华南所陈志良研究员团队研究成果：一种抑制水稻砷吸收的叶面调控方法

　　第一作者：杨嘉仪 硕士研究生 

　　共同一作：孙梦强 助理研究员 

　　通讯作者：陈志良 博士/研究员  

　　通讯单位：生态环境部华南环境科学研究所 

　　论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2022.128781 

　　成果简介 

　　华南环境科学研究所陈志良研究员团队长期从事污染农田安全利用相关研究，近期在Journal of Hazardous Materials发表题为“Effect of foliage applied chitosan-based silicon nanoparticles on arsenic uptake and translocation in rice (Oryza sativa L.)”的研究论文。本研究成功制备了主要由碳（C，57.9%）、氧（O，31.3%）、氮（N，5.6%）和硅（Si，3.5%）等元素组成的壳聚糖负载硅纳米颗粒（Chsi-NPs）材料。通过在砷污染稻田的水稻叶面上施用Chsi-NPs，探究其对水稻叶片和籽粒吸收砷（As）的影响。结果表明，Chsi-NPs处理使籽粒As含量明显降低，叶片As含量明显增加。叶面喷施Chsi-NPs通过促进As在叶片细胞壁上附着，减少As向籽粒的运输。此外，叶面喷施Chsi-NPs可提高水稻叶面抗氧化防御能力。本研究为砷污染农田的安全利用与水稻粮食安全生产提供了新方法。  

　　　引 言 

　　砷通过吸收并积累在作物内危害人体健康。壳聚糖作为一种天然物质，在医药、农业等领域得到应用。壳聚糖及壳聚糖基纳米材料多用于作物抗病性和抗逆性研究，其应用于水稻叶面砷吸收转运调控机制的研究尚未见到报道。本文通过壳聚糖和有机硅合成制备壳聚糖负载硅纳米级叶面材料（Chsi-NPs），研究了在水稻灌浆期通过叶面喷施处理，对水稻叶面砷吸收转运及抗氧化防御系统的影响。 

　　　图文导读 

　　1. 壳聚糖负载硅纳米颗粒理化性质 

　　研究结果表明，Chsi-NPs接近球形，尺寸为10-180nm，平均尺寸为166nm。此外，Chsi-NPs主要由碳（57.9%）、氧（31.3%）、氮（5.6%）和硅（3.5%）等元素组成。X射线光电子能谱（XPS）测试确定了Chsi-NPs存在一个Si-2p峰，表明硅基壳聚糖合成成功。在傅立叶红外光谱（FTIR）光谱中发现C=C （1566.04cm-1）、C=O（1550cm-1）和Si-O-Si（1091.66cm-1）的拉伸振动峰，进一步确定了材料成功制备。 

　　图1 叶面喷施 Chsi-NPs材料表征分析 

　　a、b为TEM 影像，c为FTIR图谱 , d为XPS 图谱,e为TEM–EDS，f为粒径分布 

　　2. 叶面喷施对叶片中Si和As含量的影响 

　　图2显示了喷施 Chsi-NPs后，水稻叶片中Si和As浓度的变化。叶片中As浓度在 Chsi-NPs处理后显著增加。叶面施用3 mg·L-1和15 mg·L-1 Chsi-NPs后，叶片As浓度分别比对照组高20.7%和47.1%（P>0.05）。与对照相比，叶面喷施Chsi-NPs后，叶片中Si含量增加，两种浓度Chsi-NPs处理叶片中Si含量分别比对照高15.0%和16.5%。结果表明， Chsi-NPs喷施促进叶片中的As累积起着重要作用。 

　　　　图2 叶面喷施 Chsi-NPs对叶片的影响 

　　A为叶片中Si的浓度，b为叶片中As的浓度 

　　　3. 叶面喷施对叶片亚细胞结构As分布的影响 

　　Chsi-NPs处理后，As在叶片细胞壁组分（F1）中的比例增加，而在可溶性组分（F2）中的比例降低。3mg·L-1和15mg·L-1 Chsi-NPs处理的F1中As含量分别显著增长了5.7%和8.7%（P<0.05）。与对照组相比，3mg·L-1和15mg·L-1 Chsi-NPs处理的F2分别降低了2.7%和3.4%。因此，Chsi-NPs处理后，F2部分转化为F1部分，As被保留在细胞壁中，这可能是细胞壁中的As与脂肪族多元醇结合形成As-O-C键。 

　　图3 叶面喷施 Chsi-NPs对叶片中亚细胞As分布的影响 

　　F1、F2和F3分别为细胞壁组分、可溶性组分和细胞器组分 

　　 4. 叶面喷施对叶片抗氧化酶系统的影响 

　　研究发现，3mg·L-1和15mg·L-1 Chsi-NPs处理的叶片丙二醛（MDA）含量分别比对照组高13.5%和18.4%，说明处理组中叶片自由基和活性氧的积累。叶片中超氧化物歧化酶（SOD）活性降低和过氧化氢酶（CAT）活性升高，表明细叶片胞中自由基和活性氧被分解。叶片中As含量的增加与谷胱甘肽（GSH）含量上升有关，表明叶面喷施 Chsi-NPs处理可以提高水稻对As的耐性。 

　　图4 叶片抗氧化酶系统的影响 

　　a为叶片中GSH含量，b为叶片中CAT活性，c为叶片中MDA含量，d为叶片中SOD活性 

　　　5. 叶面喷施对水稻稻谷砷的影响 

　　叶面喷施 Chsi-NPs后，谷壳中As浓度显著升高，而籽粒中As浓度显著降低。3mg·L-1 Chsi-NPs处理使稻壳As浓度提高36.5%，15mg·L-1 Chsi-NPs处理使稻壳As浓度显著提高61.2%。3mg·L-1和15mg·L-1  Chsi-NPs处理使籽粒As含量较对照组分别降低了27.8%和35.4% 。此外，叶面喷施3 mg·L-1和15 mg·L-1 Chsi-NPs后，稻壳中As(III)的比例分别比对照组降低了8.6%和11.3%。而籽粒中As(III)的比例分别降低了10.1%和20.0%。 

　　图 5 叶面喷施 Chsi-NPs对稻谷稻壳影响 

　　a为稻壳中As含量；b为稻谷中As的含量；c为稻壳中As形态；d为稻谷中As形态 

　　　　小 结 

　　本研究结果揭示了纳米级壳聚糖负载硅（Chsi-NPs）在砷污染农田中调控水稻安全生产的潜力。纳米级壳聚糖负载硅叶面喷施主要通过细胞壁增厚促进叶片对砷的固定，抑制砷从叶片迁移至籽粒，同时，提高了抗氧化酶系统活性，从而增强水稻叶片砷的解毒能力。 

　　本研究得到广东省重点领域研发项目（2019B110207001）、广东省国际合作项目（2021A0505030045）、广东省自然科学基金（2019A1515012131）和中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（PM-zx097-202104-105）的资助。 

　　研究团队简介 

　　陈志良研究员团队现有人员12名，其中正高级职称1人，中级职称4人，实验员2名，联合培养博士生1名、硕士生4名。近年来，承担国家科技支撑项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家环保公益项目及广东省重点领域研发计划等20余项。在Chemical Engineering Journal、Journal of Hazardous Materials等国内外期刊上发表论文100余篇，其中SCI收录20余篇，主编著作3部，授权专利16件，获得环境保护科学技术奖二等奖1项。