论文总字数：19207字

目 录

摘要 1

Abstract: 2

引言 3

1.材料与方法 4

1.1水培实验设计 4

1.1.1硅对水稻根表铁膜形成的影响 4

1.1.2根表铁膜对水稻砷吸收的影响 4

1.1.3硅和铁对水稻砷吸收的影响 5

1.2生理指标的测定、样品的采集和处理 5

1.3样品分析 5

1.4数据分析 5

2.结果与讨论 5

2.1硅对水稻根表铁膜形成的影响 5

2.1.1外源硅对水稻SPAD和生物量的影响 5

2.1.2外源硅对水稻根表铁膜中铁、磷、硅的影响 6

2.2根表铁膜对水稻砷吸收的影响 8

2.2.1外源铁对水稻SPAD和生物量的影响 8

2.2.2外源铁对水稻根表铁膜中铁、磷的影响 8

2.2.3外源铁对水稻根表铁膜、茎叶、根中砷含量的影响 9

2.3硅铁交互作用对水稻砷吸收的影响 10

2.3.1外源硅铁对水稻SPAD和生物量的影响 10

2.3.2外源硅铁对水稻根表铁膜中铁、磷、硅含量的影响 11

2.3.3外源硅铁对水稻根表铁膜、茎叶、根中砷含量的影响 13

3.结论 13

参考文献 14

致谢 16

硅对水稻根表铁膜形成及砷吸收的影响

张婍

, China

Abstract: Si is considered to be one of the beneficial elements for the higher plant growth and development. It has enhanced resistance of plants to abiotic and biotic stresses. In the present study, effect of Si application on iron plaque formation of rice root surface and arsenic uptake by rice were investigated by hydroponic experiments. The results showed that the addition of iron significantly increased the amount of iron plaque of rice root surface. Exogenous silicon significantly increased phosphorus concentration sequestrated by iron plaque of root surface. Interaction of iron and silicon induced iron plaque formation and increase of phosphorus and silicon concentration on iron plaque. In addition, the formation of iron plaque on rice roots surface greatly increase their accumulation of arsenic, reducing the accumulation of arsenic in rice shoots thereby. Moreover, the interaction of iron and silicon had an important effect on arsenic uptake, which can effectively reduce arsenic concentration in rice. Therefore, the present study provides an important information for effective ways to reduce the arsenic uptake in rice.

Keywords: rice, iron plaque of root surface, silicon and iron, interaction, arsenic uptake

引言

由于人类社会的不断前行，科学技术也在向前发展，使得环境问题变的越来越严重。其中重金属污染慢慢地成为了人们重点关注的生态问题之一。

经过统计发现，硅是自然界最丰富的元素之一。截止目前为止，虽然还没能够充分的证明硅是高等植物生长发育的必需营养元素，但是硅在某些高等植物正常生长发育的进程中所起到的作用已经得到了越来越多的证实^[1]。其对植物生长的有益作用可以归纳为以下几点：一、参与植物细胞壁的形成；二、对植物的正常生长进程例如光合作用与蒸腾作用产生影响；三、提高植物的抗逆性等。有相关的研究表明，硅在某些方面起到了重要的作用，比如提高植物对生物胁迫例如甘蔗对茎螟的抗性^[2-4]、稻瘟病和对非生物胁迫例如离子的毒害^[5]、盐害^[6]、干旱威胁^[7]等。也有一些研究发现，硅在水稻正常生长发育的进程中有着极为重要的影响，更有甚者认为硅是水稻正常生长发育的必备元素^[8]。已有的水培试验也证实了，如果在含有砷量为1 mg·L^{- 1}的营养液中加入28 mg·L^{- 1}的硅可以显著提高水稻的生物量，与此同时也显著地抑制了其对砷的吸收与转运^[9]。

而水稻作为我国与国计民生密切相关的最主要的粮食作物之一，是含硅量最多的农作物，它的这种特殊的生理性质是由其独有的遗传因子决定的。硅是水稻正常生长进程中不可或缺的元素之一，水稻缺少硅素以后，其产量会明显下降。

砷的毒性非常强，并且具有致癌作用，同时被世界卫生组织（WHO）记为 “人类致癌物质”之一。全球至少有1.5亿人正经历着地方性的砷中毒，其中在亚洲地区就分布着大部分的人口^[10]，所以砷污染已然引起了全球的广泛关注。由于人类的各种广泛活动，在我国的许多地方也不同程度的遭受着砷污染^[11]。我国是一个砷矿大国，但是砷矿在开采过程亦或是冶炼的过程中，都极其容易造成土壤或水体的严重污染，并且会进一步的污染附近的土壤、农田以及水体，这些都会给当地居民的正常生活以及身体健康带来极其严重的不便和危害^[12]。而粮食是人类社会发展中必不可少的，被砷污染过的土壤农田及灌溉水都给农作物的正常生长带来了一定的影响。有研究表明，水稻在砷的处理下，其形态指标与光合生理指标都会不同程度的受到抑制作用，更严重时会导致水稻光合作用能力的下降、植物的根系生长受阻、植株的增长减慢与干物质的积累降低^[13]。另外，在无机砷的胁迫下水稻幼苗的形态指标也会随砷浓度的增加而呈现下降的趋势，并且会降低水稻植株中的磷含量，因此也间接地使水稻的产量降低了^[14]。

由于水稻是一种长期存活在淹水环境中的农作物，其根表形成的铁膜是一个客观存在的事实^[15-16]。学者们普遍认为，淹水作物根表铁膜的形成机理是由于在厌氧的土壤中，二价亚铁离子（Fe² ）被根系分泌的氧气与氧化性的物质氧化成了三价铁离子（Fe³ ），并且沉淀在了水稻根表处及其质外体，从而形成了根表铁膜^[17] 。根表铁膜属于两性胶体，它不但可以吸附环境中的阳离子，亦可以吸附环境中的阴离子^[18] 。有大量的研究表明了，当植物吸收有益的营养元素与有害的元素时根表铁膜有很重要的作用。水生植物的根表铁膜在阻止植物吸收金属元素的同时能够暂时充当该植物根系的养分库，并且能在植物缺少该养分时将其活化并加以吸收利用^[19]。

目前的研究结果证明，水稻的根表铁膜对土壤环境中的砷有很强的亲和力或者富集效应，富集在根表铁膜中的砷大约有75%-80%，其中会有较少一部分进入到根内，极少量的才会被转运至地上部分，这才使得铁膜成为了元素砷进入到根系的缓冲区并降低了其在水稻生长过程中的可利用性^[20-22]。近年来，对于根表铁膜影响水稻砷吸收的报道已有不少，但是对于硅如何影响水稻根表铁膜的形成以及铁膜对于砷的吸收和转运的规律方面研究还很少。因而，研究硅对水稻根表铁膜的形成影响及铁膜对养分的富集、吸收与对重金属污染的控制已然成为了全球目前急需要解决的问题，这些研究对于降低环境中的有害物质进入到食物链、保障食品的安全和促进农业的可持续发展都具有非常重要的实际意义^[23-24]。

1.材料与方法

1.1水培实验设计

该实验所选取的水稻品种为镇稻16。挑选个大且饱满的水稻种子若干粒，并将其浸泡在30%的双氧水（H₂O₂）中15分钟，接着用蒸馏水洗净且放到培养箱里进行育苗。等幼苗长到3叶1心时, 选择长势及大小相似的水稻植株，移栽至塑料盆中，每盆栽种4株。用1/2的营养液培养30天后，将水稻秧苗放至蒸馏水中浸泡12小时，以免对铁和硅的测定产生影响。

1.1.1硅对水稻根表铁膜形成的影响

实验设4个铁浓度，分别为0、0.5、1、2mM（是mmol/L的缩写，并分别记为Fe0、Fe1、Fe2、Fe3）；3个硅浓度为0、1、4mM（分别记为Si0、Si1、Si2），然后选择上述水稻。每个处理都有3次重复，共有4*3*3=36个处理，共计36盆。铁以氯化亚铁（FeCl₂）形式加入，硅以硅酸钠（Na₂SiO₃）的形式加入。

往营养液中分别加入3个浓度的硅酸钠，再用0.1M（是mol/L的缩写）的盐酸（HCl）和氢氧化钠（NaOH）调节营养液中的pH值为5.5。加入硅3天后，把水稻放到蒸馏水中并培养12个小时，然后放入含有4个铁浓度的营养液中，用0.1M的HCl和NaOH调节营养液中的pH值并稳定在5.5，三天之后，分别将地上部茎叶和根两部分收获。地上部茎叶和根部先用自来水将杂物清洗干净，然后用蒸馏水冲洗净自来水。洗后将一部分的鲜根用于浸提根表铁膜，剩下的一部分装入信封中并放到70度的烘箱中烘48个小时至恒重。最后称量地上部和根部的干重。以下实验操作相同。

1.1.2根表铁膜对水稻砷吸收的影响

实验设4个铁浓度，分别为0、0.5、1、2mM；3个砷浓度为0、5、10uM (分别记为As0、As1、As2)，3次重复，共4*3*3=36盆，水稻继续使用上述水稻秧苗。往营养液中加入4个浓度的铁溶液，用0.1M的HCl和NaOH调节营养液中的pH并使之稳定在5.5。培养3天后，把水稻秧苗放到蒸馏水中并培养12小时，然后把水稻秧苗放到含3个砷浓度的营养液中，用0.1M的HCl和NaOH调节营养液中的pH并稳定在5.5，三天后收获。

1.1.3硅和铁对水稻砷吸收的影响

实验设2个铁浓度，分别为0、1 mM（分别记为Fe0、Fe1）；两个硅浓度为0、1mM（分别记为Si0、Si1）；三个砷浓度为0、5、10uM（分别记为As0、As1、As2）。重复3次，共2*2*3*3=36盆。水稻用上述秧苗，往营养液中加入两个浓度的铁溶液，用0.1M的HCl和NaOH调节营养液中的pH使之稳定在5.5，3天后，把水稻放到蒸馏水中培养12小时，再放到含有硅和砷的营养液中，用0.1M HCl和NaOH调节营养液中的pH稳定在5.5，三天后收获。

1.2生理指标的测定、样品的采集和处理

在测定水稻叶绿素实验中使用便携式SPAD仪测定可以代替离体法^[25]，本次的实验采用叶绿素测定仪（SPAD-502PLUS）测定其叶片的叶绿色度比值（SPAD）。测定时尽量保持相同部位叶片的相同部分，每个样品测量3次，并计算其平均值记为该样品的叶绿素值。再用米尺测量3次株高，取其平均值并记录。

在水稻收获以后，对水稻进行破坏性采样。将水稻分为地上部茎叶和根部，且用自来水冲洗干净并用自封袋装好带到实验室内。然后用蒸馏水冲洗掉自来水，放在信封袋内烘干后称量并用高速粉碎机粉碎，最后置于密封袋中，放在干躁器中保存，以供化学分析使用。

1.3样品分析

用DCB法提取水稻的根表铁膜^[26]。水稻的茎叶和根部采用H₂SO₄-H₂O₂的方法进行消煮，用邻啡罗啉比色法测定浸提液和消煮液中的铁含量；用钼蓝比色法测定浸提液和消煮液中的磷含量；用硅钼蓝比色法测定水稻提取液中的硅含量；用原子荧光光度法测定提取液和消煮液中的砷含量。

1.4数据分析

用Microsoft Excel 2010计算叶绿素值、生物量和各元素含量的平均值和标准误差，并用IBM SPSS Statistics 19对所有测量的数据进行显著性分析。

2.结果与讨论

2.1硅对水稻根表铁膜形成的影响

2.1.1外源硅对水稻SPAD和生物量的影响

有研究认为^[27]，硅不仅仅能够促进和增强水稻根系的生长和活力，而且还能够提高水稻对于水分与养分的吸收；硅使植株更加健壮的同时，能够促进水稻生殖器官的正常生长和发育，并让水稻能够提早抽穗，对谷粒的重量和穗粒成熟的百分率产生良好的影响。但是水稻缺硅的时候，会阻碍水稻分生部和幼叶的生长，使其根系的活力下降，最终导致水稻的生长发育受阻。

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