獸藥土霉素對水稻幼苗根系及部分生理特性的影響

顧國平，章明奎

(1. 紹興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，浙江 紹興 312003；2. 浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

?

獸藥土霉素對水稻幼苗根系及部分生理特性的影響

顧國平1，章明奎2，*

(1. 紹興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，浙江 紹興 312003；2. 浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 310058)

為了解抗生素對農(nóng)作物生長的作用機(jī)理，選擇中國養(yǎng)殖業(yè)中普遍使用的土霉素，采用水培試驗(yàn)研究了不同污染水平土霉素對苗期水稻根系生長、根系活力、葉片葉綠素含量和氧化酶活性等的影響。結(jié)果表明，土霉素污染對水稻地下部分的影響明顯大于地上部分。低濃度(0.5和1 mg·L-1)的土霉素處理能促進(jìn)水稻根系總長度和根表面積的增加，增強(qiáng)根系活力；但高濃度的土霉素(>5 mg·L-1)可顯著降低水稻根系生物量，對根系活力、葉片葉綠素含量和氧化酶活性有明顯的限制作用，增加根系相對質(zhì)膜透性。研究認(rèn)為，高濃度土霉素可對水稻幼苗產(chǎn)生毒害作用，限制水稻幼苗正常生長。

水稻；水稻幼苗；土霉素；毒理

養(yǎng)殖業(yè)中獸用抗生素以亞劑量治療添加到動物飼料中導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題已引起了人們的關(guān)注。據(jù)研究，有60%～90%的獸用抗生素可以原形或代謝物形式隨動物糞便排出[1]，并通過有機(jī)肥的施用進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，對土壤動物、微生物和植物安全生產(chǎn)產(chǎn)生影響[2-4]。與農(nóng)用抗生素防治的主要為植物體中真菌性病害不同[5-6]，獸用抗生素大都是用來防治動物體內(nèi)的細(xì)菌性疾病，因此，土壤中的獸用抗生素殘留可能會對作物生長產(chǎn)生不同于農(nóng)用抗生素的影響。有研究表明，殘留在土壤中的多數(shù)獸用抗生素極易向植物體內(nèi)遷移，并可對植物生長產(chǎn)生一定的影響[7-12]，主要表現(xiàn)在對植物根系發(fā)育、地上部分生長及抑制葉綠體ATP合成酶活性等方面[7-15]。幼苗期是農(nóng)作物受抗生素污染敏感的時期，抗生素污染可對農(nóng)作物苗期根系發(fā)育產(chǎn)生明顯的影響[7，13-15]。水稻是我國最重要的糧食作物之一，是受農(nóng)田土壤污染風(fēng)險較大的農(nóng)作物。但目前有關(guān)抗生素對農(nóng)作物的污染影響研究中，大多集中于蔬菜作物和水生作物[10，13-14]。另外，國內(nèi)外有關(guān)抗生素對植物影響的研究多局限于植物種子萌發(fā)、根的生長、植株高度等方面[13-14]，有關(guān)抗生素污染下植物根系形態(tài)特性和生理特性的變化報(bào)道較少。根系是植物與土壤環(huán)境接觸的重要界面，其對土壤污染更為敏感，土壤中抗生素污染對植物的危害首先會表現(xiàn)在根系的變化上，并最終制約地上部分的生長和產(chǎn)量形成。為此，本研究以水稻作為試驗(yàn)材料，采用水培方法，探討土霉素污染對水稻根系生長形態(tài)和生理生化過程的影響，以揭示抗生素對水稻生長毒害的作用機(jī)理。

1　材料與方法

1.1供試材料

土霉素屬于四環(huán)素類抗生素，在我國養(yǎng)殖業(yè)中應(yīng)用較為廣泛；供試土霉素購自Sigma公司，純度>97%。供試水稻品種為甬秈15。

1.2試驗(yàn)處理

試驗(yàn)前對水稻種子進(jìn)行浸種。事先將選取的健康飽滿的種子攤曬1～2 d，用3%的多菌靈藥液浸泡12 h，清水淘洗，直到水變清時開始浸種。浸泡時間為3 d，每天用清水淘洗3～4次。3 d后將種子淘洗干凈，再用55 ℃的水將種子預(yù)熱，用濕麻袋把種子包好，再用稻草等保溫，溫度保持在30～35 ℃，24 h即可催出稻芽，稻芽露出后逐步降溫至20 ℃左右，攤開種子，在自然條件下煉芽1 d后淺播于水稻育秧盤中，蒸餾水培養(yǎng)7 d后，轉(zhuǎn)入1/2營養(yǎng)液中培養(yǎng)，營養(yǎng)液按國際水稻研究所(IRRI)推薦配方配置。10 d后，進(jìn)行不同濃度的土霉素處理。含土霉素的營養(yǎng)液采用稱取不同量的土霉素直接溶于營養(yǎng)液的方式配置，試驗(yàn)中共設(shè)置10個土霉素濃度梯度，分別為0，0.5，1，2，5，10，20，50，75和100 mg·L-1，其中以不添加土霉素的營養(yǎng)液作為對照。將水稻幼苗移至含有不同濃度土霉素的全營養(yǎng)液的塑料桶中，每桶種10穴，每穴3株。每處理重復(fù)4次。含不同濃度土霉素的營養(yǎng)液2 d更換1次，調(diào)節(jié)pH值至5.0～5.1。待水稻幼苗長至5葉1心后再培養(yǎng)7 d，取樣進(jìn)行各指標(biāo)測定。

1.3測定項(xiàng)目與方法

根系干重用烘干法測定：用濾紙吸干水稻根系表面水分，然后在100～105 ℃殺青20 min后，在65～70 ℃烘箱中烘至恒量，稱重。根系形態(tài)測定采用Epson根系掃描儀掃描，并應(yīng)用WinRHIZO分析軟件測定根系總長、根表面積、根體積。根系活力采用α-萘胺氧化法測定[16]，細(xì)胞質(zhì)膜透性采用外滲電導(dǎo)率法測定[16]。葉綠素含量取第2葉測定，用95%乙醇提取，比色法測定[17]；根系活力參照張志良等[18]方法測定；過氧化氫酶活性參照余迪求等[19]方法測定，底物為H2O2。

1.4數(shù)據(jù)分析

文中數(shù)據(jù)均運(yùn)用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用SPSS 16.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；對有顯著差異的各處理采用單因子LSD法進(jìn)行多重比較，顯著性水平為P<0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1土霉素污染對水稻幼苗根系生長的影響

由表1可知，隨著土壤中土霉素污染濃度的增加，水稻幼苗地下部分生物量及根系特征發(fā)生了明顯的變化。其中，在低濃度時(0.5～1 mg·L-1)，土霉素對根系生長有輕微的促進(jìn)作用，可增加根系總長度和根表面積，但根系干物質(zhì)和根體積的變化不明顯。污染濃度為0.5和1 mg·L-1時，根系總長度和根表面積分別比對照增加3.75%和14.40%及6.96%和10.76%。低濃度土霉素對水稻根系的促進(jìn)作用可能與提高了水稻內(nèi)源赤霉素、蛋白質(zhì)合成有關(guān)，但具體原因還有待深入研究。當(dāng)土霉素污染濃度超過5 mg·L-1時，根系干物質(zhì)量、根系總長度和根表面積顯著(P<0.05)下降；當(dāng)土霉素污染濃度超過10 mg·L-1時，根體積也發(fā)生顯著下降。以上各項(xiàng)指標(biāo)的下降量隨著土霉素污染濃度的增加而增加。但不同指標(biāo)的下降速率有所差異，當(dāng)土霉素污染濃度為5和100 mg·L-1時，根系干物質(zhì)量、根系總長度、根表面積和根體積分別比對照降低11.85%，7.51%，6.33%，7.59%和76.66%，78.30%，58.86%，75.11%。總體上，根系干物質(zhì)與根長對土霉素的污染最為敏感。

相關(guān)分析表明，根系干物質(zhì)、根系總長度、根表面積和根體積與培養(yǎng)液中土霉素濃度均存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為-0.892 4，-0.927 6，-0.949 8和-0.916 6，表明隨著土霉素污染濃度的提高，對水稻生長的抑制作用也明顯增強(qiáng)。

表1水稻幼苗根系特征與土霉素污染水平的關(guān)系

Table 1Relationship between root growth of rice seedling and oxytetracycline pollution levels

土霉素污染濃度/(mg·L-1)根系干物質(zhì)/(g·株-1)根系總長度/(cm·株-1)根表面積/(cm2·株-1)根體積/(cm3·株-1)00.287±0.012a986±33b158±5b2.37±0.21a0.50.294±0.011a1023±53ab169±8ab2.38±0.18a10.291±0.010a1128±56a175±8a2.29±0.16a20.278±0.013a954±28bc161±5b2.36±0.15a50.253±0.007b912±32c148±5c2.19±0.17a100.195±0.010c745±24d133±7d1.57±0.13b200.123±0.007d537±31e122±12d1.28±0.09c500.098±0.006e423±27f87±14e0.89±0.06d750.066±0.007f254±26g77±8e0.62±0.07e1000.067±0.009f214±29g65±11e0.59±0.08e

注：同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2土霉素污染對水稻幼苗根系活力的影響

根系活力是指根系的吸收、合成、氧化和還原能力等，是反映根系生命活動的生理指標(biāo)。由表2可知，當(dāng)土霉素污染濃度超過10 mg·L-1時，根系活力顯著(P<0.05)下降，下降程度隨土霉素污染水平的提高而增加(相關(guān)系數(shù)為0.909 0)。土霉素污染濃度為10，20，50，75和100 mg·L-1時，根系活力分別比對照下降了18.71%，41.79%，53.70%，50.42%和64.26%。植物在逆境脅迫或衰老過程中，細(xì)胞原生質(zhì)膜中的不飽和脂肪酸發(fā)生過氧化作用，使質(zhì)膜系統(tǒng)受到傷害，選擇透性降低，細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲量增加，因而細(xì)胞質(zhì)膜透性可表示膜傷害程度[20]。表2可知，在土霉素污染脅迫下，水稻幼苗根尖相對質(zhì)膜透性隨著土霉素污染濃度的提高逐漸提高(相關(guān)系數(shù)為0.876 0)，當(dāng)土霉素污染濃度超過10 mg·L-1時，根系相對質(zhì)膜透性顯著(P<0.05)增加；土霉素污染濃度為10，20，50，75和100 mg·L-1時，根系相對質(zhì)膜透性分別比對照增加24.86%，59.63%，88.29%，77.39%和80.10%。

表2水稻幼苗根系活力、葉片中葉綠素含量及過氧化氫酶活性與土霉素污染水平的關(guān)系

Table 2Root activity， chlorophyll content and oxidase activity of rice leaves at the seedling stage as affected by oxytetracycline pollution levels

土霉素污染濃度/(mg·L-1)根系相對質(zhì)膜透性/%根系活力/(μg·h-1·g-1)葉綠素(a+b)/(mg·g-1)過氧化氫酶活性/(mg·g-1·min-1)017.34±0.88d91.45±7.26a16.56±1.07a24.23±1.13a0.517.78±0.76d94.65±8.89a15.34±1.13a25.43±1.32a118.34±0.84d90.29±6.14a16.68±1.23a23.98±1.57ab217.32±0.73d93.22±7.11a15.87±0.89a25.23±1.28a518.98±0.68d88.56±6.44a16.54±1.12a24.67±1.21a1021.65±1.28c74.34±6.10b15.43±0.84a23.78±1.44ab2027.68±1.01b53.24±5.52c13.76±0.59b21.76±1.38bc5032.65±1.78a42.34±4.07d11.76±0.76c18.67±1.22d7530.76±1.19a45.34±5.12cd12.87±0.63c20.23±1.34cd10031.23±1.03a32.68±3.65e11.23±0.68c19.33±1.19cd

2.3土霉素污染對水稻幼苗葉片光合潛力和過氧化氫酶活性的影響

表2可知，水稻幼苗葉片中葉綠素含量和過氧化氫酶活性均隨培養(yǎng)液中土霉素污染濃度的增加而下降(相關(guān)系數(shù)分別為-0.906 0和0.880 6)，當(dāng)土霉素污染濃度高于20 mg·L-1時，葉片中葉綠素含量和過氧化氫酶活性顯著(P<0.05)下降。與對照比較，當(dāng)土霉素污染濃度為20，50，75和100 mg·L-1時，葉綠素含量分別比對照降低16.91%，28.99%，22.28%和32.19%；過氧化氫酶活性分別下降了10.19%，22.95%，16.51%和20.23%。另外，當(dāng)土霉素污染濃度為75 mg·L-1以上時，葉脈間還出現(xiàn)缺綠癥，葉尖卷曲，在葉邊還出現(xiàn)少量褐色斑點(diǎn)。總體上，土霉素對葉片中葉綠素含量和過氧化氫酶活性的影響程度相對低于根部的有關(guān)指標(biāo)。

3　結(jié)論與討論

本研究表明，低濃度的土霉素處理能促進(jìn)水稻根系總長度和根表面積的增加，增強(qiáng)根系活力；但高濃度的土霉素可顯著降低水稻根系生物量，對根系活力、葉片葉綠素含量和氧化酶活性亦產(chǎn)生明顯的限制作用。土霉素污染對水稻地下部分的影響明顯大于地上部分。根系作為重要的吸收器官和代謝器官，其生長狀況不僅直接控制著植物對水分和養(yǎng)分的吸收，而且制約著植株地上部生長的好壞；因此，土霉素對水稻根系的毒害作用勢必會影響水稻后期的正常生長，并可能影響水稻的產(chǎn)量。以上研究表明，植物對土霉素毒害的反應(yīng)首先表現(xiàn)在根系上。低濃度的土霉素處理能增加水稻根系總長度和根表面積，使根系活力增加，為細(xì)胞正常生長提供良好的生理基礎(chǔ)。這種現(xiàn)象可解釋為對植物有積極的刺激作用，但這種刺激作用受到濃度的限制，當(dāng)環(huán)境中存在過多的土霉素時，就會抑制根的延長，減小根表面積和根體積，從而造成根系生物量的降低，原因可能與根系吸收和積累土霉素有關(guān)。分析結(jié)果還表明，在土霉素污染脅迫下，根細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基的產(chǎn)生速率增大，發(fā)生膜脂過氧化，致使細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，膜透性增大，細(xì)胞受損，代謝紊亂，根系活力下降，這將對水稻根系吸收水分和營養(yǎng)素的能力產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

總體上，土霉素污染對水稻地上部分的影響比對地下部分略小，這可能與根部是植株與土壤的接觸部分，抗生素更易在根部積累有關(guān)。高濃度的土霉素污染可顯著降低葉片中葉綠素的濃度，而后者是水稻進(jìn)行光合作用的基礎(chǔ)，會直接影響水稻的生物產(chǎn)量。有關(guān)獸用抗生素對葉綠素的影響機(jī)理較為復(fù)雜，至今仍未開展系統(tǒng)的研究，但有一些初步的研究發(fā)現(xiàn)，抗生素可降低作物生長所需的葉酸合成、原生質(zhì)的形成，影響過氧化物酶、谷胱甘肽轉(zhuǎn)移酶等酶的表達(dá)[21]。

從本研究的結(jié)果來看，對水稻幼苗產(chǎn)生影響的土霉素濃度基本上在5 mg·L-1以上，目前農(nóng)田土壤中抗生素的污染變化范圍很大，在μg·kg-1級至g·kg-1級之間變化[1]，但目前高濃度抗生素污染并不普遍。因此，大多數(shù)農(nóng)田實(shí)際情況下發(fā)生水稻抗生素毒害的作用不會明顯，但在某些局部高濃度抗生素污染的農(nóng)田中可能會發(fā)生抗生素對水稻的毒害作用。

[1]HALLING-SERENSEN B， NORS-NIELSEN S， LANZKY P F， et al. Occurrence fate and effects of pharmaceutical substances in the environment：a review[J].Chemosphere， 1998， 36: 357-393.

[2]刁曉平， 孫英健， 孫振鈞， 等. 磺胺二甲基嘧啶對土壤微生物活動的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2005， 24(4): 694-697.

[3]MIGLIORE L， COZZOLINO S， FIORI M. Phytotoxicity to and uptake of enrofloxacin in crop plants[J].Chemosphere， 2003， 52: 1233-1244.

[4]LIU F， YING G G， TAO R， et al. Effects of six selected antibiotics on plant growth and soil microbial and enzymatic activities[J].EnvironmentalPollution， 2009， 157(5): 1636-1642.

[5]王梅， 湯浩茹， 劉淑芳， 等. 抗生素對草莓內(nèi)生菌的抑制[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2005， 33(4): 606-607.

[6]馮東昕， 李寶棟， 張克誠， 等. 抗生菌(素)對茄子黃萎病的防效測定初報(bào)[J]. 植保技術(shù)與推廣， 1999 (2): 40-42.

[7]BATCHELDER A R. Chlortetracyline and oxytetracycline effects on plant growth and development in soil systems[J].JournalofEnvironmentalQuality， 1982， 11(4): 675-678.

[8]BOXALL A B A，JOHNSON P，SMITH E J，et al. Uptake of veterinary medicines from soils into plants[J].JournalofAgriculturalandFoodChemistry， 2006， 54(6): 2288-2297.

[9]KUMAR K， GUPTA S C， BAIDOO S K， et al. Antibiotic uptake by plants from soil fertilized with animal manure[J].JournalofEnvironmentalQuality， 2005， 34: 2082-2085.

[10]MIGLIORE L， COZZOLINO S， FIORI M. Phytotoxicity to and uptake of flumequine used in intensive aquaculture on the aquatic weed,LythrumsalicariaL[J].Chemosphere， 2000， 40: 741-750.

[11]MIGLIORE L， CIVITAREALE C， COZZOLINO S， et al. Laboratory models to evaluate phytotoxicity of sulphadimethoxine on terrestrial plants[J].Chemosphere， 1997， 37(14/15): 2957-2961.

[12]KONG W D， ZHU Y G， LIANG Y C， et al. Uptake of oxytetracycline and its phytotoxicity to alfafa (MedicagosativaL.)[J].EnvironmentalPollution， 2007， 147: 187-193.

[13]魏子艷， 王金花， 夏曉明， 等. 三種抗生素對蔬菜種子芽與根伸長的生態(tài)毒理效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2014， 33(2): 237-242.

[14]金彩霞， 陳秋穎， 劉軍軍， 等. 兩種常用獸藥對蔬菜發(fā)芽的生態(tài)毒性效應(yīng)[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2009， 29(3): 619-625.

[15]LI Z J， XIE X Y， ZHANG S Q， et al. Wheat growth and photosynthesis as affected by oxytetracycline as a soil contaminant[J].Pedosphere， 2011， 21(2): 244-250.

[16]中國科學(xué)院上海植物生理研究所， 上海市植物生理學(xué)會. 現(xiàn)代植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指南[M]. 北京: 科學(xué)技術(shù)出版社， 1999.

[17]郝再彬， 蒼晶， 徐仲. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 2004: 46-49.

[18]張志良， 瞿偉菁， 李小芳. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 4版. 北京: 高等教育出版社， 2009: 32-33.

[19]余迪求， 岑川， 楊明蘭， 等. 玉米不同組織過氧化氫酶水楊酸敏感性的差異和外源水楊酸處理提高玉米抗病性的研究[J]. 植物學(xué)報(bào)， 1999， 41(12): 1293-1298.

[20]AZEVEDO H， PINTO C G， SANTOS C. Cadmium effects in sunflower：Membrane permeability and changes in catalase and peroxidase activity in leaves and calluses[J].JournalofPlantNutrition， 2005， 28(12): 2233-2241.

[21]BRADEL B G， PREIL W， JESKE H. Remission of the free-branching pattern ofEuphorbiapulcherrimaby tetracycline treatment[J].JournalofPhytopathology， 2000， 148(1/2): 587-590.

(責(zé)任編輯高峻)

Effect of oxytetracycline on root growth and physiological characteristics of rice seedlings

GU Guo-ping1， ZHANG Ming-kui2，*

(1.InstituteofAgriculturalEcology，ShaoxingAcademyofAgriculturalSciences，Shaoxing312003，China; 2.CollegeofEnvironmentalandResourceSciences，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China)

In order to understand the influence of antibiotics on crop growth， oxytetracycline， which is widely used in livestock and poultry breeding in China， was selected to test the effects of different levels of antibiotics pollution on growth of rice seedlings， root activity， chlorophyll content and oxidase activity by hydroponic experiment. The results showed that the effects of soil oxytetracycline pollution on the underground part were greater than on the above-ground part of rice. Low oxytetracycline concentration (0.5 and 1 mg·L-1) increased root length and total root surface area， and enhanced root activity. But the high concentration of oxytetracycline (>5 mg·L-1) significantly reduced rice root biomass and chlorophyll content， restricted root activity and oxidase activity， and increased the relative membrane permeability of root. In conclusion， high concentrations of antibiotic could cause toxic effects on rice seedlings， which would limit the normal growth of rice seedlings.

rice; rice seedlings；oxytetracycline; toxicology

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.02.02

2015-06-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21177108)

顧國平(1965—)，男，浙江紹興人，高級農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面的研究。E-mail: SXPPS@tom.com

，章明奎，E-mail：mkzhang@zju.edu.cn

X53；S51

A

1004-1524(2016)02-0190-05

顧國平，章明奎.獸藥土霉素對水稻幼苗根系及部分生理特性的影響[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2016，28(2)： 190-194.