新疆環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院 新疆 烏魯木齊 830011

Cd是對(duì)植物危害較大的重金屬元素之一，有關(guān)植物受Cd毒害及植物體內(nèi)緩解Cd毒害的機(jī)制已有大量報(bào)道[1]。S和Se均為植物體內(nèi)的必須元素，且對(duì)Cd毒性具有一定的抑制作用[2-6]。同時(shí)S和Se屬于同一元素周期位的化學(xué)元素，化學(xué)性質(zhì)相似，在吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和進(jìn)入生物大分子中的途徑有相同之處，植物中Se和S相互作用表現(xiàn)在植物對(duì)Se的吸收、同化及植物的生長(zhǎng)發(fā)育等各方面。高等植物同化Se6+的途徑與同化的途徑基本相同。

水稻作為亞洲使用最多的糧食作物，其體內(nèi)重金屬含量以及會(huì)對(duì)人類造成的損害多見報(bào)道。金屬硫蛋白[7](metallothionein，簡(jiǎn)稱MT)為一類廣泛地存在于生物界的低分子量、富含半胱氨酸的金屬結(jié)合蛋白，尤其對(duì)Cd，Zn，Cu，Au，Ag等有較強(qiáng)的親和力。有很多實(shí)驗(yàn)證明MT在提高植物重金屬抗性、解除對(duì)Cu，Zn，Pb，Ag，Hg，Cd等重金屬毒性方面具有重要作用，多數(shù)MT在C端和N端有兩個(gè)富含Cys的結(jié)構(gòu)域，其中的巰基既可以與重金屬螯合形成無毒或低毒的絡(luò)合物[8]。

因此本文主要研究在不同S濃度下硒鎘協(xié)同作用對(duì)水稻生長(zhǎng)特性的影響。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在無添加S條件以及10d后添加S兩種條件下，硒鎘的交互作用對(duì)水稻幼苗的影響，以闡明植物體內(nèi)S對(duì)Se與Cd交互作用的影響及初步機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 供試植物：淮稻6號(hào)，由江蘇農(nóng)科院提供。植物培養(yǎng)液為霍格蘭溶液。

取籽粒飽滿、均勻的水稻種子，用1.2%NaClO溶液消毒20min，均勻擺在墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，加入適量去離子水，放入人工氣候箱中避光發(fā)芽5天。選取發(fā)芽情況較好，平均長(zhǎng)度在5cm左右的水稻芽于三角燒瓶，每個(gè)三角燒瓶中放同等根數(shù)，加入適量營(yíng)養(yǎng)液，在人工氣候箱中繼續(xù)培養(yǎng)5d，過程中補(bǔ)充消耗的營(yíng)養(yǎng)液。人工氣候培養(yǎng)箱條件：光照16h，溫度28℃，濕度：75。暗室8h，溫度20℃，濕度70%。

試驗(yàn)濃度的設(shè)定：處理中，配制Se濃度為0，5mg·L-1，Cd濃度為1，10mg·L-1溶液，添加S(以MgSO4形式)分別為0，48mg·L-1。霍格蘭溶液培養(yǎng)為對(duì)照，每組處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)。

采樣時(shí)間：曝毒溶液培養(yǎng)10天后，部分處理加入48mg·L-1S，另一部分無添加S，分別在0，5，10，15，20d取樣測(cè)定，每組處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 水稻幼苗生物量的測(cè)定 取樣后，將根部與莖葉分離，在100℃烘箱中烘干，用電子天平稱量干重，記下數(shù)據(jù)，并計(jì)算出每組處理的平均干重。

1.2.2 水稻幼苗葉綠素含量的測(cè)定 稱取0.1g的葉片，置于10ml比色管中，加入10m L丙酮和無水乙醇等量混合成的提取液，加塞置于4℃冰箱中下進(jìn)行浸提24h后，用分光光度計(jì)測(cè)定在663nm和645nm處的吸光度，記下數(shù)據(jù)并計(jì)算。

1.2.3 水稻幼苗Cd含量的測(cè)定 將樣品的地下部分(根)和地上部分(莖葉)分開，各自保存后烘干，稱重。分別測(cè)定地上部分和地下部分的Cd含量。稱取烘干磨碎后的樣品0.01g～0.08g置于消化罐內(nèi)，加入4mL硝酸和2mL雙氧水，靜置5min，加蓋后消化13min。將消化液置于錐形瓶中趕酸，冷卻后轉(zhuǎn)移至10ml容量瓶中，加入1%HNO3定容，靜置30min同時(shí)做空白試驗(yàn)。微波消解后用原子吸收光譜法測(cè)出地上部分和地下部分的Cd含量。

1.2.4 水稻幼苗金屬硫蛋白(MT)含量的測(cè)定 金屬硫蛋白(MT)含量的測(cè)定：將曝毒后的水稻從燒杯中取出，用電子天平稱取水稻幼苗鮮樣組織lg，并置于研缽中，加入0.01mol/L，p H8.6的Tris-HCI緩沖液10m L，研磨后于4℃冰箱過夜抽提。抽提液于4℃，1×104r/min離心30min，收集上清。上清于100℃水浴加熱2-3min，再于4℃下，1×104r/min離心20min。收集上清，加入3倍體積-20℃預(yù)冷的無水乙醇，-20℃過夜沉淀后，4℃下，1.2×104r/min離心20min。取沉淀加入0.01mol/LTris-HCl緩沖液5mL，溶解數(shù)小時(shí)后，在4℃下1.5×104r/min離心20min，收集上清即為MT提取液。取提取液1m L用Ag飽和法測(cè)定MT含量[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)水稻生物量的影響

由圖1a可知，在無S，無Se條件下低濃度Cd對(duì)水稻幼苗根干重的抑制比高濃度Cd小。在無Se條件下，無論是低濃度Cd還是高濃度Cd，在第10 d加入S之后，水稻幼苗根干重明顯高于無添加S組，且由圖可知，Cd為10 mg/L時(shí)，添加S之后，水稻幼苗根干重的數(shù)值高于Cd為1mg/L，未添加S時(shí)的根干重。且當(dāng)Cd濃度為1mg/L，添加S之后，在第20d時(shí)，水稻幼苗根干重?cái)?shù)值高于對(duì)照組。由此證明，S的添加對(duì)Cd的毒性起到了一定的緩解作用。

圖1 水稻幼苗根干重隨時(shí)間的變化(a：無Se；b：Se=5mg/L)

見圖1b，水稻幼苗添加Se之后，在無添加S情況下，Se與低濃度Cd產(chǎn)生一定拮抗作用，與高濃度Cd產(chǎn)生一定的協(xié)同作用。在添加S情況下，當(dāng)Cd濃度為10mg/L時(shí)，第20d水稻幼苗根干重?cái)?shù)值較其它有Cd脅迫條件下的數(shù)值高，說明雖然Se與高濃度Cd具有一定協(xié)同作用，但S的添加顯著抑制了二者協(xié)同時(shí)對(duì)水稻的毒害，證明S對(duì)兩種元素協(xié)同作用的抑制較為顯著。推測(cè)有可能是因?yàn)?，S的添加分別抑制了水稻對(duì)Se、Cd的吸收，從而達(dá)到抑制作用。

見圖2a，無添加Se時(shí)，水稻幼苗莖干重的變化趨勢(shì)與根干重變化趨勢(shì)較類似，但由于莖干重?cái)?shù)值與對(duì)照組相比，差別并不顯著所以推測(cè)，Cd對(duì)根部的毒性大于Cd對(duì)莖部的毒性，主要是因?yàn)樗居筛课誄d，而向莖部轉(zhuǎn)移量較少，因此Cd對(duì)水稻幼苗莖的毒性低于對(duì)根的毒性。

圖2 水稻幼苗莖干重隨時(shí)間的變化(a：無Se；b：Se=5mg/L)

見圖2b，在添加Se條件下，Cd為10mg/L，添加S之后，第15d，水稻幼苗莖干重?cái)?shù)值高于對(duì)照組，因此在一定意義上反映出，S的存在抑制了Se、Cd協(xié)同作用對(duì)水稻的毒害，甚至S的添加使得水稻長(zhǎng)勢(shì)良好。

見圖3，4水稻幼苗根、莖長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)與水稻幼苗根、莖干重變化趨勢(shì)大體相同，在此不再贅述。

圖3 水稻幼苗根長(zhǎng)隨時(shí)間的變化(硒為5mg/L)

圖4 水稻稻幼苗莖長(zhǎng)隨時(shí)間的變化(硒為5mg/L)

由以上4張圖可以看出，水稻幼苗根生物量隨時(shí)間而增大。高濃度Cd較低濃度Cd對(duì)水稻的毒害更加明顯。

此外，可以看出在低濃度Cd條件下，加Se組水稻幼苗長(zhǎng)勢(shì)比較良好，高濃度Cd條件下，為現(xiàn)明顯區(qū)別。故推測(cè)，Se在低濃度Cd下，與其產(chǎn)生拮抗，抑制了Cd對(duì)水稻的毒害。而在高濃度Cd下，與其產(chǎn)生一定的協(xié)同作用，故并未顯著減小其對(duì)水稻幼苗的毒性。

第10d加入S，水稻幼苗的生長(zhǎng)趨勢(shì)隨時(shí)間逐漸變好，無添加S組，水稻幼

苗根莖生物量也有增加，但增長(zhǎng)趨勢(shì)較添加S組，漲幅不明顯。

2.2 對(duì)水稻葉綠素含量的影響

見圖5對(duì)比高濃度，在低濃度鎘情況下，低濃度鎘對(duì)水稻幼苗葉綠素的抑制相對(duì)高濃度不明顯。對(duì)比同濃度鎘，在第十天加入S之后，水稻幼苗葉綠素含量高于未加S組。

圖5 水稻幼苗葉綠素含量隨時(shí)間的變化(b：Se為5mg/L)

2.3 對(duì)水稻體內(nèi)鎘含量的影響

由圖6可以看出，無添加S情況下，水稻對(duì)Cd的吸收速率相對(duì)較快，在第10d加入S之后，雖然Cd仍在水稻體內(nèi)累積，但相對(duì)于未加入S組，Cd的累積速率明顯受到抑制，說明S的添加抑制的水稻對(duì)Cd的吸收，從而達(dá)到緩解Cd毒害的作用。

圖6 水稻幼苗Cd含量隨時(shí)間的變化(a：根部，Se為5mg/L；b：莖部，Se為5 mg/L)

此外，可以看出，水稻幼苗莖和根部鎘累積隨時(shí)間均在增加，并且Cd在根部的累積量以及累積速率均高于莖部，高濃度鎘在水稻體內(nèi)的含量明顯高于低濃度鎘在水稻體內(nèi)的累積。對(duì)比10d加入S和無添加S組，可以看出在加入S后，水稻體內(nèi)對(duì)Cd的吸收速率降低，且累積量也有所下降。證明S的添加減緩了水稻吸收Cd的速率。

對(duì)比圖7可以看出，高濃度Cd對(duì)金屬硫蛋白的誘導(dǎo)量高于低濃度Cd，并且對(duì)照組的金屬硫蛋白隨時(shí)間并未發(fā)生顯著變化，由此推斷只有在Cd存在時(shí)，金屬硫蛋白才可能被誘導(dǎo)。

添加S組水稻體內(nèi)合成的金屬硫蛋白含量高于無S添加組，證明S的存在為水稻體內(nèi)合成金屬硫蛋白提供了原料。此外，由于在無S情況下，MT也能夠被誘導(dǎo)產(chǎn)生，因此推測(cè)，Se的存在在一定程度上也能夠替代S產(chǎn)生MT。其可能的主要機(jī)制為，Se的存在誘導(dǎo)產(chǎn)生金屬硫蛋白，Se成為MT中心，即Se代金屬硫蛋白。

3 結(jié)論

相較于低濃度Cd，高濃度Cd對(duì)水稻的毒害更加明顯，且高濃度Cd誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的MT；相較于無Se組，添加Se，與低濃度Cd產(chǎn)生拮抗效應(yīng)，抑制Cd的毒害，與高濃度Cd產(chǎn)生協(xié)同作用，相互促進(jìn)水稻對(duì)二者的吸收，從而說明加硒未能抑制高濃度Cd的毒性；

第10d加入S，與無添加S組相比，對(duì)水稻的各項(xiàng)生理生化指標(biāo)均有明顯的促進(jìn)作用，且MT的含量也明顯增多。S的加入明顯抑制了水稻幼苗對(duì)Se、Cd的吸收，降低了Se與Cd在水稻幼苗體內(nèi)的累積。MT在無S情況下也可產(chǎn)生，且添加Se組MT含量高于未添加Se組，推測(cè)水稻體內(nèi)原始存在的S先被消耗合成MT，接著Se的供給在一定程度上代替S合成MT。