侯明，陳國勇，梁福曉，王羽玲，李典鵬

1. 桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西 桂林 541006

釩脅迫對水稻幼苗生理生化和富集特性的影響

侯明1*，陳國勇1，梁福曉1，王羽玲1，李典鵬2

1. 桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2. 中國科學(xué)院廣西植物研究所，廣西 桂林 541006

水稻(Oryza.sativa L.)是我國最重要的糧食作物之一，水稻產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的一半以上，一旦水稻受到重金屬污染，將會影響水稻植株的正常生長和生理特性。目前關(guān)于釩脅迫對水稻植株生理特性指標(biāo)的影響方面報(bào)道較少。通過水培實(shí)驗(yàn)，研究了不同釩（V）質(zhì)量濃度（0、4、8、12、16、20 mg·L-1）對水稻幼苗（Oryza.sativa L）生理生化和富集特性的影響。結(jié)果表明：隨著V脅迫濃度的增加，葉綠素含量、可溶性蛋白含量、過氧化氫酶(CAT)活性、過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶（SOD）等均呈現(xiàn)先上升、后下降的變化趨勢。當(dāng)ρ(V)≤12 mg·L-1，與對照相比較，葉綠素含量、可溶性蛋白含量和酶活性增大了135.3%、104.2%、77.8%（CAT）、84.5%（POD）和273.2%(SOD）；當(dāng)ρ(V)＞12 mg·L-1，則分別降低37.2%、39.4%、41.1%、24.1%和24.5%。隨著V脅迫濃度的增加，丙二醛（MDA）含量和細(xì)胞膜透性逐漸增大，與對照相比，分別增加了38.5%～289.3%、21.2%～303.2%，根系活力下降了10.9%～82.2%?？梢姡挺?V)（≤12 mg·L-1）對水稻幼苗的生長有一定的刺激作用，水稻幼苗自身保護(hù)酶表現(xiàn)出較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力；高ρ(V)（＞12 mg·L-1）明顯抑制葉綠素和蛋白合成、抗氧化酶活性和根系活力，傷害了細(xì)胞質(zhì)膜系統(tǒng)，影響水稻幼苗的生長發(fā)育。不同V濃度脅迫下，水稻幼苗累積的V含量為：根＞莖葉。隨著V脅迫濃度增加，水稻幼苗各器官V含量增大，其中根部增幅遠(yuǎn)大于莖葉，當(dāng)ρ(V)從5 mg·L-1增加到40 mg·L-1，與對照相比較，根部增加了0.98～25.3倍，莖葉部增加了0.26～4.74倍。生物富集系數(shù)（BF）先增加后降低，最大值為2.8408；遷移系數(shù)（TF）下降，最低值為0.1170，說明水稻對V有較強(qiáng)的富集能力，但遷移能力較低，積累的V主要富集在根部，可減輕V對地上部植物的危害。

釩；水稻幼苗；生理生化特性；水培法；富集

水稻(Oryza.sativa L.)是我國最重要的糧食作物之一，我國水稻播種面積占全國糧食作物的1/4，而產(chǎn)量則占一半以上，一旦水稻受到重金屬污染，將會影響水稻植株的正常生長和生理特性。目前國內(nèi)外的研究主要集中在光照、空氣溫度、鹽度和酸雨（Aumonde等，2013；Liu等，2013；Jamil等，2012；惠俊愛和黨志，2014），以及金屬如Fe、Cd、Pb、Cu、Cr、As和Hg（Pereira等，2013；王永強(qiáng)等，2010；張杰等，2010；陳桂葵等，2010；郭再華等，2009；高大翔等，2008）等。王永強(qiáng)等（2010）研究結(jié)果表明，水稻葉片抗氧化酶活性在低度Pb、Cd脅迫下活性增加，高濃度脅迫下活性下降，POD對重金屬脅迫具有較強(qiáng)的敏感性，MDA含量與Pb、Cd污染程度成正相關(guān)；高大翔（2008）等通過水培試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Hg脅迫下CAT，POD活性和葉綠素含量總體上變化不明顯。這些研究重點(diǎn)在于植物酶活性、葉綠素等方面，而對于直接影響植物生長發(fā)育的根活力、可溶性蛋白的研究不多。近年來，由于釩礦開采和冶煉，含釩合金鋼的生產(chǎn)以及釩在催化劑和合金制造等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，使環(huán)境中釩含量逐步增加，已在生物圈中產(chǎn)生了明顯的富集（楊金燕等，2010）。當(dāng)農(nóng)作物中富集釩超過一定濃度范圍，不僅嚴(yán)重影響其品質(zhì)和產(chǎn)量，而且釩會進(jìn)一步通過食物鏈進(jìn)入人體，從而危害人類健康（矯旭東和滕彥國，2008）。趙婷（2007）與胡瑩（2003）等研究了釩對水稻種子萌發(fā)及生長的影響，表明隨著釩濃度的增加，對水稻的干物質(zhì)重量和根系生長均不利，而關(guān)于釩脅迫對水稻植株生理特性指標(biāo)的影響方面報(bào)道較少。本文在前期研究成果（侯明等，2012；侯明等，2013）基礎(chǔ)上，較為全面的研究了不同濃度釩脅迫對水稻幼苗的生理生化和富集特性的影響，旨在闡明釩對水稻植株的生物效應(yīng)和毒害作用，為改善作物品質(zhì)和提高水稻產(chǎn)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為水稻（Oryza.sativa L.）品種為株兩優(yōu)30，配制水培營養(yǎng)液的試劑和所選用的V（NH4VO3）均為分析純試劑。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和處理

試驗(yàn)設(shè)置為6種處理，分別加以不同的V量（以NH4VO3形式加入）：0、4、8、12、16、20 mg·L-1（富集實(shí)驗(yàn)V濃度為0、5、10、20、30、40 mg·L-1），每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)。將水稻種子于30 ℃烘箱中催芽后，播種于底部鋪有2層濾紙的塑料盤（長×寬×高=40 cm×25 cm×10 cm）中，用純水澆灌，在自然環(huán)境下培育，待種子長出2片葉時(shí)，用Hoagland培養(yǎng)液澆灌，2 d更換一次營養(yǎng)液，待幼苗長到約4～5 cm，每盆定株為13株，用含有不同V濃度的營養(yǎng)液進(jìn)行脅迫處理。每3 d澆定量營養(yǎng)液，脅迫處理12 d后收獲植物。將植物樣品分根、莖葉采集，用自來水沖洗根、莖葉，再用純水洗滌1～2次，測定各項(xiàng)生理指標(biāo)試樣用濾紙吸干表面水分，按所需質(zhì)量稱樣后置于冰箱中冷藏備用。測定V總量的試樣105 ℃殺青20 min，60 ℃鼓風(fēng)烘干后，粉碎過20目（0.90 mm）篩，裝入樣品袋于干燥器中保存。

1.3 試驗(yàn)方法

葉綠素含量測定采用丙酮提取法；過氧化物酶（POD）活性的測定用愈創(chuàng)木酚分光光度法，以每克植物鮮重每分鐘吸光值的變化（△A470·min-1·g-1）表示；超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定用鄰苯三酚自氧化法，其活性以U·mL-1表示；根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定，其活性用mg g-1·h-1表示（張志良和瞿偉菁，2003）。細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)法測定，用相對電導(dǎo)率表示（杜天慶等，2009）；丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸分光光度法（李合生等，2000）；過氧化氫酶（CAT）活性的測定采用過紫外分光光度法，以每克植物鮮重每分鐘過氧化氫的質(zhì)量（mg·min-1·g-1）表示（徐鏡波等，1997）；可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)試劑盒測定，以每克植物鮮重蛋白質(zhì)的質(zhì)量（mg·g-1）表示（Bradford，1976）。

植物干樣灰化后用H2O2-HNO3（1:5，v/v）消煮至澄清，水定容后石墨爐原子吸收分光光度法(GFAAS，novAA 400P，Analytik Jena AG )測定水稻植株根、莖葉中V總量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

植物地上與根部重金屬含量的比值稱為植物的遷移系數(shù)（translocation factor, TF），用來表示植物體對重金屬從根部到地上部的有效轉(zhuǎn)移程度（Windham等，2001）。計(jì)算公式 為：TF=地上部V含量（μg·g-1）/地下部V含量（μg·g-1）（Tanhan等，2007）。植物對重金屬的富集系數(shù)(bioconcentration factor, BF)=植物中V含量（μg·g-1）/水培溶液中V濃度（mg·L-1）（Tiwari等，2011）。所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（mean±SD）表示，采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和制圖，Duncan多重比較法對顯著性差異(p=0.05)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 釩脅迫對水稻幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)，植物中葉綠素含量變化在一定程度上顯示了逆境下植物所遭受的危害程度（周璇和宋鳳斌，2012）。由圖1可知，隨著V處理濃度的增大，葉綠素a、b含量均為先增大后減小。當(dāng)V脅迫濃度較低（ρ(V)＜12 mg·L-1）時(shí)，隨著V濃度增加，葉綠素含量逐漸增大，當(dāng)ρ(V)達(dá)12 mg·L-1，葉綠素a、b含量達(dá)最大值，與對照相比，葉綠素a、b和a+b含量分別增加159.7%、98.8%和135.3%，表明較低ρ(V)處理能刺激植物葉綠素的合成，促進(jìn)水稻幼苗的生長；以后隨著V濃度增大葉綠素含量明顯下降。當(dāng)ρ(V)為20 mg·L-1，與對照相比，葉綠素a、b和a+b含量分別降低36.2%、38.8%和37.2%，除葉綠素b外，與對照比較，葉綠素含量差異顯著（P＜0.05），表明高ρ(V)會損害葉綠素的結(jié)構(gòu)，對植株光合作用產(chǎn)生影響，進(jìn)而對植株產(chǎn)生毒害，影響植物的生長。

圖1 釩對水稻幼苗葉綠素含量的影響Fig. 1 Effects of V stress on chlorophyll content in rice seedlings

2.2 釩脅迫對水稻幼苗抗氧化酶活性的影響

植物體內(nèi)的過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）等3種抗氧化酶活性是植物體內(nèi)主要酶促防御系統(tǒng)的重要組分。由圖2、3和圖4可見，CAT、POD和SOD活性隨著V濃度增大先增加后減小。當(dāng)ρ(V)＜12 mg·L-1時(shí)，低ρ(V)通過刺激水稻幼苗抗氧化酶活性來提高植物對逆境的抗性，在ρ(V)達(dá)12 mg·L-1時(shí)，植物體內(nèi)酶活性達(dá)到最大，與對照相比較，CAT、POD和SOD活性增加了38.7%（根）和77.8%（莖葉），84.5%（根）和69.9%（莖葉），174.9%（根）和273.2%（莖葉），與對照比較存在顯著性差異（P＜0.05）。當(dāng)ρ(V)＞12 mg·L-1，隨著V濃度增加酶活性降低，在ρ(V)為20 mg·L-1時(shí)，與對照相比較，CAT、POD和SOD活性分別下降了36.7%（根）和41.1%（莖葉），24.1%（根）和22.3%（莖葉），24.5.0%（根）和16.4%（莖葉），可見，高ρ(V)抑制了植物的抗氧化酶活性，對水稻幼苗產(chǎn)生毒害作用。所以，在較低ρ(V)處理時(shí)，水稻幼苗對V脅迫具有一定的防御性，但植物的這種自我保護(hù)是有一定限度的，隨著脅迫加重，保護(hù)機(jī)制可能會被破壞，酶活性又急劇下降。

圖2 釩對水稻幼苗CAT活性的影響Fig. 2 Effects of V stress on CAT activity in rice seedlings

圖3 釩對水稻幼苗POD活性的影響Fig. 3 Effects of V stress on POD activity in rice seedlings

圖4 釩對水稻幼苗SOD活性的影響Fig. 4 Effects of V stress on SOD activity in rice seedlings

2.3 釩脅迫對水稻幼苗MDA含量和細(xì)胞膜透性影響

常用MDA含量作為植物膜脂質(zhì)過氧化程度的指標(biāo)（Hong，2002），而根據(jù)質(zhì)膜透性的變化可以反映植物受逆的狀況。隨著V脅迫濃度的增大，MAD含量和細(xì)胞膜透性增加（圖5，圖6），當(dāng)ρ(V)＜12mg·L-1時(shí)，MDA含量和細(xì)胞膜透性增加緩慢，膜脂過氧化程度較小，當(dāng)ρ(V)從12 mg·L-1增加到20 mg·L-1時(shí)，MDA含量和細(xì)胞膜透性明顯增大，與對照相比，MDA含量增加了107.1%～250.6%（根），134.7%～289.3%（莖葉），細(xì)胞膜透性增加了74.8.3%～160.4%（根），64.8%～148.8%（莖葉），均達(dá)到顯著性水平（P＜0.05），表現(xiàn)出明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系。可見，高ρ(V)對水稻幼苗的毒害作用尤其明顯，膜脂質(zhì)過氧化水平明顯提高，使植物細(xì)胞膜系統(tǒng)傷害程度增加。

圖5 釩對水稻幼苗MDA含量的影響Fig. 5 Effects of V stress on MDA content in rice seedlings

圖6 釩對水稻幼苗細(xì)胞膜透性的影響Fig. 6 Effects of V stress on cell membrane penetration in rice seedlings

2.4 釩脅迫對水稻幼苗可溶性蛋白含量和根系活力的影響

圖7表明，隨著V濃度增加，可溶性蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制，當(dāng)ρ(V)從4 mg·L-1增大到12 mg·L-1，與對照相比較，蛋白含量增加了9.0%到41.8%（根），47.2%到104.2%（莖葉）。當(dāng)ρ(V)＞12 mg·L-1，可溶性蛋白含量下降，ρ(V)達(dá)20 mg·L-1，與對照相比較，可溶性蛋白含量降低了39.4%（根）和22.1%（莖葉），差異顯著（P＜0.05）。圖8表明，在V脅迫期間，隨著V濃度增加，水稻幼苗根系活力呈下降趨勢，在ρ(V)從4 mg·L-1增加到12 mg·L-1，下降較為緩慢，與對照比較，根系活力降低了10.8%～35.4%，當(dāng)ρ(V)達(dá)20 mg·L-1，則降低達(dá)82.2%，差異顯著（P＜0.05），表明低ρ(V)對水稻幼苗根活力影響較小，而高ρ(V)對根系有更強(qiáng)的抑制作用，使水稻幼苗根活力顯著下降。

圖7 釩對水稻幼苗可溶性蛋白含量的影響Fig. 7 Effects of V stress on soluble protein content in rice seedlings

圖8 釩對水稻幼苗根系活力的影響Fig. 8 Effects of V stress on root activity in rice seedlings

2.5 釩在水稻植株中的富集特性

由表1可知，在不同V濃度脅迫下，水稻幼苗累積的V含量為：根＞＞莖葉，與對照比較差異顯著（P＜0.05）。V主要在水稻植株根系中大量富集，而在地上部分布很少，說明水稻將重金屬V向上運(yùn)輸?shù)哪芰^弱。隨著V處理濃度的增大，水稻幼苗根部和莖葉累積的V含量均升高，其中根部增幅遠(yuǎn)大于莖葉，在ρ(V)從5 mg·L-1增加到40 mg·L-1時(shí)，與對照相比較，根部V含量增加了0.98～25.3倍，莖葉部V含量增加了0.26～4.74倍，差異顯著（P＜0.05）。在未加V處理的水稻幼苗期，植株吸收V的含量最低。在不同V濃度脅迫下，水稻的富集系數(shù)（BF）值和遷移系數(shù)（TF）值不相同，隨著V濃度增大，富集系數(shù)BF值呈先上升后下降的趨勢，當(dāng)ρ(V)濃度達(dá)30 mg·L-1，水稻幼苗中V的BF值最大，為2.84，以后下降，在ρ(V)濃度達(dá)40 mg·L-1時(shí)，BF值為2.58，可見當(dāng)水稻幼苗對V的積累接近飽和，V從環(huán)境向水稻根部遷移的能力減弱，從而導(dǎo)致在高濃度V脅迫下水稻植株的富集系數(shù)BF降低。隨著V處理濃度的增大，遷移系數(shù)TF值從ρ(V)為5 mg·L-1的0.3417逐漸降低到40 mg·L-1的0.1170，表明水稻幼苗把V從根部轉(zhuǎn)移到莖葉的能力逐漸降低。

表1 水稻幼苗根系和莖葉中釩含量Table 1 Vanadium concent in stems leaves and shoots of rice seedlings μg·g-1

3 討論

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量高低直接影響植物光合作用效率的強(qiáng)弱，是衡量植物衰老或受傷程度的重要指標(biāo)。葉綠素含量增大，光合作用增強(qiáng)，有助于植物生長；葉綠素含量減少，會造成植物萎黃，對植物生長產(chǎn)生抑制作用（Homayoun等，2011）。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著V濃度增大，葉綠素a、b和a+b含量呈先上升后降低的變化趨勢，在ρ(V)濃度為12 mg·L-1達(dá)最大值，表明水稻幼苗對V脅迫有一定的防御性，當(dāng)受到低ρ(V)的刺激作用，植物體內(nèi)產(chǎn)生防御性反應(yīng)，促進(jìn)葉綠素合成，使葉綠素含量呈上升趨勢，這可能是由于水稻自身的抗性機(jī)制起作用，進(jìn)入細(xì)胞的有毒金屬離子會被細(xì)胞內(nèi)的金屬結(jié)合蛋白(金屬硫蛋白和植物螯合肽結(jié)合)結(jié)合，從而解除了重金屬離子的毒害。當(dāng)金屬脅迫濃度加大，超量重金屬可能直接破壞解毒物質(zhì)，從而抑制和破壞葉綠素前體的合成，使葉綠素含量降低，最后導(dǎo)致水稻葉片衰老，外觀上綠色變淡并黃化和枯萎，甚至死亡。

重金屬脅迫會使得活性氧（ROS）在植物體內(nèi)積累，而過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）是清除植物體內(nèi)過氧化物和活性氧自由基最關(guān)鍵的保護(hù)酶，能催化細(xì)胞內(nèi)過多的H2O2生成H2O，降低活性氧自由基（O2-）在植物體內(nèi)的積累，在CAT、POD和SOD的共同作用下，植物能使ROS保持在較低水平，有效避免外來脅迫對植物生物膜造成的損害（Schutzendubel等，2001；Dhir等，2009）。本實(shí)驗(yàn)表明，SOD、POD、CAT 3種酶活性對于不同濃度V脅迫的響應(yīng)均呈低促高抑的變化趨勢，在ρ(V)濃度為12 mg·L-1達(dá)到最大，以后隨著V脅迫濃度增加，酶活性逐漸下降，這與本課題組之前研究結(jié)果（侯明等，2012）相似。在V的低濃度（ρ(V)≤12 mg·L-1）范圍內(nèi)，水稻幼苗增強(qiáng)了自身的防御反應(yīng)，植物的保護(hù)酶POD、CAT、SOD被激發(fā)而升高，這3種酶協(xié)同抵御V脅迫造成的植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)潛在氧傷害，表現(xiàn)出較強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力和抗性，這種對植物的保護(hù)作用也刺激了可溶性蛋白含量增加。當(dāng)V的毒害作用超過水稻植株的防御能力（ρ(V)＞12 mg·L-1），植物組織中活性氧自由基增多，造成對植物細(xì)胞的過氧化損傷，使酶活性受到了顯著抑制，可溶性蛋白含量下降，與對照相比較，差異顯著（P＜0.05）。所以，植物中SOD、POD、CAT活性對水稻組織中酶平衡系統(tǒng)的保護(hù)是有一定限制的。

在逆境條件下，植物體內(nèi)自由基的產(chǎn)生和清除之間不平衡，當(dāng)自由基和H2O2積累到一定程度，細(xì)胞原生質(zhì)膜中的不飽和脂肪酸會發(fā)生過氧化作用而產(chǎn)生丙二醛（MDA），傷害植物膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性，使植物細(xì)胞膜透性增大（Wu等，2010；惠俊愛和黨志，2013），MDA含量高低和細(xì)胞質(zhì)膜透性變化是反映細(xì)胞膜脂過氧化作用強(qiáng)弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)。隨著V脅迫濃度的增大，水稻幼苗中MDA含量和細(xì)胞膜透性呈增加趨勢，表現(xiàn)出明顯的計(jì)量效應(yīng)關(guān)系。當(dāng)ρ(V)≤12 mg·L-1時(shí)二者增加較為緩慢，ρ(V)＞12 mg·L-1兩者顯著升高，表明低ρ(V)對水稻幼苗的生長發(fā)育影響較小，高ρ(V)使膜脂過氧化程度增強(qiáng)，促進(jìn)MDA的生成和累積，細(xì)胞內(nèi)部分電解質(zhì)外滲，細(xì)胞膜透性增加，從而使水稻遭受的毒害加重。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影響植物吸收水分和養(yǎng)分，而且約束著植株地上部分生長的好壞，所以，根系活力的大小與整個(gè)植株生命活動的強(qiáng)度緊密相關(guān)，當(dāng)作物遭受逆境脅迫時(shí)，作物最先感受脅迫的器官是根系，通過根系生長和代謝的相應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)逆境脅迫（何俊瑜等，2011）。研究表明，V脅迫使水稻幼苗的根系活力降低，這種抑制作隨著V濃度的增大而加重，在ρ(V)達(dá)20 mg·L-1，根系活力降低為對照的0.2倍，差異顯著（P＜0.05）。低ρ(V)使水稻幼苗根活力緩慢下降，說明正常的根系功能衰退快于地上部分葉片功能的衰退，這種發(fā)育進(jìn)程上的時(shí)差，有利于地上部分生育后期生物學(xué)成熟，是植物體整體發(fā)育過程中的一種自身調(diào)控（魏道智等，2004）。而高ρ(V)（＞12 mg·L-1）脅迫下，由于V大量積累在根部，直接影響細(xì)胞的分裂和生長，干擾根的代謝，使水稻幼苗受到不可逆的傷害，最終使水稻幼苗生長受阻。

在不同V濃度脅迫下，水稻幼苗積累的V主要分布在根部，莖葉中V含量很少，V在植株各部位含量為：根＞＞莖葉，說明V在水稻植株中是被動吸收輸運(yùn)。水稻幼苗對V的吸收富集能力（BF）和遷移能力（TF）與V脅迫濃度緊密相關(guān)，本實(shí)驗(yàn)中，對照組的水稻幼苗遷移能力較強(qiáng)（TF值0.535），隨著V脅迫濃度的增加，水稻植株積累V的能力增強(qiáng)，BF值增大，在ρ(V)達(dá)30 mg·L-1時(shí)BF最大值為2.84，V在水稻幼苗中吸收總量升高，但TF值下降。由于吸收富集的V主要存儲于根部，分布在莖葉中的較少，說明水稻幼苗根系固持V的能力較強(qiáng)，相應(yīng)從地下部向地上部分遷移V的能力減弱，從而緩解重金屬對植物地上部生長活動的影響。但高ρ(V)（＞30 mg·L-1）脅迫下，植物根部積累V量達(dá)到飽和，多量的V將進(jìn)入植物細(xì)胞器，破壞了根部結(jié)構(gòu)，對植物產(chǎn)生較強(qiáng)的毒害作用，使植物富集能力下降，此時(shí)水稻幼苗莖葉出現(xiàn)發(fā)黃和枯萎現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）水稻幼苗各部位對V的富集能力為：根＞＞莖葉。隨著V脅迫濃度的增大，根部V含量顯著增加，莖葉部V含量增加緩慢，而生物富集系數(shù)（BF）先升高后下降，遷移系數(shù)（TF）逐漸降低，表明水稻幼苗富集V的能力較強(qiáng)，但將根部轉(zhuǎn)移到莖葉的能力減小，可以減輕過量V對植物地上部的毒害作用。水稻植株對V具有一定的富集能力，屬于V的耐性植物。

（2）低ρ(V)（≤12 mg·L-1）對幼苗葉綠素、抗氧化酶以及蛋白的合成具有一定的刺激效應(yīng)，通過植物體內(nèi)酶活性的增強(qiáng)提高對V的抗性，促進(jìn)光合作用和植物蛋白的合成；高ρ(V)（＞12 mg·L-1）能影響植物的光合作用，造成對植物細(xì)胞的過氧化損傷，酶活性受到顯著抑制，可溶性蛋白含量下降，進(jìn)而影響植物的發(fā)育。可見，水稻幼苗的防御功能在一定程度上緩解V對自身的危害，提高其抗性并刺激植株的生長。

（3）V脅迫使水稻幼苗的丙二醛（MDA）含量和細(xì)胞膜透性升高，根活力下降，呈現(xiàn)顯著的劑量-效應(yīng)關(guān)系，此關(guān)系隨著V濃度升高更加顯著，表明高ρ(V)脅迫促使細(xì)胞內(nèi)有害物質(zhì)MDA的累積，使細(xì)胞膜的功能和結(jié)構(gòu)受傷害的程度更大，幼苗植株質(zhì)膜透性明顯增大，植物生長受到抑制。

AUMONDE T Z, PEDó T, BORELLA J, et al. 2013. Seed vigor, antioxidant metabolism and initial growth characteristics of red rice seedlings under different light intensities[J]. Acta Botanica Brasilica, 27(2): 311-317.

BRADFORD M M. 1976. A rapid and sensitive method for the quantities of protein utilizing the principle of protein dye binding[J]. Analytical Biochemistry, 72: 248-252.

DHIR B, SHARMILA P, PARDHA SARADHI P, et al. 2009. Physiological and antioxidant responses of Salvinia natans exposed to chromium-rich wastewater[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 72(6): 1790-1797.

HONG F S. 2002. Study on the mechanism of cerium nitrate effects on germination of aged rice seed[J]. Biological Trace Element Research, 87(1-3): 191-200.

HOMAYOUN H, DALIRI M S, MEHRABI P. 2011. Effect of Drought Stress on Leaf Chlorophyll in Corn Cultivars (Zea mays)[J]. Middle-East Journal of Scientific Research , 9(3): 418-420.

JAMIL M, BASHIR S, ANWAR S, et al. 2012. Effect of salinity on physiological and biochemical characteristics of different varieties of rice[J]. Pakistan Journal of Botany, 44: 7-13.

LIU Q H, WU X, LI T, et al. 2013. Effects of elevated air temperature on physiological characteristics of flag leaves and grain yield in rice[J]. Chilean journal of agricultural research, 73(2): 85-90.

PEREIRA E G, OLIVA M A, ROSADO-SOUZA L, et al. 2013. Iron excess affects rice photosynthesis through stomatal and non-stomatal limitations[J]. Plant Science, 201: 81-92.

SCHüTZENDüBEL A, SCHWANZ P, TEICHMANN T, et al. 2001. Cadmium-Induced Changes in Antioxidative Systems,Hydrogen Peroxide Content and Different Iation in ScotsPine Roots[J]. Plant Physiology, 127(3): 887-898.

TANHAN P, KRUATRACHUE M, POKETHITIYOOK P, et al. 2007. Uptake and accumulation of cadmium, lead and zinc by Siam weed[J]. Chemosphere, 68(2): 323-329.

TIWARI K K,SINGH N K,PATEL M P, et al．2011. Metal contamination of soil and translocation in vegetables growing under industrial wastewater irrigated agricultural field of Vadodara, Gujarat, India[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 74(6): 1670-1677.

WINDHAM L,WEIS J S,WEIS P. 2001. Lead uptake，distribution，and effects in two dominant salt marsh macrophytes，Spartina alterniflora (cordgrass) and Phragmites australis (common reed) [J]. Marine Pollution Bulletin, 42(10): 811-816.

WU L H, YI H L, YI M. 2010. Assessment of Arsenic Toxicity Using Allium/Vicia Root Tip Micronucleus Assays [J]. Journal of Hazardous Materials, 176(1): 952-956.

陳桂葵, 楊杰峰, 黎華壽, 等. 2010. 高氯酸鹽和鉻復(fù)合污染對水稻生理特性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 30(15): 4144-4153.

杜天慶, 楊錦忠, 郝建平, 等. 2009. Cd、Pb、Cr三元脅迫對小麥幼苗生理生化特性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 29(8): 4475-4482.

高大翔, 郝建朝, 李子芳, 等. 2008. 汞脅迫對水稻生長及幼苗生理生化的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 27(1): 58- 61.

郭再華, 孟萌, 侯彥琳. 2009. 磷、砷雙重脅迫對不同耐低磷水稻苗期生長及磷、砷吸收的影響[J]. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào), 15(5): 596-601.

何俊瑜, 任艷芳, 王陽陽, 等. 2011. 不同耐性水稻幼苗根系對鎘脅迫的形態(tài)及生理響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 31(2): 522-528.

侯明, 路暢, 張興龍. 2012. 釩、汞脅迫對菜心幼苗生理生化特性的影響[J]. 生態(tài)學(xué)雜志, 31(3): 532-537.

侯明, 陳如, 黃艷嬌. 2013. 枸杞幼苗對釩脅迫的生理響應(yīng)和積累特性[J]. 桂林理工大學(xué)學(xué)報(bào), 33(4): 688-693.

胡瑩, 黃益宗, 劉云霞, 等. 2003. 釩對水稻生長的影響-溶液培養(yǎng)研究[J]. 環(huán)境化學(xué), 22(5): 507-510.

惠俊愛, 黨志. 2013. 長期鎘脅迫對玉米CT38生長和生理特性的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 22(7): 1226-1230.

矯旭東, 滕彥國. 2008. 土壤中釩污染的修復(fù)與治理技術(shù)研究[J]. 土壤通報(bào), 39(2): 448-452.

李合生, 孫群, 趙世杰, 等. 2000. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M].北京: 高等教育出版社: 260-261.

王永強(qiáng), 肖立中, 李詩殷, 等. 2010. 鉛鎘復(fù)合污染對土壤和水稻葉片生理生化特性的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 26(18): 369-373.

王雯, 李曼, 王麗紅, 等. 2014. 酸雨對全生育時(shí)期水稻葉綠素?zé)晒獾挠绊慬J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 23(1): 80-85.

魏道智, 寧書菊, 林文雄. 2004. 小麥根系活力變化與葉片衰老的研究[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 15(9): 1565-1569.

徐鏡波, 袁曉凡, 郎佩珍. 1997. 過氧化氫酶活性及活性抑制的紫外分光光度測定[J]. 環(huán)境化學(xué), 16(1): 73-76.

楊金燕, 唐亞, 李廷強(qiáng), 等. 2010. 我國釩資源現(xiàn)狀及土壤中釩的生物效應(yīng)[J]. 土壤, 41(6): 1511-1517.

張杰, 黃永杰, 周守標(biāo). 2010. 銅脅迫下鑭對水稻幼苗生長及抗氧化酶活性的影響[J]. 環(huán)境化學(xué), 29(5): 932-937.

張志良,瞿偉菁. 2003. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京: 高等教育出版社: 67-69, 123-124, 270-271, 39-41.

趙婷, 鐵柏清, 楊佘維. 2007. 釩對水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 30(5): 3-5.

周璇, 宋鳳斌. 2012. 不同種植方式下玉米葉片葉綠素和可溶性蛋白含量變化[J]. 土壤與作物, 1(1): 41-48.

Effects of Vanadium Stress on Physiological, Biochemical Characteristics and Enrichment Characteristics of Rice Seedlings

HOU Ming1*, CHEN Guoyong1, LIANG Fuxiao1, WANG Yuling1, LI Dianpeng2

1. College of Chemistry and Bioengineering, Guilin University of Technology, Guilin 541004, China; 2. Guangxi Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences, Guilin 541006, China

Rice (Oryza.sativa L.) is one of the most important food crop in our country, and the rice yield accounts for more than half of the total grain output. Once the rice is contaminated by heavy metals, its normal growth and physiological characteristics will be affected. There were little reports about effects of vanadium stress on physiological characteristics of rice plants. In the present work, the effects of different vanadium (V) concentrations (0, 4, 8, 12, 16, 20 mg·L-1) on the physiological and biochemical characteristics, and enrichment characteristics of rice seedlings (Oryza.sativa L) were investigated by hydroponics. The results showed that the contents of chlorophyll and soluble protein, catalase activity (CAT), peroxidase activity (POD), superoxide dismutase activity (SOD) firstly increased, and then decreased with increase of V press level. When V concentration was less than 12 mg·L-1, the activities of CAT, POD and SOD, increased by 77.8%、84.5% and 273.2%, the contents of chlorophyll and soluble protein increased by 135.3%、104.2% respectively, compared with the control, while they decreased by 37.2%、39.4%、41.1%、24.1% and 24.5% respectively, when V concentration was higher than 12 mg·L-1. With increase of V press level, MDA content, and cell membrane permeability increased by 38.5%～289.3% and 21.2%～303.2%, and root activity decreased by 10.9%～82.2% respectively, compared with the control. The growth of rice seedlings was stimulated, and self-protective enzymes in rice seedlings showed stronger self-regulation when V stress level was less than 12 mg ·L-1, while the synthesis of chlorophyll and protein, antioxidant enzyme activity and root activity were suppressed, the cell membrane system was hurt, and growth of rice seedlings was impeded significantly when V stress level was higher than 12 mg·L-1. The experimental results showed that the concentrations of V in different organs of rice seedlings were in sequence as follows: root ＞ stem and leave. With V level increasing, the concentrations of V in different organs increased, with a higher amplification in root than that in stem and leave, compared with the control. When V press level was increased from 5 mg·L-1to 40 mg·L-1, concentration of V increased by 0.98～25.3 times in root, but only by 0.26～4.74 times in stem and leave. The bioconcentration factor (BF) firstly increased and then decreased, with a maximum 2.8408, while the translocation factor (TF) decreased, with a minimum 0.1170. It suggested that there was a strong V enrichment and low V translocation in rice seedlings, while most V was accumulated in roots, which can reduce the toxicity of V to shoots.

vanadium; rice seedlings (Oryza.sativa L.); physiological and biochemical properties; hydroponics; enrichment

X132；X171.5

A

1674-5906（2014）10-1657-07

侯明，陳國勇，梁福曉，王羽玲，李典鵬. 釩脅迫對水稻幼苗生理生化和富集特性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2014, 23(10): 1657-1663.

HOU Ming, CHEN Guoyong, LIANG Fuxiao, WANG Yuling, LI Dianpeng. Effects of vanadium stress on physiological, biochemical characteristics and enrichment characteristics of rice seedlings [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(10): 1657-1663.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41161076）；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2011GXNSFA018045）；2013年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201310596012）；廣西高校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（2013HSCX001）

侯明（1957年生），女，教授，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染控制和生態(tài)毒理。E-mail：glhou@glut.edu.cn

2014-08-25