硫素对土壤-水稻中砷的迁移转化影响机制研究

硫素在一定的环境介质中可通过微生物、化学反应参与砷酸盐的生物化学循环过程；植物中硫素的同化和代谢产物会影响砷酸盐的还原、砷的液泡区隔化固定及砷胁迫的改善等生理生化过程。然而，目前有关硫素参与土壤-水稻根系界面中砷迁移转化、水稻中砷转运积累过程的作用机制尚不清楚。因此，本项目拟采用土壤盆栽及溶液培养的方法，利用TN1（籼稻）和日本晴（粳稻）2个水稻品种，结合对土壤中硫和砷分级提取形态和含量的测定分析，考查在水稻整个生育期硫对土壤-水稻根系界面中砷迁移转化的形态和含量的影响，阐明硫素对土壤-水稻根系体系中砷迁移转化的作用机制；通过分析硫对2个水稻品种在营养生长期的植株及籽粒灌浆不同阶段的地上部各个器官（籽粒、叶、茎、鞘等）中硫砷化合物形成关键酶活性或基因表达量、砷形态及含量的影响，明确硫对水稻整个生育期砷转运积累过程的影响机制，为通过合理施用硫素及相关生物技术手段控制水稻砷污染提供理论依据。

在溶液培养和大田盆栽试验条件下，研究了不同硫素形态及施用量对砷胁迫下土壤-水稻界面砷由土壤向根表的迁移形态及含量、水稻根系对不同形态砷的吸收及转运积累的影响及作用机制，并对硫调节砷代谢积累的差异表达基因进行了系统研究，主要结果如下：（1）通过盆栽试验，对不同硫素处理中土壤到水稻根表砷的迁移和生物有效性的研究发现，在无机砷污染条件下，硫肥对水稻根际土壤砷的影响大于非根际土壤，随着施硫水平的增加，砷酸盐处理的土壤中砷的生物有效性降低；在DMA污染土壤中，不同硫形态及施用量对砷的迁移和生物有效性方面存在差异，硫酸盐处理可以有效降低水稻根际内外水溶性砷和可利用态砷的含量；而硫磺处理中水稻根际内外水溶性砷变化较复杂，根附近可利用态砷的含量也相对较高，这可能是水稻根系特殊的氧化还原环境所致。（2）通过离体根试验发现增加硫素施用量增强了水稻根系对无机砷和二甲基砷的吸收，提高了根系中砷的含量；采用水培和土壤盆栽试验则进一步发现，尽管施硫提高了水稻根系的砷含量，但砷向地上部转运能力降低，且地上部的砷含量随施硫水平增加而减少，主要原因在于硫素的施用提高了根部非蛋白巯基的合成量，减缓了砷的氧化胁迫，进而增加了根系对砷离子的络合固定，减少了砷向地上部的转运量。在硫酸盐与DMA处理中，水稻幼苗根系及地上部的砷含量相当，说明DMA由根系向地上部的转运能力较强；同时在添加低浓度DMA和施硫酸盐处理中，水稻根系和地上部砷含量明显低于低硫处理；而在高浓度DMA处理中，施硫处理的植株砷含量要高于低硫处理，因此，硫素也可以在一定范围内降低水稻对DMA的吸收和转运。（3）在砷酸盐污染土壤上，施硫处理中水稻籽粒中总砷含量显著低于加砷而不施硫处理，且DMA比例增加，这说明在砷污染土壤上施用硫肥有效地降低了稻米中总砷的积累和毒性，但一定程度上提高了籽粒中二甲基砷的积累。在水稻籽粒发育后期，受砷胁迫和生长状况的影响，大多数基因表达量下调，但一些响应砷胁迫的磷酸盐转运子、水通道蛋白和柠檬酸转运子基因上调表达。因此，生长介质中施用硫酸盐可有效限制土壤中砷的移动和生物有效性，尽管增强了水稻根系对砷的吸收，但同时降低了砷转运能力，最终减少了水稻籽粒中无机砷的含量，说明稻田土壤施用硫酸盐可以作为一项控制水稻砷污染的有效栽培措施。