兽药土霉素对水稻幼苗根系及部分生理特性的影响

顾国平，章明奎

(1. 绍兴市农业科学研究院 农业生态研究所，浙江 绍兴 312003；2. 浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)



兽药土霉素对水稻幼苗根系及部分生理特性的影响

顾国平1，章明奎2，*

(1. 绍兴市农业科学研究院 农业生态研究所，浙江 绍兴 312003；2. 浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058)

为了解抗生素对农作物生长的作用机理，选择中国养殖业中普遍使用的土霉素，采用水培试验研究了不同污染水平土霉素对苗期水稻根系生长、根系活力、叶片叶绿素含量和氧化酶活性等的影响。结果表明，土霉素污染对水稻地下部分的影响明显大于地上部分。低浓度(0.5和1 mg·L-1)的土霉素处理能促进水稻根系总长度和根表面积的增加，增强根系活力；但高浓度的土霉素(>5 mg·L-1)可显著降低水稻根系生物量，对根系活力、叶片叶绿素含量和氧化酶活性有明显的限制作用，增加根系相对质膜透性。研究认为，高浓度土霉素可对水稻幼苗产生毒害作用，限制水稻幼苗正常生长。

水稻；水稻幼苗；土霉素；毒理

养殖业中兽用抗生素以亚剂量治疗添加到动物饲料中导致的生态环境问题已引起了人们的关注。据研究，有60%～90%的兽用抗生素可以原形或代谢物形式随动物粪便排出[1]，并通过有机肥的施用进入农田生态系统，对土壤动物、微生物和植物安全生产产生影响[2-4]。与农用抗生素防治的主要为植物体中真菌性病害不同[5-6]，兽用抗生素大都是用来防治动物体内的细菌性疾病，因此，土壤中的兽用抗生素残留可能会对作物生长产生不同于农用抗生素的影响。有研究表明，残留在土壤中的多数兽用抗生素极易向植物体内迁移，并可对植物生长产生一定的影响[7-12]，主要表现在对植物根系发育、地上部分生长及抑制叶绿体ATP合成酶活性等方面[7-15]。幼苗期是农作物受抗生素污染敏感的时期，抗生素污染可对农作物苗期根系发育产生明显的影响[7，13-15]。水稻是我国最重要的粮食作物之一，是受农田土壤污染风险较大的农作物。但目前有关抗生素对农作物的污染影响研究中，大多集中于蔬菜作物和水生作物[10，13-14]。另外，国内外有关抗生素对植物影响的研究多局限于植物种子萌发、根的生长、植株高度等方面[13-14]，有关抗生素污染下植物根系形态特性和生理特性的变化报道较少。根系是植物与土壤环境接触的重要界面，其对土壤污染更为敏感，土壤中抗生素污染对植物的危害首先会表现在根系的变化上，并最终制约地上部分的生长和产量形成。为此，本研究以水稻作为试验材料，采用水培方法，探讨土霉素污染对水稻根系生长形态和生理生化过程的影响，以揭示抗生素对水稻生长毒害的作用机理。

1　材料与方法

1.1供试材料

土霉素属于四环素类抗生素，在我国养殖业中应用较为广泛；供试土霉素购自Sigma公司，纯度>97%。供试水稻品种为甬籼15。

1.2试验处理

试验前对水稻种子进行浸种。事先将选取的健康饱满的种子摊晒1～2 d，用3%的多菌灵药液浸泡12 h，清水淘洗，直到水变清时开始浸种。浸泡时间为3 d，每天用清水淘洗3～4次。3 d后将种子淘洗干净，再用55 ℃的水将种子预热，用湿麻袋把种子包好，再用稻草等保温，温度保持在30～35 ℃，24 h即可催出稻芽，稻芽露出后逐步降温至20 ℃左右，摊开种子，在自然条件下炼芽1 d后浅播于水稻育秧盘中，蒸馏水培养7 d后，转入1/2营养液中培养，营养液按国际水稻研究所(IRRI)推荐配方配置。10 d后，进行不同浓度的土霉素处理。含土霉素的营养液采用称取不同量的土霉素直接溶于营养液的方式配置，试验中共设置10个土霉素浓度梯度，分别为0，0.5，1，2，5，10，20，50，75和100 mg·L-1，其中以不添加土霉素的营养液作为对照。将水稻幼苗移至含有不同浓度土霉素的全营养液的塑料桶中，每桶种10穴，每穴3株。每处理重复4次。含不同浓度土霉素的营养液2 d更换1次，调节pH值至5.0～5.1。待水稻幼苗长至5叶1心后再培养7 d，取样进行各指标测定。

1.3测定项目与方法

根系干重用烘干法测定：用滤纸吸干水稻根系表面水分，然后在100～105 ℃杀青20 min后，在65～70 ℃烘箱中烘至恒量，称重。根系形态测定采用Epson根系扫描仪扫描，并应用WinRHIZO分析软件测定根系总长、根表面积、根体积。根系活力采用α-萘胺氧化法测定[16]，细胞质膜透性采用外渗电导率法测定[16]。叶绿素含量取第2叶测定，用95%乙醇提取，比色法测定[17]；根系活力参照张志良等[18]方法测定；过氧化氢酶活性参照余迪求等[19]方法测定，底物为H2O2。

1.4数据分析

文中数据均运用Excel 2003进行数据处理，应用SPSS 16.0进行统计分析；对有显著差异的各处理采用单因子LSD法进行多重比较，显著性水平为P<0.05。

2　结果与分析

2.1土霉素污染对水稻幼苗根系生长的影响

由表1可知，随着土壤中土霉素污染浓度的增加，水稻幼苗地下部分生物量及根系特征发生了明显的变化。其中，在低浓度时(0.5～1 mg·L-1)，土霉素对根系生长有轻微的促进作用，可增加根系总长度和根表面积，但根系干物质和根体积的变化不明显。污染浓度为0.5和1 mg·L-1时，根系总长度和根表面积分别比对照增加3.75%和14.40%及6.96%和10.76%。低浓度土霉素对水稻根系的促进作用可能与提高了水稻内源赤霉素、蛋白质合成有关，但具体原因还有待深入研究。当土霉素污染浓度超过5 mg·L-1时，根系干物质量、根系总长度和根表面积显著(P<0.05)下降；当土霉素污染浓度超过10 mg·L-1时，根体积也发生显著下降。以上各项指标的下降量随着土霉素污染浓度的增加而增加。但不同指标的下降速率有所差异，当土霉素污染浓度为5和100 mg·L-1时，根系干物质量、根系总长度、根表面积和根体积分别比对照降低11.85%，7.51%，6.33%，7.59%和76.66%，78.30%，58.86%，75.11%。总体上，根系干物质与根长对土霉素的污染最为敏感。

相关分析表明，根系干物质、根系总长度、根表面积和根体积与培养液中土霉素浓度均存在显著的负相关关系，相关系数分别为-0.892 4，-0.927 6，-0.949 8和-0.916 6，表明随着土霉素污染浓度的提高，对水稻生长的抑制作用也明显增强。

表1水稻幼苗根系特征与土霉素污染水平的关系

Table 1Relationship between root growth of rice seedling and oxytetracycline pollution levels

土霉素污染浓度/(mg·L-1)根系干物质/(g·株-1)根系总长度/(cm·株-1)根表面积/(cm2·株-1)根体积/(cm3·株-1)00.287±0.012a986±33b158±5b2.37±0.21a0.50.294±0.011a1023±53ab169±8ab2.38±0.18a10.291±0.010a1128±56a175±8a2.29±0.16a20.278±0.013a954±28bc161±5b2.36±0.15a50.253±0.007b912±32c148±5c2.19±0.17a100.195±0.010c745±24d133±7d1.57±0.13b200.123±0.007d537±31e122±12d1.28±0.09c500.098±0.006e423±27f87±14e0.89±0.06d750.066±0.007f254±26g77±8e0.62±0.07e1000.067±0.009f214±29g65±11e0.59±0.08e

注：同列数据后无相同小写字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

2.2土霉素污染对水稻幼苗根系活力的影响

根系活力是指根系的吸收、合成、氧化和还原能力等，是反映根系生命活动的生理指标。由表2可知，当土霉素污染浓度超过10 mg·L-1时，根系活力显著(P<0.05)下降，下降程度随土霉素污染水平的提高而增加(相关系数为0.909 0)。土霉素污染浓度为10，20，50，75和100 mg·L-1时，根系活力分别比对照下降了18.71%，41.79%，53.70%，50.42%和64.26%。植物在逆境胁迫或衰老过程中，细胞原生质膜中的不饱和脂肪酸发生过氧化作用，使质膜系统受到伤害，选择透性降低，细胞内电解质外渗量增加，因而细胞质膜透性可表示膜伤害程度[20]。表2可知，在土霉素污染胁迫下，水稻幼苗根尖相对质膜透性随着土霉素污染浓度的提高逐渐提高(相关系数为0.876 0)，当土霉素污染浓度超过10 mg·L-1时，根系相对质膜透性显著(P<0.05)增加；土霉素污染浓度为10，20，50，75和100 mg·L-1时，根系相对质膜透性分别比对照增加24.86%，59.63%，88.29%，77.39%和80.10%。

表2水稻幼苗根系活力、叶片中叶绿素含量及过氧化氢酶活性与土霉素污染水平的关系

Table 2Root activity， chlorophyll content and oxidase activity of rice leaves at the seedling stage as affected by oxytetracycline pollution levels

土霉素污染浓度/(mg·L-1)根系相对质膜透性/%根系活力/(μg·h-1·g-1)叶绿素(a+b)/(mg·g-1)过氧化氢酶活性/(mg·g-1·min-1)017.34±0.88d91.45±7.26a16.56±1.07a24.23±1.13a0.517.78±0.76d94.65±8.89a15.34±1.13a25.43±1.32a118.34±0.84d90.29±6.14a16.68±1.23a23.98±1.57ab217.32±0.73d93.22±7.11a15.87±0.89a25.23±1.28a518.98±0.68d88.56±6.44a16.54±1.12a24.67±1.21a1021.65±1.28c74.34±6.10b15.43±0.84a23.78±1.44ab2027.68±1.01b53.24±5.52c13.76±0.59b21.76±1.38bc5032.65±1.78a42.34±4.07d11.76±0.76c18.67±1.22d7530.76±1.19a45.34±5.12cd12.87±0.63c20.23±1.34cd10031.23±1.03a32.68±3.65e11.23±0.68c19.33±1.19cd

2.3土霉素污染对水稻幼苗叶片光合潜力和过氧化氢酶活性的影响

表2可知，水稻幼苗叶片中叶绿素含量和过氧化氢酶活性均随培养液中土霉素污染浓度的增加而下降(相关系数分别为-0.906 0和0.880 6)，当土霉素污染浓度高于20 mg·L-1时，叶片中叶绿素含量和过氧化氢酶活性显著(P<0.05)下降。与对照比较，当土霉素污染浓度为20，50，75和100 mg·L-1时，叶绿素含量分别比对照降低16.91%，28.99%，22.28%和32.19%；过氧化氢酶活性分别下降了10.19%，22.95%，16.51%和20.23%。另外，当土霉素污染浓度为75 mg·L-1以上时，叶脉间还出现缺绿症，叶尖卷曲，在叶边还出现少量褐色斑点。总体上，土霉素对叶片中叶绿素含量和过氧化氢酶活性的影响程度相对低于根部的有关指标。

3　结论与讨论

本研究表明，低浓度的土霉素处理能促进水稻根系总长度和根表面积的增加，增强根系活力；但高浓度的土霉素可显著降低水稻根系生物量，对根系活力、叶片叶绿素含量和氧化酶活性亦产生明显的限制作用。土霉素污染对水稻地下部分的影响明显大于地上部分。根系作为重要的吸收器官和代谢器官，其生长状况不仅直接控制着植物对水分和养分的吸收，而且制约着植株地上部生长的好坏；因此，土霉素对水稻根系的毒害作用势必会影响水稻后期的正常生长，并可能影响水稻的产量。以上研究表明，植物对土霉素毒害的反应首先表现在根系上。低浓度的土霉素处理能增加水稻根系总长度和根表面积，使根系活力增加，为细胞正常生长提供良好的生理基础。这种现象可解释为对植物有积极的刺激作用，但这种刺激作用受到浓度的限制，当环境中存在过多的土霉素时，就会抑制根的延长，减小根表面积和根体积，从而造成根系生物量的降低，原因可能与根系吸收和积累土霉素有关。分析结果还表明，在土霉素污染胁迫下，根细胞内活性氧自由基的产生速率增大，发生膜脂过氧化，致使细胞膜的结构和功能遭到破坏，膜透性增大，细胞受损，代谢紊乱，根系活力下降，这将对水稻根系吸收水分和营养素的能力产生严重影响。

总体上，土霉素污染对水稻地上部分的影响比对地下部分略小，这可能与根部是植株与土壤的接触部分，抗生素更易在根部积累有关。高浓度的土霉素污染可显著降低叶片中叶绿素的浓度，而后者是水稻进行光合作用的基础，会直接影响水稻的生物产量。有关兽用抗生素对叶绿素的影响机理较为复杂，至今仍未开展系统的研究，但有一些初步的研究发现，抗生素可降低作物生长所需的叶酸合成、原生质的形成，影响过氧化物酶、谷胱甘肽转移酶等酶的表达[21]。

从本研究的结果来看，对水稻幼苗产生影响的土霉素浓度基本上在5 mg·L-1以上，目前农田土壤中抗生素的污染变化范围很大，在μg·kg-1级至g·kg-1级之间变化[1]，但目前高浓度抗生素污染并不普遍。因此，大多数农田实际情况下发生水稻抗生素毒害的作用不会明显，但在某些局部高浓度抗生素污染的农田中可能会发生抗生素对水稻的毒害作用。

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(责任编辑高峻)

Effect of oxytetracycline on root growth and physiological characteristics of rice seedlings

GU Guo-ping1， ZHANG Ming-kui2，*

(1.InstituteofAgriculturalEcology，ShaoxingAcademyofAgriculturalSciences，Shaoxing312003，China; 2.CollegeofEnvironmentalandResourceSciences，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China)

In order to understand the influence of antibiotics on crop growth， oxytetracycline， which is widely used in livestock and poultry breeding in China， was selected to test the effects of different levels of antibiotics pollution on growth of rice seedlings， root activity， chlorophyll content and oxidase activity by hydroponic experiment. The results showed that the effects of soil oxytetracycline pollution on the underground part were greater than on the above-ground part of rice. Low oxytetracycline concentration (0.5 and 1 mg·L-1) increased root length and total root surface area， and enhanced root activity. But the high concentration of oxytetracycline (>5 mg·L-1) significantly reduced rice root biomass and chlorophyll content， restricted root activity and oxidase activity， and increased the relative membrane permeability of root. In conclusion， high concentrations of antibiotic could cause toxic effects on rice seedlings， which would limit the normal growth of rice seedlings.

rice; rice seedlings；oxytetracycline; toxicology

10.3969/j.issn.1004-1524.2016.02.02

2015-06-01

国家自然科学基金项目(21177108)

顾国平(1965—)，男，浙江绍兴人，高级农艺师，主要从事农业生态环境保护方面的研究。E-mail: SXPPS@tom.com

，章明奎，E-mail：mkzhang@zju.edu.cn

X53；S51

A

1004-1524(2016)02-0190-05

顾国平，章明奎.兽药土霉素对水稻幼苗根系及部分生理特性的影响[J].浙江农业学报，2016，28(2)： 190-194.