砷（As）是典型有毒致病元素，其污染已成为全球尤其是东南亚地区面临的重大环境问题之一^[1]。在我国湖南、云贵、两广等地区，砷污染也非常突出，石门某雄黄矿区周边农田土壤砷平均含量高达99.51 mg·kg^-1[2]。稻米砷含量普遍高于其他作物，是世界范围内最大的砷食物暴露源^[3]，如何控制水稻砷吸收及稻米砷累积，是当前亟需解决的重要问题之一。

水分显著影响土壤砷生物有效性^[4-5]，富氧条件下砷主要以五价态存在，可被强烈地吸附到粘粒矿物、铁锰氧化物及其水化氧化物和土壤有机质上，还可与铁矿以砷酸铁的形式共沉淀^[6]，而且土壤磷酸根对水稻吸收砷的抑制作用会增强^[7]。常规淹水种植，水稻根及籽粒对砷有明显富集效应，籽粒总砷是富氧条件下的10~15倍^[8]。丁永祯等^[9]提出，砷污染农田可通过种植旱稻实现稻米安全，29份不同基因型旱稻种植在4余倍土壤环境质量标准的As污染土壤中，糙米As含量全部达标^[10]。

农田环境因素复杂，多技术联合阻控往往比单一技术更有效。硒（Se）是某些抗氧化物酶和谷胱甘肽过氧化物酶的组成成分，可抑制膜脂过氧化、增加抗氧化酶的活性^[11-12]，施硒对植物吸收汞^[13]、铅^[14]、锑^[15]、镉^[12]以及砷^[16-17]等重金属具有显著的阻抗效果。土壤无机硒主要以四价硒[Se（Ⅳ）]和六价硒[Se（Ⅵ）]存在，前者与As在水稻根系吸收中存在显著的相互促进作用，而后者无明显影响，但在地上部，二者对As的积累均存在显著的拮抗效应，且Se（Ⅳ）抑制效果高于Se（Ⅵ）^[18]。Liao等^[19]也研究发现，Se（Ⅳ）比Se（Ⅵ）更能降低稻米As含量。

对于旱稻来说，有关Se影响As的吸收研究比较薄弱，本研究在前期工作基础上，以砷高、低吸收基因型旱稻为材料，选择对水稻砷吸收抑制效果更显著的Se（Ⅳ）^[19]，研究砷胁迫下硒对旱稻生长、砷吸收及相关生理特性的影响，以期为稻田砷污染防控提供理论基础和技术支撑。

旱稻材料为本研究团队从上海市农业生物基因中心提供的不同基因型旱稻资源中筛选得到的对As吸收差异较大的品种^[10]，低吸收品种为DOURADOAGULHA（V1），高吸收品种为SINALOAA68（V2）。试验土壤采自湖南省郴州市某地区稻田土壤（0~20 cm），As浓度梯度分别为20.1、65.2、83.9 mg·kg^-1，依据土壤环境质量标准（GB 15618—1995）和“全国土壤污染调查公报”（2014），3种土壤分别为无污染、轻度污染和中度污染，无污染土壤作为对照。采回的土壤经自然风干、过筛、去杂质和充分混匀后备用，其基本理化性状见表 1。

表 1 供试土壤理化性质 Table 1 The physical and chemical properties of the tested soils

表选项

盆栽试验于玻璃温室大棚开展，土壤Se（Ⅳ）处理设3种梯度：0（CK）、1.0 mg·kg^-1（Se1）、5.0 mg·kg^-1（Se5），每个旱稻品种9个处理，共18个处理，每处理重复4次。每盆装风干土3 kg，播种前按N:P₂O₅:K₂O＝1:1:1（质量比）施入基肥，同时进行硒处理（添加Na₂SeO₃化学纯），保持土壤湿润平衡7 d。旱稻种子用10%的H₂O₂溶液浸泡消毒30 min后，去离子水冲洗干净，于培养皿催芽2 d，露白后直播。每盆播种8~10粒，三叶期定株，每盆留5株。其他操作同常规大田生产。

孕穗期收样，先收集茎叶（地上2 cm），将新鲜样品快速运至实验室，称重后茎叶分开，用自来水冲洗干净，去离子水润洗3次后滤纸吸干表面水分，叶片液氮制样，-80 ℃保存，用于丙二醛含量和抗氧化酶活性测定，剩余茎、叶及充分洗干净的根于105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒重后粉碎，用于测定砷含量。

丙二醛含量和抗氧化酶活性测定参照李合生^[20]方法进行，其中丙二醛（MDA）含量采用三氯乙酸提取-硫代巴比妥酸显色-分光光度计法测定，SOD活性采用氮蓝四唑法测定，POD活性采用愈创木酚显色法测定，CAT活性采用紫外吸收法测定。植物干样用硝酸-高氯酸（4:1）混合消煮^[21]，As含量用ICP-MS（Agilent 7900x，USA）测定，As仪器检出限 < 0.01 μg·L-1。分析过程中每隔20个样品随机选取1个样品进行重复测量，重复性偏差满足《土壤环境监测技术规范》（HJ/T 166—2004）的要求，同时在测定过程中每20个样品回测1次标准溶液，回测偏差≤5%。使用国家标准物质大米粉（GBW 10010）进行质量控制，回收率在90%~110%之间，测定结果全部在定值范围内。

转运系数：旱稻地上部（茎/叶）As浓度与根中As浓度的比值，表示旱稻根系转运As至地上部的能力。

数据处理采用Microsoft Excel 2013及Origin 8.5，统计分析和差异显著性检验用SPSS 17.0统计软件，通过最小显著法（LSD）检验差异显著性（P < 0.05）。

砷胁迫对旱稻V1、V2生长有显著抑制作用（图 1），且随土壤砷污染程度的加深而加剧。轻、中度污染土壤与对照土壤相比，V1的生物量分别降低了54.72%和89.32%，V2分别降低了65.59%和92.41%，砷对高砷基因型V2的抑制效应大于低砷基因型V1。

图 1砷胁迫下硒对旱稻生物量的影响 Figure 1Effects of Se on biomass of upland rice under As stress

图选项

砷胁迫下，硒对旱稻在生物量上表现出明显的缓解效应。轻度条件下，V1、V2生物量在低Se、高Se处理下较对照显著增加，V1增幅分别为3.50%和31.13%，V2增幅分别为17.89%和34.95%；中度污染下，V1增幅分别为56.42%和122.96%，V2增幅分别为34.38%和38.73%。

比较根、茎、叶As含量，品种V1表现为低吸收，V2表现为高吸收，不同部位间As含量为根>茎>叶，且各部位As含量随土壤浓度的升高而升高（图 2~图 4）。与对照土壤相比，轻、中度污染条件下，V1根系As含量分别增加了1.63倍和3.07倍，V2分别增加了1.54倍和2.85倍；V1茎部As含量分别增加了1.09倍和2.35倍，V2分别增加了1.19倍和2.38倍；V1叶部As含量分别增加了0.87倍和1.94倍，V2分别增加了0.96倍和2.14倍。

图 2硒对旱稻根砷含量的影响 Figure 2Effects of Se on As content in root of upland rice under As stress

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图 3硒对旱稻茎砷含量的影响 Figure 3Effects of Se on As content in stem of upland rice under As stress

图选项

图 4硒对旱稻叶砷含量的影响 Figure 4Effects of Se on As content in leaves of upland rice under As stress

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As胁迫下，Se对旱稻不同部位As含量的影响不同。对根系来说（图 2），低浓度Se对As含量无显著影响，高浓度Se增加了As含量，在CK、轻、中度As污染土壤中，V1根系砷含量较对照增幅分别为55.69%、27.08%和18.22%，V2砷含量增幅分别为48.98%、23.82%和12.71%。

对茎部（图 3），除低Se在对照土壤中对As含量无显著影响外，其他条件下均显著减少了As含量。茎部As含量在轻、中度As胁迫下，低Se处理V1砷含量较对照分别降低了16.25%和20.31%，V2分别降低了15.01%和7.32%；高Se处理V1砷含量分别降低了21.10%和30.93%，V2分别降低了24.58%和16.16%。Se浓度越高，茎部As含量降幅越大，在对照土壤中，高Se显著降低了茎部As含量，V1、V2砷含量分别降低了18.89%和17.02%。

砷胁迫下硒对旱稻叶As含量的影响与茎相似（图 4），对照土壤中，高Se处理显著降低了V1、V2叶部As含量，降幅分别为19.63%和17.61%。轻、中度As污染土壤中，低Se处理V1砷含量分别降低了19.28%和15.33%，V2分别降低了13.26%和9.47%；高Se处理V1分别降低了27.68%和15.12%，V2分别降低了20.52%和13.26%。Se浓度越高，叶部As含量降低幅度越大。

As从根向茎、叶的转运系数见表 2。在无、轻、中污染土壤中，不施Se条件下，茎/根转运系数V2较V1分别高出19.75%、37.70%和26.87，叶/根转运系数分别高出8.22%、27.08%和39.13%，说明As从地下部向地上部转运能力差异是旱稻As高、低吸收的重要原因之一。施Se显著降低了As转运，低Se、高Se处理在无污染条件下，茎/根转运系数V1分别降低3.00%和48.09%，V2分别降低16.72%和44.21%，叶/根转运系数V1分别降低9.93%和48.38%，V2分别降低23.52%和44.74%；在轻度污染下，茎/根转运系数V1分别降低16.01%和33.89%，V2分别降低16.58%和39.25%，叶/根转运系数V1分别降低19.17%和39.36%，V2分别降低14.95%和35.71%；在中度污染下，茎/根转运系数V1分别降低18.71%和41.63%，V2分别降低5.64%和25.66%，叶/根转运系数V1分别降低8.42%和20.79%，V2分别降低7.67%和22.91%。

表 2 砷胁迫下硒对旱稻砷转运系数的影响 Table 2 Effects of Se on As transport coefficients of upland rice under As stress

表选项

叶部MDA含量V1整体较V2低，砷胁迫下，MDA的含量显著提高（图 5），与对照土壤相比，轻、中度As污染条件下，MDA含量V1分别增加了52.59%和86.54%，V2分别增加了58.56%和85.31%。轻、中度As胁迫下，施硒显著降低了MDA含量，但低、高Se处理间无显著性差异。轻度As胁迫下，低、高Se处理V1品种MDA含量分别降低了9.73%和13.26%，V2分别降低了16.09%和20.68%。中度As胁迫下，低、高Se处理V1分别降低了9.29%和19.01%，V2分别降低了14.80%和19.79%。

图 5砷胁迫下硒对旱稻叶片MDA含量的影响 Figure 5Effects of Se on MDA content in leaves of upland rice under As stress

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砷胁迫下，旱稻V1、V2叶片SOD呈现不同的变化趋势（图 6），与对照土壤相比，轻、中度As污染胁迫下，前者SOD分别降低了12.29%和21.20%，而后者SOD分别增加了6.60%和20.16%。施Se提高了叶片SOD含量，轻度As污染胁迫下，低Se和高Se处理V1叶片SOD分别升高了9.70%和38.54%，达显著性水平，V2分别升高了4.72%、7.26%；中度As污染胁迫下，低Se和高Se处理V1的SOD分别升高了33.58%和30.83%；V2分别升高了9.84%和1.73%。

图 6砷胁迫下硒对旱稻叶片SOD活性的影响 Figure 6Effects of Se on SOD activity in leaves of upland rice under As stress

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叶片POD含量随As胁迫的加强而增加（图 7），与对照土壤相比，轻、中度As胁迫下，V1叶片POD分别增加了17.09%和60.55%，V2分别增加了60.90%和44.69%。高As吸收品种V2的POD含量远高于低As吸收品种V1，且二者对施Se的响应表现不一。对照土壤中，Se显著增加了两旱稻品种叶片POD的含量；轻度As胁迫下，低Se、高Se处理V1叶POD分别增加了48.33%和63.58%，V2分别降低了3.75%和15.02%；中度As胁迫下，低Se、高Se处理V1叶POD分别增加了14.19%和29.89%，V2分别降低了10.88%和31.04%。

图 7砷胁迫下硒对旱稻叶片POD活性的影响 Figure 7Effects of Se on POD activity in leaves of upland rice under As stress

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与POD相似，高砷吸收品种V2的CAT活性明显高于低砷吸收品种V1（图 8）。V1、V2叶部CAT含量随As胁迫的加强呈现不同的变化趋势，V1表现为先升高再下降，轻、中度As胁迫较对照分别升高了27.86%和降低了3.14%；而V2表现为先下降再升高，轻、中度As胁迫较对照分别下降了7.58%和增加了68.36%。对照土壤中，Se增加了V1、V2叶片CAT含量，其中高Se提升V1达显著水平。轻度As胁迫下，随Se浓度升高，V1、V2叶部CAT先显著降低后显著升高，其中高Se处理下，V2叶部CAT比对照增加了50.66%。中度As胁迫下，施Se对V1、V2的CAT活性分别起促进和抑制作用，低、高Se处理下，V1升幅分别为62.97%和22.93%，V1降幅分别为21.97%和20.48%。

图 8砷胁迫下硒对旱稻叶片CAT活性的影响 Figure 8Effects of Se on CAT activity in leaves of upland rice under As stress

图选项

As对植物具有较强的毒性，体现在旱稻生物量随着土壤As浓度的升高而降低，施Se显著提高了旱稻地上部生物量，缓解了As对旱稻的毒害，与水稻上的研究相似^[22]。

旱稻根、茎、叶各部位As含量随土壤As浓度的升高而增加，与生物量变化相反，表明砷胁迫导致了植株毒害。土壤施Se，旱稻根系As浓度增加，而茎、叶As浓度降低，Se显著降低了As从根系向茎叶的转运，与前人在水稻中的研究结果相似^[17-18]，但也有研究^[19]显示，Se只是显著降低了稻米和颖壳As浓度，对根系和茎叶As含量影响不大。

植物吸收Se（Ⅳ）可通过磷酸盐转运蛋白^[23]，而磷酸盐转运蛋白亦是As（Ⅴ）的吸收通道^[24]，同时，Se（Ⅳ）和As（Ⅲ）在植物体内的部分吸收共用水通道途径^[25]，因此，Se（Ⅳ）对根系As吸收可能表现出抑制效应，但本结果及部分前人研究^[17-18]表现出促进作用，Se显著促进了根系As吸收，但显著抑制了As从根系向地上部转运，显著降低了地上部As累积，其确切作用机制目前还不是很清楚，可能与Se（Ⅳ）被植物根系吸收后大部分被转化成有机Se、并与As形成络合物储存在根系细胞壁与液泡中有关^{[18, 26]}。而Liao等^[19]的研究结果显示，Se（Ⅳ）和Se（Ⅵ）对水稻根系和茎叶As含量无影响。这些结果表明，Se对稻作吸收、转运As及其机理值得深入探讨。

植物在重金属等逆境胁迫下，会导致体内活性氧（ROS）积累而引起膜脂过氧化损伤，导致膜通透性增加和膜功能受损，MDA是膜脂过氧化的主要产物，其含量可以反映植物受到氧化胁迫的程度^[27-28]。本研究中，随着土壤As胁迫的加强，叶片MDA含量显著提高，表明旱稻受到氧化胁迫的程度在加深。施Se在轻、中度As胁迫下，显著降低了MDA含量，表明Se缓解了旱稻体内的膜脂过氧化反应，减轻了As引起的氧化损伤。

植物体内存在的抗氧化酶，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等，清除过量的ROS，阻止其积累以处于平衡状态。SOD是植物中普遍存在的一种含金属的酶，它能催化超氧自由基产生歧化反应，生成分子氧和H₂O₂，POD和CAT则清除H₂O₂形成H₂O，这些酶在植物体内相互协同保护细胞的膜结构，在一定程度上缓解逆境胁迫对植株的伤害^[29]。随As胁迫加强，V1、V2叶部SOD、POD、CAT活性大多升高或者先升高后降低，与前人研究相似^[30]，说明As刺激了植物抗氧化酶活性增加，以提高其消除体内氧自由基的能力，As浓度过高使机体受损，表现出抗氧化酶活性降低，其差异与旱稻品种有关，也与不同抗氧化酶活性对As胁迫的响应有关。

施Se对V1、V2抗氧化酶活性的影响不同。对V1来说，施Se显著提高了不同As胁迫下的SOD、POD和CAT活性，不同抗氧化酶在响应Se缓解As毒害上表现出一致性；对V2来说，低As胁迫下，Se促进抗氧化酶活性增加，高As胁迫下，Se抑制抗氧化酶活性。V1、V2抗氧化酶活性在Se缓解As毒害方面表现出的差异性，可能与二者对As的吸收差异有关，亦与二者抗氧化酶活性对As胁迫的响应不同有关。V2叶部的MDA含量，特别是POD和CAT活性较V1高出很多，V2对活性氧自由基的清除功能更强，这可能是其高As吸收特征的主要机制之一，与砷富集植物和非砷富集植物的抗氧化酶结果相似^[31]。V1体内POD和CAT活性低，Se缓解As胁迫下的诱导上升空间大，可解释Se显著减少茎叶As含量的现象。施Se也显著降低了V2茎叶As含量，但POD、CAT反而下降，可能存在其他的抗氧化物质来清除失衡的H₂O₂，例如还原型谷胱甘肽（GSH）和还原型谷胱甘肽过氧化物酶（GSH-Px）。总体来说，As胁迫下Se缓解旱稻As毒害与As吸收转运的机制有待进一步研究。

（1）As胁迫对旱稻毒性明显，施Se能有效缓解As毒害，提高旱稻地上部生物量。

（2）Se增加了旱稻根系As含量，但降低了茎、叶As累积，Se显著降低了As从根系向茎部的转运。

（3）As胁迫下，Se显著降低了旱稻叶部MDA含量，显著提高了As低吸收品种V1叶部SOD、POD和CAT抗氧化酶活性，对As高吸收品种V2抗氧化酶活性，在低As和高As胁迫下分别起促进和抑制作用。

（4）品种低（V1）、高（V2）As吸收的差异与机制，体现在V2根系As吸收及根茎As转运远高于V1，以及V2体内的MDA含量、特别是POD和CAT活性远高于V1。