砷胁迫下磷对水稻生长的影响研究

王文文 王露露 郭海斌 张军刚

【摘 要】砷是一种有毒的类金属元素，对人类和动植物都有严重的毒害作用。磷是植物生长发育所必须的营养元素，且直接影响水稻对砷的吸收。水稻是我国重要的粮食作物之一，但由于不恰当的开采矿业以及含砷类农药化肥的滥用等人为因素，致使砷污染的现象越来越严重。因此，开展有关磷砷之间相互作用的研究，对于降低水稻砷污染，具有非常重要的意义。

【关键词】水稻;磷;砷

水稻是重要的粮食作物，我国水稻种植面积和产量分别占世界的23%和40%。然而，由于人类活动，比如农药、除草剂的施用、开矿、污染水的排放和灌溉，造成土壤砷污染现象非常严峻。水稻与其它旱生植物相比其籽粒更容易累积砷，这与其生长的厌氧环境和独特的生理特征关系密切，致使稻米砷污染时有发生，从而对以稻米为主食的居民身体健康构成潜在威胁。磷和砷在元素周期表中为同族元素，具有相似的物理化学性质，向砷污染稻田中施磷能缓解水稻砷中毒的现象。因此，研究磷元素对水稻砷吸收积累影响的本质及其程度，对降低水稻砷污染，提高大米安全性具有重要意义。

1 砷的简介和来源

1.1 砷的简介

砷，在化学元素周期表中位于第4周期、第VA族，原子序数33，元素符号As。砷是一种类金属的晶体物质，它以几种价态形式存在（-3，0，3、5价）。氧化环境下，砷存在的最稳定的状态是As（V），强还原状态下，元素As和亚砷酸盐（As（III））都可以存在。单质以灰砷、黑砷和黄砷这三种同素异形体的形式存在，其中以灰砷最为常见。砷是一种类金属，之所以将它归入重金属元素，是由于它很多理化性质和环境行为都与重金属元素类似。它不是植物生长所需的必需元素，土壤中过量或超标，将会对植物的生长造成不良影响。

1.2 砷的来源

砷污染的来源既有自然的，也有人为的。自然来源的砷通常以硫化矿物形式存在，常与铜和银等金属以及一些含砷量高的岩石矿物伴于矿石中。人为来源的砷主要是人们使用受污染的水进行灌溉，勘探含有高浓度砷且不适当的采矿以及滥用含有砷等农用化学品，导致全球农业土壤中砷含量以惊人的速度增加。

2 砷的毒害作用

2.1 砷的植物毒性

砷的毒害作用會因为作物种类的不同而不同，例如黄瓜和豆类易被砷毒害，而谷物和牧草的耐受性则相对较强。砷的毒害主要表现为阻碍作物的生长发育，影响作物的养分吸收。砷中毒的症状会首先表现在叶片上，叶片的叶绿素被破坏以至叶片失绿变黄，叶片边缘卷曲甚至叶片脱落。其次表现为根的生长发育受阻，根的条数变少，长度缩短，重量减少，从而导致植株矮小、生长势弱，生长发育延迟，产量降低，严重时不能开花结果，甚至死亡。

2.2 砷对水稻的毒害作用

水稻是当今世界上主要的粮食作物之一，世界上大约有50%的人口都以稻米为食。人类通过饮水、食品、土壤、吸入灰尘和大气微粒以及食用大米等途径接触砷。砷是人体致癌物质之一，即使在低饮食浓度下也会对人体构成相当大的健康风险。大米是人体摄入砷的最重要来源之一。砷从稻田向水稻的转移是人体接触这种有毒元素的主要接触途径。与其它禾本科植物相比，水稻籽粒具有较高的砷吸收能力，且较易富集高浓度的砷。尽管从土壤到谷物的砷转移率较低，但水稻籽粒中的砷含量仍比小麦和大麦高出许多，这是因为水稻中砷从土壤到茎秆的转移系数高达0.8，而大麦和小麦的转移系数分别0.2和0.1。水稻对砷的毒性十分敏感，低度受害时就表现为植株矮化，叶色浓绿，抽穗期和成熟期延迟。在一定条件下，会出现明显稻穗或穗粒畸形和花穗不育等现象;中度受害时，还出现茎叶扭曲，无效分蘖增多;严重受害时，植株不分棵，地上部分发黄，根系发黑，且根量稀少，干枯至死。因此，提高水稻对砷的耐受性，减少对砷的吸收、控制植株内砷向籽粒转运等方面的研究具有重要意义。

3 磷对水稻砷吸收及转运的影响

磷是植物生长代谢必需的元素之一，磷和砷属于同族元素，在土壤-植物体系中的转移有相似之处。磷的存在不仅会影响植物对砷的吸收，而且还会进一步影响磷在植物体内的迁移转化。由于As（Ⅴ）与磷有非常相似的化学性质和结构，As（Ⅴ）则通过磷的转运系统进入细胞。在原核生物中，有2个磷转运子家族：Pit 系统和 Pst 系统。这2个系统都能吸收转运砷，但 Pit 系统是吸收转运砷的主要系统。如在酵母细胞中，As（Ⅴ）主要通过磷的Pit 转运子吸收进入细胞。同样，在植物中，As（Ⅴ）主要通过磷的高亲和力吸收系统进入植物根系，再通过磷的转运子进入细胞。由于磷和砷在吸收过程中存在竞争，而磷吸收通道对磷的亲和力大于砷，植物主要是通过抑制高亲和力的磷吸收系统来降低砷的吸收，因此土壤中磷含量的多少可影响砷的吸收和转运。研究表明，随着营养液中磷浓度的增加，水稻根对五价砷的吸收能力降低，说明了磷能够竞争性抑制五价砷的吸收;在土培条件下，施加较高的磷肥抑制了水稻对砷的吸收。磷减少水稻对砷吸收的原因可能与五价砷酸盐与磷共用水稻的转运通道，两者竞争吸收有关。

磷是水稻生长过程中重要的营养元素之一，在植物生长发育过程中扮演重要角色，尤其对植物根部生长发育等代谢过程产生重要影响。由于As与P具有许多共同的物理化学性质，因此细胞可以在无意中通过P的途径吸收As。通常条件下，植物对砷酸盐和亚砷酸盐的吸收要高于对单甲基砷和二甲基砷的吸收。研究发现磷酸盐和As（V）之间由于它们的化学相似性，从而引起相互竞争。一方面磷可以抑制植物对As的吸收，另一方面它还可以促进As在土壤中的有效性。研究表明，磷酸盐可以取代土壤中结合位点的As（V），从而增加植物对砷的吸收和可利用性。因此，在植物有效磷浓度高的土壤中，根际As（V）和P对根系磷酸盐转运体的竞争会随着吸收的增加而减弱，从而降低其在植株中砷的浓度和含量。此外，内部高浓度的磷含量可以诱导磷转运蛋白的下调，从而进一步抑制As的摄取。在水培实验中也发现，砷诱导的根系生长减少和增加砷的浓度都可以通过磷处理逆转。因此，磷可以用于降低As污染土壤中根系对砷的吸收。

4 小结

砷通常被认为是对人类以及动植物具有致癌性和毒性的首要因素之一。水稻吸收土壤中的砷，积累在植物的不同部位，其中籽粒中的砷含量比土壤内的含量高出几倍。人们食用砷污染后的水或食物，将会给人体的健康带来显著的负面影响。磷是植物生长发育所必需的大量营养素，在土壤中添加磷营养物质可以降低土壤的砷累积量，从而可以减少水稻中砷的吸收和转运。

参考文献：

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[2]陈 玉，段桂兰，朱永官，等. 不同磷浓度下水稻短根突变体与野生型对五价砷吸收和转运的差异 [J]. 生态毒理学报，2007，4（2）：464 - 469.

作者简介：

王文文（1991-），女，河南正阳人，硕士，从事作物栽培与育种研究。

（作者单位：1.平舆县农业科学技术试验站;2.驻马店市农业科学院）