砷和草甘膦復(fù)合污染對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響

許昊　蘇鋒　高孝美

摘要：研究了砷（5～20 mg/L）和草甘膦（10～20 mg/L）單一和復(fù)合污染對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響。結(jié)果表明，砷和草甘膦處理均抑制了水稻種子萌發(fā)，且隨著處理濃度的增加，抑制作用增強(qiáng)。砷對(duì)水稻種子萌發(fā)抑制作用強(qiáng)于草甘膦，且砷對(duì)胚根生長的抑制作用強(qiáng)于胚芽。砷和草甘膦復(fù)合污染對(duì)水稻種子萌發(fā)具有協(xié)同抑制作用，但5 mg/L和10 mg/L砷處理減緩了草甘膦對(duì)水稻種子胚芽生長的抑制作用。

關(guān)鍵詞：砷；草甘膦；種子萌發(fā)；復(fù)合污染

中圖分類號(hào)：S511；X53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）22-5540-04

Abstract：Effect of arsenic （5～10 mg/L）and glyphosate （10～20 mg/L） single and combined application on rice seed germination were studied. The results showed that both arsenic and glyphosate inhibited the germination of rice seeds， and the inhibition effect enhanced with the increase of the concentration of treatment. The inhibition of arsenic on germination was stronger than that of glyphosate， and arsenic on radicle growth inhibition was stronger than germ. Arsenic and glyphosate combined together had synergistic inhibition effects on rice seed germination， but 5 mg/L and 10 mg/L As treatment alleviated the inhibition of glyphosate on rice seed germ growth.

Key words：arsenic； glyphosate； seed germination； compound pollution

環(huán)境中污染物種類繁多，使得環(huán)境中污染物種類很少單一存在，更多的是各污染物間相互影響及聯(lián)合性作用[1]。近年來，農(nóng)田環(huán)境中重金屬與除草劑復(fù)合污染的問題引起了廣泛關(guān)注。張倩茹等[2]研究表明，銅和乙草胺聯(lián)合施用破壞了黑土微生物群落物種多樣性和均一性。余保文[3]發(fā)現(xiàn)乙草胺增強(qiáng)了鎘對(duì)水稻的抑制作用，從而顯著降低葉綠素的含量，同時(shí)還促進(jìn)鎘在糙米中的積累。

砷是一種致癌物，廣泛存在于自然界之中。《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》表明，土壤砷污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到2.7%，僅次于鎘（7.0%）和鎳（4.8%）。農(nóng)田砷污染是中國中南、西南稻作區(qū)面臨的重要環(huán)境問題之一[4]。草甘膦是目前世界上使用量最大的除草劑。在中國草甘膦的產(chǎn)量已達(dá)到全球總產(chǎn)量的30%。土壤中的草甘膦殘留和農(nóng)藥漂移都將對(duì)植物的生長和產(chǎn)量造成不利的影響。王玉軍等[5]研究表明當(dāng)鎘與草甘膦共同作用于小麥時(shí)，鎘的存在增加了低濃度草甘膦的生物毒性，而降低了高濃度草甘膦的生物毒性或無影響，但隨著鎘濃度的增加，其與草甘膦的聯(lián)合毒性逐漸增加。然而目前關(guān)于砷與草甘膦聯(lián)合污染對(duì)植物生長的影響尚鮮見報(bào)道。

水稻是我國主要的糧食作物之一，與其他作物相比，水稻具有更強(qiáng)的吸收和累積砷的能力。本研究通過種子萌發(fā)試驗(yàn)，研究了不同濃度砷和草甘膦單一及復(fù)合處理?xiàng)l件下水稻種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根長、芽長及淀粉酶活性等指標(biāo)的變化，探討砷和草甘膦單一及復(fù)合污染對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響，旨在為了解砷和草甘膦對(duì)作物生長的影響及其防控提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻種子為豐兩優(yōu)香1號(hào)，由合肥豐樂種業(yè)股份有限公司生產(chǎn)。砷源為砷酸鈉（NaAsO3，AR）；草甘膦源為95%草甘膦，購自Sigma公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，砷（As）的處理濃度設(shè)為0、5、10、20 mg/L；草甘膦（GPS）的處理濃度設(shè)為0、10、20 mg/L。采用完全區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共12個(gè)處理，分別用CK（不加As和GPS）、As5、As10、As20、GPS10、GPS20、As5GPS10、As5GPS20、As10GPS10、As10GPS20、As20GPS10、As20GPS20表示，每個(gè)處理3次重復(fù)。

精選顆粒飽滿的水稻種子，用2%甲醛溶液消毒30 min后、用自來水反復(fù)清洗。然后加蒸餾水浸種24 h，再將水稻種子置于9 cm×9 cm的培養(yǎng)皿（底部墊上2～3張浸濕的濾紙保持濕潤）中，每皿50粒。加入處理液8 mL，處理期間不另外添加任何物質(zhì)。將種子放入光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，溫度設(shè)定為（25±1）℃，濕度恒定。培養(yǎng)的第4天測定發(fā)芽勢(shì)，培養(yǎng)7 d后測定發(fā)芽率、胚根長、胚芽長、淀粉酶活性等各項(xiàng)指標(biāo)。

1.3 測定方法

發(fā)芽率測定：當(dāng)水稻種子的胚根長與種子長相等，且胚芽長為種子長一半時(shí)為有效萌發(fā)。

發(fā)芽勢(shì)：水稻種子萌發(fā)前3 d的發(fā)芽數(shù)。

根長和芽長測定：種子根或芽開口處到根尖或芽尖長度。

α-淀粉酶活性和總淀粉酶活性測定均采用3，5-二硝基水楊酸法測定麥芽糖含量，以麥芽糖的每克新鮮植物樣每分鐘消耗量表示淀粉酶的活力。β-淀粉酶活性為總淀粉酶活性與α-淀粉酶活性之間的差值。

發(fā)芽指數(shù)：GI=Σ（Gt/Dt），式中Gt為不同時(shí)間的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽時(shí)間（d）。

種子活力指數(shù)：VI=S×Σ（Gt/Dt），式中S為一定時(shí)間內(nèi)幼苗生長勢(shì)，以每株苗平均鮮重表示。

根（芽）長抑制指數(shù)以平均根（芽）長計(jì)算，抑制指數(shù)=（CK長度-污染處理長度）/CK長度×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS V8進(jìn)行方差分析和Duncan法顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 砷和草甘膦復(fù)合污染對(duì)水稻種子發(fā)芽率和種子活力的影響

單一砷處理顯著抑制了水稻種子的萌發(fā)，使水稻種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、種子活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)均下降，且隨著砷處理濃度的增加而進(jìn)一步降低（表1）。5～20 mg/L砷處理?xiàng)l件下，水稻種子發(fā)芽率較CK下降了13.0%～59.5%，發(fā)芽勢(shì)較CK下降了26.1%～90.1%，種子活力指數(shù)較CK下降了22.7%～70.5%，種子發(fā)芽指數(shù)較CK下降了20.5%～82.8%。與CK相比，砷處理水稻種子的發(fā)芽勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)芽率，由此說明砷處理使水稻種子萌發(fā)延遲。

單一草甘膦處理同樣顯著抑制了水稻種子的萌發(fā)，但抑制作用沒有單一砷處理強(qiáng)（表1）。10～20 mg/L草甘膦處理水稻種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、種子活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)分別比CK下降了10.7%～11.0%、19.3%～38.2%、27.3%～38.6%和17.2%～29.6%。隨著草甘膦處理濃度的增加，水稻種子發(fā)芽率無顯著變化，但發(fā)芽勢(shì)、種子活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)均顯著下降。

砷和草甘膦處理對(duì)水稻種子萌發(fā)具有顯著的交互作用（P<0.05）（表1）。砷和草甘膦聯(lián)合處理進(jìn)一步抑制了水稻種子萌發(fā)，使其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和種子活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)進(jìn)一步下降，由此說明砷和草甘膦對(duì)水稻種子萌發(fā)存在協(xié)同抑制作用。

2.2 砷和草甘膦處理對(duì)水稻種子胚根和胚芽生長的影響

水稻種子在萌發(fā)過程中會(huì)將體內(nèi)儲(chǔ)存的物質(zhì)代謝成氨基酸和糖類運(yùn)輸?shù)脚呒?xì)胞，胚細(xì)胞利用這些物質(zhì)進(jìn)行有絲分裂和伸長，最終“脹破”表皮形成生物學(xué)上的胚根和胚芽。單一砷處理抑制了水稻種子的胚根長，且隨著砷處理濃度的增加，抑制作用進(jìn)一步增強(qiáng)（圖1和表2）。如5 mg/L 砷處理對(duì)水稻胚根長的抑制率為57.2%；而當(dāng)砷濃度達(dá)到20 mg/L時(shí)，水稻種子的胚根長只有0.49 cm，胚根長的抑制率高達(dá)89.7%。砷對(duì)水稻胚芽生長的抑制作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于胚根，5 mg/L As處理對(duì)胚芽的抑制率只有1.6%，而當(dāng)砷濃度增加到10 mg/L時(shí)，芽長的抑制率增加到19.5%。

草甘膦處理亦顯著抑制了水稻胚根和胚芽的生長，且隨著草甘膦處理濃度的增加，抑制作用呈現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢(shì)（圖1）。10 mg/L和20 mg/L草甘膦處理對(duì)水稻胚根長抑制率分別為60.0%和66.6%，對(duì)胚芽長的抑制率分別為47.7%和61.3%（表2）。

比較胚根長和胚芽長抑制指數(shù)發(fā)現(xiàn)，砷對(duì)胚根的抑制程度要明顯高于胚芽，而草甘膦對(duì)胚根和胚芽的抑制程度無明顯差別（圖1和表2）。砷和草甘膦的復(fù)合污染對(duì)水稻的胚根長有顯著的協(xié)同抑制作用，添加草甘膦使砷對(duì)水稻胚根長的抑制作用進(jìn)一步增加。然而與根不同，同一草甘膦處理?xiàng)l件下，添加5 mg/L和10 mg/L的砷處理水稻芽長反而高于不添加砷處理、芽長抑制指數(shù)則低于不添加砷處理，由此說明草甘膦處理?xiàng)l件下，適量的砷對(duì)水稻種子胚芽的生長產(chǎn)生了拮抗作用。

2.3 砷和草甘膦對(duì)水稻種子淀粉酶活性的影響

ɑ-淀粉酶是一種淀粉內(nèi)切酶，能夠?qū)χ辨湹矸圻M(jìn)行徹底的水解。β-淀粉酶則是一種端解酶，只能從淀粉的非還原端對(duì)淀粉進(jìn)行水解。（ɑ+β）淀粉酶能夠水解水稻種子90%左右的淀粉，是水稻種子萌發(fā)強(qiáng)弱的重要標(biāo)志。

單一砷處理降低了萌發(fā)水稻種子ɑ-淀粉酶和β-淀粉酶的活性，且隨著砷濃度的增大，ɑ-淀粉酶和β-淀粉酶的活性逐漸降低（圖2）。本研究中各濃度的砷處理水稻ɑ-淀粉酶和β-淀粉酶的活性較CK均有所降低。單獨(dú)草甘膦處理對(duì)水稻種子ɑ-淀粉酶活性影響不明顯，但顯著降低了β-淀粉酶的活性（圖2）。

同一砷濃度處理?xiàng)l件下，砷和草甘膦處理對(duì)水稻種子ɑ-淀粉酶活性無明顯影響，表明砷和草甘膦對(duì)ɑ-淀粉酶活性無明顯的交互作用。然而5 mg/L和10 mg/L砷處理?xiàng)l件下，隨著草甘膦濃度的增加水稻種子β-淀粉酶活性進(jìn)一步下降，說明砷和草甘膦處理對(duì)β-淀粉酶活性存在協(xié)同抑制作用。因此推測砷和草甘膦聯(lián)合處理協(xié)同抑制水稻的萌發(fā)原因之一是協(xié)同抑制了β-淀粉酶活性。

3 小結(jié)與討論

砷和草甘膦單獨(dú)處理顯著抑制了水稻種子萌發(fā)，降低了水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、種子活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)；砷污染對(duì)水稻種子萌發(fā)的抑制作用大于草甘膦。砷和草甘膦還明顯抑制了水稻種子胚根和胚芽的生長，其中砷對(duì)胚根的影響大于草甘膦，而對(duì)胚芽的影響小于草甘膦。

砷和草甘膦復(fù)合污染對(duì)水稻種子的發(fā)芽率、胚根的生長及β-淀粉酶活性具有協(xié)同抑制作用，但砷可以拮抗草甘膦對(duì)水稻胚芽長的抑制作用。

本試驗(yàn)條件下，砷處理抑制了水稻種子的萌發(fā)，使水稻種子發(fā)芽率、胚根和胚芽的生長及淀粉酶活性等指標(biāo)均下降，且隨著砷處理濃度的增加，抑制作用進(jìn)一步增強(qiáng)。這與前人的研究結(jié)果相類似。李仁英等[6]研究結(jié)果表明，當(dāng)砷處理濃度達(dá)到3 mg/L時(shí)，水稻種子的發(fā)芽率、根長和芽長均受到顯著抑制。砷對(duì)水稻種子胚根生長的抑制作用顯著高于胚芽處理，這與肖玲[7]在小麥種子上的研究結(jié)果相一致。當(dāng)砷的濃度≥1 mg/L時(shí)，對(duì)小麥根的生長具有顯著的抑制作用；然而當(dāng)砷的濃度≥7.5 mg/L時(shí)才顯著抑制了種子的發(fā)芽率及芽的生長。在重金屬的脅迫下，水稻細(xì)胞的代謝紊亂，有絲分裂減少[8]。水稻的胚根是整株植物中有絲分裂最旺盛的組織。因此砷對(duì)水稻胚根生長抑制作用強(qiáng)于胚芽的原因之一可能是由于砷抑制了水稻的有絲分裂造成的。

與砷處理類似，草甘膦處理同樣抑制了水稻種子的萌發(fā)，這與草甘膦處理抑制了玉米種子萌發(fā)的結(jié)果相一致[9]。草甘膦對(duì)水稻種子萌發(fā)的抑制作用小于砷處理，這很可能是因?yàn)樗痉N子對(duì)砷和草甘膦的吸收方式和程度不同，砷更容易被種子在吸收水分時(shí)吸收，從而對(duì)水稻種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的抑制作用更強(qiáng)。本研究中單獨(dú)草甘膦處理對(duì)水稻種子胚芽和胚根的抑制指數(shù)相當(dāng)，其原因可能是植物吸收草甘膦后在根尖和葉尖累積造成的[10]。

草甘膦分子中含有較多的配位基團(tuán)如羧基、氨基、磷酸基，對(duì)重金屬離子有很強(qiáng)的絡(luò)合能力。王米道等[11]發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cu2+與草甘膦復(fù)合污染時(shí)，Cu2+的存在一定程度上減弱了草甘膦對(duì)小麥發(fā)芽和芽長的抑制作用，其可能原因是草甘膦與Cu2+絡(luò)合形成了毒性較小的穩(wěn)定絡(luò)合物，使草甘膦毒性降低或失去活性。本研究中砷和草甘膦聯(lián)合處理對(duì)水稻種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)及胚根長和淀粉酶的活性產(chǎn)生了協(xié)同抑制作用，這與砷與草甘膦對(duì)秀麗陷桿線蟲的聯(lián)合毒性為協(xié)同作用相類似[12]。砷與草甘膦并不發(fā)生直接的化學(xué)作用，因此砷與草甘膦相互作用的機(jī)理需要進(jìn)一步深入探討。

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（責(zé)任編輯 韓 雪）