賈夢(mèng)凡,李燕麗,王興祥,周志高,丁昌峰②

〔1.濕地生態(tài)與農(nóng)業(yè)利用教育部工程研究中心/ 長(zhǎng)江大學(xué)農(nóng)學(xué)院,湖北 荊州 434025;2.土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所),江蘇 南京 210008;3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049〕

砷(As)是我國(guó)農(nóng)田主要的重(類)金屬污染物之一,2014年《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》表明,我國(guó)2.7%的土壤樣點(diǎn)As含量超標(biāo)。由于水稻自身的特性及淹水栽培模式,其富集As的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他旱作物[1],稻米是人體攝入As的主要食物來(lái)源[2]。硅(Si)是水稻的有益元素,磷(P)是水稻的必需元素,對(duì)水稻的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)十分關(guān)鍵。由于硅酸和亞砷酸具有相似的解離常數(shù)和分子大小,三價(jià)砷〔As(Ⅲ)〕可以通過(guò)硅酸的轉(zhuǎn)運(yùn)通道蛋白OsLsi1進(jìn)入水稻根系,進(jìn)而通過(guò)OsLsi2在根中進(jìn)行橫向運(yùn)輸進(jìn)入木質(zhì)部。因此,施Si可調(diào)控水稻對(duì)As的吸收以及轉(zhuǎn)運(yùn)[3];由于五價(jià)砷〔As(Ⅴ)〕與P有非常相似的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu),水稻根系可通過(guò)P吸收通道吸收As(Ⅴ),再通過(guò)P的轉(zhuǎn)運(yùn)子(OsPT1、OsPT4、OsPT8)進(jìn)入細(xì)胞[4]。

前人對(duì)外源添加Si或P調(diào)控As在水稻體內(nèi)的積累進(jìn)行了較多研究。例如,在自然土壤中(As含量≤15 mg·kg-1),添加10～20 g·kg-1硅酸形態(tài)的Si肥可降低水稻秸稈和糙米中As含量,降幅可達(dá)65%～78%和11%～23%[5-6]。但Si肥如果用量不當(dāng),反而會(huì)通過(guò)促進(jìn)土壤固相對(duì)As(Ⅲ)、As(Ⅴ)以及二甲基砷(DMA)的釋放,增加土壤溶液中As濃度,提高土壤中As的生物有效性[7-8]。此外,在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段,葉面噴施Si可顯著降低水稻糙米中總As、無(wú)機(jī)砷及二甲基砷的積累[9]。但由于作物葉片對(duì)于養(yǎng)分的吸收效果受到自身營(yíng)養(yǎng)狀況、生育時(shí)期、環(huán)境條件以及葉面肥種類等多種因素的影響,葉面噴施的效果不太穩(wěn)定[10]。雷鳴等[11]通過(guò)盆栽試驗(yàn)證明,向As污染土壤中施用磷酸氫二鈉或羥基磷灰石能使糙米總As含量顯著降低8%～22%。但由于P能夠通過(guò)離子交換作用置換出土壤中的As[12-13],在水稻生育期內(nèi)施用大量的磷肥反而會(huì)增加土壤As的生物有效性[14]。

除此之外,也有研究證實(shí)內(nèi)源Si或P對(duì)于苗期水稻降A(chǔ)s有顯著作用。通過(guò)水培試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),營(yíng)養(yǎng)液中提前1～2周加入0.5～2 mmol·L-1的Si進(jìn)行水稻幼苗培養(yǎng),再進(jìn)行As(Ⅴ)暴露,可以使地上部和根系A(chǔ)s(Ⅴ)含量分別降低37%和22%,表明內(nèi)源Si可顯著調(diào)控水稻對(duì)As(Ⅴ)的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)[15]。WANG等[16]研究表明,水稻幼苗體內(nèi)P含量較低的情況下對(duì)As更敏感。因此,為避免出現(xiàn)土壤施Si或P提高土壤溶液中As有效性的情況以及葉面噴施效果不穩(wěn)定的問(wèn)題,在水稻育秧階段進(jìn)行Si或P元素富集,增加水稻內(nèi)源Si或P含量,可能是調(diào)控水稻吸收和累積As的一個(gè)有效措施。但目前關(guān)于秧苗富集Si或P對(duì)移栽后水稻糙米As含量的影響鮮見(jiàn)報(bào)道。

因此,該研究擬通過(guò)育秧過(guò)程中添加不同濃度硅酸和磷酸鹽以獲取富Si或P秧苗,以期篩選出能夠有效降低糙米As含量的最優(yōu)濃度,研究富Si或P秧苗對(duì) Si和 P 的積累特征及移栽后水稻植株對(duì) As 的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特征,明確富Si或P秧苗對(duì)于糙米的降A(chǔ)s效果及機(jī)制,為As超標(biāo)農(nóng)田安全利用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試水稻品種

供試水稻品種為“天優(yōu)華占”秈型三系雜交稻,全生育期123 d左右。

1.2 植物培養(yǎng)

秧苗培育在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所溫室進(jìn)行,水稻種子用φ=30.0%的H2O2消毒15 min,去掉癟粒,用去離子水洗凈后置于25 ℃黑暗環(huán)境中浸種24 h,再轉(zhuǎn)移至濕潤(rùn)紗布中催芽48 h,挑選出芽狀況良好且一致的種子置于浮板上進(jìn)行育苗。育苗期間保證每個(gè)處理水稻種子數(shù)大致相同。育苗初期采用1/2水稻營(yíng)養(yǎng)液培育3 d,再用正常濃度營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)為每3 d進(jìn)行1次營(yíng)養(yǎng)液的更換育苗過(guò)程,水稻營(yíng)養(yǎng)液采用木村B營(yíng)養(yǎng)液(pH值5.6),具體成分包括0.36 mmol·L-1(NH4)2SO4、0.55 mmol·L-1MgSO4·7H2O、0.18 mmol·L-1KNO3、0.37 mmol·L-1Ca(NO3)2·4H2O、0.18 mmol·L-1KH2PO4、20 μmol·L-1FeSO4·7H2O、20 μmol·L-1EDTA-Na2、0.50 μmol·L-1MnCl2·4H2O、3.0 μmol·L-1H3BO3、1.0 μmol·L-1(NH4)6Mo7O24·4H2O、0.40 μmol·L-1ZnSO4·7H2O、0.20 μmol·L-1CuSO4·4H2O。

盆栽試驗(yàn)供試土壤為采自江西贛州的As污染水稻土,土壤pH值為5.19,有機(jī)質(zhì)含量為34 g·kg-1,總As含量為49.1 mg·kg-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

秧苗培育在中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所溫室進(jìn)行,水稻種子消毒、浸種、催芽后進(jìn)行育苗。育苗初期采用1/2水稻營(yíng)養(yǎng)液培育3 d,再進(jìn)行Si、P處理,以硅酸(由K2SiO3溶液過(guò)氫型陽(yáng)離子交換樹脂Amberlite IR 120制備而得)以及磷酸二氫鉀的形式加入。共包括5個(gè)處理,分別如下:(1)全水稻營(yíng)養(yǎng)液(CK);(2)全水稻營(yíng)養(yǎng)液+ 5 mmol·L-1Si (Si1);(3)全水稻營(yíng)養(yǎng)液+ 8 mmol·L-1Si(Si2);(4)全水稻營(yíng)養(yǎng)液+ 2 mmol·L-1P(P1);(5)全水稻營(yíng)養(yǎng)液+ 4 mmol·L-1P (P2)。

每3 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液,培育25 d后獲得富Si或富P水稻幼苗,采集部分水稻幼苗分析地上部及地下部生物量和Si、P積累量,篩選出較優(yōu)富集濃度下的富集秧苗用于土壤盆栽試驗(yàn)。水稻幼苗移栽前一周,進(jìn)行盆栽試驗(yàn)裝土和添加基肥等前處理。每盆裝5 kg風(fēng)干土,裝土過(guò)程中拌入基肥:0.20 g·kg-1N(尿素)、0.15 g·kg-1P2O5〔Ca(H2PO4)2·H2O〕、0.20 g·kg-1K2O(KCl),加水保持土壤濕潤(rùn),平衡1周左右。所有處理均設(shè)置3次重復(fù)。水稻幼苗培育25 d后移栽到盆栽土壤中,每盆種植2株,移栽后保持土壤淹水,水稻種植至成熟期收獲。

1.4 樣品采集

采集水培25 d后各處理水稻幼苗,幼苗根系在0.50 mmol CaCl2溶液中浸泡20 min,去除根表吸附的元素,清洗干凈后分成根系和莖葉,75 ℃烘干并測(cè)定各部位干物質(zhì)質(zhì)量以及Si、P含量。另取部分富集秧苗,擦干根系表面營(yíng)養(yǎng)液后迅速做好標(biāo)記并放入液氮中,轉(zhuǎn)移至-80 ℃冰箱中保存,待提取 RNA,測(cè)定砷相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因(OsLsi1、OsLsi2、OsPT1、OsPT4、OsPT8、OsABCC1)的相對(duì)表達(dá)量。水稻成熟后采集根系、莖葉、稻穗,根系及莖葉經(jīng)去離子水清洗干凈后75 ℃烘干并測(cè)定總As含量,稻谷經(jīng)礱谷機(jī)去殼后獲得糙米,冷凍干燥后消解測(cè)定各形態(tài)As含量。

1.5 樣品處理與測(cè)定

1.5.1樣品中元素含量的測(cè)定

樣品中Si含量采用w=50%的NaOH高壓滅菌法消解并用分光光度計(jì)測(cè)定[17];樣品中P含量采用濕式消解鉬銻抗比色法測(cè)定[18];總As含量采用硝酸-過(guò)氧化氫消解[19],電感耦合等離子質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定。

1.5.2樣品中As形態(tài)的提取與測(cè)定

采用φ=15%的硝酸熱浸提法提取,液相色譜-電感耦合等離子質(zhì)譜法(LC-ICP/MS)測(cè)定,色譜柱為反相柱[19]。

1.5.3As相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因相對(duì)表達(dá)量的測(cè)定

在液氮中將待測(cè)水稻根系研磨成粉末狀,采用UNIQ-10柱式Trizol總RNA提取試劑盒(上海生工生物工程股份有限公司)提取總RNA。采用核酸儀(美國(guó)賽默飛NanoDrop ND-1000)測(cè)定各樣品總RNA濃度,采用反轉(zhuǎn)錄試劑盒〔南京諾唯贊HIScript Ⅲ RT SuperMix for qPCR(+gDNA wiper)〕和PCR儀(日本Takara)對(duì)RNA進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄過(guò)程合成cDNA。OsLsi1、OsLsi2、OsPT1、OsPT4、OsPT8、OsABCC1等基因的熒光定量過(guò)程采用熒光定量試劑盒(南京諾唯贊Taq Pro Universal SYBR qPCR Master Mix)、RT-PCR儀(美國(guó)伯樂(lè)CFX96)完成。

1.6 數(shù)據(jù)處理

以根-莖為例,轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF,FT)的計(jì)算方法為莖As含量與根As含量的比值,表示As由水稻根系向莖轉(zhuǎn)運(yùn)的能力。

采用Excel 2021和SPSS 19.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA),采用Duncan多重比較進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),GraphPad Prism 8軟件作圖,采用Origin 2021軟件作相關(guān)性熱圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 富Si或富P育秧對(duì)水稻幼苗吸收Si或P的影響

不同濃度處理下富Si秧苗中Si含量如表1所示。Si1和Si2處理下秧苗的生長(zhǎng)沒(méi)有受到抑制,地上部與根系Si含量與對(duì)照相比均顯著增加,且Si1處理根系Si含量顯著高于Si2。Si1和Si2處理下地上部Si含量分別增至對(duì)照的1.9 和1.8倍,根系Si含量分別增至對(duì)照的2.3 和 2.0倍,秧苗整株Si吸收量與對(duì)照相比也呈顯著增加趨勢(shì),分別增至對(duì)照的19.6和18.3倍。

表1 不同濃度處理富Si秧苗生物量及Si含量

不同濃度處理下富P秧苗中P含量如表2所示。P1處理下秧苗生長(zhǎng)沒(méi)有受到抑制,但P2處理地上部生物量較對(duì)照顯著降低7.7%;地上部與根系P含量與對(duì)照相比均顯著增加,P1和P2處理根系P含量分別增至對(duì)照的2.1和2.6倍,地上部P含量分別增至對(duì)照的2.2和 2.3倍,秧苗整株P(guān)吸收量與對(duì)照相比也呈顯著增加趨勢(shì),分別增至對(duì)照的2.3和2.1倍。

表2 不同濃度處理富P秧苗生物量及P含量

由于Si1處理下秧苗整株Si吸收量略高于Si2處理,而與P1相比,P2處理秧苗地上部的生物量顯著降低,影響了水稻正常生長(zhǎng)。據(jù)此,筆者選擇Si1和P1這2個(gè)濃度處理的富集秧苗,并將其移栽至As污染土壤中進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。

2.2 富Si或富P育秧對(duì)水稻產(chǎn)量及各部位As含量的影響

表3為富Si或富P秧苗移栽至As污染土壤后的產(chǎn)量以及各部位總As含量。富Si或富P處理對(duì)于水稻產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響。從表3可知,與對(duì)照相比,Si1處理糙米和葉總As含量分別降低31.1%和16.8%,水稻根總As含量顯著增加22.7%,莖總As含量沒(méi)有顯著變化;與對(duì)照相比,P1處理水稻根系和莖總As含量分別顯著增加13.4%和16.0%,糙米、水稻葉的總As含量均沒(méi)有顯著變化。

表3 富Si或富P秧苗移栽后的水稻產(chǎn)量及各部位總As含量

2.3 富Si或富P育秧對(duì)水稻體內(nèi)As轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

富Si或富P育秧可不同程度影響水稻各部位之間As的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。由圖1可知, Si1處理使得水稻各部位間As轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均顯著降低;P1處理水稻根-莖、根-葉轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)與對(duì)照相比無(wú)顯著差異,但莖-葉、莖-糙米的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著降低。

CK—全水稻營(yíng)養(yǎng)液;Si1—全水稻營(yíng)養(yǎng)液+5 mmol·L-1 Si;P1—全水稻營(yíng)養(yǎng)液+2 mmol·L-1 P。同一幅圖中直方柱上方小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2.4 富Si或富P育秧對(duì)糙米As形態(tài)的影響

糙米As形態(tài)測(cè)定的試驗(yàn)過(guò)程中并未檢測(cè)出一甲基砷的存在。圖2為最優(yōu)Si或P濃度水稻秧苗培育至成熟期后所獲糙米的As(Ⅲ)、As(Ⅴ)以及DMA含量。從圖2可以看出,與常規(guī)育秧相比,富Si育秧使得糙米中3種形態(tài)As含量均顯著降低,下降率分別達(dá)32.1%、58.3%、33.5%,其中無(wú)機(jī)砷含量〔As(Ⅲ)與As(Ⅴ)總含量〕顯著降低37.3%;富P育秧使得As(Ⅴ)含量降低59.2%,但對(duì)于糙米中As(Ⅲ)和DMA含量沒(méi)有顯著影響,其中無(wú)機(jī)砷含量有降低趨勢(shì),但與對(duì)照相比無(wú)顯著差異。

CK—全水稻營(yíng)養(yǎng)液;Si1—全水稻營(yíng)養(yǎng)液+5 mmol·L-1 Si;P1—全水稻營(yíng)養(yǎng)液+2 mmol·L-1 P。同一組直方柱上方小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2.5 富Si或富P育秧對(duì)As轉(zhuǎn)運(yùn)基因相對(duì)表達(dá)量的調(diào)控

富Si育秧會(huì)顯著影響As相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因的相對(duì)表達(dá)量。圖3表明,與對(duì)照相比,富Si育秧對(duì)OsLsi1的相對(duì)表達(dá)量沒(méi)有顯著影響,使OsLsi2的相對(duì)表達(dá)量下降26%,OsABCC1的相對(duì)表達(dá)量上調(diào)203%。

同一組直方柱上方小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

富P育秧也會(huì)顯著影響As相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因的相對(duì)表達(dá)量。由圖4可見(jiàn),與常規(guī)育秧相比,富P育秧使OsPT1、OsPT4及OsPT8的相對(duì)表達(dá)量分別下降26%、51%和71%,OsABCC1的相對(duì)表達(dá)量上調(diào)22%。

同一組直方柱上方小寫字母不同表示不同處理間某指標(biāo)差異顯著(P<0.05)。

2.6 水稻不同組織As含量與秧苗Si或P吸收量及轉(zhuǎn)運(yùn)基因表達(dá)量的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(圖5)表明,水稻糙米無(wú)機(jī)砷含量與秧苗Si吸收量、成熟期水稻根As含量、OsABCC1的相對(duì)表達(dá)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與OsLsi1、OsLsi2的相對(duì)表達(dá)量以及成熟期水稻葉總As含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與其他因素相關(guān)性不顯著。根系總As含量與秧苗Si吸收量、OsABCC1的相對(duì)表達(dá)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與OsLsi2的相對(duì)表達(dá)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。OsLsi1和OsLsi2的相對(duì)表達(dá)量與秧苗Si吸收量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,OsABCC1的相對(duì)表達(dá)量與秧苗Si吸收量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這表明富Si抑制了OsLsi1和OsLsi2基因的表達(dá),且誘導(dǎo)了OsABCC1的過(guò)量表達(dá)。OsLsi1與根系吸收Si、As有關(guān),OsLsi2與木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)Si、As有關(guān),OsABCC1與根系液泡固定重金屬螯合物有關(guān),表明富Si秧苗可能通過(guò)調(diào)控OsLsi1、OsLsi2以及OsABCC1的表達(dá),從而抑制水稻植株As含量,進(jìn)一步影響糙米As含量。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

圖6顯示,糙米無(wú)機(jī)砷含量與OsABCC1的相對(duì)表達(dá)量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與秧苗P吸收量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與As相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因的相對(duì)表達(dá)量呈正相關(guān)關(guān)系。水稻成熟期根、莖總As含量與秧苗P吸收量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,與OsPT1、OsPT4和OsPT8的相對(duì)表達(dá)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與OsABCC1的相對(duì)表達(dá)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這說(shuō)明秧苗富P在一定程度上可以影響水稻體內(nèi)As的轉(zhuǎn)運(yùn)。OsPT1、OsPT4和OsPT8的相對(duì)表達(dá)量與秧苗P吸收量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,OsABCC1的相對(duì)表達(dá)量與秧苗P吸收量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這說(shuō)明秧苗富P抑制了OsPT1和OsPT4的表達(dá),誘導(dǎo)了OsABCC1的過(guò)量表達(dá)。OsPT1和OsPT4與根系吸收P、As有關(guān),OsABCC1與根系液泡固定重金屬螯合物有關(guān),表明富P秧苗可能通過(guò)調(diào)控OsPT1、OsPT4以及OsABCC1的表達(dá),從而抑制水稻植株對(duì)As的吸收并增強(qiáng)根系對(duì)于As的滯留,進(jìn)一步影響糙米As含量。

*表示P<0.05,**表示P<0.01。

3 討論

筆者試驗(yàn)結(jié)果表明,適宜Si或P濃度下培育出的秧苗對(duì)于成熟期糙米中As含量有降低作用,富Si秧苗顯著降低了糙米As(Ⅲ)含量,富P秧苗顯著降低了糙米As(Ⅴ)含量,且富Si或P秧苗根系中As相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因的相對(duì)表達(dá)量均呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。一般來(lái)說(shuō),在稻田土壤溶液中As主要以As(Ⅲ)和As(Ⅴ)的形態(tài)存在[20],而在水稻根系中,單硅酸〔Si(OH)4〕和亞砷酸〔As(OH)3〕共用同一吸收通道蛋白OsLsi1,水稻在吸收單硅酸時(shí)會(huì)吸收亞砷酸進(jìn)入體內(nèi)[21-22],單硅酸進(jìn)入水稻體內(nèi)后由OsLsi2向木質(zhì)部運(yùn)輸,進(jìn)一步向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)。As(Ⅴ)由于化學(xué)性質(zhì)與磷酸鹽相似,主要通過(guò)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsPT4、OsPT8進(jìn)入水稻根系細(xì)胞[23-24]。由于水稻為典型的Si高積累植物,P是植物生長(zhǎng)所必需的大量元素,而As為非必需元素,轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白可能會(huì)優(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)必需的營(yíng)養(yǎng)元素以滿足水稻生長(zhǎng)需求。當(dāng)水稻組織中Si或P元素充足時(shí),相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因的表達(dá)會(huì)受到抑制,從而影響水稻根系對(duì)As的轉(zhuǎn)運(yùn)吸收。CHEN等[25]也發(fā)現(xiàn),施用鐵肥抑制了根系OsIRT1、OsNramp1和OsNramp5等基因的表達(dá),進(jìn)而降低了水稻對(duì)As的吸收。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),5 mmol·L-1Si富集處理顯著降低糙米As(Ⅴ)含量,這是由于As(Ⅴ)通過(guò)磷酸鹽通道進(jìn)入水稻根系后,一部分通過(guò)磷酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白進(jìn)入木質(zhì)部和韌皮部向上運(yùn)輸,另一部分會(huì)被還原成As(Ⅲ)[26]。被還原的As(Ⅲ)部分被隔離在液泡中,部分通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsLsi2等由木質(zhì)部和韌皮部向上運(yùn)輸[27],富Si處理通過(guò)影響這一部分As(Ⅲ)的轉(zhuǎn)運(yùn)從而影響糙米中As(Ⅴ)含量。有研究證實(shí),水稻水通道蛋白OsLsi1會(huì)介導(dǎo)甲基砷的吸收[28],這可能是Si1處理能夠顯著降低糙米中DMA含量的原因。

相較于對(duì)照,Si或P富集秧苗顯著增加了成熟期水稻根系中總As含量,一方面是富Si或富P處理增加了水稻根系中轉(zhuǎn)運(yùn)基因OsABCC1的相對(duì)表達(dá)量,而OsABCC1負(fù)責(zé)將As(Ⅲ)轉(zhuǎn)運(yùn)并固定在液泡中,抑制了As(Ⅲ)在水稻體內(nèi)的向上轉(zhuǎn)運(yùn)[29],增強(qiáng)了As在根系中的滯留;另一方面,富Si或富P處理降低了As相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因OsLsi2、OsPT4、OsPT8的相對(duì)表達(dá)量,阻礙了As的向上轉(zhuǎn)運(yùn),也在一定程度上增強(qiáng)了As在根系中的滯留[23-24,27]。

試驗(yàn)結(jié)果顯示,相較于對(duì)照,5 mmol·L-1Si富集處理顯著降低了糙米中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、DMA含量及水稻糙米總As含量,而2 mmol·L-1P富集處理僅顯著降低As(Ⅴ)含量,對(duì)糙米總As含量沒(méi)有顯著影響。這可能是因?yàn)榈咎镅退畻l件會(huì)促進(jìn)土壤微生物對(duì)As的還原和甲基化[30],使得淹水條件下土壤環(huán)境中As形態(tài)以As(Ⅲ)和DMA為主,導(dǎo)致糙米中的As主要以DMA和As(Ⅲ)為主。WANG等[31]對(duì)于湖南As污染水稻土(總As含量為38.2 mg·kg-1)的盆栽試驗(yàn)同樣發(fā)現(xiàn),稻米中有機(jī)砷占比(77%)顯著高于無(wú)機(jī)砷(23%)。

綜上所述,適宜濃度的Si肥和P肥培育后的秧苗均可降低糙米中As含量,且與2 mmol·L-1富P育秧相比,5 mmol·L-1富Si育秧降A(chǔ)s效果更好。富Si或富P育秧是一項(xiàng)低成本、輕簡(jiǎn)化的As污染稻田安全利用技術(shù),能夠突破大田全生育期繁瑣的控As技術(shù)弊端,不會(huì)對(duì)大田土壤產(chǎn)生次生障礙風(fēng)險(xiǎn),且此方法降低了過(guò)度施用Si或P肥造成農(nóng)業(yè)面源污染的隱患。

需要指出的是,筆者雖然研究了富Si或富P秧苗對(duì)水稻植株的降 As 效果,但并未探討苗期富集水稻對(duì)于水稻整個(gè)生育期的持續(xù)影響,且僅為初步研究結(jié)果,需進(jìn)一步深入研究其生物學(xué)機(jī)制。此外,該試驗(yàn)僅探討了單一水稻品種富Si或富P育秧的降A(chǔ)s效果,對(duì)于不同品種的普適性還需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)研究篩選出的適宜富Si或富P育秧濃度均顯著增加了秧苗體內(nèi)Si或P含量,且對(duì)水稻生長(zhǎng)沒(méi)有顯著影響。

(2)5 mmol·L-1Si育秧處理能夠調(diào)控As相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因OsLsi1、OsLsi2以及OsABCC1的表達(dá),增強(qiáng)As在水稻根系中的滯留,顯著降低糙米中As(Ⅲ)、As(Ⅴ)、DMA含量。

(3)2 mmol·L-1P育秧處理能夠調(diào)控As相關(guān)轉(zhuǎn)運(yùn)基因OsPT1、OsPT4、OsPT8以及OsABCC1的表達(dá),增強(qiáng)了As在水稻根系中的滯留,顯著降低糙米中As(Ⅴ)含量。