硫代脯氨酸對綠豆幼苗生長及生理特性的影響

姚飛虹 譚小麗 趙麗萍 譚紅嬌 鄧勝軍 文君 張輝

(湘南學院，湖南郴州 423003)お

摘要

［目的］研究不同濃度硫代脯氨酸（0、0.10、0.25、0.75、1.25、2.25 mmol/L）對綠豆幼苗生長、生理特性的影響。［方法］通過水培試驗，測定不同濃度硫代脯氨酸處理的綠豆幼苗主根長、株高、鮮重等生長指標以及葉內(nèi)葉綠素、丙二醛（MDA）、游離脯氨酸含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性等生理指標。［結(jié)果］在各濃度硫代脯氨酸處理下，綠豆幼苗主根長、鮮重先上升后下降，在高濃度（2.25 ﹎mol/L）處理下各生長指標均小于對照組；隨著硫代脯氨酸濃度的升高，葉綠素、游離脯氨酸含量上升，SOD活性均高于對照組，葉內(nèi)MDA含量在較低濃度時下降，小于對照組，在濃度為0.75、2.25 mmol/L時顯著上升，高于對照組。［結(jié)論］硫代脯氨酸對綠豆幼苗生長有低濃度（0.10 mmol/L）促進、高濃度抑制的作用，游離脯氨酸和SOD是綠豆幼苗抗硫代脯氨酸脅迫的物質(zhì)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 硫代脯氨酸；MDA；SOD；游離脯氨酸

中圖分類號 SB188文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2014）19-06136-03

お

Effects of Thioproline Stress on Physiological and Biochemical Characteristics of Mung Bean Seedlings

YAO Fei瞙ong, ZHANG Hui et al

(Xiangnan University, Chenzhou, Hunan 423003)

Abstract ［Objective］ The effects of different concentration thioproline stress(0, 0.1, 0.25, 0.75, 1.25, 2.25 mmol/L) on growth and physiological characteristics of mung bean seedlings were studied. ［Method］ Though solution culture experiment, the height, main root length, fresh weight, and the physiological characteristics such as the contents of chlorophyll, malonaldehyde (MDA), free proline and the activity of superoxide dismutase (SOD) of mung bean seedlings treated by different thioproline concentrations were determined. ［Result］ The main root length and fresh weight of these seedlings reached to the highest point firstly, then decreased to the valley. Each of the growth characteristics was less than that of the control group in high thioproline concentration (2.25 mmol/L). With the increasing of thioproline concentrations, the contents of chlorophyll and free proline increased, all the activity of SOD more than that of the control group. The contents of MDA were less than that in relatively low concentrations, but it obviously increased more than that of the control in the two concentrations(0.75, 2.25 mmol/L). ［Conclusion］ Thioproline has promoted the growth of mung bean seedings in low concentration (0.10 mmol/L); And it had growth inhibition to mung bean seedings in higher concentration. The contents of free proline and the activity change of SOD were the foundation of the tolerance to thioproline stress.

Key wordsThioproline; MDA; SOD; Free proline

お

基金項目 湘南學院大學生研究性學習與創(chuàng)新性實驗計劃項目(2013-55號)。

作者簡介

姚飛虹(1982-)，女，湖南武岡人，助教，碩士，從事植物生理生化方面的研究。*通訊作者，教授，博士，從事分子藥理與毒理學方面的研究。

收稿日期 20140606

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，尤其是采礦業(yè)的迅猛發(fā)展，廢渣、廢氣、廢水排放量增加，土壤重金屬污染日益嚴重。硫代脯氨酸屬于抗癌藥物中的誘導分化類藥物，以保護為主，能使異常細胞轉(zhuǎn)化為正常細胞，其特點是低劑量無細胞毒性，易吸收，副作用少［1-3］。至今為止，眾多對硫代脯氨酸的研究只集中在其作用于人和動物臨床應(yīng)用方面及它的熱化學性質(zhì)、以其為配體形成稀土配合物的研究方面［4-6］，而幾乎沒有關(guān)于其對植物方面的研究報道。

綠豆為豆科類草本植物，在我國栽培歷史悠久，品種資源豐富，是我國傳統(tǒng)豆類食物。其生育期短，播種適期長，適應(yīng)性廣，抗逆性強，在我國南方種植較多。為此，筆者嘗試通過測定硫代脯氨酸對綠豆幼苗生長和生理特性方面的影響，為硫代脯氨酸在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1供試材料

供試材料為普通綠豆，來源為郴州市羅家井菜市場。

1.2 試驗方法

1.2.1

水培方法。挑選健康飽滿、大小均一的綠豆種子，消毒萌發(fā)。萌發(fā)后，加入預(yù)先配置好的不同濃度硫代脯氨酸營養(yǎng)液約20 ml。試驗共設(shè)5個處理（0.10、0.25、0.75、1.25、2.25 mmol/L）和1個對照，并且設(shè)置3組重復，置于人工氣候培養(yǎng)箱中適宜條件（溫度(25±2)℃，光強2 000 lx，相對濕度70%～80%，每天光照11 h）下培養(yǎng)［7］，每隔12 h添加相應(yīng)營養(yǎng)液以補充營養(yǎng)，每次加入量使紗布保持濕潤且無明水即可，連續(xù)培養(yǎng)8 h后取樣測定［8］。

1.2.2

生長指標的測定方法。分別采用尺寸測量法和天平法測量其主根長、株高與鮮重［9］。重復測定3次，計算平┚值。

1.2.3

生理生化指標的測定方法。葉綠素含量的測定采用分光光度法［10］；丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸比色法［11］；超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定采用NBT法［12］；游離脯氨酸含量的測定采用磺基水楊酸法［12］。重復3次，計算平均值。

1.2.4

數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法。試驗數(shù)據(jù)用Mircrosoft Excel 2003軟件處理后，采用SPSS 17.0單因素方差分析進行樣品的方差顯著性檢驗，并且使用LDS方法進行多重比較檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 硫代脯氨酸對綠豆幼苗生長的影響

2.1.1

硫代脯氨酸對綠豆幼苗主根長的影響。根系是植物重要的吸收器官，其形態(tài)和長勢直接影響植物對營養(yǎng)的吸收，進而影響植物的生長和生理。豆類作物的根系為主根系，其主根長度是反映根系發(fā)育狀況的一個指標［13］。從圖1、表1可以看出，0.10 mmol/L處理組的主根比對照組長，差異顯著（玃﹤0.05）；濃度為0.75、1.25、2.25 mmol/L處理組主根均比對照組短，差異極顯著（玃﹤0.01），說明根的生長受到抑制。

注：0、1、2、3、4、5分別表示硫代脯氨酸處理濃度為0、0.10、0.25、0.75、1.25、2.25 mmol/L。

圖1連續(xù)培養(yǎng)8 d后綠豆幼苗長勢

表1硫代脯氨酸對綠豆幼苗生長的影響

硫代脯氨酸づǘ取蝝mol/L 主根長cm 株高cm 鮮重g

0 9.878±0.30914.764±0.221 0.450±0.013

0.10 10.673±0.588* 16.060±0.332** 0.474±0.012*

0.25 9.232±0.418 15.183±0.184 0.447±0.008

0.75 8.386±0.478** 14.605±0.405 0.415±0.007**

1.25 6.789±0.450** 15.284±0.206* 0.390±0.013**

2.25 4.911±0.385** 13.605±0.356** 0.341±0.005**

注：*、**分別表示差異在0.05、0.01水平顯著。

2.1.2

硫代脯氨酸對綠豆幼苗株高的影響。株高可直接反映植物的生長長勢。從圖1、表1可以看出，當硫代脯氨酸濃度為0.25和0.75 mmol/L時，綠豆幼苗株高與對照組基本相同；當濃度為0.10和1.25 mmol/L時，高于對照組，且在0.10 mmol/L時差異極顯著（玃﹤0.01）；而2.25 mmol/L處理組明顯低于對照組，差異極顯著（玃﹤0.01）。

2.1.3

硫代脯氨酸對綠豆幼苗鮮重的影響。鮮重反映植物生長生物量的積累狀況。從圖1、表1可以看出，0.10 ﹎mol/L處理組的鮮重高于對照組，差異顯著（玃﹤0.05）；當硫代脯氨酸濃度為0.75、1.25、2.25 mmol/L時，隨著濃度的升高而降低，與對照組相比，差異極顯著（玃﹤0.01）。這說明當硫代脯氨酸濃度為0.10 mmol/L時，對綠豆幼苗鮮重增長有促進作用，在濃度為0.75、1.25和2.25 mmol/L時有抑制作用，并且隨濃度的升高而抑制加強。

2.2 硫代脯氨酸對綠豆幼苗生理特性的影響

2.2.1

硫代脯氨酸對綠豆幼苗葉綠素含量的影響。葉綠素是植物進行光合作用的色素，其含量高低可以在一定程度上反映光合作用水平［14］。從表2可以看出，在硫代脯氨酸濃度為0～0.75 mmol/L范圍內(nèi)，葉綠素總量基本一致，當硫代脯氨酸濃度為1.25和2.25 mmol/L時，葉綠素比對照組增加，差異顯著（玃﹤0.05）。

2.2.2

硫代脯氨酸對綠豆幼苗MDA含量的影響。MDA是植物器官衰老時或在逆境條件下發(fā)生膜脂做氧化作用的產(chǎn)物之一。MDA含量可以反映膜脂過氧化的程度，是植物膜系統(tǒng)受傷害的一個重要指標［12］。從表2可以看出，當硫代脯氨酸濃度為0.10、0.25和1.25 mmol/L時，MDA含量與對照組相比無明顯差異；當濃度為0.75和2.25 mmol/L時，差異極顯著（玃﹤0.01）。這些結(jié)果說明在0.75和2.25 mmol/L硫代脯氨酸處理下，綠豆幼苗細胞膜發(fā)生過氧化而受到破壞。

2.2.3

硫代脯氨酸對綠豆幼苗SOD活性的影響。SOD是生物體內(nèi)一種重要的活性氧自由基清除劑，在清除超氧陰離

表2 硫代脯氨酸對綠豆幼苗生理生化指標的影響

硫代脯氨酸濃度∥mmol/L 葉綠素含量∥mg/gMAD含量∥nmol/g SOD總活性∥U/g 脯氨酸含量∥μg/g

0 1.855±0.744 8.708±0.531 313.124±6.305 29.153±3.814

0.10 1.839±0.584 8.292±0.333322.906±2.536** 29.944±3.218

0.25 1.870±0.704 8.250±0.789325.686±0.768** 32.166±3.842

0.75 1.958±0.875 10.400±0.433**327.133±4.651** 29.379±4.232

1.252.115±0.070* 9.358±0.411323.326±1.178** 68.768±6.715*

2.252.221±0.875* 10.975±0.908**330.312±4.627** 125.177±10.010**

注：*、**分別表示差異在0.05、0.01水平顯著。

子自由基、抑制膜脂過氧化、保護細胞免遭傷害等方面起著重要的作用［15］。從表2可以看出，經(jīng)不同濃度硫代脯氨酸處理后，綠豆幼苗SOD活性均比對照組高差異極顯著（玃﹤0.01），但是處理組SOD活性之間無明顯差異。

2.2.4

硫代脯氨酸對綠豆幼苗游離脯氨酸含量的影響。

游離脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一。脯氨酸具有調(diào)節(jié)滲透平衡、增強細胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和清除活性氧的作用。它與植物體內(nèi)氧自由基的清除以及膜脂過氧化作用的減輕有十分密切的關(guān)系［16］。植物體內(nèi)游離脯氨酸含量在一定程度上反映植物的抗逆性。從表2可以看出，在硫代脯氨酸濃度0～0.75 mmol/L的范圍內(nèi)，綠豆幼苗中脯氨酸含量與對照組基本相同；當硫代脯氨酸濃度提高到1.25 mmol/L時，綠豆幼苗體內(nèi)游離脯氨酸含量急劇上升，達顯著水平（玃﹤0.05），在2.25 mmol/L時差異極顯著（玃﹤0.01）。

3 結(jié)論與討論

根系在植物的生長發(fā)育、生理功能和物質(zhì)代謝中發(fā)揮重要作用。它感受環(huán)境信號，并且在形態(tài)和生理上產(chǎn)生一系列反應(yīng)，并且它作為植物與環(huán)境接觸的重要界面，相對于莖葉等部位對環(huán)境更敏感，更易對環(huán)境作出反應(yīng)［17］。植物根系受到傷害，造成根系生理代謝失調(diào)，導致植物營養(yǎng)虧缺，進而影響植物地上部分生長和細胞內(nèi)各種生理活性物質(zhì)的積累或活性。研究表明，在硫代脯氨酸濃度為0～2.25 mmol/L時，各生長指標的變化總體上呈先上升后下降，濃度為0.10 mmol/L時出現(xiàn)最大值，硫代脯氨酸0.75 mmol/L時主根長、鮮重下降，差異極顯著（玃﹤0.01）；硫代脯氨酸2.25 mmol/L時各生長指標值均比對照組小。其中，株高的變化規(guī)律稍有不同，在硫代脯氨酸濃度為1.25 mmol/L時植株比相鄰濃度組高，且高于對照組，差異顯著（玃﹤0.05），并且可觀察到該濃度下植株纖細、脆弱。硫代脯氨酸對綠豆幼苗主根長的影響最為顯著，綠豆幼苗的主根長度在0.10 mmol/L時最長，隨著濃度的加大出現(xiàn)抑制，并且觀察到高濃度下根系有腐爛現(xiàn)象，濃度越高腐爛現(xiàn)象越高。

葉綠素是植物進行光合作用的一種重要色素，其含量影響植物的光合作用，進而影響植物的生長。研究表明，在硫代脯氨酸濃度為1.25和2.25 mmol/L時，葉綠素含量高于對照組，差異顯著（玃﹤0.05），說明硫代脯氨酸處理對葉綠素沒有破壞作用，且濃度為1.25和2.25 mmol/L時可能促進葉綠素的合成。

活性氧（如O2-、·OH、H2O2等）是植物正常代謝的產(chǎn)物。在正常情況下，植物在生命活動中產(chǎn)生的活性氧自由基存在著產(chǎn)生和消除的動態(tài)平衡。在逆境條件下，產(chǎn)生的活性氧增加，平衡被破壞，植物體內(nèi)活性氧大量生成，首先受影響的是生物膜，活性氧的升高會啟動膜脂過氧化，從而破壞膜結(jié)構(gòu)［18］，質(zhì)膜系統(tǒng)受到傷害，其選擇性受到破壞，導致細胞內(nèi)電解質(zhì)外滲量增加。MDA是膜脂過氧化產(chǎn)物之一，因而MDA含量反映膜脂過氧化的程度［19］。SOD是體內(nèi)清除活性氧的一種重要酶，能夠歧化O2-為H2O2和O2，使得植物體內(nèi)活性氧自由基維持在較低水平，防御植物細胞膜的過氧化，降低植物的受傷害程度，使得植物進行正常的生長和代謝。植物為了適應(yīng)逆境環(huán)境也會主動積累游離脯氨酸等物質(zhì)，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化。脯氨酸是對細胞進行滲透調(diào)節(jié)、穩(wěn)定細胞結(jié)構(gòu)、降低氧化的重要物質(zhì)。游離脯氨酸具有很大的親水性。它的增加有助于細胞或組織的保水，同時作為碳水化合物來源、酶和細胞結(jié)構(gòu)的保護劑，可以防止活性氧對膜脂和蛋白質(zhì)的過氧化作用［20］。

經(jīng)硫代脯氨酸作用的綠豆幼苗，含量在濃度為0.75和2.25 mmol/L時高于對照組，差異極顯著（玃﹤0.01），2.25 mmol/L時達到最大值。活性均比對照組增加較大，差異極顯著（玃﹤0.01），而各處理組之間沒有明顯差異。由于綠豆幼苗經(jīng)過硫代脯氨酸處理，產(chǎn)生的活性氧增多，植株中活性升高對植物體內(nèi)氧自由基的清除起關(guān)鍵作用，使得硫代脯氨酸濃度在0~0.25 mmol/L范圍內(nèi)和1.25 mmol/L時綠豆幼苗細胞過氧化程度降低，趨向正常水平。游離脯氨酸含量在1.25 mmol/L時顯著高于對照組（玃﹤0.05），2.25 mmol/L時達到最大值，差異極顯著（玃﹤0.01）。這是綠豆幼苗對外界不利環(huán)境的一種適應(yīng)。植株體內(nèi)和游離脯氨酸等的綜合作用降低了綠豆幼苗的過氧化程度，使植株的受傷害程度降到最低。

綜上所述，硫代脯氨酸可能通過對綠豆幼苗根的影響和過氧化作用影響綠豆幼苗的生長和生理特性。硫代脯氨酸使得綠豆幼苗發(fā)生過氧化，并且影響植株根系的形態(tài)與生理功能。在0～0.25 mmol/L的濃度范圍內(nèi)，植株在SOD歧化作用下過氧化程度趨于正常，且主根長于對照組，綠豆幼苗的生長表現(xiàn)出一定的促進作用；隨著硫代脯氨酸濃度的增大，總活性與低濃度處理組相比無明顯差別，過氧化程度加深，在濃度2.25 mmol/L時達到最大值，且根系較短出現(xiàn)腐爛現(xiàn)象，綠豆幼苗表現(xiàn)出生長抑制效果；濃度為1.25 mmol/L的處理組在SOD歧化作用以及游離脯氨酸保護下的過氧化程度較低，但由于根系受損害較大，植株纖細脆弱。另外，硫代脯氨酸濃度為1.25和2.25 mmol/L時，綠豆幼苗葉綠素含量較高，說明該濃度有利于葉綠素合成。

該試驗首次研究了植物經(jīng)硫代脯氨酸處理所發(fā)生的生長、生理特性的變化，但其有利或有害的作用范圍、作用機理及其硫代脯氨酸是否能減輕綠豆幼苗在重金屬脅迫下產(chǎn)生的效應(yīng)等還需進一步研究。

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