砷和草甘膦复合污染对水稻种子萌发的影响

2015-12-18许昊苏锋高孝美

湖北农业科学 2015年22期

许昊　苏锋　高孝美

摘要：研究了砷（5～20 mg/L）和草甘膦（10～20 mg/L）单一和复合污染对水稻种子萌发的影响。结果表明，砷和草甘膦处理均抑制了水稻种子萌发，且随着处理浓度的增加，抑制作用增强。砷对水稻种子萌发抑制作用强于草甘膦，且砷对胚根生长的抑制作用强于胚芽。砷和草甘膦复合污染对水稻种子萌发具有协同抑制作用，但5 mg/L和10 mg/L砷处理减缓了草甘膦对水稻种子胚芽生长的抑制作用。

关键词：砷；草甘膦；种子萌發；复合污染

中图分类号：S511；X53 文献标识码：A 文章编号：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

环境中污染物种类繁多，使得环境中污染物种类很少单一存在，更多的是各污染物间相互影响及联合性作用[1]。近年来，农田环境中重金属与除草剂复合污染的问题引起了广泛关注。张倩茹等[2]研究表明，铜和乙草胺联合施用破坏了黑土微生物群落物种多样性和均一性。余保文[3]发现乙草胺增强了镉对水稻的抑制作用，从而显著降低叶绿素的含量，同时还促进镉在糙米中的积累。

砷是一种致癌物，广泛存在于自然界之中。《全国土壤污染状况调查公报》表明，土壤砷污染点位超标率达到2.7%，仅次于镉（7.0%）和镍（4.8%）。农田砷污染是中国中南、西南稻作区面临的重要环境问题之一[4]。草甘膦是目前世界上使用量最大的除草剂。在中国草甘膦的产量已达到全球总产量的30%。土壤中的草甘膦残留和农药漂移都将对植物的生长和产量造成不利的影响。王玉军等[5]研究表明当镉与草甘膦共同作用于小麦时，镉的存在增加了低浓度草甘膦的生物毒性，而降低了高浓度草甘膦的生物毒性或无影响，但随着镉浓度的增加，其与草甘膦的联合毒性逐渐增加。然而目前关于砷与草甘膦联合污染对植物生长的影响尚鲜见报道。

水稻是我国主要的粮食作物之一，与其他作物相比，水稻具有更强的吸收和累积砷的能力。本研究通过种子萌发试验，研究了不同浓度砷和草甘膦单一及复合处理条件下水稻种子发芽率、发芽指数、根长、芽长及淀粉酶活性等指标的变化，探讨砷和草甘膦单一及复合污染对水稻种子萌发的影响，旨在为了解砷和草甘膦对作物生长的影响及其防控提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试水稻种子为丰两优香1号，由合肥丰乐种业股份有限公司生产。砷源为砷酸钠（NaAsO3，AR）；草甘膦源为95%草甘膦，购自Sigma公司。

1.2 试验设计与处理

在预试验的基础上，砷（As）的处理浓度设为0、5、10、20 mg/L；草甘膦（GPS）的处理浓度设为0、10、20 mg/L。采用完全区组试验设计，共12个处理，分别用CK（不加As和GPS）、As5、As10、As20、GPS10、GPS20、As5GPS10、As5GPS20、As10GPS10、As10GPS20、As20GPS10、As20GPS20表示，每个处理3次重复。

精选颗粒饱满的水稻种子，用2%甲醛溶液消毒30 min后、用自来水反复清洗。然后加蒸馏水浸种24 h，再将水稻种子置于9 cm×9 cm的培养皿（底部垫上2～3张浸湿的滤纸保持湿润）中，每皿50粒。加入处理液8 mL，处理期间不另外添加任何物质。将种子放入光照培养箱中培养，温度设定为（25±1）℃，湿度恒定。培养的第4天测定发芽势，培养7 d后测定发芽率、胚根长、胚芽长、淀粉酶活性等各项指标。

1.3 测定方法

发芽率测定：当水稻种子的胚根长与种子长相等，且胚芽长为种子长一半时为有效萌发。

发芽势：水稻种子萌发前3 d的发芽数。

根长和芽长测定：种子根或芽开口处到根尖或芽尖长度。

α-淀粉酶活性和总淀粉酶活性测定均采用3，5-二硝基水杨酸法测定麦芽糖含量，以麦芽糖的每克新鲜植物样每分钟消耗量表示淀粉酶的活力。β-淀粉酶活性为总淀粉酶活性与α-淀粉酶活性之间的差值。

发芽指数：GI=Σ（Gt/Dt），式中Gt为不同时间的发芽数，Dt为相应的发芽时间（d）。

种子活力指数：VI=S×Σ（Gt/Dt），式中S为一定时间内幼苗生长势，以每株苗平均鲜重表示。

根（芽）长抑制指数以平均根（芽）长计算，抑制指数=（CK长度-污染处理长度）/CK长度×100%。

1.4 数据处理

试验数据采用SAS V8进行方差分析和Duncan法显著性检验。

2 结果与分析

2.1 砷和草甘膦复合污染对水稻种子发芽率和种子活力的影响

单一砷处理显著抑制了水稻种子的萌发，使水稻种子发芽率、发芽势、种子活力指数和发芽指数均下降，且随着砷处理浓度的增加而进一步降低（表1）。5～20 mg/L砷处理条件下，水稻种子发芽率较CK下降了13.0%～59.5%，发芽势较CK下降了26.1%～90.1%，种子活力指数较CK下降了22.7%～70.5%，种子发芽指数较CK下降了20.5%～82.8%。与CK相比，砷处理水稻种子的发芽势远远低于发芽率，由此说明砷处理使水稻种子萌发延迟。

单一草甘膦处理同样显著抑制了水稻种子的萌发，但抑制作用没有单一砷处理强（表1）。10～20 mg/L草甘膦处理水稻种子发芽率、发芽势、种子活力指数和发芽指数分别比CK下降了10.7%～11.0%、19.3%～38.2%、27.3%～38.6%和17.2%～29.6%。随着草甘膦处理浓度的增加，水稻种子发芽率无显著变化，但发芽势、种子活力指数和发芽指数均显著下降。

砷和草甘膦处理对水稻种子萌发具有显著的交互作用（P<0.05）（表1）。砷和草甘膦聯合处理进一步抑制了水稻种子萌发，使其发芽率、发芽势和种子活力指数和发芽指数等指标进一步下降，由此说明砷和草甘膦对水稻种子萌发存在协同抑制作用。

2.2 砷和草甘膦处理对水稻种子胚根和胚芽生长的影响

水稻种子在萌发过程中会将体内储存的物质代谢成氨基酸和糖类运输到胚细胞，胚细胞利用这些物质进行有丝分裂和伸长，最终“胀破”表皮形成生物学上的胚根和胚芽。单一砷处理抑制了水稻种子的胚根长，且随着砷处理浓度的增加，抑制作用进一步增强（图1和表2）。如5 mg/L 砷处理对水稻胚根长的抑制率为57.2%；而当砷浓度达到20 mg/L时，水稻种子的胚根长只有0.49 cm，胚根长的抑制率高达89.7%。砷对水稻胚芽生长的抑制作用远远小于胚根，5 mg/L As处理对胚芽的抑制率只有1.6%，而当砷浓度增加到10 mg/L时，芽长的抑制率增加到19.5%。

草甘膦处理亦显著抑制了水稻胚根和胚芽的生长，且随着草甘膦处理浓度的增加，抑制作用呈现增强的趋势（图1）。10 mg/L和20 mg/L草甘膦处理对水稻胚根长抑制率分别为60.0%和66.6%，对胚芽长的抑制率分别为47.7%和61.3%（表2）。

比较胚根长和胚芽长抑制指数发现，砷对胚根的抑制程度要明显高于胚芽，而草甘膦对胚根和胚芽的抑制程度无明显差别（图1和表2）。砷和草甘膦的复合污染对水稻的胚根长有显著的协同抑制作用，添加草甘膦使砷对水稻胚根长的抑制作用进一步增加。然而与根不同，同一草甘膦处理条件下，添加5 mg/L和10 mg/L的砷处理水稻芽长反而高于不添加砷处理、芽长抑制指数则低于不添加砷处理，由此说明草甘膦处理条件下，适量的砷对水稻种子胚芽的生长产生了拮抗作用。

2.3 砷和草甘膦对水稻种子淀粉酶活性的影响

ɑ-淀粉酶是一种淀粉内切酶，能够对直链淀粉进行彻底的水解。β-淀粉酶则是一种端解酶，只能从淀粉的非还原端对淀粉进行水解。（ɑ+β）淀粉酶能够水解水稻种子90%左右的淀粉，是水稻种子萌发强弱的重要标志。

单一砷处理降低了萌发水稻种子ɑ-淀粉酶和β-淀粉酶的活性，且随着砷浓度的增大，ɑ-淀粉酶和β-淀粉酶的活性逐渐降低（图2）。本研究中各浓度的砷处理水稻ɑ-淀粉酶和β-淀粉酶的活性较CK均有所降低。单独草甘膦处理对水稻种子ɑ-淀粉酶活性影响不明显，但显著降低了β-淀粉酶的活性（图2）。

同一砷浓度处理条件下，砷和草甘膦处理对水稻种子ɑ-淀粉酶活性无明显影响，表明砷和草甘膦对ɑ-淀粉酶活性无明显的交互作用。然而5 mg/L和10 mg/L砷处理条件下，随着草甘膦浓度的增加水稻种子β-淀粉酶活性进一步下降，说明砷和草甘膦处理对β-淀粉酶活性存在协同抑制作用。因此推测砷和草甘膦联合处理协同抑制水稻的萌发原因之一是协同抑制了β-淀粉酶活性。

3 小结与讨论

砷和草甘膦单独处理显著抑制了水稻种子萌发，降低了水稻种子的发芽率、发芽势、种子活力指数和发芽指数；砷污染对水稻种子萌发的抑制作用大于草甘膦。砷和草甘膦还明显抑制了水稻种子胚根和胚芽的生长，其中砷对胚根的影响大于草甘膦，而对胚芽的影响小于草甘膦。

砷和草甘膦复合污染对水稻种子的发芽率、胚根的生长及β-淀粉酶活性具有协同抑制作用，但砷可以拮抗草甘膦对水稻胚芽长的抑制作用。

本试验条件下，砷处理抑制了水稻种子的萌发，使水稻种子发芽率、胚根和胚芽的生长及淀粉酶活性等指标均下降，且随着砷处理浓度的增加，抑制作用进一步增强。这与前人的研究结果相类似。李仁英等[6]研究结果表明，当砷处理浓度达到3 mg/L时，水稻种子的发芽率、根长和芽长均受到显著抑制。砷对水稻种子胚根生长的抑制作用显著高于胚芽处理，这与肖玲[7]在小麦种子上的研究结果相一致。当砷的浓度≥1 mg/L时，对小麦根的生长具有显著的抑制作用；然而当砷的浓度≥7.5 mg/L时才显著抑制了种子的发芽率及芽的生长。在重金属的胁迫下，水稻细胞的代谢紊乱，有丝分裂减少[8]。水稻的胚根是整株植物中有丝分裂最旺盛的组织。因此砷对水稻胚根生长抑制作用强于胚芽的原因之一可能是由于砷抑制了水稻的有丝分裂造成的。

与砷处理类似，草甘膦处理同样抑制了水稻种子的萌发，这与草甘膦处理抑制了玉米种子萌发的结果相一致[9]。草甘膦对水稻种子萌发的抑制作用小于砷处理，这很可能是因为水稻种子对砷和草甘膦的吸收方式和程度不同，砷更容易被种子在吸收水分时吸收，从而对水稻种子的发芽率和发芽指数的抑制作用更强。本研究中单独草甘膦处理对水稻种子胚芽和胚根的抑制指数相当，其原因可能是植物吸收草甘膦后在根尖和叶尖累积造成的[10]。

草甘膦分子中含有较多的配位基团如羧基、氨基、磷酸基，对重金属离子有很强的络合能力。王米道等[11]发现当Cu2+与草甘膦复合污染时，Cu2+的存在一定程度上减弱了草甘膦对小麦发芽和芽长的抑制作用，其可能原因是草甘膦与Cu2+络合形成了毒性较小的稳定络合物，使草甘膦毒性降低或失去活性。本研究中砷和草甘膦联合处理对水稻种子的发芽率、发芽势及胚根长和淀粉酶的活性产生了协同抑制作用，这与砷与草甘膦对秀丽陷杆线虫的联合毒性为协同作用相类似[12]。砷与草甘膦并不发生直接的化学作用，因此砷与草甘膦相互作用的机理需要进一步深入探讨。

参考文献：

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[3] 余保文.丁草胺对镉胁迫条件下水稻生长、镉积累及活性氧代谢的影响[J].环境科学学报，2008，28（9）：1878-1886.

[4] 丁永祯，刘潇威，宋正国，等.砷污染稻作区发展旱稻控制稻米砷暴露风险探讨[J].农业环境与发展，2012（2）：57-60.

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[6] 李仁英，沈孝辉，张耀鸿，等.无机砷对不同水稻品种种子萌发和幼苗光合生理的影响[J].农业环境科学学报，2014，33（6）： 1067-1074.

[7] 肖玲.砷对小麦种子萌发酶活性及呼吸强度影响的研究[J].陕西环境，1999，6（4）：22-24，15.

[8] 何俊瑜，任艳芳.镉胁迫对水稻种子萌发、幼苗生长和淀粉酶活性的影响[J].华北农学报，2008（S1）：131-134.

[9] 李伟绮，赵建华，孙建好.草甘膦对不同玉米品种种子萌发特性的影响[J].甘肃农业科技，2014（11）：14-16.

[10] 周垂帆，李莹，张晓勇，等.草甘膦毒性研究进展[J].生态环境学报，2013，22（10）：1737-1743.

[11] 王米道，程凤侠，司友斌.铜与草甘膦复合污染对小麦种子发芽和根伸长生长的抑制作用[J].生态毒理学报，2009，4（4）：591-596.