盐胁迫对稻米中矿质元素和抗氧化物质含量的影响

许江环 杨 善 王盼盼 郭海峰 周鸿凯

(广东海洋大学 滨海农业学院， 广东 湛江 524088)

水稻(

Oryza

sativa

L.)作为世界上种植范围最为广泛的粮食作物之一，已成为养活了世界一半以上人口的主粮。全世界盐碱地的面积为9.54 亿hm，其中我国的盐碱地约1亿hm，并且还在逐年增加。在全球粮食危机的背景下，盐碱地作为生产粮食的重要土地潜在资源，可在保障国家粮食安全方面发挥重要作用，合理利用滨海盐碱滩涂等进行耐盐碱水稻良好品质性状的选育和栽培是提高粮食总产量和品质的有效途径。

盐胁迫下，水稻植株体内产生大量的活性氧(Reactive oxide species, ROS)会造成细胞膜脂质过氧化和生物活性大分子的损伤，导致其光合作用等受到抑制，引起成穗数不足；开花后更是加快了植株衰老进程，让光合产物无法在短时间内得到有效的累积，轻者致使植株生长受限和产量降低，重者甚至死亡。稻米中的植酸(Phytic acid，IP6)、抗坏血酸(Ascorbic acid，AsA)、花青素(Anthocyanins，AnC)和总黄酮(Total flavonoids，TF)是良好的抗氧化物质。AnC的邻位羟基与自由基反应生成稳定的半醌式结构，在降低氧化损伤和清除自由基方面的能力比其他天然抗氧化物质更强。IP6可以通过自身携带的负电荷磷酸盐基团与金属离子螯合来减缓重金属毒害，还可以通过供氢来破坏过氧化物，中断其形成醛、酮等产物。TF与AnC在改善人体记忆、抗癌、抗肿瘤和抗衰老等功能上发挥着重要作用。AsA可清除植物PSⅠ在供电子过程中由超氧阴离子在铁-超氧化物歧化酶复合体的催化下产生的HO，或作为抗坏血酸过氧化物酶的底物来清除自由基，或作为羟化酶的辅助因子、PSⅡ的电子传递中间体、细胞信号转导途径中的调控元件来参与调节植物的生长发育。矿质元素也可参与植株抗氧化过程，在抗氧化和清除ROS能力上，锌优于硒，但是由于硒在植株体内存在形态的多样性，如硒酸盐、亚硒酸盐、硒蛋白和硒代氨基酸及其衍生物等。富硒水稻中含有的硒蛋白水解物可以通过抑制重金属诱导的促凋亡来保护细胞免受重金属毒害。还有研究表明硒显著促进了紫色马铃薯中花青素、锌和铁的累积。缺铁会降低植株中抗氧化酶的活性，导致活性氧的累积，使得植株受到氧化损伤，而抗坏血酸除了自身作为抗氧化物质外，也可以通过促进植株对铁的吸收来增加抗氧化酶的活性，从而提高植株的抗氧化能力。

植物组织内花青素等抗氧化物质含量研究已在马铃薯、葡萄和刺五加果等作物上开展，而NaCl胁迫对稻米中抗氧化物质(AsA、IP6、AnC和TF)和矿质元素含量影响的研究鲜见报道。本试验设置9个含有NaCl的土壤处理，分别测定6个不同基因型稻米中抗氧化物质与矿质元素含量，旨在探究NaCl胁迫对水稻糙米中抗氧化物质与矿质元素含量的影响，以期为功能型水稻种植与盐渍地改良利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻种质由广东海洋大学滨海农业学院提供，‘海红11’(‘HH 11’)、‘海红12’(‘HH 12’)和‘建新99’(‘JX 99’)均为耐盐籼型红米水稻，‘阳山香稻’(YSXD)、‘香粘3号’(‘XZ 3’)和‘泰香粘’(‘TXZ’)均为盐敏感籼型白米水稻。本试验于2017-09-12—2017-12-04种植在广东海洋大学农业生物技术研究所试验基地内。

1.2 试验方法

选用当年收获的粒大饱满、表面没有病斑的成熟水稻种子各10 g，用10%的HO在培养皿中浸泡0.5 h消毒，用蒸馏水冲洗2 min后，平铺在放有育苗专用纸的培养皿中，并放置于30 ℃恒温培养箱中催芽42 h，期间每隔8 h清洗并换水，用清水培育至三叶一心。每个试验桶(规格：口径30 cm，高35 cm)装入过筛后风干、混和均匀的土壤10 kg，设置9个含有NaCl的土壤处理：0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 g/kg。随机区组试验设计，3次重复，每组54桶，共162桶。每桶施4 g复合肥作基肥与桶内土壤和NaCl搅拌均匀，加水待盐度稳定后，选取约三叶一心期的幼苗移栽到桶内，6棵/桶。为了保持土壤湿润，每桶均设置标有相同刻度2 cm的竖插牌，每天早晚观察桶内水层，根据缺水情况补水至相同刻度，并且使用土壤含盐量测试仪(Az8371，台湾衡欣科技股份有限公司)测定桶内土壤盐分状况，保证土壤盐分和电导率稳定。

1.3 稻米指标的测定

2017年12月4日，将成熟的水稻收割装入网袋，并晒干脱壳，将得到的糙米分别进行抗氧化物质和矿质元素含量的测定。植酸(

Y

)、花青素(

Y

)、总黄酮(

Y

)和硒(Se，

X

)分别参照赵仁勇、莫巍、刘江(刍鸟)和袁建等的方法进行测定；抗坏血酸(

Y

)采用2,4-二硝基苯肼比色法进行测定，磷(P，

X

)、锌(Zn，

X

)、铁(Fe，

X

)、镁(Mg，

X

)和锰(Mn，

X

)参考鲍士旦等的方法进行测定。只在‘HH 11’、‘HH 12’和‘JX 99’中测得花青素的含量，而其他3个基因型稻米属于白米，花青素含量极低，故不进行测定。

1.4 数据分析

运用Excel 2010进行数据整理，利用SPSS 23.0对数据进行方差分析以及简单效应分析，Duncan法显著性分析(

P

<0.05)，典型相关分析和典型冗余分析。

2 结果与分析

2.1 NaCl胁迫对不同基因型稻米中抗氧化物质和矿质元素含量的方差分析和简单效应分析

由表1和表2可知，NaCl胁迫下稻米中除了AnC和Mg外，其他抗氧化物质和矿质元素的含量均在基因型和NaCl处理间的互作效应达到显著水平。稻米中AnC的含量在基因型和NaCl处理间均达到极显著差异，说明AnC在稻米中的累积是受到基因型和NaCl胁迫的相互独立作用的影响。稻米中Mg含量在基因型和NaCl处理间差异均不显著，说明稻米中Mg含量的累积均不受基因型和NaCl处理的显著影响。

由表3和表4可知，每个NaCl处理中，AsA、IP6、TF、Zn、Fe和Se的含量在不同基因型稻米间差异均极显著。在0、0.5和2.5 g/kg的NaCl处理下，不同基因型稻米间P的含量无显著差异。在0和1.5 g/kg的NaCl处理中，不同基因型稻米间Mn含量差异显著，在‘HH 11’和‘JX 99’中，稻米中Mn含量在不同的NaCl处理间均具有显著差异。‘YSXD’、‘TXZ’和‘XZ 3’稻米中TF含量分别在不同NaCl处理间差异均不显著。

2.2 NaCl胁迫对稻米中抗氧化物质含量的影响

由表5可知，AsA、IP6、TF和AnC含量在不同基因型稻米间差异显著。除0.5、1.0和3.5 g/kg NaCl处理中‘HH 12’的AsA含量低于‘XZ 3’和‘HH 11’外，在其他NaCl处理中都是最高的。‘JX 99’稻米中IP6含量除了在1.5 g/kg的NaCl处理高于‘TXZ’，在其他NaCl处理中均显著低于其他基因型稻米。‘HH 11’、‘HH 12’和‘JX 99’中TF含量均显著高于其他3个基因型。‘JX 99’和‘XZ 3’的稻米中TF的含量随着NaCl浓度的增加而呈上升趋势；‘HH 11’和‘HH 12’的稻米中TF含量分别在3.5和2.5 g/kg NaCl处理达到最大值；而‘YSXD’和‘TXZ’的稻米中TF含量最大值分别在0.5和1.5 g/kg NaCl处理中。随着NaCl浓度的增加，‘JX 99’的稻米中AnC含量呈上升趋势；‘HH 11’和‘HH 12’的稻米中AnC累积含量达到最大值分别在2.5和3.0 g/kg NaCl处理中。

表3 NaCl胁迫下稻米中抗氧化物质的简单效应
Table 3 Simple effects of antioxidant substances in rice under NaCl stress

变量效应Effect of variable抗坏血酸 Ascorbic acid植酸 Phytic acid总黄酮 Total flavonoids均方Mean squareF均方Mean squareF均方Mean squareFGWT(0)57.27450.04**6.2174.20**40.97157.88**GWT(0.5)126.71995.62**5.2562.76**44.03169.67**GWT(1.0)180.851 421.08**6.9883.38**55.43213.60**GWT(1.5)240.821 892.30**3.5442.32**60.20231.98**GWT(2.0)31.04243.88**6.3676.00**71.92277.12**GWT(2.5)26.80210.59**6.5578.22**79.12304.88**GWT(3.0)45.52357.66**5.1961.95**81.45313.84**GWT(3.5)38.18299.96**4.3351.67**93.91361.86**GWT(4.0)76.57601.69**2.3327.86**93.95362.03**TWG(HH11)28.23221.79**1.0312.33**6.6325.56**TWG(HH12)90.78713.31**2.5530.50**4.6517.90**TWG(JX99)24.00188.62**0.677.98**6.5525.23**TWG(YSXD)20.77163.20**7.1585.46**0.411.59TWG(TXZ)12.0394.54**3.5742.64**0.160.61TWG(XZ3)128.801 012.08**3.8546.04**0.130.52

注：GWT表示土壤中NaCl含量；TWG表示稻基因型。下同。

Note: GWT indicates NaCl content in soil；TWG indicates rice genotype. The same below.

2.3 NaCl胁迫下稻米中抗氧化物质与矿质元素含量的典型相关分析和典型冗余分析

对稻米中矿质元素和抗氧化物质的含量进行典型相关分析，结果表明第Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ对典型相关变量无统计学意义，见表6。第Ⅰ对典型相关变量(

U

，

V

)系数为

λ

=0.546(

P

<0.01)，其表达式为：

U

=-0

.

068

X

-0

.

623

X

+0

.

376

X

+ 0

.

067

X

-0

.

617

X

+0

.

025

X

V

=0

.

419

Y

+0

.

720

Y

-0

.

157

Y

-0

.

174

Y

式中：

X

、

X

、

X

、

X

、

X

和

X

分别为稻米中P、Zn、Fe、Mg、Se和Mn的含量；

Y

、

Y

、

Y

和

Y

分别表示AsA、IP6、AnC和TF的含量。在这一对典型变量(

U

，

V

)构成中，

U

以

X

(Zn)、

X

(Fe)和

X

(Se)的权重系数较大，

V

以

Y

(AsA)和

Y

(IP6)的权重系数较大。这一线性组合说明，在一定范围内，随着稻米中Zn和Se含量的降低，Fe含量的上升，稻米中AsA和IP6含量呈上升趋势。

由表7可知，第Ⅰ对典型变量解释了抗氧化物质指标自身变异的39.1%以及矿质元素指标自身变异的20.2%。冗余指数表明，抗氧化物质的第Ⅰ对典型变量能解释矿质元素指标总变异的11.7%，而矿质元素则解释了抗氧化物质总变异的6.0%。

3 讨 论

3.1 稻米抗氧化物质含量在不同基因型和NaCl处理间的差异

在NaCl胁迫下，育种工作者若能合理利用不同基因型稻米中抗氧化物质和矿质元素含量表现出来的差异，则可为选育耐盐性强的水稻品种和盐碱地改良利用提供参考。AsA作为双加氧酶的辅酶可以调节铁蛋白介导的铁吸收和释放，参与抗氧化过程。周小华等研究发现，AsA通过调控抗氧化酶活性，提高渗透调节物质和抗氧化物质含量来降低HO的累积，从而缓解铝胁迫下水稻质膜的过氧化程度，增强水稻的抗铝性能。张启雷等报道用甲基紫精和高光诱导的光氧化胁迫处理的水稻叶片中，AsA含量高的抗坏血酸合成关键酶

GLDH

基因超表达株系‘GO-2’比干涉株系‘GI-2’具有更强的抗氧化胁迫能力，从而说明了内源AsA能显著增强水稻抗氧化能力。本试验中，在9个NaCl处理中，稻米中AsA含量在6个基因型水稻中表现出极显著差异，主要表现为在各个NaCl处理中，‘HH 12’的AsA含量比同一处理下含量最低的基因型稻米分别高115%、219%、206%、566%、105%、158%、310%、75%和260%，所以‘HH 12’可作为选育高AsA含量的种质资源。

表6 NaCl胁迫下稻米抗氧化物质和矿质元素含量之间的显著性检验
Table 6 Significance test of antioxidant substances and mineral elements contents in rice under NaCl stress

4对典型变量的编号Four pairs of canonicalvariable numbers典型相关系数(λ)Correlations特征值eigenvalueWilks统计量Wilk’sF显著性SignificanceⅠ0.546 **0.4260.5551.9060.008Ⅱ0.3600.1490.7911.1740.294Ⅲ0.2650.0760.9090.8910.526Ⅳ0.1490.0230.9780.5600.643

表7 NaCl胁迫下稻米抗氧化物质和矿质元素含量的典型冗余分析
Table 7 Canonical redundancy analysis of antioxidant substances and mineral elements contents in rice under NaCl stress

4对典型变量的编号Four pairs of canonicalvariable numbers抗氧化物质Antioxidant substances矿质元素Mineral elements组内Within groups组间Between groups组内Within groups组间Between groupsⅠ0.3910.1170.2020.060Ⅱ0.2210.0290.2150.028Ⅲ0.2000.0140.1500.011Ⅳ0.1880.0040.1440.003

IP6具有很强的抗氧化能力和螯合能力。但也有研究表明，籽粒抗氧化水平与籽粒活力呈正相关，与植酸含量无相关关系。稻米中IP6长期被人们看作抗营养物质，对稻米中Zn、Fe等矿质元素含量和生物有效性产生负面影响，高IP6含量的稻米容易使长期食用的人群产生“隐形饥饿”的隐患。本试验中，在9个NaCl浓度处理后，‘JX 99’稻米中IP6含量分别比同一NaCl处理下含量最高的基因型稻米低80%、77%、86%、59%、92%、85%、84%、85%和72%，所以在选育低IP6含量的种质资源中‘JX99’相对于其他基因型水稻更好。

孙玲等和陈萍萍等等研究表明，有色稻稻米的总抗氧化能力和羟自由基清除能力与花色苷和类黄酮含量之间均呈极显著正相关，且有色稻的种皮颜色越深，其抗氧化作用越强。本试验中，‘HH 11’、‘HH 12’和‘JX 99’3个基因型红米中TF含量显著高于其他3个白米基因型籼稻。‘JX 99’的稻米中AnC含量随着NaCl处理浓度的增加而增加，相对于‘HH 11’和‘HH 12’更具有缓解NaCl胁迫伤害的潜能。

3.2 NaCl胁迫下稻米中抗氧化物质和矿质元素含量的变化

抗氧化物质和矿质元素之间存在错综复杂的关联性。已有研究发现，外源高P处理可能对水稻穗部的Zn、Fe等矿质元素的转运和累积有一定程度的“阻碍”效应，会诱发稻米中Zn含量的降低及其生物有效性的下降，甚至出现“高磷促进缺锌”现象。Iwai等的研究表明在水稻种子发育的过程中，从源器官转运过来的P会直接转化为IP6并迅速在糊粉层细胞中累积，而Zn与IP6的结合松散，多分布在糊粉层至内胚乳中。Persson等通过测定大麦籽粒中的Fe、Zn、P和S的形态，提出Zn主要与多肽结合，而Fe主要与IP6结合。孙鹏尧等试验结果表明，降低AnC的稳定性有两种情形，一是Fe会与花青素类物质形成络合物，二是高含量的AsA会被Fe氧化产生HO从而破坏AnC的稳定性。在土壤低P情况下，P抑制了植株对Se的吸收，而在高P条件下，P促进植株对Se的吸收。Pu等研究表明对于大多数有色稻、有色小麦和有色马铃薯等作物而言，有色品种比同一作物的白色品种有更高的Se和AnC含量的累积，在有色品种中高含量的Se都有高含量的AnC，且Se含量的累积会随着作物成熟阶段着色逐步加深而增加。本研究结果表明，在一定范围内，随着稻米中Zn和Se含量的降低，Fe含量的上升，稻米中AsA和IP6含量呈上升趋势。这一结果可能是因为在NaCl胁迫下，水稻稻米成熟的过程中，从“源”运来的P快速转化为IP6，使得IP6含量增加，同时由于Fe含量在稻米中的增加，一部分Fe会被IP6螯合，还有一部分Fe会在受胁迫后被产生的部分活性氧(ROS)氧化成Fe，此时稻米中高含量的AsA也会被Fe氧化生成HO等产物，在新形成的Fe和氧自由基的作用下，稻米中AnC的稳定性被破坏，导致AnC含量的下降，从而引起了稻米中Se含量的降低，而稻米中Zn含量的下降可能是受到P的“阻碍”效应。

4 结 论

在9个不同 NaCl处理(0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5和4.0 g/kg)下，6个基因型稻米中花青素的含量受到基因型和NaCl处理间相互独立作用的影响；抗坏血酸和植酸含量在不同基因型稻米中差异显著；P、Zn、Fe和Se的含量在互作效应上均达到显著差异，而稻米中Mg含量的累积在基因型和NaCl处理间均无显著影响。除Mg外，P、Zn、Fe、Se和Mn的含量在不同NaCl浓度处理间均差异显著。在基因型和不同NaCl处理的互作效应下，稻米中Fe的含量分别与抗坏血酸和植酸含量呈显著正相关，而Zn和Se的含量分别与抗坏血酸和植酸含量呈显著负相关。