Fe2+和Mn2+對(duì)水稻根表鐵膜及鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響*

董明芳 郭軍康 馮人偉 王瑞剛 丁永禎 徐應(yīng)明 范稚蓮

(1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧 530003；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所農(nóng)田重金屬污染修復(fù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，天津 300191；3.陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710021；4.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191)

Fe2+和Mn2+對(duì)水稻根表鐵膜及鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響*

董明芳1，2郭軍康3#馮人偉2王瑞剛2丁永禎4徐應(yīng)明2范稚蓮1

(1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣西 南寧530003；2.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所農(nóng)田重金屬污染修復(fù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，天津300191；3.陜西科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710021；4.農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191)

采用水培實(shí)驗(yàn)，研究外源添加Fe2+和Mn2+對(duì)水稻幼苗根表鐵膜形成、抗氧化酶活性及鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)的影響。結(jié)果表明：(1)添加Fe2+使水稻幼苗根表鐵膜中鐵元素顯著增加114.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，錳和鎘元素則分別顯著降低了55.2%和42.3%(P<0.05)；添加Mn2+使鐵膜中錳元素顯著增加180.1%，鎘元素則顯著降低了18.0%。(2)添加Fe2+能顯著降低水稻幼苗葉片中活性氧(ROS)，緩解ROS對(duì)水稻幼苗的毒害；添加Mn2+使得葉片中ROS、超氧化物歧化酶和谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶增加，Mn2+處理引起的ROS升高可能起到誘導(dǎo)水稻脅迫應(yīng)答，緩解鎘毒害作用。

水稻 根表鐵膜 鐵 錳 鎘

鐵膜是水稻等植物適應(yīng)環(huán)境脅迫的重要機(jī)制之一。有報(bào)道表明，鐵膜能通過(guò)吸附和共沉淀等物理化學(xué)作用影響金屬離子在土壤中的化學(xué)行為和生物活性[1]336。水稻在淹水條件下，根際土壤中大量的Fe2+和Mn2+等被水稻根部通氣組織分泌的氧氣氧化，形成一層覆蓋在水稻根表及根質(zhì)外體上的鐵膜[2]。關(guān)于水稻根際鐵膜的形成機(jī)制報(bào)道有很多。傅友強(qiáng)等[3]1528指出，水稻根表鐵膜由結(jié)晶態(tài)和無(wú)定型態(tài)鐵氧化物或氫氧化物等組成。陳學(xué)萍等[4]則發(fā)現(xiàn)，鐵膜主要由水鐵礦組成，并含有少量針鐵礦和赤鐵礦等晶體。根部氧化作用和根際Fe2+濃度是根表鐵膜形成的兩個(gè)重要條件，水稻根部氧化能力主要依靠根部氧化酶、根部分泌氧化性物質(zhì)、氧氣和根際氧化性微生物等[5]。水稻根部存在氧化物酶系，能把Fe2+氧化成Fe3+[1]338。

鐵膜對(duì)植物根部吸收礦質(zhì)元素的影響除與環(huán)境條件有關(guān)外，主要與鐵膜的厚度和性質(zhì)有關(guān)，適量鐵膜可促進(jìn)水生植物對(duì)磷、鋅等養(yǎng)分的吸收，但鐵膜過(guò)多會(huì)抑制根部對(duì)養(yǎng)分和污染物的吸收[3]1529，[6]，這為降低水稻吸收富集鎘提供新思路，即通過(guò)調(diào)節(jié)根表鐵膜，控制對(duì)鎘等重金屬的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)[7-10]，[11]434-436。

鐵膜形成也受根際環(huán)境(CO2、pH、錳等)、水分和植物種類等因素的影響。研究發(fā)現(xiàn)，CO2促進(jìn)根部鐵膜(根尖除外)的形成[12]。在水培條件下，過(guò)量的CO2易于形成針鐵礦，無(wú)CO2或低CO2時(shí)Fe2+快速氧化和水解，形成纖鐵礦[13]。在一定pH(3～6)內(nèi)，水培的植物鐵膜數(shù)量與pH正相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，蘆葦生長(zhǎng)在pH較高(6.0)條件下形成的鐵膜較厚，pH較低(3.5)時(shí)形成的鐵膜相對(duì)很薄[14-15]。錳的存在也增加了鐵膜的吸附能力，錳氧化物雖然在鐵膜中所占的比例不大，但錳膜比鐵膜的表面活性和催化能力更強(qiáng)，對(duì)重金屬的吸附更大[16-17]。

然而，外源添加Fe2+和Mn2+對(duì)根表鐵膜形成及其對(duì)植物生長(zhǎng)和生理影響的相關(guān)研究不多。本研究通過(guò)探討外源添加Fe2+和Mn2+對(duì)水稻幼苗根表鐵膜形成及其對(duì)鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)和水稻幼苗抗氧化酶活性的影響，為抑制重金屬鎘在水稻體內(nèi)的遷移提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

供試水稻品種：“揚(yáng)稻6號(hào)”，江蘇里下河地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育。

水培營(yíng)養(yǎng)液為國(guó)際水稻培養(yǎng)液配方[18]，其中鎘元素為1.0mg/L(見(jiàn)表1)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理(不添加Fe2+和Mn2+的處理記為CK；加入Mn2+至1.00mg/L記為T(mén)Mn；加入Fe2+至4.00mg/L記為T(mén)Fe)，每個(gè)處理設(shè)置5次重復(fù)。

表1 營(yíng)養(yǎng)液微量元素配方表

1.2 實(shí)驗(yàn)處理

挑選籽粒飽滿的水稻種子用3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的NaClO消毒15 min后，將種子用去離子水清洗5～6次，將表面消毒后種子播種到以蛭石作為基質(zhì)的穴盤(pán)中，將穴盤(pán)置于控溫、控濕和固定光照時(shí)間的人工氣候室內(nèi)培養(yǎng)。培養(yǎng)條件：日光照時(shí)長(zhǎng)為14 h，黑夜時(shí)長(zhǎng)10 h，白晝時(shí)段溫度為(26±2) ℃，黑夜時(shí)段溫度為(20±2) ℃，濕度為60%。培養(yǎng)兩周待水稻發(fā)育后，選取大小均一的四葉期水稻幼苗移栽至盛有1 L營(yíng)養(yǎng)液的黑色聚氯乙烯(PVC)培養(yǎng)罐(高14 cm，底部直徑11 cm)中進(jìn)行1周適應(yīng)性培養(yǎng)，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)處理，每盆種植兩株水稻苗，每周換營(yíng)養(yǎng)液1次。上述處理置于人工氣候室培養(yǎng)3周后收樣。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 水稻地上與地下部鎘元素含量測(cè)定

從人工氣候室水培條件下培養(yǎng)3周的水稻幼苗上取0.20 g左右葉片鮮樣，液氮速凍后轉(zhuǎn)移至-80 ℃冰箱低溫保存待用。沿莖基部將水稻幼苗地上部和根部分開(kāi)，用去離子水沖洗地上部3次，根部浸泡入5.0 mmol/L乙二胺四乙酸(EDTA)溶液中15 min，以去除根表附著鎘，然后用去離子水沖洗5次，分別將地上部與地下部水稻樣品裝入紙袋，75 ℃殺青，65 ℃烘干至恒量待用。將上述水稻幼苗根部和地上部莖葉分別磨碎，稱取0.25 g左右混勻后的樣品，加入硝酸15 mL，搖勻靜置6～8 h，然后放置于電熱消解儀(DigiBlock ED54)中(80 ℃下1.5 h、120 ℃下1.5 h、150 ℃下3.0 h)消解，摘掉消解管蓋子在175 ℃趕酸至體積<1 mL，消解液用超純水定容至25 mL，過(guò)濾后用電感耦合等離子體(ICP)-質(zhì)譜(MS)儀(iCAP-Qc，德國(guó)ThermoFisher)測(cè)定鎘元素濃度[19]?？瞻缀蜆?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07605(國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心提供)與樣品同步處理，以確保測(cè)定的準(zhǔn)確度。

1.3.2 水稻葉片抗氧化酶測(cè)定

稱取0.20 g左右葉片，液氮研磨，加入5 mL提取緩沖液(50 mmol/L磷酸鉀緩沖液(pH=7))，1 mmol/L EDTA，1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))PVPP-30，1 mmol/L抗壞血酸(僅在抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)測(cè)定時(shí)加入)，勻漿4 ℃，10 000 r/min離心10 min，去上清液待測(cè)。采用酶聯(lián)免疫分析試劑盒[20]，應(yīng)用雙抗體夾心法測(cè)定植物中的超氧化物歧化酶(SOD)、活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶(GST)、APX。用純化的植物酶抗體包被微孔板，加入酶樣品，再與HRP標(biāo)記的酶抗體結(jié)合，形成抗體-抗原-酶標(biāo)抗體復(fù)合物，徹底洗滌后加底物TMB顯色，在HRP酶的催化下轉(zhuǎn)成藍(lán)色，在酸的作用下最終轉(zhuǎn)化成黃色，用酶標(biāo)儀(iMark，BIO-RAD)在450 nm波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品酶濃度。

1.3.3 根表鐵膜鐵、錳和鎘元素含量測(cè)定

將收獲后的水稻幼苗根部用去離子水沖洗兩遍，瀝干水分后從莖基部將根剪下，置于盛有60 mL DCB提取液(0.03 mol/L檸檬酸三鈉和0.125 mol/L NaHCO3)的100 mL燒杯中，同時(shí)加入Na2S2O41.0 g，充分混合均勻，室溫下靜置提取1 h，然后將浸提液過(guò)0.45 μm的針孔式水系濾膜，ICP-MS測(cè)定鐵、錳和鎘元素含量，或在4 ℃下保存。

1.4 數(shù)據(jù)分析

轉(zhuǎn)移鎘的能力用轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)表示，其中水稻幼苗根表鐵膜向地上部、根部向地上部、根表鐵膜向根部的TF分別為T(mén)F-鐵膜(即水稻幼苗地上部與根表鐵膜的鎘元素質(zhì)量濃度比值)、TF-根(即水稻幼苗地上部與根部的鎘元素質(zhì)量濃度比值)、TF-鐵膜-根(即水稻幼苗根部與根表鐵膜的鎘元素質(zhì)量濃度比值)。

使用SPSS 16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和單因素方差分析，最小顯著性差異法(LSD)設(shè)置為0.05檢驗(yàn)顯著性差異。

2 結(jié)果與分析

2.1水稻根表鐵膜金屬元素含量

根據(jù)表2，添加Fe2+顯著提高了水稻根表鐵膜中的鐵元素濃度，比CK處理提高了114.9%，但顯著降低了錳元素濃度，比CK處理低55.2%；添加Mn2+顯著提高了錳元素濃度，比CK處理提高了180.1%，但對(duì)鐵元素濃度沒(méi)有顯著影響。添加Fe2+和Mn2+均顯著降低了鎘元素質(zhì)量濃度，分別比CK處理降低了42.3%、18.0%。

表2 添加Fe2+和Mn2+水培3周后水稻根表鐵膜中的金屬元素質(zhì)量濃度1)

注：1)不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，相同則差異不顯著。圖1、圖2、表3和表4同。

2.2 水稻根部與地上部生物量及鎘元素含量

根據(jù)圖1，添加Fe2+和Mn2+顯著促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，根部生物量比CK處理分別增加了96.5%、83.0%，地上部生物量分別增加了43.1%、29.1%。

圖1 添加Fe2+和Mn2+水培3周后水稻根部與地上部生物量變化Fig.1 The biomass of rice root and aerial part with different treatments after 3 weeks of hydroponic culture

根據(jù)圖2，與CK處理相比，添加Fe2+處理后，根部鎘元素?zé)o顯著變化，而地上部鎘元素顯著降低16.8%；添加Mn2+處理后，根部鎘元素顯著增加了38.4%，而地上部鎘元素?zé)o顯著變化。

圖2 添加Fe2+和Mn2+水培3周后水稻根部與地上部鎘元素質(zhì)量濃度變化Fig.2 The Cd concentrations in rice root and aerial part with different treatments after 3 weeks of hydroponic culture

由表3可見(jiàn)，與CK處理相比，添加Fe2+和Mn2+后TF-鐵膜-根和添加Mn2+后TF-鐵膜顯著升高，添加Fe2+后TF-根顯著降低。說(shuō)明添加Fe2+和Mn2+促進(jìn)了鎘在根部的累積。

表3 鎘由水稻根表鐵膜、根部向地上部以及鐵膜向根部的轉(zhuǎn)運(yùn)

2.3 水稻葉片抗氧化酶活性

由表4可見(jiàn)，與CK處理相比，添加Fe2+和Mn2+處理的SOD、APX變化不大，但ROS變化顯著。與CK處理相比，添加Fe2+后ROS顯著降低了84.7%，添加Mn2+后卻顯著增加了31.8%。添加Fe2+或Mn2+處理的GST與ROS變化趨勢(shì)一致。與CK處理相比，添加Fe2+后GST降低了12.2%，添加Mn2+后卻顯著增加了8.1%。

表4 添加Fe2+和Mn2+水培3周后水稻葉片抗氧化酶活性1)

注：1)U為一定條件下、一定時(shí)間內(nèi)將一定量的底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量；IU為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定的一個(gè)酶活力單位，即在最適反應(yīng)條件下，每分鐘催化1 μmol底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物所需的酶量，1 IU=1 000 mIU。

3 討 論

3.1Fe2+和Mn2+對(duì)水稻根部鐵膜形成及鎘吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)的影響與原理

根際重金屬元素能通過(guò)共用一些植物生長(zhǎng)必需元素離子轉(zhuǎn)運(yùn)通道的方式進(jìn)入植物體內(nèi)。THOMINE等[21]研究發(fā)現(xiàn)，缺鐵誘導(dǎo)擬南芥鐵、錳轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因AtNRAMP3表達(dá)量增加，導(dǎo)致擬南芥體內(nèi)鎘和錳累積量升高。本研究對(duì)水稻幼苗根表鐵膜金屬元素分析結(jié)果表明，與CK處理相比，添加Fe2+和Mn2+使得水稻幼苗根表鐵膜鐵、錳元素含量顯著增加，而鎘元素含量均顯著降低(見(jiàn)表2)。外源Fe2+和Mn2+可能通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)根部表面及鐵膜中二價(jià)金屬離子吸附位點(diǎn)，減少鎘在鐵膜中累積。劉丹青等[22]研究發(fā)現(xiàn)，缺鐵導(dǎo)致水稻根表鐵膜數(shù)量顯著下降，同時(shí)鐵膜中鎘含量升高。劉侯俊等[23]研究發(fā)現(xiàn)，水培條件下鎘(1.0mg/L)處理時(shí)，添加鐵處理組根表鐵膜中鎘低于未加鐵處理組，與本研究結(jié)果相印證。

本研究中，添加Fe2+使得水稻幼苗地上部鎘元素含量顯著降低，而添加Mn2+顯著增加水稻幼苗根部鎘元素含量(見(jiàn)圖2)。添加Fe2+和Mn2+后TF-鐵膜-根均顯著升高，造成更多的鎘在水稻幼苗根部組織中累積；添加Fe2+后TF-根顯著降低，從而減少鎘從根部往地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，有助于降低鎘對(duì)地上部組織器官的毒害。類似研究結(jié)果表明，水稻根表鐵膜量與莖葉、籽粒鎘含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)，根表鐵膜抑制鎘向水稻地上部轉(zhuǎn)運(yùn)[11]437。

3.2Fe2+和Mn2+對(duì)水稻葉片抗氧化酶等的影響與原理

高濃度的ROS會(huì)引起水稻器官與組織生物大分子的氧化損傷，而低濃度的ROS能在植物細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中作為第二信使，介導(dǎo)對(duì)激素或環(huán)境脅迫的多種應(yīng)答，提高植物重金屬等環(huán)境脅迫抗性[24]。過(guò)量重金屬脅迫能增加水稻體內(nèi)ROS含量，進(jìn)而對(duì)組織器官功能造成嚴(yán)重?fù)p害，抑制植物正常生長(zhǎng)發(fā)育[25-26]。本研究中與CK處理相比，添加Fe2+能顯著降低水稻幼苗葉片中ROS(見(jiàn)表4)，緩解高濃度ROS對(duì)水稻幼苗毒害作用；添加Mn2+使得葉片中ROS、SOD和GST增加(見(jiàn)表4)，Mn2+處理引起的ROS升高可能起到誘導(dǎo)水稻脅迫應(yīng)答，提高SOD和GST活性來(lái)緩解鎘毒害[27]。劉大麗[28]研究發(fā)現(xiàn)，水稻體內(nèi)GST活性增加使得谷胱甘肽(GSH)含量增加，較高濃度GSH能促進(jìn)植物螯合肽(PC)大量合成，參與體內(nèi)鎘解毒過(guò)程，從而緩解水稻鎘毒害。與CK處理相比，添加Fe2+和Mn2+能顯著增加水稻幼苗根部與地上部生物量(見(jiàn)圖1)。水稻幼苗生物量的增加可能與添加Fe2+和Mn2+促進(jìn)根表鐵膜形成，改變抗氧化酶活性，緩解鎘對(duì)水稻生理毒害有關(guān)。

4 結(jié) 論

(1) 添加Fe2+和Mn2+能顯著增加水稻幼苗根部與地上部生物量。

(2) 添加Fe2+和Mn2+能促進(jìn)水稻幼苗根表鐵膜形成，顯著增加TF-鐵膜-根；而添加Fe2+后TF-根顯著降低，添加Mn2+后TF-鐵膜顯著升高。

(3) 添加Fe2+和Mn2+對(duì)水稻幼苗葉片SOD、APX變化不大；添加Fe2+能顯著降低水稻幼苗葉片中ROS，緩解ROS對(duì)水稻幼苗毒害；添加Mn2+使得葉片中ROS、SOD和GST增加，Mn2+處理引起的ROS升高可能起到誘導(dǎo)水稻脅迫應(yīng)答，緩解鎘毒害作用。

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EffectsofFe2+andMn2+onricerootironplaqueformationandCduptakeandtransportation

DONGMingfang1，2，GUOJunkang3，F(xiàn)ENGRenwei2，WANGRuigang2，DINGYongzhen4，XUYingming2，F(xiàn)ANZhilian1.

(1.DepartmentofAgriculture，GuangxiUniversity，NanningGuangxi530003；2.InnovationTeamofRemediationforHeavyMetalContaminatedFarmlandofChineseAcademicofAgriculturalSciences，InstituteofAgro-EnvironmentalProtection，MinistryofAgriculture，Tianjin300191；3.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering，ShaanxiUniversityofScinence&Technology，Xi’anShaanxi710021；4.Agro-EnvironmentalProtectionInstitute，MinistryofAgriculture，Tianjin300191)

In this study，exogenous Fe2+and Mn2+were used to study the influence of them on rice root iron plaque formation，antioxidase activities and Cd uptake and transportation in hydroponic culture. The results showed that the Fe concentration in root iron plaque was significantly increased by 114.9% (mass fraction，the same below) with exogenous Fe2+addition treatment，compared to controls (P<0.05). However，the Mn and Cd concentration were significantly decreased by 55.2% and 42.3%，respectively. Exogenous Mn2+addition significantly increased the Fe concentration by 180.1% in root iron plaque，while the Cd concentration was significantly decreased by 18.0% comparedto controls. The reactive oxygen species (ROS) in leaves of rice seedlings was significantly reduced with adding exogenous Fe2+and the toxic effect of ROS on rice seedlings was also reduced. The contents of ROS,superoxide dismutase and glutathione transferase were increased in the leaves with the adding exogenous Mn2+. The stress response of rice appeared with the increasing of ROS under the experiments of adding exogenous Mn2+and the toxicity of Cd was also reduced.

rice; root iron plaque; Fe; Mn; Cd

董明芳，女，1988年生，碩士研究生，研究方向?yàn)橥寥拉h(huán)境生態(tài)。#

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*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41001191、No.41473115)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所)資助項(xiàng)目(No.2015-szjj-gjk-01)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.03.005

2016-04-17)