硅对不同类型酸雨处理下水稻幼苗根系的影响

王娜娜，琚淑明，陈猛

（徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221018）

硅在土壤中含量丰富，居矿质元素首位。大量研究显示，外源硅的施用能提高植物对生物及非生物逆境胁迫的抗性。硅能调高植物抗酸雨胁迫，研究显示硅通过改善植物表皮组织结构，增强抗氧化系统；提高作物的光合作用，改善体内养分平衡等，以此改善植物抗性[1-3]。酸雨可以造成生态环境破坏，森林大面积死亡，农作物减产，成为危害世界环境的十大问题之一。酸雨类型主要包括硫酸型、硝酸型、混合型三种。不同类型酸雨对植物影响不同，硅与不同类型酸雨对植物的影响效应还未见报道。水稻是典型的硅富集作物，干重根中的硅含量可达到10%[4]。有研究显示反复种植水稻会导致土壤中硅元素流失，从而抑制水稻的产量。而世界上一半以上人口的消费主食为水稻，所以，研究外源硅对水稻种植具有实践意义[5]。本研究调查不同类型酸雨处理下硅对水稻根系生物量，矿质元素Si，根系表型，根型指数和过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)含量的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

水稻品种，“镇稻95”，由徐州种子有限公司提供。水稻水培养液根据国际水稻研究机构的配方制备。本实验酸雨溶液设置三种不同类型：硫酸型；硝酸型；混合型（硫酸与硝酸1∶1混合）及对照。控制三种类型酸雨溶液pH值均为3.0。已有研究成果显示：在2mM Si施用下，对水稻生长促进作用最为显著。2mM Si溶液通过将适量的Na2SiO3·9H2O溶解在培养溶液中来制备。所以，本实验设置了0mM Si和2mM Si与不同类型酸雨单一或复合作用对水稻生长的影响[3]。

1.2 试验方法

水稻为室内盆栽种植，根据水稻不同生长期更换不同浓度的培养液。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 根系干重测定将洗净后的根系材料放置于烘箱内80℃，12h，用天平测定干重，各处理重复5次，取平均值。

1.3.2 根型测定不同处理的水稻幼苗根系部分放到塑料盘上，主根和须根展开。根系扫描装置（ScanMaker i800 plus）采集根系照片，用WinRHIZO软件（LA-S型根系分析系统，Quebec，China)分析根系数据，记录总根长（TRL）、根尖数（RTN）、根系表面积（RSA）。

1.3.3 POD、CAT和APX活性的测定 采用Sajedi等方法测定POD活性。CAT采用紫外分光光度法测定。APX的活性根据Nakano等的方法测定。

1.3.4 数据处理与分析数据处理及常规统计学分析利用SPSS22.0完成，根系指标参数用winRHIZO软件处理分析。

2 结果与分析

2.1 硅对不同类型酸雨处理下水稻幼苗生长情况和水稻根系表型及根型指数的影响

图1 不同类型酸雨处理下根系表型

首先通过表1中干重可以看到，与对照相比，硝酸型酸雨处理（NAR）对水稻生物量具有明显促进作用，硫酸型酸雨处理（SAR）显著抑制水稻的生长，混合型酸雨处理（MAR）无明显作用。施加2mM Si后，与单一2mM Si处理相比，硝酸型处理和混合型处理下水稻幼苗根系生物量显著增加，接下来分析硅与不同类型酸雨处理下对水稻根型（如图1）及根系指数（见表1）的影响。根型指数包括总根长（TRL），根部总表面积(RSA)，根部总体积(RV)。NAR处理促进水稻幼苗根系生长，表现在根型指数总根长（TRL），根部总表面积(RSA)，根部总体积（RV）（如图3B），与对照相比（如图1A），分别增加35.34%，60.22%，65.94%。SAR处理抑制水稻根系生长（如图1C），TRL，RSA，RV 显著低于对照，分别降低 4.13%，17.99%，29.99%。MAR处理中水稻TRL、RSA、RV与对照相比有所提高，但不明显（如图1D）。Si-NAR处理下水稻根大于对照根，并且大于2mMSi单一处理的根（图1F）,与单一硅处理相比，水稻 TRL、RSA、RV 分别增加 11.76%，33.07%，31.63%。Si-SAR处理下水稻与单一硅处理相比，水稻TRL、RSA、RV分别降低5.26%，4.80%，23.53%。Si-MAR处理下水稻与单一硅处理相比，Si-MAR处理下水稻TRL、RSA、RV无明显差异。

表1 不同类型酸雨处理下的根型指数

表2 不同类型酸雨处理的水稻幼苗根系中抗氧化酶含量

2.2 硅对不同类型酸雨处理下水稻幼苗根系抗氧化酶活性的影响

表2列出了用Si和不同类型酸雨处理的水稻幼苗根系中POD、CAT和APX活性的变化特征及Si含量。用Si和不同类型酸雨处理的水稻幼苗根系中的POD、CAT和APX活性存在显著差异。与对照相比，SAR处理下CAT,POD和APX的增加量高于NAR处理下CAT、POD和APX的增加量；而NAR处理下CAT、POD和APX的增加量高于MAR处理下CAT、POD和APX的增加量。施加Si后与对照相比，单一2mM Si处理下CAT和APX的含量显著增加，POD含量无明显变化。Si-SAR与SAR处理相比，CAT、POD和APX含量均显著降低；Si-SAR与对照相比，CAT、POD和APX含量均显著增加。Si-NAR与NAR处理相比，CAT、POD和APX含量均显著增加。Si-MAR处理与对照相比，CAT、POD和APX含量均显著增加。Si-SAR与对照相比，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 讨论与结论

水稻的各种生理参数在不同类型酸雨处理中具有多样性，硝酸型处理下的水稻生长状态优于硫酸型处理下水稻的生长状态。施用Si可以缓解植物在酸胁迫下的危害，在不同类型酸雨胁迫下，水稻中Si的作用差异很大。植物的生长指标是衡量植物生长状况的直接评价指标，也是衡量环境胁迫效应强弱的重要指标[6-8]。实验显示Si和不同类型酸雨对水稻根部干重的影响不同。呈现SAR处理抑制水稻生长，NAR促进水稻生长，MAR对水稻生长无明显影响。SAR处理抑制水稻生长由于酸雨伤害植物组织结构，使生理代谢紊乱[8]。而NAR处理促进水稻生长和NO3-离子有关，影响机制有待进一步探讨。水稻Si元素含量呈现NAR＞MAR＞SAR的趋势 ,这与已有研究的结论相符[9]。单一2mM Si处理，NAR处理及Si-NAR处理皆改善水稻幼苗的根系表型和生物量。不难看出水稻的生物量，根性指数变化趋势一致。其中Si-NAR处理改善效果最佳。Si-SAR处理下抑制作用得到缓解。这与已有研究Si可以促进植物生长并缓解非生物胁迫的结果一致[10]。Si和不同类型酸雨之间的相互作用影响水稻的根系表型和生物量，但是这种互相作用是累加性的还是协同性的，仍然不清楚，有待解决。此外在环境胁迫下，植物体内会积累活性氧，例如H2O2。而相应的抗氧化酶也会随之增加，包括CAT、POD、APX。 实 验 中 ，Si-NAR 处 理CAT、POD、APX含量显著提高，水稻幼苗生物量和根系表型有很大改善。Si-SAR处理，CAT、POD、APX含量偏低，水稻幼苗生长也呈抑制状态。这表明硅的添加能在不同程度上提高抗氧化酶活性，提高细胞清除活性氧的能力，缓解酸雨对植物的毒害。Si在不同植物的各个器官中分布不均匀，水稻地下部分Si含量低于地上部分，本实验只针对水稻地下部分就行研究，对于水稻地上部分各生理指标和生长状况有待进一步探讨。水稻作为喜硅植物，Si对其作用不容小觑，研究Si对水稻的作用机制及影响效果有利于改善水稻生长，提高其产量和品质。