蔣航, 黃益宗, 楊秀文, 黃永春, 劉巖, 胡榮桂, 胡紅青, 熊雙蓮, 劉仕翔, 李文華

1. 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191 2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，武漢430070

隨著工農(nóng)業(yè)和城市化的飛速發(fā)展，污染物排放不斷增加，土壤污染問題日益嚴(yán)峻。其中，重金屬污染是土壤污染的主要類型之一，因其具有長期性、隱蔽性、不可逆性和生物不可降解性等特點(diǎn)而備受公眾的關(guān)注和重視。據(jù)報(bào)道，我國受重金屬污染的耕地面積近2 000萬 hm2，約占全部耕地面積的五分之一，其中受As污染近1.33萬 hm2[1]。劉春早等[2]從湘江流域采集72個(gè)土壤樣品進(jìn)行分析的結(jié)果表明，As、Cd、Cu、Zn、Ni和Pb的超標(biāo)率在9.70%～83.34%之間，其中As重度污染占總超標(biāo)率的2.82%。據(jù)《全國土壤污染調(diào)查公報(bào)》[3]顯示，我國土壤總的超標(biāo)率為16.1%，其中重金屬污染問題比較突出，污染類型以無機(jī)型為主。Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr、Zn、Ni 8種重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率為0.9%～7.0%，其中As的點(diǎn)位超標(biāo)率為2.7%，在8種無機(jī)污染物中排名第3位。As是一種分布廣泛的類金屬元素，因其有毒且致畸致癌等危害，被世界衛(wèi)生組織列為優(yōu)先控制的污染物[4]。我國貴州、湖南、內(nèi)蒙古、廣西等多個(gè)地方存在大面積的As污染問題。莫昌琍等[5]對(duì)湖南錫礦山銻礦區(qū)的采礦區(qū)、冶煉區(qū)和尾礦區(qū)附近農(nóng)用土壤進(jìn)行分析表明，采樣點(diǎn)的As濃度在14.95～363.19 mg·kg-1，明顯高于As的背景值。土壤重金屬污染來源十分廣泛，主要是人為因素，包括礦產(chǎn)開采、金屬冶煉、汽車尾氣排放、化工、工業(yè)污泥使用、污水灌溉、農(nóng)藥和化肥施用、大氣沉降等[6]。重金屬進(jìn)入土壤后，導(dǎo)致土壤肥力降低，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量減少、品質(zhì)下降。As污染不僅破壞生態(tài)系統(tǒng)，還會(huì)通過直接接觸或者食物鏈途徑危害人體健康。因此，對(duì)As污染土壤進(jìn)行有效修復(fù)和治理刻不容緩。

水稻是我國主要的糧食作物，對(duì)As的毒性十分敏感。陳同斌和劉更另[7]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的As能促進(jìn)水稻生長，但當(dāng)As濃度較高時(shí)，則對(duì)水稻生長起明顯的阻礙作用。李仁英等[8]研究發(fā)現(xiàn)低濃度的As能提高水稻的發(fā)芽率、促進(jìn)芽和根的生長，當(dāng)As濃度較高時(shí)則顯著地抑制了水稻的發(fā)芽率及芽和根的生長。種子萌發(fā)期是水稻生長周期的開始，影響水稻以后的生長。緩解重金屬對(duì)水稻種子在萌發(fā)過程中的毒害，有利于提高其產(chǎn)量和品質(zhì)。褪黑素(melatonin，MT)，又稱果體素，首次在牛的松果體中分離出來[9]。褪黑素早期被認(rèn)為僅在動(dòng)物體內(nèi)存在，但近年來在越來越多的植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了褪黑素[10]。很多研究發(fā)現(xiàn)，添加外源褪黑素不僅能提高植物對(duì)紫外線、高溫、低溫、高鹽、干旱以及重金屬等脅迫的耐受性，緩解脅迫造成的毒害，也能提高對(duì)病蟲害的抵抗能力[11-15]。在植物體中，褪黑素參與生長發(fā)育的作用逐漸被熟知。除了具有抗氧化和生長調(diào)節(jié)功能外，褪黑素還參與植物調(diào)節(jié)光周期和晝夜節(jié)律功能。褪黑素對(duì)植物逆境的緩解途徑主要是通過清除活性氧、提高抗氧化酶活性、參與多胺等物質(zhì)合成等方式。Turk等[16]研究發(fā)現(xiàn)添加外源褪黑素可增強(qiáng)玉米幼苗的抗氧化能力從而緩解低溫導(dǎo)致的氧化損傷。Zhang等[17]研究表明，外源褪黑素能通過調(diào)節(jié)抗氧化酶系統(tǒng)促進(jìn)高鹽脅迫下黃瓜種子的萌發(fā)。Posmyk等[14]研究發(fā)現(xiàn)褪黑素處理能緩解Cu2+對(duì)紫甘藍(lán)種子的毒害作用，提高發(fā)芽率和抗氧化活性。目前研究外源褪黑素對(duì)As3+脅迫下植物生長發(fā)育的影響還未見報(bào)道。本文以水稻為研究對(duì)象，探討添加外源褪黑素對(duì)水稻種子在As3+脅迫下萌發(fā)的影響，為農(nóng)田As污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法(Materials and methods)

1.1　實(shí)驗(yàn)材料

水稻(Oryza sativa L.)選用四川中農(nóng)4號(hào)。用飽滿的水稻種子用5%NaClO浸泡10 min消毒后，用蒸餾水反復(fù)沖洗3～5遍直至洗凈，并在生化培養(yǎng)箱中暗處28 ℃下催芽16 h。

1.2　實(shí)驗(yàn)方法

設(shè)置6個(gè)As3+濃度處理為0、5、20、40、80、100 μmol·L-1和3個(gè)褪黑素(MT)濃度處理為0、10、100 μmol·L-1，共組合成18個(gè)實(shí)驗(yàn)處理。As3+以NaAsO2的形式加入。挑選露白一致的種子均勻放入在直徑9 cm的培養(yǎng)皿中，種子下鋪兩層無菌試紙，每個(gè)培養(yǎng)皿30粒種子。按照上述設(shè)置加入6 mL含有不同濃度As3+和褪黑素的處理液，在28 ℃生化培養(yǎng)箱中進(jìn)行萌發(fā)。每個(gè)處理重復(fù)3次。培養(yǎng)期間每天更換濾紙且加入6 mL相應(yīng)濃度的處理液，觀察并記錄種子的發(fā)芽情況。

1.3　測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1萌發(fā)指標(biāo)測(cè)定

處理3 d后統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽勢(shì)，處理7 d后統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，并測(cè)定水稻幼芽的根芽長，根芽鮮重(其中根長、芽長用直尺測(cè)量，芽鮮重、根鮮重按每皿計(jì)算)。水稻種子的胚根長與種子長相等，且胚芽長為種子長一半時(shí)記為有效萌發(fā)[18]。根長和芽長分別為種子根或芽開口處到根尖或芽尖的長度。

1.3.2生理指標(biāo)測(cè)定

收取萌發(fā)7 d的幼芽用液氮速凍，放入-80 ℃超低溫冰箱保存待測(cè)各項(xiàng)生理指標(biāo)。參考《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》中的方法[19]，MDA含量用硫代巴比妥酸法測(cè)定，根系活力用TTC法測(cè)定。采用Zhang等[17]的方法，POD活性用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，CAT活性用H2O2法測(cè)定，SOD活性用氮藍(lán)四唑(NBT)還原法測(cè)定。

1.4　數(shù)據(jù)處理

發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的計(jì)算公式如下：

發(fā)芽勢(shì)=3 d內(nèi)有效發(fā)芽的種子數(shù)/種子總數(shù)×100%

發(fā)芽率=7 d內(nèi)有效發(fā)芽的種子數(shù)/種子總數(shù)×100%

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，數(shù)據(jù)采用Origin 8.6和 SPSS 19統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，并對(duì)不同處理間的數(shù)據(jù)用單因素方差分析(ANOVA)和Duncan多重比較進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1　褪黑素對(duì)水稻種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)的影響

添加褪黑素可以促進(jìn)As3+脅迫下水稻種子的萌發(fā)，并促進(jìn)種子幼根的生長(圖1)。褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻種子發(fā)芽率的影響見圖2。從圖中可以看出，隨著As3+濃度的增加(0～100 μmol·L-1)，其發(fā)芽率顯著降低，當(dāng)濃度為100 μmol·L-1時(shí)發(fā)芽率僅為對(duì)照處理的31.1%。添加外源褪黑素對(duì)不同As3+濃度下水稻種子發(fā)芽均有顯著促進(jìn)作用。當(dāng)As3+濃度為5 μmol·L-1時(shí)，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素相比，未添加處理分別提高水稻種子發(fā)芽率5.1%和6.3%。當(dāng)As3+濃度為20 μmol·L-1時(shí)，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素分別提高發(fā)芽率9.9%和16.9%。當(dāng)As3+濃度增加到100 μmol·L-1時(shí)，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素分別顯著提高發(fā)芽率28.6%和57.1%。在沒有As3+脅迫的時(shí)候，添加50、100 μmol·L-1褪黑素沒有對(duì)水稻種子發(fā)芽產(chǎn)生影響。

圖1　褪黑素(MT)對(duì)As3+脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響(5 d)注：MT和As的濃度單位為 μmol·L-1。Fig. 1　Effects of exogenous melatonin (MT) on rice seed germination under As3+ stress (5 d)Note: The unit of MT and As concentration is μmol·L-1.

圖2　褪黑素對(duì)As3+ 脅迫下水稻種子發(fā)芽率的影響注：*和**分別表示同一As3+ 濃度下添加褪黑素與未添加處理之間差異顯著(P<0.05)和顯著(P<0.01)，下同。Fig. 2　Effects of exogenous melatonin on germination rate under As3+ stressNote: *and ** indicate in the same As3+ concentration treatment significant difference (P<0.05) and significant difference (P<0.01) between MT treatment and non-MT treatment respectively. The same below.

圖3　褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)的影響Fig. 3　Effects of exogenous melatonin on germination potential under As3+ stress

圖3為添加褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻種子發(fā)芽勢(shì)的影響，如圖所示，As3+脅迫對(duì)水稻種子發(fā)芽勢(shì)有顯著的降低作用。當(dāng)As3+濃度從0 μmol·L-1升至100 μmol·L-1，其發(fā)芽勢(shì)從58.9%降至4.4%。添加外源褪黑素對(duì)不同As3+濃度下水稻種子發(fā)芽勢(shì)有明顯的促進(jìn)作用。當(dāng)As3+濃度為20 μmol·L-1時(shí)，與沒有添加褪黑素的對(duì)照相比，添加50和100 μmol·L-1褪黑素分別提高水稻種子發(fā)芽勢(shì)26.1%和47.8%。當(dāng)As3+濃度增加到100 μmol·L-1時(shí)，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素分別提高發(fā)芽率75.0%和125.0%。

2.2　褪黑素對(duì)水稻根長及根芽鮮重的影響

表1為添加褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻根長、芽長的影響。從表1看出，As3+脅迫下，水稻根、芽生長受到明顯的限制。隨著As3+濃度的增加，萌發(fā)種子的根和芽長度也逐步下降，且對(duì)根系生長的抑制作用比芽更顯著。5 μmol·L-1As3+脅迫下，水稻幼芽根長從11.47 cm降至9.56 cm，芽長從6.39 cm降至5.96 cm，相比對(duì)照組根長和芽長分別下降了16.7%和6.7%。而As3+增加至100 μmol·L-1時(shí)，根長從11.47 cm降至2.69 cm，芽長從6.39 cm降至3.97 cm，下降幅度更明顯，分別為76.5%和38.0%。添加外源褪黑素明顯促進(jìn)As3+脅迫下水稻幼苗的生長。當(dāng)As3+濃度為5 μmol·L-1時(shí)，與未添加褪黑素相比，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素顯著提高根長14.1%和19.7%。當(dāng)As3+濃度為40 μmol·L-1時(shí)，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素分別提高水稻根長12.0%和24.5%，提高芽長4.9%和8.0%。當(dāng)As3+濃度升高至100 μmol·L-1時(shí)，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素分別提高水稻根長35.1%和50.0%。添加褪黑素對(duì)不同濃度As3+脅迫下水稻芽長的提高在2.5%～8.4%之間。在無As3+脅迫的情況下，50和100 μmol·L-1褪黑素對(duì)水稻幼芽根長和芽長沒有顯著影響。

表2為添加褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻根鮮重和芽鮮重的影響。從表2看出，As3+脅迫下，幼芽根鮮重和芽鮮重均明顯下降。隨著As3+濃度增加(0～100 μmol·L-1)，根鮮重從0.67 g降至0.21 g，芽鮮重從0.62 g降至0.25 g。且As3+濃度越高，下降幅度越大。20 μmol·L-1As3+脅迫下水稻幼芽根鮮重和芽鮮重比對(duì)照處理分別下降了23.1%和22.0%；40 μmol·L-1As3+脅迫下水稻幼芽根鮮重和芽鮮重分別下降了33.0%和27.2%；而As3+濃度增加至100 μmol·L-1時(shí)根鮮重和芽鮮重下降幅度更明顯，分別為69.2%和59.7%。外源褪黑素對(duì)水稻的根鮮重有明顯的提高作用。當(dāng)As3+濃度為20 μmol·L-1時(shí)，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素比未添加褪黑素分別提高水稻根鮮重14.5%和24.4%。80 μmol·L-1As3+脅迫下，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素導(dǎo)致水稻幼芽根鮮重分別增加15.1%和35.2%。當(dāng)As3+濃度增加至100 μmol·L-1時(shí)，相比于對(duì)照處理，添加50、100 μmol·L-1褪黑素使水稻根鮮重分別提高31.5%和63.7%。褪黑素處理同樣也對(duì)水稻芽鮮重有提高作用。當(dāng)As3+濃度為5 μmol·L-1時(shí)，50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素處理分別導(dǎo)致水稻芽鮮重提高16.1%和22.4%。當(dāng)As3+濃度為40 μmol·L-1時(shí)，50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素處理分別導(dǎo)致水稻芽鮮重提高11.0%和17.8%。當(dāng)As3+濃度升高至100 μmol·L-1時(shí)，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素可分別提高33.0%和49.0%的芽鮮重。在無As3+脅迫的情況下，添加褪黑素對(duì)水稻芽鮮重沒有顯著影響。

表1　褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻幼芽根長和芽長的影響Table 1　Effects of exogenous melatonin on root length, shoot length under As3+ stress

注：不同小寫字母和大寫字母分別表示同一As3+濃度不同褪黑素處理間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)和顯著水平(P<0.01)，下同。

Note: Different lowercase letters and capital letters indicate in the same As3+concentration treatment significant difference (P<0.05) and significant difference (P<0.01) between MT treatment and non-MT treatment. The same below.

圖4　褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻幼芽中MDA含量的影響Fig. 4　Effects of exogenous melatonin on MDA content of rice under As3+ stress

As3+濃度/(μmol·L-1)As3+concentration/(μmol·L-1)褪黑素濃度/(μmol·L-1)Melatoninconcentration/(μmol·L-1)根重/(g·皿-1)Rootfreshweight/(g·Petridish-1)芽重/(g·皿-1)Shootfreshweight/(g·Petridish-1)0MT00.67±0.12Aa0.62±0.04AaMT500.68±0.06Aa0.64±0.06AaMT1000.68±0.09Aa0.64±0.07Aa5MT00.58±0.01Ab0.51±0.04AbMT500.62±0.03Aab0.59±0.08AabMT1000.66±0.04Aa0.62±0.03Aa20MT00.52±0.03Bc0.48±0.07AbMT500.59±0.01ABb0.54±0.03AabMT1000.64±0.03Aa0.60±0.02Aa40MT00.45±0.06Ab0.45±0.01BbMT500.55±0.05Aab0.50±0.03ABaMT1000.59±0.08Aa0.53±0.01Aa80MT00.30±0.02Bb0.38±0.03AbMT500.34±0.01ABb0.44±0.07AabMT1000.40±0.04Aa0.50±0.01Aa100MT00.21±0.01Cc0.25±0.03AbMT500.27±0.01Bb0.33±0.06AabMT1000.34±0.03Aa0.37±0.04Aa

2.3　褪黑素對(duì)水稻幼芽中MDA含量及抗氧化酶活性的影響

圖4為添加褪黑素處理對(duì)As3+脅迫下水稻幼芽中MDA含量。從圖中可以看出，MDA含量隨著As3+脅迫濃度的增加而升高。當(dāng)As3+脅迫濃度從0 μmol·L-1升至100 μmol·L-1，MDA含量從1.19 μmol·g-1鮮重升高至4.07 μmol·g-1鮮重。5 μmol·L-1、20 μmol·L-1As3+脅迫后，MDA含量比對(duì)照分別增加了44.8%和99.2%。當(dāng)As3+脅迫濃度在40～100 μmol·L-1時(shí)，MDA含量增加1.5～2.4倍。外源褪黑素處理顯著降低不同As3+濃度下水稻幼芽的MDA含量。當(dāng)As3+濃度為20 μmol·L-1時(shí)，添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素使MDA含量顯著下降，分別從對(duì)照時(shí)的2.37 μmol·g-1鮮重降至1.75 μmol·g-1和1.27 μmol·g-1鮮重。當(dāng)As3+濃度持續(xù)升高時(shí)，添加褪黑素明顯降低MDA含量。當(dāng)脅迫濃度為100 μmol·L-1時(shí)，50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素使MDA含量分別降低16.5%和31.9%。在無As3+脅迫的情況下，添加褪黑素對(duì)水稻幼芽中MDA含量沒有顯著影響。

圖5　褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻幼芽中POD活性的影響Fig. 5　Effects of exogenous melatonin on POD activity of rice under As3+ stress

圖6　褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻幼芽中SOD酶活性的影響Fig. 6　Effects of exogenous melatonin on SOD activity of rice under As3+ stress

圖5為添加褪黑素處理對(duì)As3+脅迫下水稻幼芽中POD活性的影響。隨著As3+脅迫濃度的升高(0～100 μmol·L-1)，POD、CAT和SOD活性逐漸降低；POD活性從4 359.86降至909.23 U·g-1鮮重·min-1，CAT活性從748.19降至337.98 U·g-1鮮重·min-1，SOD活性從171.16降至88.44 U·g-1鮮重。在5～100 μmol·L-1As3+脅迫后，POD活性比無砷脅迫降低23.0%～79.1%，CAT活性降低12.9%～54.8%，SOD活性降低12.1%～48.3%。如圖5所示，添加外源褪黑素對(duì)不同As3+濃度脅迫下水稻幼芽中POD活性均有明顯的提高作用。當(dāng)As3+脅迫濃度為100 μmol·L-1時(shí)，添加50和100 μmol·L-1褪黑素后水稻幼芽POD活性比對(duì)照處理分別提高57.5%和114.8%。在As3+脅迫濃度5～80 μmol·L-1，添加褪黑素后POD活性比對(duì)照提高了17.7%～68.9%。外源褪黑素處理后As3+脅迫下水稻幼芽中SOD、CAT活性的變化趨勢(shì)與POD相似，均得到顯著提升(圖6和圖7)。當(dāng)As3+濃度為5 μmol·L-1時(shí)，相比于對(duì)照，添加50和100 μmol·L-1褪黑素處理后水稻幼芽中CAT活性分別提高14.7%和19.6%，SOD活性分別提高12.8%和21.5%。當(dāng)As3+脅迫濃度在20～80 μmol·L-1時(shí)，不同濃度褪黑素處理后CAT活性提高19.8%～52.1%，SOD活性提高21.5%～48.2%。當(dāng)As3+脅迫升高到100 μmol·L-1時(shí)，相比于對(duì)照，不同濃度褪黑素處理后水稻幼芽中CAT活性分別提高29.4%和53.6%，SOD活性分別提高31.5%和56.0%。在無As3+脅迫的情況下，添加褪黑素對(duì)水稻POD、CAT和SOD活性沒有顯著影響。

圖7　褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻幼芽中CAT酶活性的影響Fig. 7　Effects of exogenous melatonin on CAT activity of rice under As3+ stress

圖8　褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻根系活力的影響Fig. 8　Effects of exogenous melatonin on rice root activity under As3+ stress

2.4　褪黑素對(duì)水稻根系活力的影響

添加外源褪黑素對(duì)As3+脅迫下水稻根系活力的影響如圖8所示。從圖中可知，As3+脅迫能顯著降低水稻根系活力，且脅迫濃度從0 μmol·L-1升至100 μmol·L-1，根系活力從45.78降至10.60 μg·g-1鮮重·h-1。不同As3+濃度脅迫后(5～100 μmol·L-1)，根系活力比對(duì)照處理下降了21.6%～76.8%。外源褪黑素處理能顯著提高水稻的根系活力。當(dāng)As3+濃度為5 μmol·L-1時(shí)，添加50和100 μmol·L-1外源褪黑素水稻根系活力比對(duì)照處理分別提高23.8%和37.3%。當(dāng)As3+脅迫濃度在20～80 μmol·L-1時(shí)，50和100 μmol·L-1褪黑素處理均提高水稻的根系活力，提升幅度分別為33.5%～54.3%和56.4%～88.6%。當(dāng)As3+脅迫升至100 μmol·L-1時(shí)，50、100 μmol·L-1褪黑素處理分別提高水稻根系活力42.4%和124.1%。

3　討論(Discussion)

過量As3+顯著抑制水稻的生長發(fā)育，其毒害機(jī)理主要是與水稻中酶和蛋白質(zhì)上的巰基反應(yīng)，抑制細(xì)胞的功能[20]。As3+脅迫下，水稻發(fā)芽率低、幼苗生長不良、細(xì)胞分裂遭受破壞，影響水稻的光合作用、代謝過程以及呼吸作用，最終影響水稻品質(zhì)和產(chǎn)量。水稻在As毒害作用下，也會(huì)引起活性氧(ROS)的變化[21]，產(chǎn)生氧化脅迫。本研究發(fā)現(xiàn)：As3+脅迫下水稻萌發(fā)受到明顯抑制，主要表現(xiàn)為發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)顯著下降，幼芽和幼根生長明顯受損，且抑制程度隨著As3+濃度的升高而增加。然而，外源褪黑素處理后均有效緩解As3+脅迫對(duì)水稻種子萌發(fā)產(chǎn)生的不利影響。Tan等[22]研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素能促進(jìn)銅脅迫下豌豆種子的萌發(fā)。Posmyk等[14]發(fā)現(xiàn)在銅脅迫下用褪黑素處理紫甘藍(lán)能促進(jìn)種子的萌發(fā)，與本文的結(jié)果相一致。

根系是水稻中水分和養(yǎng)分吸收的主要器官，其生長情況對(duì)根系自身發(fā)育以及水稻生長均產(chǎn)生重要影響。根系是水稻中有絲分裂最強(qiáng)的部分，As對(duì)其影響也最明顯。根系活力主要反映植物根系長勢(shì)及生長潛力。根系活力越高，水稻根系氧化、還原及合成的能力也越強(qiáng)，表明水稻根代謝越旺盛，根越健壯。我們的研究發(fā)現(xiàn)，As3+脅迫下，根系活力顯著降低，表明As對(duì)根有明顯的毒害作用。但是添加50 μmol·L-1和100 μmol·L-1褪黑素顯著提高As脅迫下水稻的根系活力，且100 μmol·L-1比50 μmol·L-1提高幅度更大(圖7)。有研究表明，添加褪黑素提高滲透脅迫下黃瓜的根系活力[37]。

近年來，不少專家學(xué)者對(duì)植物抵抗逆境進(jìn)行了探索。與其他抗氧化劑如IAA、谷胱甘肽等相比，褪黑素不僅抗氧化能力更強(qiáng)，還可以刺激植物中谷胱甘肽的合成并提高其他抗氧化劑的活性。Hernndezruiz等[38]通過在離體白化羽扇豆下胚軸的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)褪黑素促進(jìn)羽扇豆生長的效果約為IAA作用效果的10%～50%。除此以外，褪黑素還具有親水性和親脂性，能在細(xì)胞間自由穿梭，更好地發(fā)揮其清除自由基的作用。不僅如此，褪黑素容易購買，大規(guī)模使用也比較經(jīng)濟(jì)。因此，在對(duì)抗植物逆境，特別是重金屬脅迫方面使用褪黑素具有廣大的市場(chǎng)潛力。

本研究中施用不同濃度的褪黑素對(duì)植物抵抗As3+脅迫均產(chǎn)生較大影響，50和100 μmol·L-1褪黑素均能有效緩解As3+導(dǎo)致的氧化損傷且效果顯著，主要是提高抗氧化系統(tǒng)的酶活性，從而減輕As3+造成的過氧化損傷。添加50和100 μmol·L-1褪黑素后，也明顯緩解As3+脅迫對(duì)水稻種子萌發(fā)及水稻根系的毒害作用。實(shí)際應(yīng)用過程時(shí)，可根據(jù)具體作物及逆境條件對(duì)褪黑素的濃度做出篩選。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]陳懷滿. 環(huán)境土壤學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005: 100-101

Chen H M. Environment Pedology [M]. Beijing: Science Press, 2005: 100-101 (in Chinese)

[2]環(huán)境保護(hù)部, 國土資源部. 全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)[EB/OL]. (2014-04-17) [2017-01-12]. http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201404/t20140417_270670.htm

[3]劉春早, 黃益宗, 雷鳴, 等. 湘江流域土壤重金屬污染及其生態(tài)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]. 環(huán)境科學(xué), 2012, 33(1): 260-265

Liu C Z, Huang Y Z, Lei M, et al. Soil contamination and assessment of heavy metals of Xiangjiang River basin [J]. Environmental Science, 2012, 33(1): 260-265 (in Chinese)

[4]趙小燕, 呂家瓏, 代允超, 等. 我國主要農(nóng)田土壤對(duì)外源As(Ⅴ)吸附的差異及其與理化性質(zhì)的關(guān)系[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2014, 42(9): 144-148

Zhao X Y, Lv J L, Dai Y C, et al. Difference in exogenous As(Ⅴ) adsorption and the relationship with soil physicochemical properties in major farmland types in China [J]. Journal of Northwest A & F University: Nature Science Edition, 2014, 42(9): 144-148 (in Chinese)

[5]莫昌琍, 吳豐昌, 符志友, 等. 湖南錫礦山銻礦區(qū)農(nóng)用土壤銻、砷及汞的污染狀況初探[J]. 礦物學(xué)報(bào), 2013, 33(3): 344-350

Mo C L, Wu F C, Fu Z Y, et al. Antimony, arsenic and mercury pollution in agricultural soil of antimony mine area in Xikuangshan, Hunan [J]. Acta Mieralogica Sinica, 2013, 33(3): 344-350 (in Chinese)

[6]黃益宗, 郝曉偉, 雷鳴, 等. 重金屬污染土壤修復(fù)技術(shù)及其修復(fù)實(shí)踐[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 32(3): 409-417

Huang Y Z, Hao X W, Lei M, et al. The remediation technology and remediation practice of heavy metals-contaminated soil [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2013, 32(3): 409-417 (in Chinese)

[7]陳同斌, 劉更另. 砷對(duì)水稻生長發(fā)育的影響及其原因[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 1993, 26(6): 50-58

Chen T B, Liu G L. Effects of arsenic on rice (Oryza sativa L.) growth and development and its mechanism [J]. Scientia Agricultura Sinica, 1993, 26(6): 50-58 (in Chinese)

[8]李仁英, 沈孝輝, 張耀鴻, 等. 無機(jī)砷對(duì)不同水稻品種種子萌發(fā)和幼苗光合生理的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 33(6): 1067-1074

Li R Y, Shen X H, Zhang Y H, et al. Effects of inorganic arsenic on seed germination and photosynthetic characteristics of various rice cultivars [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2014, 33(6): 1067-1074 (in Chinese)

[9]Lerner A B, Case J, Takahashi Y. Isolation of melatonin, the pineal gland factor that lightens melanocytes [J]. Journal of the American Chemical Society, 1958, 80(10): 2587

[10]Dubbels R, Reiter R J, Klenke E, et al. Melatonin in edible plants identified by radioimmunoassay and by high performance liquid chromatography-mass spectrometry [J]. Journal of Pineal Research, 1995, 18(1): 28-31

[11]Afreen F, Zobayed S M A, Kozai T. Melatonin in Glycyrrhiza uralensis: Response of plant roots to spectral quality of light and UV-B radiation [J]. Journal of Pineal Research, 2006, 41(2): 108-115

[12]Tiryaki I, Keles H. Reversal of the inhibitory effect of light and high temperature on germination of Phacelia tanacetifolia seeds by melatonin [J]. Journal of Pineal Research, 2012, 52(3): 332-339

[13]Zuo B X, Zheng X D, He P L, et al. Overexpression of MzASMT improves melatonin production and enhances drought tolerance in transgenic Arabidopsis thaliana plants [J]. Journal of Pineal Research, 2014, 57(4): 408-417

[14]Posmyk M M, Kuran H, Marciniak K, et al. Presowing seed treatment with melatonin protects red cabbage seedlings against toxic copper ion concentrations [J]. Journal of Pineal Research, 2008, 45(1): 24-31

[15]Lee H Y, Byeon Y, Back K. Melatonin as a signal molecule triggering defense responses against pathogen attack in Arabidopsis and tobacco [J]. Journal of Pineal Research, 2014, 57(3): 262-268

[16]Turk H, Erdal S. Melatonin alleviates cold-induced oxidative damage in maize seedlings by up-regulating mineral elements and enhancing antioxidant activity [J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2015, 178(3): 433-439

[17]Zhang H J, Zhang N, Yang R C, et al. Melatonin promotes seed germination under high salinity by regulating antioxidant systems, ABA and GA 4, interaction in cucumber (Cucumis sativus L.) [J]. Journal of Pineal Research, 2014, 57(3): 269-279

[18]許昊, 蘇鋒, 高孝美. 砷和草甘膦復(fù)合污染對(duì)水稻種子萌發(fā)的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué), 2015, 54(22): 5540-5543

Xu H, Su F, Gao X M. Effect of combined pollution of arsenic and glyphosate on rice seed germination [J]. Hubei Agricultural Sciences, 2015, 54(22): 5540-5543 (in Chinese)

[19]王學(xué)奎. 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, 2006: 119-260

Wang X K. Principle and Technology of Plant Physiological and Biochemical Experiments [M]. Beijing: Higher Education Press, 2006: 119-260 (in Chinese)

[20]Tripathi R D, Srivastava S, Mishra S, et al. Arsenic hazards: Strategies for tolerance and remediation by plants [J]. Trends in Biotechnology, 2007, 25: 158-165

[21]Hartley W J, Ainsworth G, Meharg A. Copper and arsenate-induced oxidative stress in Holcus lanatus L.clones with differential sensitivity [J]. Plant, Cell and Environment, 2001, 24(7): 713-722

[22]Tan D X, Manchester L C, Helton P, et al. Phytoremediative capacity of plants enriched with melatonin [J]. Plant Signaling and Behavior, 2007, 2(6): 514-516

[23]Hall J L. Cellular mechanisms for heavy metal detoxification and tolerance [J]. Journal of Experimental Botany, 2002, 53(366): 1-11

[24]Estebanzubero E, Alatorrejiménez M A, Lópezpingarrón L, et al. Melatonin's role in preventing toxin-related and sepsis-mediated hepatic damage: A review [J]. Pharmacological Research, 2016, 105: 108-120

[25]Frank T, Kee L W. Cadmium and cellular signaling cascades: Interactions between cell death and survival pathways [J]. Archives of Toxicology, 2013, 87(10): 1743-1786

[26]Schutzendubel A, Polle A. Plant responses to abiotic stresses: Heavy metal-induced oxidative stress and protection by mycorrhization [J]. Journal of Experimental Botany, 2002, 53(372): 1351-1365

[27]Foyer C H, Noctor G. Oxidant and antioxidant signalling in plants: A re-evaluation of the concept of oxidative stress in a physiological context [J]. Plant Cell & Environment, 2005, 28(8): 1056-1071

[28]Shri M, Kumar S, Chakrabarty D, et al. Effect of arsenic on growth, oxidative stress, and antioxidant system in rice seedlings [J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2009, 72(4): 1102-1110

[29]Stoeva N, Bineva T. Oxidative changes and photosynthesis in oat plants grown in As-contaminated soil [J]. Bulgarian Journal of Plant Physiology, 2002(1-2): 87-95

[30]朱云集, 王晨陽, 馬元喜, 等. 砷脅迫對(duì)小麥根系生長及活性氧代謝的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2000, 20(4): 707-710

Zhu Y J, Wang C Y, Ma Y X, et al. Effects of arsenic stress on the growth and metabolism of the wheat root system [J]. Acta Ecologica Sinica, 2000, 20(4): 707-710 (in Chinese)

[31]Reiter R J, Tan D X. Melatonin: An antioxidant in edible plants [J]. Annals of the New York Academy of Sciences, 2002, 957: 341-344

[32]Pieri C, Marra M, Moroni F. Melatonin: A peroxyl radical scavenger more effective than vitamin E [J]. Life Science, 1994, 55(15): 271-276

[33]Tan D X, Manchester L C, Terron M P, et al. One molecule, many derivatives: A never-ending interaction of melatonin with reactive oxygen and nitrogen species? [J]. Journal of Pineal Research, 2007, 42(1): 28-42

[34]劉仕翔, 黃益宗, 羅澤嬌, 等. 外源褪黑素處理對(duì)鎘脅迫下水稻種子萌發(fā)的影響[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 35(6): 1034-1041

Liu S X, Huang Y Z, Luo Z J, et al. Effects of exogenous melatonin on germination of rice seeds under Cd stresses [J]. Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(6): 1034-1041 (in Chinese)

[35]Kanazawa S, Sano S, Koshiba T, et al. Changes in antioxidative enzymes in cucumber cotyledons during natural senescence: Comparison with those during dark-induced senescence [J]. Physiologia Plantarum, 2000, 109(2): 211-216

[36]Shah K, Kumar R G, Verma S, et al. Effect of cadmium on lipid peroxidation, superoxide anion generation and activities of antioxidant enzymes in growing rice seedlings [J]. Plant Science, 2001, 161(1): 1135-1144

[37]張娜. 褪黑素處理對(duì)滲透脅迫下黃瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響及其分子機(jī)制[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014: 10-11

Zhang N. Regulation of melatonin and seeding growth under osmotic stress in cucumber [D]. Beijing: China Agricultural University, 2014: 10-11 (in Chinese)

[38]Hernandezruiz J, Cano A, Arnao M B. Melatonin: A growth-stimulating compound present in lupin tissues [J]. Planta, 2004, 220(1): 140-144