PAEs脅迫對(duì)高/低累積品種水稻根系形態(tài)及根系分泌低分子有機(jī)酸的影響

陳桐，蔡全英，吳啟堂，呂輝雄，曾巧云，李慧

1. 廣東高校土壤環(huán)境與廢物資源農(nóng)業(yè)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642 2. 暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣東省高校水土環(huán)境毒害性污染物防治與生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510632

PAEs脅迫對(duì)高/低累積品種水稻根系形態(tài)及根系分泌低分子有機(jī)酸的影響

陳桐1，蔡全英2*，吳啟堂1，呂輝雄1，曾巧云1，李慧2

1. 廣東高校土壤環(huán)境與廢物資源農(nóng)業(yè)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州 510642 2. 暨南大學(xué)環(huán)境學(xué)院，廣東省高校水土環(huán)境毒害性污染物防治與生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510632

以前期篩選獲得的鄰苯二甲酸酯（PAEs）高/低累積基因型水稻（Oryza sativa L.）品種（培雜泰豐/豐優(yōu)絲苗）進(jìn)行水培試驗(yàn)，分別于分蘗期和拔節(jié)期采集樣品，采用根系掃描儀分析根系形態(tài)學(xué)特性、高效液相色譜法測(cè)定根系分泌物中低分子有機(jī)酸成分，以及采用氣相色譜-質(zhì)譜儀（GC-MS）測(cè)定水稻根、莖、葉中 PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)。對(duì)比研究?jī)煞N基因型水稻的根系形態(tài)特征和根系分泌物（低分子有機(jī)酸）的差異，初步探討兩種基因型水稻吸收累積PAEs差異原因，為保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明，隨著培養(yǎng)液中PAEs質(zhì)量濃度增加，兩種基因型水稻總根長(zhǎng)、根表面積和根體積先增大后減??；相同PAEs質(zhì)量濃度下，高累積型品種培雜泰豐根系形態(tài)指標(biāo)大多高于豐優(yōu)絲苗。兩種水稻體內(nèi)的PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨污染物濃度增大而升高，高PAEs水平（80 mg·L-1）處理是低PAEs水平（20 mg·L-1）處理的3.8～7.3倍（鄰苯二甲酸二丁酯（DBP））和2.7～20.4倍（鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）），培雜泰豐高于豐優(yōu)絲苗。植物體內(nèi)DBP和DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)根>葉≥莖。分蘗期兩種水稻體內(nèi)DBP和DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于拔節(jié)期，且與營(yíng)養(yǎng)液中PAEs的質(zhì)量濃度呈顯著相關(guān)，但拔節(jié)期的相關(guān)程度減弱。拔節(jié)期兩種水稻根系分泌物中低分子有機(jī)酸質(zhì)量濃度隨培養(yǎng)液中PAEs質(zhì)量濃度升高呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，但二者草酸質(zhì)量濃度均增加（在1.11～8.13 mg·L-1之間），并與根系中DBP和DEHP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈顯著正相關(guān)。說(shuō)明PAEs脅迫會(huì)影響水稻根系形態(tài)和低分子有機(jī)酸分泌，進(jìn)而影響水稻對(duì)PAEs的吸收累積。

鄰苯二甲酸酯；水稻；吸收累積；根系形態(tài)；低分子有機(jī)酸

鄰苯二甲酸酯（PAEs，俗稱塑化劑）是一類(lèi)被廣泛用作塑料增塑劑等生產(chǎn)原料的有機(jī)化合物，其中鄰苯二甲酸二丁酯（DBP）和鄰苯二甲酸二（2-乙基己基）酯（DEHP）是兩種最常用的塑料增塑劑，在PVC塑料中其含量可達(dá)40%～60%(莫測(cè)輝等，2005)。隨著PAEs在工業(yè)中的大量使用和地膜覆蓋（包括塑料大棚）栽培技術(shù)的廣泛應(yīng)用，我國(guó)一些地區(qū)農(nóng)業(yè)土壤中PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到幾個(gè)至幾十個(gè)mg·kg-1，超過(guò)了相關(guān)土壤控制標(biāo)準(zhǔn)（Cai等，2008；Kong等，2012；Niu等，2014；Wang等，2013）。因此，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中PAEs的環(huán)境歸宿和生態(tài)效應(yīng)越來(lái)越受到關(guān)注（Cai等，2008；楊國(guó)義等，2007）。國(guó)內(nèi)外就PAEs對(duì)植物種子萌發(fā)、作物生長(zhǎng)質(zhì)量、土壤微生物和酶活性等毒性效應(yīng)進(jìn)行了一定的研究（Ma等，2013，2014；Yin等，2003；高軍和陳伯清，2008；秦華等，2005；謝慧君等，2009）。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 mg·kg-1時(shí)，蔬菜（如蘿卜、辣椒、白菜等）的生長(zhǎng)并未受明顯抑制，但在分子和細(xì)胞層面上已經(jīng)產(chǎn)生了毒害作用；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至10 mg·kg-1時(shí)，則出現(xiàn)植株矮小、抗性降低、生長(zhǎng)緩慢等嚴(yán)重的毒害效應(yīng)（宋廣宇等，2010；王曉娟等，2005；曾巧云等，2007）。但目前有關(guān)PAEs對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響研究鮮有報(bào)道（Cai等，2015；楊子江等，2013）。

PAEs是一類(lèi)典型的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，部分化合物具有潛在“三致”毒性。國(guó)內(nèi)外就人體對(duì)PAEs的暴露途徑及其來(lái)源等進(jìn)行了一定的研究。有研究發(fā)現(xiàn)，美國(guó)紐約州各類(lèi)食品均可檢測(cè)到PAEs，以谷類(lèi)的DBP和DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高（Schecter等，2013）。谷類(lèi)食品是我國(guó)人體每日攝入DEHP的主要來(lái)源，占DEHP總量的39.44%～44.57%（Sui等，2014）。另有研究表明，廣東省農(nóng)業(yè)土壤中美國(guó)環(huán)保局（USEPA）優(yōu)先控制的6種PAEs總質(zhì)量分?jǐn)?shù)以水田的最高，其高低次序?yàn)椋核?香蕉地>菜地>甘蔗地>果園地（楊國(guó)義等，2007）。基于此，我們前期采用廣東省廣泛種植的20個(gè)水稻（Oryza sativa L.）品種進(jìn)行土壤盆栽試驗(yàn)，研究了不同品種水稻對(duì)PAEs的吸收累積差異（即基因型差異），并篩選出培雜泰豐和豐優(yōu)絲苗分別為PAEs高、低累積基因型水稻品種。但不同品種水稻對(duì)PAEs吸收累積差異的機(jī)理尚不明確。目前關(guān)于PAEs對(duì)水稻根系形態(tài)特征和根系分泌物的影響及其與吸收累積差異的關(guān)系等方面鮮有報(bào)道（楊子江等，2013）。因此，本研究采用溶液培養(yǎng)試驗(yàn)，對(duì)比研究培雜泰豐和豐優(yōu)絲苗水稻根系形態(tài)特征和根系分泌物中低分子有機(jī)酸質(zhì)量濃度的差異，初步探討高/低累積 PAEs品種差異的機(jī)理，為保障農(nóng)產(chǎn)品安全提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和培養(yǎng)方法

水稻采用溶液培養(yǎng)法，營(yíng)養(yǎng)液為國(guó)際水稻營(yíng)養(yǎng)液通用配方（Yoshida等，1976；張振華等，2010）。試驗(yàn)采用2.0 L玻璃燒杯作為容器，上蓋厚0.4 mm、25 cm×25 cm圓形椴木板。木板以中心為圓點(diǎn)，均勻分布鉆4個(gè)直徑4.5 cm的圓孔，每個(gè)孔相距90°圓心角。燒杯外壁用錫箔紙和牛皮紙遮光防水。以高、低吸收累積基因型水稻品種（分別為培雜泰豐、豐優(yōu)絲苗品種）為供試植物（培雜泰豐種子購(gòu)自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，豐優(yōu)絲苗種子購(gòu)自廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院）。前期預(yù)實(shí)驗(yàn)設(shè)置50、100、200 mg·L-13個(gè)DBP、DEHP處理水平和空白處理，觀察水稻生長(zhǎng)發(fā)育狀況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)50 mg·L-1處理水稻長(zhǎng)勢(shì)良好，100 mg·L-1處理水稻生長(zhǎng)略受抑制，根莖葉發(fā)育正常，與空白處理差異不大；200 mg·L-1處理水稻至分蘗期后停止生長(zhǎng)，豐優(yōu)絲苗品種大部分萎縮死亡。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置3個(gè)DBP、DEHP污染水平，分別為20 mg·L-1（T1）、40 mg·L-1（T2）、80 mg·L-1（T3）和未添加污染物的空白處理（T0），每個(gè)質(zhì)量濃度設(shè)4個(gè)重復(fù)，隨機(jī)排列。

水稻種子經(jīng)蒸餾水常溫浸泡（24 h）、催芽（28 ℃培養(yǎng)72 h）后，采用廣州市園林科學(xué)研究所提供的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)（育苗專用）培養(yǎng)至3片真葉時(shí)，用蒸餾水洗凈后轉(zhuǎn)移至不添加污染物的 50%質(zhì)量濃度營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)，每個(gè)燒杯移植16株幼苗（4株幼苗為一撮），每天補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液至2 L，每3 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液。移苗第 6天將培養(yǎng)液質(zhì)量濃度升至100%，并添加污染物，其余條件保持不變。分別于移苗第 27、48天（即分蘗期和拔節(jié)期）采集植物樣品。根據(jù)水稻長(zhǎng)勢(shì)和樣品分析需要，分蘗期每個(gè)燒杯采集8株水稻，拔節(jié)期采用蒸餾水收集根系分泌物后采集水稻樣品，由基部剪切分為根系、莖、葉。用去離子水沖洗后進(jìn)行根系形態(tài)掃描，然后分別對(duì)根、莖、葉進(jìn)行PAEs含量測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 根系形態(tài)學(xué)特性參數(shù)與分析方法

將洗凈的水稻根系放在裝有去離子水的透明有機(jī)玻璃盤(pán)中，將根系擺放整齊后，運(yùn)用根系掃描儀（Epson 1460XL，日本）將根系圖像掃入電腦，使用根系分析軟件WinRHIZO（Regent Instruments Inc.，加拿大）對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲得總根長(zhǎng)、根直徑、根表面積等相關(guān)參數(shù)。

1.2.2 根系分泌物收集與HPLC測(cè)定

水稻拔節(jié)期采用蒸餾水收集法根系分泌物。收集前，用去離子水反復(fù)沖洗水稻根部，用濾紙吸干表面水分，將植物轉(zhuǎn)移至裝有500 mL滅菌蒸餾水的棕色磨砂廣口瓶中，每個(gè)瓶中插入四株長(zhǎng)勢(shì)一致的水稻植株。瓶的外壁用錫紙和牛皮紙包住，收集12 h后，40 ℃下真空旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮至50 mL，過(guò)0.45 mm微孔濾膜，-20 ℃冷藏備用。上機(jī)前樣品采用0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾去除雜質(zhì)。低分子量有機(jī)酸采用Agilent 1100液相色譜儀分析，檢測(cè)草酸、酒石酸、蘋(píng)果酸、檸檬酸、乙酸、丙二酸、丁二酸7種水稻常見(jiàn)根系分泌物中低分子有機(jī)酸（戢林等，2012）。檢測(cè)條件為：色譜柱TC-C18（4.6 mm×250 mm，5 μm)，柱溫25 ℃，檢測(cè)波長(zhǎng)210 nm，流動(dòng)相采用磷酸二氫鉀和甲醇混合液（97∶3，V/V），pH為2.8，流速為0.8 mL·min-1，進(jìn)樣量為20 μL。7種有機(jī)酸檢測(cè)限依次為草酸0.6 mg·L-1、酒石酸3 mg·L-1、蘋(píng)果酸3.8 mg·L-1、乙酸6.0 mg·L-1、檸檬酸5.6 mg·L-1、丙二酸2.8 mg·L-1、丁二酸3.5 mg·L-1。

1.2.3 PAEs含量的前處理與GC/MS分析

植物樣品采用二氯甲烷（色譜純）超聲波提取，方法參考USEPA 3500b（Cai等，2015）。準(zhǔn)確稱量粉碎后的植物樣品1.0 g于50 mL玻璃離心管中。加入20 mL二氯甲烷超聲提取10 min（重復(fù)3次），4000 r·min-1離心分離，過(guò)硅膠柱凈化，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（亞榮RE-52A，上海）濃縮，轉(zhuǎn)移定容后4 ℃保存待測(cè)。

待測(cè)液中DBP和DEHP采用氣相色譜-質(zhì)譜儀聯(lián)機(jī)（GC-MS）分析，參考 USEPA8270C方法（USEPA，1996）。GC-MS聯(lián)用儀型號(hào)為GC-MSQP 2010（島津，日本），色譜柱為DB-5MS石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），載氣為高純氦氣（He）。質(zhì)譜儀所用離子源為電子轟擊源（EI）。采用DBP與DEHP化合物標(biāo)樣的0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、4.0 mg·L-1為工作曲線。DBP回收率在76.9%至89.2%范圍內(nèi)，檢測(cè)限為2.0 μg·L-1；DEHP回收率為87.7%～104.5%，檢測(cè)限2.5 μg·L-1。水稻體內(nèi)DBP與DEHP含量以干重計(jì)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

雙因素分析和多重比較等數(shù)據(jù)處理采用 SPSS 19.0，圖表采用Excel處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種基因型水稻的根系形態(tài)參數(shù)差異

水稻分蘗期和拔節(jié)期的根系形態(tài)參數(shù)見(jiàn)表 1。在分蘗期，隨著營(yíng)養(yǎng)液中PAEs質(zhì)量濃度上升，兩種水稻根長(zhǎng)均先增大后減小。與空白相比，20 mg·L-1處理的培雜泰豐和豐優(yōu)絲苗其總根長(zhǎng)分別增加了3.0%和15.3%，說(shuō)明低質(zhì)量濃度PAEs可促進(jìn)水稻根系生長(zhǎng)；但高質(zhì)量濃度處理（80 mg·L-1）培雜泰豐和豐優(yōu)絲苗的平均總根長(zhǎng)分別比空白對(duì)照的下降了 13.5%和 20.6%，說(shuō)明高質(zhì)量濃度 PAEs抑制根系生長(zhǎng)。兩個(gè)品種相比，豐優(yōu)絲苗對(duì) PAEs的質(zhì)量濃度變化更敏感，表現(xiàn)為低質(zhì)量濃度促進(jìn)作用或高質(zhì)量濃度抑制作用更顯著。就根表面積而言，隨著PAEs污染質(zhì)量濃度增加，兩品種水稻根表面積先增大后減小，培雜泰豐在PAEs質(zhì)量濃度較高的環(huán)境下根表面積顯著大于豐優(yōu)絲苗。類(lèi)似地，低質(zhì)量濃度（20 mg·L-1）環(huán)境下根體積增大，高質(zhì)量濃度下（80 mg·L-1）根體積減小。培雜泰豐的根體積比豐優(yōu)絲苗對(duì)應(yīng)處理的高，且差異顯著。拔節(jié)期兩種水稻的根系形態(tài)指標(biāo)變化趨勢(shì)基本與分蘗期類(lèi)似，與前期相比，根系總根長(zhǎng)變長(zhǎng)，根表面積、體積增大，與空白對(duì)照相比，高質(zhì)量濃度（80 mg·L-1）處理培雜泰豐和豐優(yōu)絲苗根系3項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)差異顯著。將兩個(gè)時(shí)期的水稻品種和處理水平進(jìn)行雙因素分析，發(fā)現(xiàn)分蘗期水稻品種間差異和PAEs處理水平均對(duì)根系3個(gè)指標(biāo)有顯著影響，其中兩種水稻在根表面積和體積指標(biāo)上種間差異更為顯著。在拔節(jié)期，各處理水平的根長(zhǎng)和總根表面積2個(gè)指標(biāo)差異不明顯，而兩種水稻間3個(gè)指標(biāo)均有顯著差異。這說(shuō)明培雜泰豐、豐優(yōu)絲苗兩個(gè)品種之間根系形態(tài)差異顯著；一定質(zhì)量濃度范圍內(nèi)的PAEs在水稻生長(zhǎng)初期（分蘗期）顯著影響根系發(fā)育，隨著培養(yǎng)時(shí)間增加影響程度降低。

表1 兩種基因型水稻根系形態(tài)特征差異(單株)Table 1 The differences in root morphology characteristics of two genotypic rice cultivars (single plant)

總體上看，PAEs污染脅迫下，培雜泰豐較豐優(yōu)絲苗根系更為發(fā)達(dá)。當(dāng)作物受到逆境脅迫時(shí)，根系是最先感知脅迫的植物器官，作物通過(guò)調(diào)整根系生長(zhǎng)和代謝以適應(yīng)脅迫環(huán)境（Kummerová等，2013；Zhan等，2013）。有研究發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)量濃度多環(huán)芳烴（PAHs）促進(jìn)豌豆和玉米的根生長(zhǎng)，但高質(zhì)量濃度顯著抑制根生長(zhǎng)（Kummerová等，2013）。曾巧云等（2010）研究了PAEs高/低吸收累積基因型菜心（油青60 d和特青60 d）的根系形態(tài)差異，發(fā)現(xiàn)兩種菜心受到DEHP污染后，根系形態(tài)指標(biāo)均有一定減小，但高累積型菜心根系形態(tài)指標(biāo)總體上高于相同質(zhì)量濃度下的低累積型菜心，這與本研究的結(jié)果類(lèi)似。兩種基因型水稻根系形態(tài)差異顯著，高累積型水稻（培雜泰豐）可以更好的適應(yīng)環(huán)境中的PAEs脅迫，可能導(dǎo)致其吸收累積更多PAEs。

2.2 兩種基因型水稻根系分泌物的差異

拔節(jié)期水稻根系分泌物中可以檢測(cè)到7種目標(biāo)低分子有機(jī)酸（表2），空白對(duì)照和低質(zhì)量濃度處理檢測(cè)到的有機(jī)酸化合物偏多，草酸和酒石酸在各處理中均可測(cè)出。低質(zhì)量濃度（20 mg·L-1）處理培雜泰豐的有機(jī)酸種類(lèi)較空白增多。隨著污染物質(zhì)量濃度上升，培雜泰豐處理只檢測(cè)到草酸和酒石酸，且草酸質(zhì)量濃度逐漸增大，酒石酸減少。豐優(yōu)絲苗處理隨著PAEs污染水平升高檢測(cè)到的有機(jī)酸種類(lèi)減少，但草酸、酒石酸、丙二酸均可檢出，其中草酸隨營(yíng)養(yǎng)液中PAEs質(zhì)量濃度升高而增加，酒石酸波動(dòng)變化，丙二酸則逐漸減少。將草酸和酒石酸的質(zhì)量濃度與品種和處理水平進(jìn)行雙因素分析，得出水稻品種的差異是根系分泌物中草酸和酒石酸質(zhì)量濃度變化的顯著影響因素。兩種水稻草酸質(zhì)量濃度變化受PAEs處理水平的變化極顯著，酒石酸不顯著。

表2 兩種基因型水稻根系分泌物中七種低分子有機(jī)酸質(zhì)量濃度Table 2 Contents of low molecular weight organic acid in root exudates from two genotypic rice cultivars

受污染環(huán)境影響，植物根系釋放有機(jī)酸的種類(lèi)和質(zhì)量濃度會(huì)發(fā)生改變，以改變環(huán)境氧化還原條件和調(diào)節(jié)pH值，從而影響污染物的吸附解吸性能以及環(huán)境可利用性（Jones，1998；Wang等，2014）。例如，有研究發(fā)現(xiàn)植物提供的有機(jī)酸可降低重金屬的毒性，增加重金屬的生物可利用性和向植物體內(nèi)遷移速率（Shoko和Chisato，2005；施和平等，2010；云靈，2010）。在Cd脅迫下，水稻根系分泌物中檢出草酸、丙二酸、丁二酸、蘋(píng)果酸、乙酸、檸檬酸6種低分子量有機(jī)酸，以草酸和蘋(píng)果酸的分泌量較高，并呈現(xiàn)低污染質(zhì)量濃度促進(jìn)、高質(zhì)量濃度抑制有機(jī)酸分泌的現(xiàn)象（王玉云，2011）。類(lèi)似的現(xiàn)象出現(xiàn)在受PAHs影響的紅樹(shù)林（Wang等，2014）。而且，Wang等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，紅樹(shù)林分泌的低分子量有機(jī)酸其質(zhì)量濃度受PAHs質(zhì)量濃度和樹(shù)木品種影響，相同PAHs質(zhì)量濃度下，不同品種紅樹(shù)林其分泌的低分子量有機(jī)酸的質(zhì)量濃度存在顯著差異。這與本研究的結(jié)果相似。本研究發(fā)現(xiàn)，兩種基因型水稻的根系分泌物中草酸和酒石酸的質(zhì)量濃度存在差異（空白對(duì)照除外），且隨營(yíng)養(yǎng)液中PAEs質(zhì)量濃度增加培雜泰豐和豐優(yōu)絲苗的草酸質(zhì)量濃度升高。低分子有機(jī)酸可增加土壤中PAHs的生物有效性（Gao等，2015），根系分泌物中草酸可以促進(jìn)PAHs的解吸（Gao等，2010）。因此草酸可能在水稻受PAEs脅迫過(guò)程中產(chǎn)生一定的作用。具體作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

2.3 水稻體中PAEs含量

在分蘗期，隨著營(yíng)養(yǎng)液中PAEs質(zhì)量濃度上升，兩種水稻根、莖、葉中DBP和DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高（表3和表4），高質(zhì)量濃度處理（80 mg·L-1）的是低質(zhì)量濃度處理（20 mg·L-1）的 3.8～7.3倍（DBP）和 2.7～20.4倍（DEHP）。而且，高質(zhì)量濃度（80 mg·L-1）處理根系中DBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于莖和葉，培雜泰豐根、莖、葉中 DBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)比豐優(yōu)絲苗對(duì)應(yīng)器官的高。與分蘗期不同，高質(zhì)量濃度（80 mg·L-1）處理拔節(jié)期水稻根系吸收累積的DBP和DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)與分蘗期的相當(dāng)甚至更低，這可能是高質(zhì)量濃度處理影響根系生長(zhǎng)（表1），進(jìn)而影響其對(duì)DBP和DEHP的吸收累積。有研究表明，植物吸收可利用的有機(jī)污染物與植物的根系形態(tài)和生理特性有關(guān)，根系生物量大有利于植物捕獲有機(jī)污染物（Gao和Zhu，2004；Gao等，2005）。另外，拔節(jié)期各質(zhì)量濃度處理莖和葉中PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)較分蘗期的低，這可能與拔節(jié)期根系向地上部運(yùn)移的DBP和DEHP減少，而且該時(shí)期水稻莖葉生物量快速增加，莖葉中DBP和DEHP被一定程度稀釋有關(guān)。雙因素分析結(jié)果表明，在分蘗期，營(yíng)養(yǎng)液中 PAEs的質(zhì)量濃度變化是兩種水稻各部位PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化的主要影響因素，而拔節(jié)期這種影響減弱，說(shuō)明水稻抵御PAEs的脅迫能力增強(qiáng)。

水稻生長(zhǎng)初期（分蘗期），兩種水稻根、莖、葉中的DBP和DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大（表3、表4），但葉部的DBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍大于DEHP。在拔節(jié)期，除根部外，兩種水稻莖、葉中 DBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)則普遍小于DEHP。這可能與DBP和DEHP的理化性質(zhì)有關(guān)。DBP的正辛醇—水分配系數(shù)（Kow）低于DEHP（DBP和DEHP的lgKow分別為4.56和7.94），水溶性高于DEHP，導(dǎo)致DBP的生物可利用更高。但另一方面，進(jìn)入水稻體內(nèi)的DBP和DEHP可能存在植物體內(nèi)代謝，短直鏈的DBP代謝/降解率高于長(zhǎng)鏈且存在支鏈的DEHP（Zeng等，2004；王冬瑩等，2014）。例如，有研究發(fā)現(xiàn)，植物可以通過(guò)體內(nèi)代謝多環(huán)芳烴（蒽）和多溴聯(lián)苯醚（DBE-28、DBE-47）（Gao等，2013；Sun等，2013；Yu等，2013）。DBP在水生植物中降解速率較高，DEHP降解緩慢，這與烷基鏈的長(zhǎng)度有關(guān)，烷基鏈越長(zhǎng)酯鍵的水解越困難，降解速率越慢（Chi和Yang，2012；劉華等，2008）。本研究中，由于DEHP較 DBP難被水稻代謝，導(dǎo)致其在體內(nèi)積累。兩個(gè)品種相比，培雜泰豐體內(nèi)DBP和DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平普遍比豐優(yōu)絲苗高，可能存在吸收與代謝差異。具體原因有待進(jìn)一步研究。

表3 兩種基因型水稻植物體中DBP質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 DBP concentrations in plants of two genotypic rice cultivars

表4 兩種基因型水稻植物體中DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 4 DEHP concentration in plants of two genotypic rice cultivars

如前所述，根系分泌物草酸質(zhì)量濃度隨營(yíng)養(yǎng)液中PAEs質(zhì)量濃度增加而升高，酒石酸則有下降趨勢(shì)。將以上兩種有機(jī)酸相應(yīng)質(zhì)量濃度與水稻體中DBP和DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行相關(guān)性分析（表5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩種水稻根系中DBP、DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)與草酸的質(zhì)量濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與酒石酸總體上呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.05），但兩種水稻分別比較則無(wú)相關(guān)性。有研究表明，植物分泌草酸可以調(diào)節(jié)根系環(huán)境pH值、菌群活性以及一些金屬陽(yáng)離子的濃度，對(duì)有機(jī)污染物生物有效性和根系吸收能力有促進(jìn)作用（Bais等，2006；Gao等，2015）。推測(cè)本研究中草酸有緩解PAEs毒性甚至促進(jìn)水稻根系吸收DBP和DEHP的作用。

表5 水稻根系分泌物中草酸、酒石酸質(zhì)量濃度與根系中DBP、DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis with the contents of oxalic acid/ tartaric acid in root exudates and the concentrations of DBP, DEHP in roots

3 結(jié)論

（1）隨著培養(yǎng)液中PAEs質(zhì)量濃度增加，培雜泰豐（高累積型）和豐優(yōu)絲苗（低累積型）的總根長(zhǎng)、根表面積和根體積均先增加后減少。而且高質(zhì)量濃度處理的培雜泰豐的總根長(zhǎng)、根表面積、根體積顯著高于豐優(yōu)絲苗。高質(zhì)量濃度PAEs處理對(duì)兩種水稻分蘗期根系發(fā)育影響顯著，至拔節(jié)期影響減弱。

（2）分蘗期兩種水稻體內(nèi)PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著培養(yǎng)液中PAEs質(zhì)量濃度升高顯著增大，培雜泰豐植物體中 PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于豐優(yōu)絲苗；各部位DBP、DEHP質(zhì)量濃度呈現(xiàn)根>莖≥葉。拔節(jié)期分布規(guī)律與分蘗期相似，但兩種水稻體內(nèi)PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)較分蘗期降低，各部位DBP、DEHP質(zhì)量濃度高低次序?yàn)楦?葉≥莖。營(yíng)養(yǎng)液中PAEs的質(zhì)量濃度是影響分蘗期水稻體內(nèi)PAEs質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要因素，拔節(jié)期水稻抗PAEs脅迫的能力增強(qiáng)。

（3）水稻根系分泌物中低分子有機(jī)酸受到PAEs脅迫后質(zhì)量濃度大多降低，但草酸質(zhì)量濃度均逐漸增大。草酸質(zhì)量濃度變化和水稻根系中DBP、DEHP質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化呈極顯著正相關(guān)，推測(cè)草酸在水稻受PAEs脅迫過(guò)程中可產(chǎn)生一定作用。

BAIS H P, WEIR T L, PERRY L G, et al. 2006. The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms[J]. Annual Review Plant Biology, 57: 233-266.

CAI Q Y, MO C H, WU Q T, et al. 2008. The status of soil contamination by semivolatile organic chemicals (SVOCs) in China: A review[J]. Science of the Total Environment, 389(2-3): 209-224.

CAI Q Y, XIAO P Y, CHEN T, et al. 2015. Genotypic variation in the uptake, accumulation, and translocation of di-(2-ethylhexyl) phthalate by twenty cultivars of rice (Oryza sativa L.) [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 116: 50-58.

CHI J E, YANG Q. 2012. Effects of Potamogeton crispus L. on the fate of phthalic acid esters in an aquatic microcosm[J]. Water Research, 46(8): 2570-2578.

GAO Y Z, REN L L, LING W T, et al. 2010. Desorption of phenanthrene and pyrene in soils by root exudates[J]. Bioresource Technology, 101(4): 1159-1165.

GAO Y Z, YUAN X J, LIN X H, et al. 2015. Low-molecular-weight organic acids enhance the release of bound PAH residues in soils[J]. Soil & Tillage Research, 145: 103-110.

GAO Y Z, ZHANG Y, LIU J, et al. 2013. Metabolism and subcellular distribution of anthracene in tall fescue (Festuca arundinacea Schreb.)[J]. Plant Soil, 365: 171-182.

GAO Y Z, ZHU L Z, LING W T. 2005. Application of the partition-limited model for plant uptake of organic chemicals from soil and water[J]. Science of the Total Environment, 336: 171-182.

GAO Y Z, ZHU L Z. 2004. Plant uptake, accumulation and translocation of phenanthrene and pyrene in soils[J]. Chemosphere, 55: 1169-1178.

JONES D L. 1998. Organic acids in the rhizosphere——a critical review[J]. Plant and Soil, 205: 25-44.

KONG S F, JI Y Q, LIU L L, et al. 2012. Diversities of phthalate esters in suburban agricultural soils and wasteland soil appeared with urbanization in China[J]. Environmental Pollution, 170: 161-168.

KUMMEROVá M, ZEZULKA ?, BABULA P, et al. 2013. Root response in Pisumsativum and Zea mays under fluoranthene stress: Morphological and anatomical traits[J]. Chemosphere, 90(2): 665-673.

MA T T, CHRISTIE P, TENG Y, et al. 2013. Rape (Brassica chinensis L.) seed germination, seedling growth, and physiology in soil polluted with di-n-butyl phthalate and bis(2-ethylhexyl) phthalate[J]. Environmental Science and Pollution Research, 20(8): 5289-5298.

MA T T, CHRISTIE P, LUO Y M, et al. 2014. Physiological and antioxidant responses of germinating mung bean seedlings to phthalate esters in soil[J]. Pedosphere, 24(1): 107-115.

NIU L L, XU Y, XU C, et al. 2014. Status of phthalate esters contamination in agricultural soils across China and associated health risks[J]. Environmental Pollution, 195: 16-23.

SCHECTER A, LORBER M, GUO Y, et al. 2013. Phthalate concentrations and dietary exposure from food purchased in New York State[J]. Environmental Health Perspectives, 121(4): 473-479.

SHOKO I, CHISATO T. 2005. Effect of dissolved organic matter on toxicity and bioavailability of copper for lettuce sprouts [J]. Environment International, 31(4): 603-608.

SUI H X, ZHANG L, WU P G, et al. 2014. Concentration of di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) in foods and its dietary exposure in China[J]. International Journal Hygiene and Environmental Health, 217(6): 695-701.

SUN J T, LIU J Y, YU M, et al. 2013. In Vivo Metabolism of 2,2’,4,4’-tetrabromodiphenyl ether (BDE-47) in young whole pumpkin plant[J]. Environmental Sciences Technology, 47(8): 3701-3707.

USEPA. 1996. Method 8270C Semivolatile organic compounds by gas chromatography-mass spectrometry (GC/MS). Revision 3 ed. United States Environmental Protection Agency.

WANG J, LUO Y, TENG Y, et al. 2013. Soil contamination by phthalate esters in Chinese intensive vegetable production systems with different modes of use of plastic film[J]. Environmental Pollution, 180: 265-273.

WANG Y, FANG L, LIN L, et al. 2014. Effects of low molecular-weight organic acids and dehydrogenase activity in rhizosphere sediments of mangrove plants on phytoremediation of polycyclic aromatic hydrocarbons[J]. Chemosphere, 99: 152-159.

YIN R, LIN X G, WANG S G, et al. 2003. Effect of DBP/DEHP in vegetable planted soil on the quality of capsicum fruit[J]. Chemosphere, 50(6): 801-805.

YOSHIDA S, FORNO D A, COCK J H, et al. 1976. Laboratory manual for physiological studies of rice[M]. Philippines Laguna: IRRI: 66-78.

YU M, LIU J Y, WANG T, et al. 2013. Metabolites of 2,4,4′-tribrominated diphenyl ether (BDE-28) in pumpkin after in vivo and in vitro exposure[J]. Environmental Science and Technology 47(23): 13494-13501.

ZENG F, CUI K Y, LI X D, et al. 2004. Biodegradation kinetics of phthalateesters by Pseudomonas fluoresences FS1[J]. Process Biochemistry, 39: 1125-1129.

ZHAN X H, LIANG X, XU G H, et al. 2013. Influence of plant root morphology and tissue composition on phenanthrene uptake: Stepwise multiple linear regression analysis[J]. Environmental Pollution, 179: 294-300.

高軍, 陳伯清. 2008. 酞酸酯污染土壤微生物效應(yīng)與過(guò)氧化氫酶活性的變化特征[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 22(6): 166-169.

劉華, 沈新天, 孫麗娜, 等. 2008. 普通小球藻對(duì)鄰苯二甲酸二丁酯的富集與降解研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 27(6): 2391-2395.

戢林, 李廷軒, 張錫洲, 等. 2012. 水稻氮高效基因型根系分泌物中有機(jī)酸和氨基酸的變化特征[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 18(5): 1046-1055.

莫測(cè)輝, 李云輝, 蔡全英, 等. 2005. 農(nóng)用肥料中有機(jī)污染物的初步檢測(cè)[J]. 環(huán)境科學(xué), 26(3): 209-213.

秦華, 林先貴, 陳瑞蕊, 等. 2005. DEHP對(duì)土壤脫氫酶活性及微生物功能多樣性的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 42(5): 829-834.

施和平, 曾寶強(qiáng), 王云靈, 等. 2010. 鎘及其與鈣組合對(duì)褐脈少花龍葵毛狀根生長(zhǎng)、抗氧化酶活性和吸收鎘的影響[J]. 生物工程學(xué)報(bào), 26(2): 147-158.

宋廣宇, 代靜玉, 胡鋒. 2010. 鄰苯二甲酸酯在不同類(lèi)型土壤-植物系統(tǒng)中的累積特征研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 29(8): 1502-1508.

王冬瑩, 蕭璽琴, 楊子江, 等. 2014. 農(nóng)田土壤酞酸酯的生物降解及真菌生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 37(2): 38-43.

王曉娟, 金樑, 陳家寬. 2005. 環(huán)境激素 DBP對(duì)擬南芥體外培養(yǎng)葉片超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 西北植物學(xué)報(bào), 25(7): 1362-1367.

王玉云. 2011. Cd脅迫對(duì)不同水稻根系分泌有機(jī)酸和氨基酸及根系Cd含量的影響[D]. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué): 59.

謝慧君, 石義靜, 騰少香, 等. 2009. 鄰苯二甲酸酯對(duì)土壤微生物群落多樣性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué), 30(5): 1286-1291.

楊國(guó)義, 張?zhí)毂? 高淑濤, 等. 2007. 廣東省典型區(qū)域農(nóng)業(yè)土壤中鄰苯二甲酸酯的分布特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 18(10): 2308-2312.

楊子江, 饒剛順, 肖立中, 等. 2013. 酞酸酯污染脅迫對(duì)2個(gè)水稻品種生長(zhǎng)和生理特性的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 7: 1-6.

云靈. 2010. 鎘對(duì)南美蟛蜞菊毛狀根生長(zhǎng)、鎘吸收及細(xì)胞毒性的影響以及鈣的緩解效應(yīng)[D]. 華南師范大學(xué): 65.

曾巧云, 莫測(cè)輝, 蔡全英, 等. 2007. 不同基因型菜心-土壤系統(tǒng)中鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯的分布特研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 26(6): 2239-2244.

曾巧云, 莫測(cè)輝, 蔡全英, 等. 2010. 兩種基因型菜心根系形態(tài)和生理特性差異對(duì)其吸收累積 DEHP影響的初步研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 30(6): 1280-1285.

張振華, 劉強(qiáng), 宋海星, 等. 2010. K+, Ca2+和 Mg2+對(duì)不同水稻(Oryza sativa L.)基因型苗期耐鹽性的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 43(15): 3088-3097.

Effects of PAE Stress on Root Morphology and Low Molecular Weight Organic Acid (LMWOC) in Root Exudates of Rice (Oryza sativa L.) Cultivars with Highand Low-PAE Accumulation

CHEN Tong1, CAI Quanying2*, WU Qitang1, LV Huixiong1, ZENG Qiaoyun1, LI Hui2
1. Key Laboratory of Soil Environment and Waste Reuse in Agriculture of Guangdong Higher Education Institutions, College of Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China 2. Key Laboratory of Water/Soil Toxic Pollutants Control and Bioremediation of Guangdong Higher Education Institutions, School of Environment, Jinan University, Guangzhou 510632, China

Two different genotypic cultivars of rice (Oryza sativa L.) with PAE (phthalic acid esters) high-accumulation (cultivar Peizataifeng) and low-accumulation (cultivar Fengyousimiao), were grown in hydroponic systems contaminated with PAEs (0, 20, 40, and 80 mg·L-1). Plant samples were collected at tillering and jointing stage, root morphological properties were analyzed by root scanner, low molecular weight organic acids in root exudates were determined by HPLC, and di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP) and di-n-butyl phthalate (DBP) in roots, stems, and leaves of rice were analyzed using gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS). The responses of root morphological characteristics (including total root length, root surface area, and root volume) and low molecular weight organic acid (LMWOC) in root exudates were analyzed to investigate the variation factors of high- and low-PAE accumulation of rice cultivars. The results show that, with the increase of PAE concentrations in solution, total root length, root surface area, and root volume of two cultivars increased firstly and then decreased. In the same PAE concentration, root morphological parameters of cultivar Peizataifeng were generally higher than cultivar Fengyousimiao. Change of PAE concentrations in solution was a key factor affecting early growth differences in root morphology of the two rice cultivars. PAE concentrations in the plants of two cultivars increased with PAE concentrations in solution, and those of cultivar Peizataifeng were also higher than cultivar Fengyousimiao. The concentrations of DEHP and DBP in different tissues decrease in the order of roots>leaves≥stems. At tillering stage, PAE concentrations in the plants of two cultivars were significantly correlated with PAE concentrations in solution, but poorly correlated at jointing stage. LMWOC concentrations in root exudates of two cultivars displayed different change trends with PAE concentrations in solution, but concentrations of oxalic acid increased (ranging from 1.11 to 8.13 mg·L-1). Moreover, concentrations of oxalic acid were significantly positively correlated with the concentrations of DBP and DEHP in roots. These results suggested that PAE stress had effects on root morphology and LMWOC of two rice cultivars, and then affected the uptake and accumulation of PAEs in rice plants.

phthalic acid esters; rice; accumulation; root morphology; low molecular weight organic acid

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.019

X171.5

A

1674-5906（2015）03-0494-07

陳桐，蔡全英，吳啟堂，呂輝雄，曾巧云，李慧. PAEs脅迫對(duì)高/低累積品種水稻根系形態(tài)及根系分泌低分子有機(jī)酸的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(3): 494-500.

CHEN Tong, CAI Quanying, WU Qitang, LV Huixiong, ZENG Qiaoyun, LI Hui. Effects of PAE Stress on Root Morphology and Low Molecular Weight Organic Acid (LMWOC) in Root Exudates of Rice (Oryza sativa L.) Cultivars with High- and Low-PAE Accumulation [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 494-500.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41273113）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B020310008）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（21613329）

陳桐（1990年生），碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥烙袡C(jī)污染與農(nóng)產(chǎn)品安全。Email: 657372645@qq.com *通信地址：蔡全英（1974年生），教授，研究方向?yàn)橥寥烙袡C(jī)污染與農(nóng)產(chǎn)品安全。Email: cai_quanying@yahoo.com

2015-01-21