砷脅迫下磷對水稻生長的影響研究

王文文 王露露 郭海斌 張軍剛

【摘?要】砷是一種有毒的類金屬元素，對人類和動植物都有嚴(yán)重的毒害作用。磷是植物生長發(fā)育所必須的營養(yǎng)元素，且直接影響水稻對砷的吸收。水稻是我國重要的糧食作物之一，但由于不恰當(dāng)?shù)拈_采礦業(yè)以及含砷類農(nóng)藥化肥的濫用等人為因素，致使砷污染的現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。因此，開展有關(guān)磷砷之間相互作用的研究，對于降低水稻砷污染，具有非常重要的意義。

【關(guān)鍵詞】水稻;磷;砷

水稻是重要的糧食作物，我國水稻種植面積和產(chǎn)量分別占世界的23%和40%。然而，由于人類活動，比如農(nóng)藥、除草劑的施用、開礦、污染水的排放和灌溉，造成土壤砷污染現(xiàn)象非常嚴(yán)峻。水稻與其它旱生植物相比其籽粒更容易累積砷，這與其生長的厭氧環(huán)境和獨特的生理特征關(guān)系密切，致使稻米砷污染時有發(fā)生，從而對以稻米為主食的居民身體健康構(gòu)成潛在威脅。磷和砷在元素周期表中為同族元素，具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，向砷污染稻田中施磷能緩解水稻砷中毒的現(xiàn)象。因此，研究磷元素對水稻砷吸收積累影響的本質(zhì)及其程度，對降低水稻砷污染，提高大米安全性具有重要意義。

1 砷的簡介和來源

1.1 砷的簡介

砷，在化學(xué)元素周期表中位于第4周期、第VA族，原子序數(shù)33，元素符號As。砷是一種類金屬的晶體物質(zhì)，它以幾種價態(tài)形式存在（-3，0，3、5價）。氧化環(huán)境下，砷存在的最穩(wěn)定的狀態(tài)是As（V），強還原狀態(tài)下，元素As和亞砷酸鹽（As（III））都可以存在。單質(zhì)以灰砷、黑砷和黃砷這三種同素異形體的形式存在，其中以灰砷最為常見。砷是一種類金屬，之所以將它歸入重金屬元素，是由于它很多理化性質(zhì)和環(huán)境行為都與重金屬元素類似。它不是植物生長所需的必需元素，土壤中過量或超標(biāo)，將會對植物的生長造成不良影響。

1.2 砷的來源

砷污染的來源既有自然的，也有人為的。自然來源的砷通常以硫化礦物形式存在，常與銅和銀等金屬以及一些含砷量高的巖石礦物伴于礦石中。人為來源的砷主要是人們使用受污染的水進(jìn)行灌溉，勘探含有高濃度砷且不適當(dāng)?shù)牟傻V以及濫用含有砷等農(nóng)用化學(xué)品，導(dǎo)致全球農(nóng)業(yè)土壤中砷含量以驚人的速度增加。

2 砷的毒害作用

2.1 砷的植物毒性

砷的毒害作用會因為作物種類的不同而不同，例如黃瓜和豆類易被砷毒害，而谷物和牧草的耐受性則相對較強。砷的毒害主要表現(xiàn)為阻礙作物的生長發(fā)育，影響作物的養(yǎng)分吸收。砷中毒的癥狀會首先表現(xiàn)在葉片上，葉片的葉綠素被破壞以至葉片失綠變黃，葉片邊緣卷曲甚至葉片脫落。其次表現(xiàn)為根的生長發(fā)育受阻，根的條數(shù)變少，長度縮短，重量減少，從而導(dǎo)致植株矮小、生長勢弱，生長發(fā)育延遲，產(chǎn)量降低，嚴(yán)重時不能開花結(jié)果，甚至死亡。

2.2 砷對水稻的毒害作用

水稻是當(dāng)今世界上主要的糧食作物之一，世界上大約有50%的人口都以稻米為食。人類通過飲水、食品、土壤、吸入灰塵和大氣微粒以及食用大米等途徑接觸砷。砷是人體致癌物質(zhì)之一，即使在低飲食濃度下也會對人體構(gòu)成相當(dāng)大的健康風(fēng)險。大米是人體攝入砷的最重要來源之一。砷從稻田向水稻的轉(zhuǎn)移是人體接觸這種有毒元素的主要接觸途徑。與其它禾本科植物相比，水稻籽粒具有較高的砷吸收能力，且較易富集高濃度的砷。盡管從土壤到谷物的砷轉(zhuǎn)移率較低，但水稻籽粒中的砷含量仍比小麥和大麥高出許多，這是因為水稻中砷從土壤到莖稈的轉(zhuǎn)移系數(shù)高達(dá)0.8，而大麥和小麥的轉(zhuǎn)移系數(shù)分別0.2和0.1。水稻對砷的毒性十分敏感，低度受害時就表現(xiàn)為植株矮化，葉色濃綠，抽穗期和成熟期延遲。在一定條件下，會出現(xiàn)明顯稻穗或穗粒畸形和花穗不育等現(xiàn)象;中度受害時，還出現(xiàn)莖葉扭曲，無效分蘗增多;嚴(yán)重受害時，植株不分棵，地上部分發(fā)黃，根系發(fā)黑，且根量稀少，干枯至死。因此，提高水稻對砷的耐受性，減少對砷的吸收、控制植株內(nèi)砷向籽粒轉(zhuǎn)運等方面的研究具有重要意義。

3 磷對水稻砷吸收及轉(zhuǎn)運的影響

磷是植物生長代謝必需的元素之一，磷和砷屬于同族元素，在土壤-植物體系中的轉(zhuǎn)移有相似之處。磷的存在不僅會影響植物對砷的吸收，而且還會進(jìn)一步影響磷在植物體內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化。由于As（Ⅴ）與磷有非常相似的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，As（Ⅴ）則通過磷的轉(zhuǎn)運系統(tǒng)進(jìn)入細(xì)胞。在原核生物中，有2個磷轉(zhuǎn)運子家族：Pit 系統(tǒng)和 Pst 系統(tǒng)。這2個系統(tǒng)都能吸收轉(zhuǎn)運砷，但 Pit 系統(tǒng)是吸收轉(zhuǎn)運砷的主要系統(tǒng)。如在酵母細(xì)胞中，As（Ⅴ）主要通過磷的Pit 轉(zhuǎn)運子吸收進(jìn)入細(xì)胞。同樣，在植物中，As（Ⅴ）主要通過磷的高親和力吸收系統(tǒng)進(jìn)入植物根系，再通過磷的轉(zhuǎn)運子進(jìn)入細(xì)胞。由于磷和砷在吸收過程中存在競爭，而磷吸收通道對磷的親和力大于砷，植物主要是通過抑制高親和力的磷吸收系統(tǒng)來降低砷的吸收，因此土壤中磷含量的多少可影響砷的吸收和轉(zhuǎn)運。研究表明，隨著營養(yǎng)液中磷濃度的增加，水稻根對五價砷的吸收能力降低，說明了磷能夠競爭性抑制五價砷的吸收;在土培條件下，施加較高的磷肥抑制了水稻對砷的吸收。磷減少水稻對砷吸收的原因可能與五價砷酸鹽與磷共用水稻的轉(zhuǎn)運通道，兩者競爭吸收有關(guān)。

磷是水稻生長過程中重要的營養(yǎng)元素之一，在植物生長發(fā)育過程中扮演重要角色，尤其對植物根部生長發(fā)育等代謝過程產(chǎn)生重要影響。由于As與P具有許多共同的物理化學(xué)性質(zhì)，因此細(xì)胞可以在無意中通過P的途徑吸收As。通常條件下，植物對砷酸鹽和亞砷酸鹽的吸收要高于對單甲基砷和二甲基砷的吸收。研究發(fā)現(xiàn)磷酸鹽和As（V）之間由于它們的化學(xué)相似性，從而引起相互競爭。一方面磷可以抑制植物對As的吸收，另一方面它還可以促進(jìn)As在土壤中的有效性。研究表明，磷酸鹽可以取代土壤中結(jié)合位點的As（V），從而增加植物對砷的吸收和可利用性。因此，在植物有效磷濃度高的土壤中，根際As（V）和P對根系磷酸鹽轉(zhuǎn)運體的競爭會隨著吸收的增加而減弱，從而降低其在植株中砷的濃度和含量。此外，內(nèi)部高濃度的磷含量可以誘導(dǎo)磷轉(zhuǎn)運蛋白的下調(diào)，從而進(jìn)一步抑制As的攝取。在水培實驗中也發(fā)現(xiàn)，砷誘導(dǎo)的根系生長減少和增加砷的濃度都可以通過磷處理逆轉(zhuǎn)。因此，磷可以用于降低As污染土壤中根系對砷的吸收。

4 小結(jié)

砷通常被認(rèn)為是對人類以及動植物具有致癌性和毒性的首要因素之一。水稻吸收土壤中的砷，積累在植物的不同部位，其中籽粒中的砷含量比土壤內(nèi)的含量高出幾倍。人們食用砷污染后的水或食物，將會給人體的健康帶來顯著的負(fù)面影響。磷是植物生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)素，在土壤中添加磷營養(yǎng)物質(zhì)可以降低土壤的砷累積量，從而可以減少水稻中砷的吸收和轉(zhuǎn)運。

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作者簡介：

王文文（1991-），女，河南正陽人，碩士，從事作物栽培與育種研究。

（作者單位：1.平輿縣農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)試驗站;2.駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院）