黃劍冰 任杰 唐璐 但建國

摘 要 根表鐵膜形成能力反映了水稻根系氧化力的強弱。為了了解普通野生稻根系氧化力，采用水培鐵脅迫試驗對5個水稻品種和2個普通野生稻居群根表鐵膜形成能力進行評價。結(jié)果表明：同亞洲栽培稻相比，普通野生稻擁有較高的根孔隙度，但其根表鐵膜含量較低；供試植株的根孔隙度與根表鐵膜含量之間沒有相關(guān)性，這很可能與側(cè)根的數(shù)量有關(guān)。

關(guān)鍵字 鐵膜；根孔隙度；亞洲栽培稻；普通野生稻

中圖分類號 S511 文獻標識碼 A

Abstract Iron plaque on roots is an indicator of root oxidation potential of Asian cultivated rice， Oryza sativa L. In order to determine the root oxidation potential of O. rufipogon Griff.， iron plaque formation on the roots of five rice cultivars and two populations of O. rufipogon was investigated using hydroponic experiments. Iron plaque was induced by exposing the roots to a Kimura B nutrient solution supplemented with 0.532 mmol/L FeSO4 for 12 h. The results indicated that the O. rufipogon populations had higher root porosity， but lower content of iron plaque on roots compared with the rice cultivars. The root porosity of all tested plants was not correlated with the content of iron plaque on their roots， which was possibly attributed to difference in number of lateral roots on primary roots.

Key words iron plaque； root porosity； Oryza sativa； Oryza rufipogon

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.03.006

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，亞洲栽培稻（Oryza sativa L.）為主要栽培種。亞洲栽培稻屬濕生植物，其根系是由胚根、不定根及各次分枝的側(cè)根所構(gòu)成[1-2]。亞洲栽培稻的根系對淹水環(huán)境有2種適應(yīng)對策[3]。其一，稻根具有發(fā)達的通氣組織，以便將氧氣快速、有效地轉(zhuǎn)運到地下，滿足根生長發(fā)育以及根際環(huán)境的耗氧所需。其二，胚根和不定根的中部和基部（從距根尖5～7 cm處起）有泌氧屏障（barrier to radial oxygen loss）[4-5]，主要得益于木栓質(zhì)在根外層組織的沉積[6-7]。該屏障能有效限制根內(nèi)通氣組織的氧氣徑向擴散到根際，有利于氧氣縱向運輸至根尖，從而促進根在厭氧環(huán)境中的伸長生長，同時還能阻止根際毒素、甲烷和乙烯等氣體進入根內(nèi)[3，7]。水稻根系分泌的氧氣能使厭氧土壤中的Fe2+被氧化成Fe3+，并在根表沉積，形成根表鐵膜（iron plaque）[8]。鐵膜的主要組分為水鐵礦，其次為纖鐵礦，有時還有少量的針鐵礦[9-10]。根表鐵膜具有兩性膠體的性質(zhì)，可通過吸附和共沉淀等作用影響水稻植株對磷、鋅以及鎘、鉻、鉛、砷等重金屬的吸收及其轉(zhuǎn)運，故這一領(lǐng)域的研究備受國內(nèi)外的關(guān)注[11-12]。水稻根系分泌的氧氣和土壤溶液中Fe2+濃度是影響根表鐵膜形成的2個主要因素[13-16]。水稻根系泌氧能力跟品種有關(guān)，不同水稻品種的根表鐵膜形成能力是有差異的[17-21]。因此，根表鐵膜形成能力可用來表征水稻根系的氧化力[22-23]。

普通野生稻（Oryza rufipogon Griff.）是亞洲栽培稻的野生祖先種[24-26]。在中國，普通野生稻僅分布于廣東、廣西、海南、云南、江西、湖南、福建和臺灣等?。▍^(qū)）。普通野生稻為多年生水生植物，喜棲息在常年有水的沼澤、湖泊、溝渠附近[26-29]。普通野生稻擁有更豐富的遺傳多樣性和更復(fù)雜的遺傳背景，蘊藏著極其豐富的優(yōu)異基因，是水稻栽培品種改良的重要遺傳資源[25-26]。但是，迄今為止，國內(nèi)外對普通野生稻根系的研究報道比較少。有關(guān)普通野生稻根表鐵膜的研究尚處空白。本研究擬對不同水稻品種和普通野生稻居群根表鐵膜形成能力進行評價和比較，所得結(jié)果將有助于普通野生稻資源的保護與利用。

1 材料與方法

1.1 材料

以5個水稻品種和2個普通野生稻居群作為供試材料。水稻品種包括‘特秈占25、‘新黃占、‘海香占、‘瓊糯和‘63選。普通野生稻采自海南省瓊海市中原普通野生稻自然保護區(qū)和海南省萬寧市東澳普通野生稻自然保護區(qū)西部，分別稱為‘瓊海居群和‘萬寧居群。

1.2 方法

1.2.1 水稻和普通野生稻的培養(yǎng) 水稻：挑選飽滿的水稻種子，用54 ℃熱水浸種，放置室內(nèi)。24 h后將種子移至濕潤濾紙上催芽。萌芽后第7天的幼苗用1/2木村B營養(yǎng)液進行沙培12 d。接著，將稻苗轉(zhuǎn)移到圓口塑料桶（桶深18.5 cm、直徑20 cm）中，用木村B營養(yǎng)液進行水培31.5 d。將稻株插入泡沫板小孔中，以海綿固定植株，讓根莖交界處距離水面2.5 cm。每3 d更換一次營養(yǎng)液。每桶8株稻苗，每個品種共計24株。沙培和水培均在自然光照和變溫（21～33 ℃）條件下進行。木村B營養(yǎng)液配方是[30]：（NH4）2SO4 0.37 mmol/L，MgSO4·7H2O 0.55 mmol/L，KNO3 0.18 mmol/L，CaNO3·4H2O 0.37 mmol/L，KH2PO4 0.21 mmol/L，Na2EDTA-Fe（Ⅱ） 90 μmol/L，MnCl2·4H2O 7.3 μmol/L，H3BO3 9.3 μmol/L，（NH4）6Mo7O24·4H2O 0.015 μmol/L，ZnSO4·7H2O 0.15 μmol/L，CuSO4·5H2O 0.16 μmol/L，其pH調(diào)至5.5。

普通野生稻：采自野外的普通野生稻用木村B營養(yǎng)液培養(yǎng)。當新芽萌發(fā)后第14天，將幼苗從母株分離，然后進行沙培和水培，方法同前。

1.2.2 鐵脅迫試驗 挑選長勢一致的水稻和普通野生稻植株供試。將供試植株轉(zhuǎn)移到室內(nèi)[培養(yǎng)溫度為（26±1）℃， 每日光照14 h，光強330 lx，相對濕度60%±5%]。用去離子水培養(yǎng)0.5 d，然后用含高濃度Fe2+的營養(yǎng)液對植株進行鐵脅迫處理。配置該營養(yǎng)液時，將木村B營養(yǎng)液配方中的Na2EDTA-Fe（Ⅱ）90 μmol/L替換為FeSO4·7H2O 0.532 mmol/L。脅迫處理時水稻和普通野生稻植株年齡分別為50 d和57 d，均處于分蘗期。鐵脅迫24 h后，收獲植株。隨機挑選3株，測定根生物量。剪下其他植株的根用去離子水清洗3次，然后用吸水紙吸干根表面的水分。最后，將根裝入封口袋中，置于4 ℃保存，這些根被用來測定根含水量、根孔隙度和根表鐵膜。

1.2.3 根含水量和根生物量的測定 測定根含水量或根生物量時，將根置于105 ℃烘干30 min后，在70 ℃烘干72 h至恒重，然后稱重。

1.2.4 根孔隙度的測定與計算 參照Kludze等[31]和Mei等[17]報道的方法。稱取0.5～1.0 g根，放入盛滿去離子水的100 mL比重瓶，擦干瓶稱重。取出根，剪成1 cm長的根段，放入裝有40 mL去離子水的離心管（50 mL）中，抽真空處理2次，每次持續(xù)2 h。最后，將根段取出，再放入比重瓶，擦干瓶稱重。每處理設(shè)3次重復(fù)。按下列公式計算根孔隙度：

POR=[（pvr-pr）/（r+p-pr）]×100

其中，POR為根孔隙度（%）；r為根重（g）；p為盛滿水時比重瓶的重量（g）；pr為完整稻根裝入滿水比重瓶時比重瓶的重量（g）；pvr為經(jīng)抽真空處理后的根段裝入滿水比重瓶時比重瓶的重量（g）。

1.2.5 根表鐵膜的提取、測定和計算 采用DCB（Dithionite-Citrate-Barbonate）法提取鐵膜[32]。將0.5～1.0 g 根放入250 mL藍蓋廣口瓶中，添加45 mL DCB提取液（含Na3C6H5O7·2H2O 0.27 mol/L，NaHCO3 0.11 mol/L，Na2S2O4 3.0 g，pH值調(diào)至6.5），于26 ℃震蕩3 h。用去離子水將提取液定容至100 mL。經(jīng)孔徑0.45 μm濾網(wǎng)過濾后，取5 mL于15 mL離心管中，再添加1 mL濃硝酸，搖勻后于4 ℃保存待測。樣品鐵含量用原子吸收分光光度計（AA6401F，日本島津）測定。每處理設(shè)3次重復(fù)。根據(jù)提取液鐵含量、根重和根含水量計算根表鐵膜含量（以每克干根含多少毫克Fe計，mg/g。下同）。用每處理根表鐵膜含量的平均值乘以根生物量即得到單株根表鐵膜數(shù)量（以每株含多少毫克Fe計，mg/株。下同）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理和作圖。采用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析和Duncan多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 根孔隙度和根生物量

在供試的5個水稻品種和2個普通野生稻居群中，普通野生稻擁有較高的根孔隙度（表1）?！偤＞尤旱母紫抖茸罡?，為35.05%，‘萬寧居群和‘新黃占分列第2和第3位，但三者之間沒有顯著差異（p>0.05）。‘瓊海居群根孔隙度同其他4個水稻品種的差異均達顯著水平（p<0.05）。‘瓊糯根孔隙度最低，僅為21.67%。

同樣地，普通野生稻的根生物量也比水稻高（表1）?！偤＞尤焊锪扛哌_337.96 mg，顯著高于其他供試材料的根生物量（p<0.05）?！囟i占25根生物量最低，只有105.10 mg，與‘萬寧居群之間的差異也達到顯著水平（p<0.05）。5個水稻品種的根生物量之間都沒有顯著差異（p>0.05）。

2.2 根表鐵膜

由表2可見，普通野生稻的根表鐵膜含量比部分水稻品種低。水稻‘海香占的根表鐵膜含量最高，為6.30 mg/g。‘瓊海居群的根表鐵膜含量最低，只有3.86 mg/g，其鐵膜形成能力同水稻‘63選近似，但同‘萬寧居群和其他水稻品種均有顯著差異（p<0.05）。但是，由于普通野生稻擁有較高的根生物量，其單株根表鐵膜含量大于水稻。普通野生稻‘瓊海居群單株根表鐵膜數(shù)量最多，為1.31 mg/株，‘海香占次之，而‘萬寧居群和其余4個水稻品種的單株根表鐵膜數(shù)量相似，為0.50～0.68 mg/株，彼此之間沒有顯著差異（p>0.05）。

5個水稻品種和2個普通野生稻居群的根孔隙度與根表鐵膜含量之間沒有相關(guān)性（圖1）。雖然根孔隙度與單株根表鐵膜數(shù)量之間有一定程度的正相關(guān)（圖2），但其相關(guān)性仍未達顯著水平（p>0.05）。

3 討論

本文首次對2個普通野生稻居群根表鐵膜形成能力進行了研究，并同5個水稻品種做對比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，同亞洲栽培稻相比，普通野生稻擁有較高的根孔隙度，但其根表鐵膜含量較低；所有供試材料的根孔隙度與根表鐵膜含量之間沒有相關(guān)性。

根孔隙度可用來表征根內(nèi)通氣組織的發(fā)達程度。普通野生稻的根孔隙度比亞洲栽培稻要高一些，主要跟它們的生境有關(guān)。作為一種多年生植物，普通野生稻生長于長期淹水的環(huán)境中[25-26，28]；而亞洲栽培稻為一年生作物，在其生育期內(nèi)，稻田土壤并非一直處于淹水狀態(tài)，因高產(chǎn)需要，分蘗后期的稻田常常進行排水曬田。淹水是導(dǎo)致水稻等濕地植物的根部形成發(fā)達通氣組織的主要環(huán)境因子之一[3-4]。所以，終年淹水促使普通野生稻具有更高的根孔隙度。在本研究中，供試水稻品種的根孔隙度介于21.67%～29.89%之間，通氣組織處于中等水平。Wu等[33]對20個水稻品種根孔隙度的測定結(jié)果為12.4%～33.2%。稻根泌氧能力在一定程度上取決于根孔隙度的大小。不同水稻品種的泌氧速率隨根孔隙度的提高而增大[17]。水稻泌氧的增多更有利于根表鐵膜的形成。本研究中5個水稻品種的根表鐵膜含量介于3.9～6.30 mg/g，其值小于Wu等[18]的水培試驗結(jié)果（11.2～25.1 mg/g），這種差異主要歸功于試驗條件的不同。本研究對植株進行鐵脅迫試驗時光強較弱。在Wu等[18]的研究中，采用了自然光照加鈉燈補光和充氮氣處理。光強的提高能使水稻根系泌氧增多[34]。鐵脅迫試驗時充氮氣能使根表鐵膜增厚[35]。

在水稻根表鐵膜的研究中，根表鐵膜形成能力有3種評價指標，即根表鐵膜含量[17-20]、單株根表鐵膜數(shù)量[36-38]和根表鐵膜厚度[21]。其中最常用的是根表鐵膜含量，指的是每單位干根上鐵膜所含鐵的重量。單株根表鐵膜數(shù)量是指每株根系上鐵膜所含鐵的重量，可用根生物量乘以根表鐵膜含量即可得到該值。顯然，根系的形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征，以及根生物量都會影響單株根表鐵膜數(shù)量。根表鐵膜含量和單株根表鐵膜數(shù)量這2個指標均沒有考慮根表面積對根表鐵膜形成能力的影響。有人曾報道，水稻根孔隙度與根表鐵膜含量呈正相關(guān)[18-19]。但是，本研究未觀測到此現(xiàn)象，供試材料根孔隙度與根表鐵膜含量之間沒有相關(guān)性。這種不一致性可能與試驗材料的側(cè)根數(shù)量有關(guān)。側(cè)根可分為粗大側(cè)根和細小側(cè)根。細小側(cè)根沒有通氣組織[2]，也沒有泌氧屏障，但擁有更大的根表面積，所以，細小側(cè)根是根系泌氧的重要場所[39-40]。曾有人應(yīng)用圓筒狀金屬鉑電極（cylindrical Pt cathodes）技術(shù)[5]和二維平面光極（planar-optode）技術(shù)[34]，從空間尺度證實了水稻側(cè)根的泌氧潛力。本研究中沒有對側(cè)根進行測定，但肉眼觀察發(fā)現(xiàn)，2個普通野生稻居群根系的側(cè)根極少，而供試水稻品種中有的品種側(cè)根多，有的側(cè)根較少。根表鐵膜厚度是指每單位根表面積上鐵膜所含鐵的重量。Holzschuh等[21]曾報道距根尖6 cm水稻不定根根段的根孔隙度與根表鐵膜厚度呈正相關(guān)。但是，Wu等[18]發(fā)現(xiàn)水稻根系的根孔隙度與根表鐵膜厚度沒有相關(guān)性。可見，基于單位根表面積的根表鐵膜厚度也沒有涵蓋整個根系的根表面積對根表鐵膜形成的貢獻。所以，在未來的研究中，有必要提出新的評價指標，以綜合表征根孔隙度和根表面積對根系鐵膜形成能力的影響。

致 謝 海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所孟衛(wèi)東研究員和王效寧研究員提供水稻種子。

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