸收及積累并沒(méi)有表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。