砷和锑作为植物和动物非必需的有毒元素而广泛存在于自然界中,它们不仅对植物产生毒害作用而且可以通过食物链对人体健康构成威胁。水稻长期生活在淹水的条件下,厌氧条件下砷和锑主要以亚砷酸盐(AsⅢ)和亚锑酸盐(SbⅢ)的形式存在,移动性强,因此,比其他作物相比,水稻较易吸收和富集砷和锑。目前,水稻对单一砷污染条件下砷的吸收和代谢机制已经有了大量研究,但是重金属复合污染条件下的研究很少。在以往的研究工作中容易忽视介质中砷形态的转化问题,混淆砷不同的代谢途径。虽然锑和砷属于同一主族,但是目前关于植物对锑的吸收、转运、转化及解毒机制研究较少。本研究通过一系列的水培实验,探索砷和锑在水稻体内的代谢机制,研究结果对于了解环境有害元素在植物体内的行为及农产品安全生产具有重要意义。主要研究结果如下:(1)水培实验研究了亚砷酸盐和无机汞复合暴露下,对水稻毒性、吸收、转运及转化砷、汞的影响。结果表明:水稻吸收汞的能力强于砷,砷、汞主要富集在根部,含量可以高达339mg/kg和433mg/kg,但是转运能力很弱,砷和汞的转运系数只有0.14-0.87和0.012-0.038。采用高效液相色谱和电感耦合等离子体质谱联用技术测定了水稻体内砷、汞形态,发现AsⅢ和无机二价汞是水稻体内主要的存在形态。虽然汞抑制了砷的吸收、转运与形态转化,但是与单一暴露相比,复合暴露加剧了水稻根系细胞的结构破坏、细胞器数量减少和脂质过氧化。(2)亚砷酸盐和砷酸盐(AsⅤ)的短期暴露实验发现,水稻暴露于亚砷酸盐10h后,培养液中少量AsⅢ被氧化为AsⅤ,溶液中AsⅤ稳定。无论是AsⅢ还是AsⅤ暴露,AsⅢ是水稻体内主要的存在形态。Asv在水稻体内的还原速率很大,暴露1h后发现体内总As的52.6%为AsⅢ。水稻根系从生长介质中吸收的砷除部分向地上部分转运外,还可以向生长介质中溢出,体内总砷的24.6-48.3%被排入生长介质中,其中包括AsⅢ与AsⅤ,AsⅢ的排出量是AsⅤ的9倍。(3)采用水培实验系统研究了水稻对SbⅢ及SbⅤ的吸收、转运、转化、亚细胞分布与排出特征。结果表明:根表铁膜上锑的富集量远高于水稻体内。铁膜和根系对SbⅢ的亲和力强于Sbv,SbⅢ在铁膜上和根系中富集量分别是Sbv的28-54倍和10-12倍。无论水稻暴露于SbⅢ还是SbⅤ,SbⅤ均是体内主要的存在形态(56-98%)。植物体内的Sb主要被隔离在细胞壁上,细胞壁被认为是Sb进入细胞的第一道防线。未被隔离的Sb会被根系排出,体内70%的锑可以通过根系排出体外,该过程被认为是植物解毒的一个重要过程。米氏方程可以很好地模拟根系对Sb的吸收和排出过程。(4)研究了铁膜、代谢抑制剂、水通道抑制剂和化学结构类似分子对水稻吸收与排出SbⅢSbⅤ的影响。结果表明:ATP酶活性抑制剂钒酸钠和解偶联剂羰基氰化物间氯苯腙(CCCP)均抑制了 Sbv的吸收,表明根系吸收SbⅤ是主动运输过程,Sbv的吸收没有受水通道蛋白抑制剂Ag、SbⅢ的结构类似物丙三醇的影响,说明SbⅤ不是通过水通道蛋白进入水稻根系内。CCCP、V、Ag、丙三醇、AsⅢ均可以抑制SbⅢ的吸收,说明SbⅢ可以通过水通道蛋白流入细胞内,同时还存在其他主动运输过程。CCCP、V、Ag、丙三醇、AsⅢ不会影响Sbv处理组水稻排出Sb,但是增加了 SbⅢ组的排出。铁膜可以抑制水稻根系对SbⅤ的吸收与排出,抑制高浓度SbⅢ的吸收,但是促进低浓度SbⅢ的吸收,增加SbⅢ的排出。(5)研究不同水稻品种对Sb吸收与形态转化的影响。将两种杂交稻(丰两优6号(F)、国稻6号(G))与两种粳稻(品种南粳45号(N)、镇稻11号(Z)),暴露于SbⅤ溶液中7天。结果表明,不同水稻品种形成根表铁膜的能力存在差异。南粳45根表铁膜数量是其他品种的2-4倍,其他三种无明显差异。水稻根表Sb含量与Fe浓度具有显著相关(R2=0.97)。Sb在粳稻体内迁移能力高于杂交稻,其中在南粳45体内的迁移能力最强,不同浓度处理组的转移系数分别为106%、78%和33%。虽然Sbv是所有水稻品种体内的主要存在形态(>80%),但是不同品种对Sbv的还原能力不同。