中国是全球最主要的锑（Sb）储量及生产大国^[1]，其Sb矿资源主要分布于湖南、贵州、广西、云南等南方省区^[2]。由于Sb矿开采及含Sb化合物的广泛使用，我国环境中Sb的污染问题越来越严重。齐翠翠^[3]对湖南锡矿山Sb矿区的调查发现，矿区表层土壤中Sb浓度高达5949 mg·kg^-1，远超我国土壤Sb背景值（0.38~2.98 mg·kg^-1）^[4]；He等^[5]研究发现，锡矿山冶炼厂周边生长的水稻（Oryza sativa L.）体内富集了大量Sb，水稻根部、茎叶部及籽粒中Sb含量分别为225.34、18.78 mg·kg^-1和5.79 mg·kg^-1。环境中高含量的Sb能通过食物链进入人体，进而对人体产生毒害作用。刘碧君等^[6]调查发现，锡矿山地区居民头发中Sb含量高达15.9 mg·kg^-1。过量Sb会引发人体多种疾病，如：皮肤病、呼吸系统疾病、肺部疾病、心脑血管疾病、神经疾病以及癌症^[7]。

Sb不是植物必需营养元素，但植物能大量吸收Sb^[8]。目前有关动物、微生物等生物体内Sb的吸收、代谢及毒性研究已有所开展，但关于植物对Sb吸收、代谢及毒害作用的机理研究尚显不足。Sb对植物的毒害作用主要表现在以下几方面：（1）影响植物的生长发育，降低作物产量^[9]；（2）抑制植物根系生长^[10]；（3）诱导植物体内产生氧化胁迫^[11]；（4）影响植物对必需营养元素的吸收^[12]。

根系是植物吸收矿质营养和水分的主要器官。根系形态的变化受植物遗传特性和环境因子的共同影响，其又能直接影响作物的生长及产量^[13]。在重（类）金属胁迫下，植物能通过改变根系形态特征来降低对重（类）金属的吸收富集，从而降低重（类）金属对植物的毒性^[14]。因此，在重（类）金属胁迫下，研究植物根系的形态变化能在一定程度上阐明重（类）金属的胁迫程度，以及植物对重（类）金属的解毒机制。但是，现有与植物根系形态相关的研究仅见于三价锑[Sb（Ⅲ）]，而关于五价锑[Sb（Ⅴ）]对植物根系形态特征影响的研究较少^[10]。基于以上原因，本研究以水稻为供试植物，利用水培实验，比较研究不同形态Sb对水稻生长及根系形态特征的影响，试图阐明不同形态Sb对水稻毒性的差异。

本研究以常规籼稻（丰美占，由广东省农业科学院水稻研究所提供）为研究对象。水稻幼苗的培育过程如下：挑选颗粒饱满的种子于2%的NaClO溶液消毒20 min。去离子水清洗干净后，播种于润湿的培养基质（珍珠岩:蛭石=1:1，体积比）中。待水稻幼苗长出两片真叶，将其移至20 L塑料盆中适应3周，采用埃斯皮诺营养液培养，此营养液组分构成为：Ca（NO₃）₂·4H₂O 0.089 g·L^-1、MgSO₄·2H₂O 0.250 g·L^-1、（NH₄）₂SO₄ 0.049 g·L^-1、KH₂PO₄ 0.034 g·L^-1、FeCl₂ 0.030 g·L^-1、H₃BO₂ 2.86 mg·L^-1、ZnSO₄·7H₂O 0.22 mg·L^-1、MnCl₂·2H₂O 1.81 mg·L^-1、CuSO₄·5H₂O 0.08 mg·L^-1、H₂MoO₄·4H₂O 0.02 mg·L^-1。

适应3周后，选取长势一致的水稻幼苗，去离子水清洗幼苗根系，移至1 L避光塑料桶中（1株·桶^-1，埃斯皮诺营养液培养），同时加入不同浓度Sb处理。Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）溶液分别由分析纯的酒石酸锑钾和焦锑酸钾配制而成。试验分为7个处理，分别为：对照（CK，0 mg·L^-1），5 mg·L^-1 Sb（Ⅲ），10 mg·L^-1 Sb（Ⅲ），20 mg·L^-1 Sb（Ⅲ），5 mg·L^-1 Sb（Ⅴ），10 mg·L^-1 Sb（Ⅴ），20 mg·L^-1 Sb（Ⅴ），每个处理3次重复。培养期间，每3 d换1次营养液，期间用0.1 mol·L^-1的NaOH和HNO₃调节pH为5.5。光照时间设置为16 h/8 h（昼/夜），温度为20 ℃/25 ℃（黑夜/白天），光照强度为100 μmol·m^-2·s^-1，相对湿度为60%~70%。Sb处理2周后收获植物。

收获时，将水稻分为根系和地上部，用滤纸将根系及地上部表面水分吸干后称量鲜重。采用爱普生平板式扫描仪（Epson Expression 10000XL 1.0）分析水稻根系形态，该扫描仪配备有根系图像分析系统（WinRHIZO）。根系扫描获取如下参数：根长、根体积、根面积、平均根直径、根尖数和分叉数。根系参数获取后，将地上部分和根系样品剪碎分别混匀后在70 ℃的烘箱中烘干至恒重（48 h）。

根系、地上部分采用莱伯泰科DigiBlock ED54（北京莱伯泰科仪器股份有限公司）电热消解仪消解。过程如下：称取植物样品约0.2 g至消煮管中，加入10 mL浓硝酸，静置一夜。消煮程序为：先以80 ℃加热1.5 h，再升温至120 ℃加热1.5 h，最后以150 ℃加热3 h，冷却后揭盖，温度调至180 ℃，蒸干管内液体至约1 mL，冷却、用超纯水定容至50 mL容量瓶中。消解后样品的Sb含量用赛默飞电感耦合等离子体质谱测定。

采用单因素并结合多重比较法（Tukey检验）比较各处理间的显著性（P < 0.05）。本试验中如不另外说明，所有的数据均为3次重复的平均值。数据统计分析采用SPSS 18.0软件，并用Sigmaplot 10.0软件作图。

由图 1可以看出，与对照相比，除10 mg·L^-1 Sb（Ⅴ）处理未对地上部生物量和5 mg·L^-1 Sb（Ⅲ）未对根系生物量有显著影响外，其他含Sb处理均显著降低了水稻地上部和根系生物量。同一处理浓度下，Sb（Ⅲ）处理水稻地上部生物量明显低于Sb（Ⅴ）处理，例如：5 mg·L^-1处理时，Sb (Ⅴ) 处理下地上部分生物量为Sb（Ⅲ）处理下的2.4倍；Sb（Ⅲ）处理下的根系生物量为Sb（Ⅴ）处理下的1.7倍。而在10、20 mg·L^-1处理时，Sb（Ⅲ）处理下的根系生物量与Sb（Ⅴ）处理下的根系生物量相似。

图 1 不同形态Sb对水稻地上部分和根系生物量的影响 Figure 1 Effects of different forms of Sb on the shoot and root biomass of rice plants 不同大写字母表示Sb（Ⅲ）处理间差异显著（P < 0.05）；不同小写字母表示Sb（Ⅴ）处理间差异显著（P < 0.05），下同 Different capital letters indicate significant difference between different Sb (Ⅲ) treatments (P < 0.05);Different lowercases indicate significant difference between different Sb (Ⅴ) treatments (P < 0.05). The same below

图选项

如图 2所示，水稻地上部和根系Sb含量均随Sb处理浓度的增加而显著增加，且大部分Sb被富集在水稻根系，向地上部转移较少[Sb（Ⅲ）处理下Sb的转运系数在0.23~0.13之间，Sb（Ⅴ）处理下Sb的转运系数在0.05~0.06之间，数据未列出]。同一处理浓度下，Sb（Ⅲ）处理水稻地上部分Sb含量均高于Sb（Ⅴ）处理，例如：在10 mg·L^-1处理下，Sb（Ⅲ）处理水稻地上部分Sb含量为Sb（Ⅴ）处理的3.1倍（数据未显示）。与地上部分Sb含量相反，Sb（Ⅴ）处理水稻根系Sb的含量均高于Sb（Ⅲ）处理。

图 2 不同形态Sb处理下水稻地上部分和根系的Sb含量 Figure 2 Concentration of Sb in the shoots and roots of rice plants subjected to different forms of Sb

图选项

如表 1所示，不同形态Sb均对大多数水稻根系形态特征指标产生不利影响。与对照相比，20 mg·L^-1 Sb（Ⅲ）处理显著降低水稻根长、根面积、根体积、根尖数、分叉数，分别达81.9%、70.0%、59.6%、81.9%和80.4%。但Sb（Ⅲ）处理未显著影响水稻根直径。Sb（Ⅴ）处理对水稻根系形态特征相关参数的影响较Sb（Ⅲ）处理的小。与对照相比，≤10 mg·L^-1 Sb（Ⅴ）处理仅显著降低了水稻根直径，未对其他指标有显著影响。添加20 mg·L^-1 Sb（Ⅴ）显著降低了水稻根面积、根直径和分叉数，分别达20.1%、22.2%和40.6%，未显著影响水稻根长、根体积和根尖数。

表 1 不同形态Sb对水稻根长、根面积、根体积、平均根直径、根尖数和分叉数的影响 Table 1 Effects of different forms of Sb on the length, area, volume, average diameter, tip number and fork number of rice roots

表选项

在处理浓度为10、20 mg·L^-1时，Sb（Ⅴ）处理的根长、根面积、根体积、根尖数以及根分叉数均要高于Sb（Ⅲ）处理的。如10 mg·L^-1处理下，Sb（Ⅴ）处理水稻根长、根面积、根体积、根尖数及根分叉数分别为Sb（Ⅲ）处理的1.96、2.22、1.59、2.43倍和2.33倍。

如图 3所示，与对照相比，随Sb（Ⅲ）处理浓度增加，粗根比例从2.8%增至3.3%，中等根比例从45.2%增至54.8%，而细根比例从52.1%降至41.9%。随Sb（Ⅴ）处理浓度增加，粗根比例从2.8%降至1.2%，中等根比例从45.2%降至42%，而细根比例从52.1%增至56.8%。

图 3 不同形态Sb对水稻细根、中等根以及粗根比例的影响 Figure 3 Effects of different forms of Sb on the ratios of fine, medium and coarse roots of rice plants

图选项

研究表明，Sb在土壤中的植物有效性较低，但植物仍能大量吸收Sb，从而影响其生长^[15]。本研究中，虽然两种形态Sb均显著抑制了水稻地上部分和根系生物量，但是不同形态Sb对水稻的毒性作用存在显著差异。例如：Sb（Ⅲ）处理下水稻地上部分生物量显著低于Sb（Ⅴ）处理下的，表明Sb（Ⅲ）对水稻的毒性较Sb（Ⅴ）高，此结果与前人报道结果相似^[16]。

本研究中，水稻吸收的Sb大部分富集在其根系，向地上部转移较少，这一结果与Ren等^[17]研究结果相似。但值得注意的是：本研究中Sb（Ⅲ）处理水稻地上部Sb含量高于Sb（Ⅴ）处理，而根系则相反，表明丰美占这一水稻品种对Sb（Ⅲ）的转运能力较Sb（Ⅴ）的高。Ren等^[17]的研究发现，水稻对Sb（Ⅴ）的转运系数最高为Sb（Ⅲ）转运系数的3~4倍，这与本研究的结果不一致，可能与水稻的品种有关。Huang等^[18]的研究表明：Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）处理下，三个水稻品种（Yangdao 6、Nongken 57、Jiahua 1）表现出不同的Sb富集及转运能力。Shtangeeva等^[19]的研究结果也表明：不同植物对Sb的吸收能力存在差异，他们发现在75 mg·L^-1水平下，Sb（Ⅲ）处理黑麦（Secale cereal L.）各部位Sb含量低于Sb（Ⅴ）处理，而小麦（Triticum astevium L.）各部位Sb含量则呈现相反的结果。

根系是植物与土壤环境进行物质交换的重要器官。根系的生长发育能影响植物对营养物质的吸收及有害物质的排泄，其形态特征能够说明植物受重（类）金属毒害程度，植物能通过改变根系形态特征来降低重（类）金属胁迫程度^[20-21]。有报道表明：Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）均能抑制水稻根系的生长^[6]。本研究发现：Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）均显著抑制了水稻根系的生长发育，相对于Sb（Ⅲ），Sb（Ⅴ）处理对水稻根系形态各指标的影响较小。当处理浓度小于10 mg·L^-1时，Sb（Ⅴ）基本未对根系形态指标有显著性影响；而在20 mg·L^-1处理水平下，Sb（Ⅴ）处理根系形态指标（除根直径外）均明显高于Sb（Ⅲ）处理。但在10 mg·L^-1和20 mg·L^-1处理水平下，Sb（Ⅴ）和Sb（Ⅲ）处理对水稻根系生物量的影响相似。He等^[5]研究发现，在水稻种子（Yuhong No. 1）萌发15 d时，与对照相比，1000 mg·L^-1 Sb（Ⅲ）处理干物质转换率为38.79%，而1000 mg·L^-1 Sb（Ⅴ）处理干物质转换率约为20%（此数据为作者根据该文所示图估算出）。上述结果表明：Sb（Ⅲ）处理水稻干物质转换效率高于Sb（Ⅴ）处理，导致Sb（Ⅲ）处理水稻根系鲜重与Sb（Ⅴ）处理相似，而Sb（Ⅴ）处理下根系形态特征参数明显高于Sb（Ⅲ）处理。

报道表明，植物能通过减少细根数量、根系表面积及分叉数来降低根与重（类）金属的接触面积，从而降低对重（类）金属的吸收^[22-23]。本研究中Sb（Ⅲ）处理显著降低了大多数根系形态参数，增加了水稻中等根和粗根比例、降低了细根比例；Sb（Ⅴ）处理下对水稻根形态参数及各种根比例的影响较小。上述结果表明Sb（Ⅲ）对水稻的毒性较Sb（Ⅴ）高，且水稻根系粗度及形态参数的变化与不同形态Sb对水稻的毒害程度有关。

（1）Sb（Ⅲ）和Sb（Ⅴ）均对水稻生长有害，且Sb（Ⅲ）毒性较Sb（Ⅴ）高。

（2）水稻根系富集了大多数Sb，Sb（Ⅲ）处理水稻地上部Sb含量高于Sb（Ⅴ），而根系中则相反。

（3）与对照相比，10 mg·L^-1和20 mg·L^-1 Sb（Ⅲ）均显著降低绝大多数根系形态参数的数值；Sb（Ⅴ）仅20 mg·L^-1处理水平显著抑制了水稻根面积、根直径和根分叉数。

（4）Sb（Ⅲ）处理增加水稻根系的粗度，而Sb（Ⅴ）处理对水稻根系粗细程度的影响较小。