硅對(duì)不同類(lèi)型酸雨處理下水稻幼苗根系的影響

王娜娜，琚淑明，陳猛

（徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇徐州221018）

硅在土壤中含量豐富，居礦質(zhì)元素首位。大量研究顯示，外源硅的施用能提高植物對(duì)生物及非生物逆境脅迫的抗性。硅能調(diào)高植物抗酸雨脅迫，研究顯示硅通過(guò)改善植物表皮組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)抗氧化系統(tǒng)；提高作物的光合作用，改善體內(nèi)養(yǎng)分平衡等，以此改善植物抗性[1-3]。酸雨可以造成生態(tài)環(huán)境破壞，森林大面積死亡，農(nóng)作物減產(chǎn)，成為危害世界環(huán)境的十大問(wèn)題之一。酸雨類(lèi)型主要包括硫酸型、硝酸型、混合型三種。不同類(lèi)型酸雨對(duì)植物影響不同，硅與不同類(lèi)型酸雨對(duì)植物的影響效應(yīng)還未見(jiàn)報(bào)道。水稻是典型的硅富集作物，干重根中的硅含量可達(dá)到10%[4]。有研究顯示反復(fù)種植水稻會(huì)導(dǎo)致土壤中硅元素流失，從而抑制水稻的產(chǎn)量。而世界上一半以上人口的消費(fèi)主食為水稻，所以，研究外源硅對(duì)水稻種植具有實(shí)踐意義[5]。本研究調(diào)查不同類(lèi)型酸雨處理下硅對(duì)水稻根系生物量，礦質(zhì)元素Si，根系表型，根型指數(shù)和過(guò)氧化氫酶（CAT）、過(guò)氧化物酶(POD)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)含量的影響。

1 材料與方法

1.1 供試材料

水稻品種，“鎮(zhèn)稻95”，由徐州種子有限公司提供。水稻水培養(yǎng)液根據(jù)國(guó)際水稻研究機(jī)構(gòu)的配方制備。本實(shí)驗(yàn)酸雨溶液設(shè)置三種不同類(lèi)型：硫酸型；硝酸型；混合型（硫酸與硝酸1∶1混合）及對(duì)照。控制三種類(lèi)型酸雨溶液pH值均為3.0。已有研究成果顯示：在2mM Si施用下，對(duì)水稻生長(zhǎng)促進(jìn)作用最為顯著。2mM Si溶液通過(guò)將適量的Na2SiO3·9H2O溶解在培養(yǎng)溶液中來(lái)制備。所以，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置了0mM Si和2mM Si與不同類(lèi)型酸雨單一或復(fù)合作用對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響[3]。

1.2 試驗(yàn)方法

水稻為室內(nèi)盆栽種植，根據(jù)水稻不同生長(zhǎng)期更換不同濃度的培養(yǎng)液。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 根系干重測(cè)定將洗凈后的根系材料放置于烘箱內(nèi)80℃，12h，用天平測(cè)定干重，各處理重復(fù)5次，取平均值。

1.3.2 根型測(cè)定不同處理的水稻幼苗根系部分放到塑料盤(pán)上，主根和須根展開(kāi)。根系掃描裝置（ScanMaker i800 plus）采集根系照片，用WinRHIZO軟件（LA-S型根系分析系統(tǒng)，Quebec，China)分析根系數(shù)據(jù)，記錄總根長(zhǎng)（TRL）、根尖數(shù)（RTN）、根系表面積（RSA）。

1.3.3 POD、CAT和APX活性的測(cè)定 采用Sajedi等方法測(cè)定POD活性。CAT采用紫外分光光度法測(cè)定。APX的活性根據(jù)Nakano等的方法測(cè)定。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)處理及常規(guī)統(tǒng)計(jì)學(xué)分析利用SPSS22.0完成，根系指標(biāo)參數(shù)用winRHIZO軟件處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 硅對(duì)不同類(lèi)型酸雨處理下水稻幼苗生長(zhǎng)情況和水稻根系表型及根型指數(shù)的影響

圖1 不同類(lèi)型酸雨處理下根系表型

首先通過(guò)表1中干重可以看到，與對(duì)照相比，硝酸型酸雨處理（NAR）對(duì)水稻生物量具有明顯促進(jìn)作用，硫酸型酸雨處理（SAR）顯著抑制水稻的生長(zhǎng)，混合型酸雨處理（MAR）無(wú)明顯作用。施加2mM Si后，與單一2mM Si處理相比，硝酸型處理和混合型處理下水稻幼苗根系生物量顯著增加，接下來(lái)分析硅與不同類(lèi)型酸雨處理下對(duì)水稻根型（如圖1）及根系指數(shù)（見(jiàn)表1）的影響。根型指數(shù)包括總根長(zhǎng)（TRL），根部總表面積(RSA)，根部總體積(RV)。NAR處理促進(jìn)水稻幼苗根系生長(zhǎng)，表現(xiàn)在根型指數(shù)總根長(zhǎng)（TRL），根部總表面積(RSA)，根部總體積（RV）（如圖3B），與對(duì)照相比（如圖1A），分別增加35.34%，60.22%，65.94%。SAR處理抑制水稻根系生長(zhǎng)（如圖1C），TRL，RSA，RV 顯著低于對(duì)照，分別降低 4.13%，17.99%，29.99%。MAR處理中水稻TRL、RSA、RV與對(duì)照相比有所提高，但不明顯（如圖1D）。Si-NAR處理下水稻根大于對(duì)照根，并且大于2mMSi單一處理的根（圖1F）,與單一硅處理相比，水稻 TRL、RSA、RV 分別增加 11.76%，33.07%，31.63%。Si-SAR處理下水稻與單一硅處理相比，水稻TRL、RSA、RV分別降低5.26%，4.80%，23.53%。Si-MAR處理下水稻與單一硅處理相比，Si-MAR處理下水稻TRL、RSA、RV無(wú)明顯差異。

表1 不同類(lèi)型酸雨處理下的根型指數(shù)

表2 不同類(lèi)型酸雨處理的水稻幼苗根系中抗氧化酶含量

2.2 硅對(duì)不同類(lèi)型酸雨處理下水稻幼苗根系抗氧化酶活性的影響

表2列出了用Si和不同類(lèi)型酸雨處理的水稻幼苗根系中POD、CAT和APX活性的變化特征及Si含量。用Si和不同類(lèi)型酸雨處理的水稻幼苗根系中的POD、CAT和APX活性存在顯著差異。與對(duì)照相比，SAR處理下CAT,POD和APX的增加量高于NAR處理下CAT、POD和APX的增加量；而NAR處理下CAT、POD和APX的增加量高于MAR處理下CAT、POD和APX的增加量。施加Si后與對(duì)照相比，單一2mM Si處理下CAT和APX的含量顯著增加，POD含量無(wú)明顯變化。Si-SAR與SAR處理相比，CAT、POD和APX含量均顯著降低；Si-SAR與對(duì)照相比，CAT、POD和APX含量均顯著增加。Si-NAR與NAR處理相比，CAT、POD和APX含量均顯著增加。Si-MAR處理與對(duì)照相比，CAT、POD和APX含量均顯著增加。Si-SAR與對(duì)照相比，CAT、POD和APX的增加量高于Si-NAR作用下 CAT、POD和APX的增加量；而Si-NAR作用CAT、POD和APX的增加量高于Si-MAR作用下CAT、POD和APX的增加量。

3 討論與結(jié)論

水稻的各種生理參數(shù)在不同類(lèi)型酸雨處理中具有多樣性，硝酸型處理下的水稻生長(zhǎng)狀態(tài)優(yōu)于硫酸型處理下水稻的生長(zhǎng)狀態(tài)。施用Si可以緩解植物在酸脅迫下的危害，在不同類(lèi)型酸雨脅迫下，水稻中Si的作用差異很大。植物的生長(zhǎng)指標(biāo)是衡量植物生長(zhǎng)狀況的直接評(píng)價(jià)指標(biāo)，也是衡量環(huán)境脅迫效應(yīng)強(qiáng)弱的重要指標(biāo)[6-8]。實(shí)驗(yàn)顯示Si和不同類(lèi)型酸雨對(duì)水稻根部干重的影響不同。呈現(xiàn)SAR處理抑制水稻生長(zhǎng)，NAR促進(jìn)水稻生長(zhǎng)，MAR對(duì)水稻生長(zhǎng)無(wú)明顯影響。SAR處理抑制水稻生長(zhǎng)由于酸雨傷害植物組織結(jié)構(gòu)，使生理代謝紊亂[8]。而NAR處理促進(jìn)水稻生長(zhǎng)和NO3-離子有關(guān)，影響機(jī)制有待進(jìn)一步探討。水稻Si元素含量呈現(xiàn)NAR＞MAR＞SAR的趨勢(shì) ,這與已有研究的結(jié)論相符[9]。單一2mM Si處理，NAR處理及Si-NAR處理皆改善水稻幼苗的根系表型和生物量。不難看出水稻的生物量，根性指數(shù)變化趨勢(shì)一致。其中Si-NAR處理改善效果最佳。Si-SAR處理下抑制作用得到緩解。這與已有研究Si可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)并緩解非生物脅迫的結(jié)果一致[10]。Si和不同類(lèi)型酸雨之間的相互作用影響水稻的根系表型和生物量，但是這種互相作用是累加性的還是協(xié)同性的，仍然不清楚，有待解決。此外在環(huán)境脅迫下，植物體內(nèi)會(huì)積累活性氧，例如H2O2。而相應(yīng)的抗氧化酶也會(huì)隨之增加，包括CAT、POD、APX。 實(shí) 驗(yàn) 中 ，Si-NAR 處 理CAT、POD、APX含量顯著提高，水稻幼苗生物量和根系表型有很大改善。Si-SAR處理，CAT、POD、APX含量偏低，水稻幼苗生長(zhǎng)也呈抑制狀態(tài)。這表明硅的添加能在不同程度上提高抗氧化酶活性，提高細(xì)胞清除活性氧的能力，緩解酸雨對(duì)植物的毒害。Si在不同植物的各個(gè)器官中分布不均勻，水稻地下部分Si含量低于地上部分，本實(shí)驗(yàn)只針對(duì)水稻地下部分就行研究，對(duì)于水稻地上部分各生理指標(biāo)和生長(zhǎng)狀況有待進(jìn)一步探討。水稻作為喜硅植物，Si對(duì)其作用不容小覷，研究Si對(duì)水稻的作用機(jī)制及影響效果有利于改善水稻生長(zhǎng)，提高其產(chǎn)量和品質(zhì)。