谷氨酸和天冬氨酸對高溫脅迫下蕎麥幼苗的生理效應(yīng)

劉懷珠　楊洪兵

摘要：以烤煙品種云煙87為材料，在漂浮育苗條件下研究了不同濃度（10、50、100、150、200、250 mg/L）硫酸銅對煙苗根系生長發(fā)育和光合特性的影響。結(jié)果表明，在該濃度范圍內(nèi)，硫酸銅對煙苗根系生長有明顯抑制作用，并且隨著其濃度升高而逐漸增強(qiáng)，表現(xiàn)在煙苗的根干質(zhì)量、根總數(shù)、根陰影面積、根表面積以及根系活力逐漸降低；硫酸銅對煙苗的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率等光合特性均有一定影響，但并未表現(xiàn)出與硫酸銅濃度之間的相關(guān)性，而是隨著其濃度升高而交替下降與略有回升，這可能與不同濃度硫酸銅對煙苗葉片的氣孔和葉肉組織的影響程度不同有關(guān)。

關(guān)鍵詞：煙草；根系；漂浮育苗；硫酸銅；光合特性；凈光合速率

中圖分類號： S572.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0110-04

收稿日期：2014-09-11

基金項(xiàng)目：重慶市煙草專賣局項(xiàng)目 （編號：NY20120301070011）。

作者簡介：李鈉鉀（1983—），男，重慶人，碩士，助理農(nóng)藝師，主要從事煙草栽培生理及煙草發(fā)育生物學(xué)研究。E-mail：mejaho@163.com。硫酸銅中的銅鹽對藍(lán)綠藻有明顯抑制作用，被廣泛用于水華藻類去除和控制[1]，在煙草漂浮育苗中的應(yīng)用也較為普遍。一方面硫酸銅被作為控制水體中藍(lán)綠藻孳生的主要藥品，以加入營養(yǎng)液等方式使用[2]，同時也因其對煙苗根系的調(diào)控作用而用來抑制盤下根的生長[3]；另外硫酸銅也被作為一種補(bǔ)充銅素營養(yǎng)的微肥，在育苗過程中使用[4-5]。

銅（Cu）是植物體正常生命活動必需的微量礦質(zhì)元素，是植物細(xì)胞內(nèi)多種酶類和蛋白質(zhì)的重要輔因子，并參與光合作用中的電子傳遞過程和呼吸代謝中的氧化還原反應(yīng)[6]；但適合植物生長的Cu含量范圍很窄，土壤中Cu稍微過量便會干擾細(xì)胞代謝和離子平衡，對植物產(chǎn)生毒害作用[7]。過量的Cu會對植物體產(chǎn)生脅迫，主要表現(xiàn)在誘發(fā)活性氧（ROS）產(chǎn)生、破壞DNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、抑制光合作用和打破激素平衡等方面[7]。

研究表明，在漂浮育苗營養(yǎng)液中加入0.025%（250 mg/L）以下濃度的硫酸銅溶液和在基質(zhì)表面覆蓋1 mm厚的木炭粉，對藻類有較好的防治效果[2]。多年來重慶市煙區(qū)大量使用硫酸銅防治藍(lán)綠藻，普遍的施用濃度范圍為90～250 mg/L，但在煙苗生長后期卻出現(xiàn)了葉片發(fā)黃、根系發(fā)育受阻等受害現(xiàn)象，與銅離子中毒癥狀較為相似。本研究從根系生長和光合特性等方面探討煙草漂浮育苗過程中使用硫酸銅的安全性，旨在進(jìn)一步明確重慶市煙區(qū)部分受害煙苗是否與使用硫酸銅有關(guān)。

1材料與方法

1.1供試材料

1.1.1植物材料普通煙（Nicotiana tabacum）品種云煙87，試驗(yàn)中采用催芽包衣種。

1.1.2育苗材料漂浮育苗浮盤、基質(zhì)、育苗專用肥，由重慶渝葉亞普貿(mào)易有限公司提供，基質(zhì)由草炭、蛭石、膨化珍珠巖按比例混合而成；育苗專用肥中N、P2O5 、K2O含量分別為10%、8%、10%。

1.1.3主要試劑五水合硫酸銅晶體（CuSO4·5H2O）。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1硫酸銅母液制備稱取純凈的硫酸銅結(jié)晶1 g，置于250 mL三角瓶中，加入80 ℃熱水充分溶解后，定容至1 L容量瓶中，配制成1 g/L的硫酸銅母液備用。

1.2.2試驗(yàn)處理設(shè)6個硫酸銅濃度梯度，以不施用硫酸銅為對照（CK），共7個處理（表1）。每個處理3次重復(fù)，每個重復(fù)1盤，分別放入獨(dú)立的塑料箱（運(yùn)苗箱）內(nèi)，塑料箱規(guī)格為70 cm×35 cm×30 cm，每個塑料箱內(nèi)底墊襯2個200穴浮盤以抬高池底平面，鋪襯黑色塑料薄膜并避免水面裸露，隨機(jī)排列在育苗大棚內(nèi)，不定期向箱內(nèi)補(bǔ)水，保持水位在7 cm左右。以單株施氮量11 mg為標(biāo)準(zhǔn)，齊苗后一次性施入育苗專用肥，并按照各處理濃度一次性加入硫酸銅母液。其他管理操作按照常規(guī)漂浮育苗技術(shù)進(jìn)行。

表1各處理營養(yǎng)液中硫酸銅及Cu2+濃度

處理硫酸銅濃度

（mg/L）Cu2+濃度

（mg/L）T1（CK）00T2102.6T35012.8T410025.6T515038.4T620051.2T725064.0

1.3指標(biāo)測定

播種后55 d，對各重復(fù)隨機(jī)取樣30株，除去盤下根后洗凈。隨機(jī)取20株測定各處理的根干質(zhì)量、地上干質(zhì)量等農(nóng)藝性狀。取洗凈樣進(jìn)行根系掃描，使用安裝有根系掃描分析系統(tǒng)（WinRHIZO）的EPSON掃描儀，測定根總長、根陰影面積、根表面積。采用TTC還原法測定根系活力。采用LI-6400 （LI-COR Inc.，美國）便攜式光合儀測定光合特性指標(biāo)，于晴天09：00—11：00在煙草育苗工場大棚內(nèi)測定凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci），使用Li-6400-2B光源，設(shè)定光合有效輻射值（PAR）為 1 mmol/（m2·s），選擇最大功能葉進(jìn)行測定。

1.4數(shù)據(jù)分析

使用SPSS13.0、Excel2003等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及作圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同濃度硫酸銅對煙草漂浮育苗根系生長發(fā)育的影響

從表2可知，漂浮育苗齊苗后將硫酸銅加入營養(yǎng)液后，對播種后55 d漂浮育苗的根系生長產(chǎn)生較為明顯的影響，施用硫酸銅的處理在根干質(zhì)量上均顯著低于對照，其中50、200、250 mg/L處理的根干質(zhì)量極顯著低于對照，并表現(xiàn)出隨著硫酸銅濃度的升高，根干質(zhì)量隨之降低的趨勢。這與實(shí)際觀測結(jié)果較為一致，即施用硫酸銅處理的煙苗根系向下生長受阻，在垂直方向上根系分布受限，硫酸銅濃度越高，根系在基質(zhì)下層和盤下分布越少。通過對比根冠比可以發(fā)現(xiàn)，各處理在根冠比上與對照的差異并不如根干質(zhì)量差異明顯，各處理的根冠比與對照差異均不顯著，表明硫酸銅處理也影響了煙苗地上部分的干物質(zhì)積累，并且暗示這種影響可能與根系生長受限直接相關(guān)。進(jìn)一步對根系進(jìn)行掃描顯示，在根總長、根陰影面積、根表面積方面，50、150、200、250 mg/L處理極顯著低于對照，100 mg/L處理低于對照但不顯著，10 mg/L處理的根總長與對照無顯著差異，但根陰影面積和根表面積則顯著高于對照。這3項(xiàng)指標(biāo)同樣表現(xiàn)出隨著硫酸銅濃度升高而降低的趨勢，說明硫酸銅濃度在 50 mg/L以上時，對煙苗根系生長的抑制已非常明顯；而硫酸銅濃度在10 mg/L時，硫酸銅對煙苗根系影響較小，甚至可使煙苗根系的陰影面積和表面積顯著增加，結(jié)合根干質(zhì)量比較分析，在這一濃度時硫酸銅并未促進(jìn)根系干物質(zhì)的積累，可能是通過顯著提升煙苗根系含水量來增粗根系，進(jìn)而增加了根陰影面積和表面積。表2不同濃度硫酸銅對煙草漂浮育苗根系生長發(fā)育的影響

水平上差異顯著。

2.2不同濃度硫酸銅對煙草漂浮育苗根系活力的影響

由圖1可知，施用硫酸銅對漂浮育苗的根系活力有一定影響，其中100、150、250 mg/L處理的根系活力與CK差異顯著，10、50、200 mg/L處理與CK差異不顯著，表明硫酸銅濃度達(dá)到100 mg/L以上時，硫酸銅對煙苗根系活力的影響才較明顯地表現(xiàn)出來；而硫酸銅濃度在100 mg/L以下（T2、T3處理）時，對煙苗的根系活力影響并不明顯。

2.3不同濃度硫酸銅對煙草漂浮育苗光合特性的影響

2.3.1不同濃度硫酸銅對煙草漂浮育苗凈光合速率的影響光合作用是植物生長發(fā)育過程中物質(zhì)積累與生理代謝的基本過程，而凈光合速率是植物光合速率與呼吸速率的差值，是

反映綠色植物進(jìn)行光合作用的重要指標(biāo)[8]。由圖2可知，10、200 mg/L處理的Pn與CK差異顯著，而其他處理的Pn與CK無顯著差異；但從整體趨勢上看，除150 mg/L處理外，其他處理的Pn均出現(xiàn)不同程度的下降，說明硫酸銅處理對煙苗Pn產(chǎn)生了較為明顯的影響，可能限制了煙苗對光能的捕獲及轉(zhuǎn)化，進(jìn)而使葉片凈光合速率降低。各硫酸銅處理之間，則表現(xiàn)出隨著硫酸銅濃度升高，Pn交替下降與回升的趨勢，說明硫酸銅在某些特定濃度（10、150 mg/L）時，可能會對煙苗的Pn產(chǎn)生更為明顯的影響，這種影響可能與硫酸銅濃度之間并不存在線性相關(guān)。

2.3.2不同濃度硫酸銅對煙草漂浮育苗氣孔導(dǎo)度的影響氣孔是植物葉片與外界進(jìn)行氣體交換的主要通道，氣孔的開閉程度可以影響葉片的光合作用與蒸騰作用[9]。氣孔導(dǎo)度是氣體及水分進(jìn)出難易程度的指標(biāo)，氣孔導(dǎo)度降低直接影響光合速率和蒸騰速率[10]。由圖3可以看出，10、100、200 mg/L處理的Gs與CK差異顯著，而其他處理的Gs與CK無顯著差異；但從整體趨勢上看，硫酸銅處理均對煙苗的Gs產(chǎn)生了明顯影響，除150 mg/L處理外，其他處理的Gs均出現(xiàn)不同程度的下降，說明硫酸銅限制了煙苗葉片氣孔的開閉，進(jìn)而會對煙苗葉片與外界進(jìn)行氣體交換和水分進(jìn)出產(chǎn)生影響。另外，與Pn的變化規(guī)律相似，隨著硫酸銅濃度升高，各處理間Gs呈現(xiàn)交替下降與上升的趨勢，表明在這3種濃度（10、50、150 mg/L）時，硫酸銅對煙苗葉片Gs的影響更為顯著，而這種影響可能與硫酸銅濃度并不呈線性相關(guān)。

2.3.3不同濃度硫酸銅對煙草漂浮育苗蒸騰速率的影響蒸騰作用與植物體內(nèi)水分代謝和礦質(zhì)元素吸收等生理過程密切相關(guān)，也是促進(jìn)凈光合速率的重要生理因子[11]。圖4表明，10、100、200 mg/L處理的Tr與CK差異顯著，而其他處理的Tr則與CK無顯著差異。各硫酸銅處理之間，Tr并未隨著硫酸銅濃度的升高呈線性下降，而是出現(xiàn)了交替下降與回升的現(xiàn)象，這與Pn、Gs的表現(xiàn)規(guī)律較為一致，說明Tr的變化主要受到Gs的影響。硫酸銅對Tr的影響則可能是限制了煙苗葉片氣孔的開閉，進(jìn)而對煙苗葉片與外界進(jìn)行氣體交換和水分進(jìn)出產(chǎn)生影響。

2.3.4不同濃度硫酸銅對煙草漂浮育苗胞間CO2濃度的影響胞間CO2（Ci）濃度是植物細(xì)胞光合作用活性的重要表現(xiàn)。張廣富等認(rèn)為，Ci是Pn的主要抑制因子[11]。由圖5可知，10、50、100 mg/L處理的Ci與CK相比顯著降低，而其他3個高濃度處理的Ci則與CK無顯著差異，說明當(dāng)硫酸銅濃度較低（10～100 mg/L）時，硫酸銅對煙苗細(xì)胞間的CO2濃度有較為明顯的影響；而當(dāng)硫酸銅濃度較高（150～250 mg/L）時，硫酸銅對煙苗葉片胞間的CO2濃度無顯著影響。這一現(xiàn)象與Pn、Gs、Tr的表現(xiàn)規(guī)律并不一致，可能說明在硫酸銅處理下，Gs與Ci之間并無直接關(guān)聯(lián)，而Ci也可能并不是Pn的主要抑制因子。

3結(jié)論與討論

煙苗根系是最先接觸到Cu2+的部位，其受到的抑制作用最為明顯。煙苗根部受Cu2+脅迫后，會表現(xiàn)為細(xì)胞膜受損，細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)物和離子外滲，Cu2+進(jìn)入細(xì)胞導(dǎo)致根系的生理代謝失調(diào)[12]。從實(shí)際觀察中可以看出煙苗根系向下（水面）生長受到不同程度抑制，表現(xiàn)在根干質(zhì)量、根總長、根陰影面積、根表面積隨著硫酸銅濃度的增大而不斷降低，根系活力也隨之降低，這種影響在150、200、250 mg/L硫酸銅處理下表現(xiàn)尤為明顯。而根系總量及吸收面積的減少，直接影響了煙苗對營養(yǎng)液中養(yǎng)分的吸收，致使地上部分的干物質(zhì)積累以同等比例甚至更高比例減少。由于根系活力表征了根系對環(huán)境的適應(yīng)能力和抗性[13]，說明當(dāng)硫酸銅濃度達(dá)到150 mg/L以上時，銅脅迫已超過了根系所能承受的極限，不僅抑制根系生長，并且對尚且存活的根系養(yǎng)分吸收能力產(chǎn)生明顯影響。

Cu2+能抑制光合作用暗反應(yīng)中的幾個關(guān)鍵酶的活性，損傷光合細(xì)胞，破壞類囊體結(jié)構(gòu)，抑制光合鏈中的電子傳遞[7]。Farquhar 等認(rèn)為，如果植物Pn、Gs同時下降，說明這種光合作用受氣孔限制，否則是受非氣孔因素（葉肉因素）限制[14]。艾希珍等則認(rèn)為，葉片葉齡較小時，氣孔與非氣孔因素同時影響葉片的Pn；而葉片衰老時，非氣孔限制因素影響更多[15]。本研究中，硫酸銅處理的Pn、Gs、Tr均有不同程度的降低，并且呈現(xiàn)較為一致的變化規(guī)律，即隨著硫酸銅濃度的升高，這3項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)交替下降和回升的趨勢，且其下降現(xiàn)象均在10、100、200 mg/L濃度，回升現(xiàn)象則是在50、150、250 mg/L濃度，Pn的下降和回升與Gs變化較為一致。這一方面說明硫酸銅對煙苗光合特性的影響，主要是通過氣孔因素即降低葉片氣孔的打開程度，限制CO2和水分的進(jìn)入，進(jìn)而影響煙苗葉片的Tr和Pn；另一方面也說明硫酸銅對煙苗葉片光合特性的影響與其濃度之間可能不存在線性關(guān)系，不完全符合劑量效應(yīng)特征，只有在某些特定濃度或當(dāng)煙苗體內(nèi)Cu積累到某些量時，才會對光合特性產(chǎn)生明顯影響，這可能與Cu在煙苗葉片中的累積分布有關(guān)，即所選取的最大功能葉中的Cu積累量并非與硫酸銅濃度呈正相關(guān)，因?yàn)镃u對根系生長發(fā)育產(chǎn)生抑制的同時，也減少了煙苗對Cu的攝入和積累。當(dāng)然，這種現(xiàn)象也可能與最大功能葉的葉齡較小有關(guān)，即葉肉因素也在處理間發(fā)揮了不同程度的作用。硫酸銅濃度較低（10～100 mg/L）時Ci明顯降低，硫酸銅濃度較高（150～250 mg/L）時Ci則無明顯下降，可以認(rèn)為在較低硫酸銅濃度時，硫酸銅主要是通過氣孔因素對煙苗光合作用產(chǎn)生影響，而在較高硫酸銅濃度時，硫酸銅主要是通過非氣孔因素（葉肉因素）對煙苗光合作用產(chǎn)生影響。這間接說明在較高濃度時，硫酸銅對葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵酶的破壞和抑制要遠(yuǎn)高于較低濃度。這與實(shí)際觀察中發(fā)現(xiàn)較高濃度硫酸銅處理的煙苗葉片出現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象較為一致，也與上述根系的承受極限是一致的。

張艷英等采用水培方法，以較低濃度（0.5、1、5、10 mg/L）Cu2+處理2個煙草品種89112和雙-70，證明Cu脅迫對煙草幼苗的生長發(fā)育、氮代謝、根系生長、養(yǎng)分吸收等產(chǎn)生明顯影響[16-17]。但黃光榮等采用漂浮育苗方式的研究表明，播種后20 d向營養(yǎng)池中施用濃度為 50～100 mg/L的硫酸銅，對促進(jìn)煙苗出苗和生根、控制藍(lán)綠藻的發(fā)生和蔓延、提高煙苗根系健壯生長和苗期煙株生長發(fā)育都具有重要作用[4]。白永富等研究表明，在播種后20 d向營養(yǎng)池中施用30 mg/L硫酸銅，可以較好地促進(jìn)煙苗生長[3]?？梢?，硫酸銅對煙苗生長發(fā)育的影響，受到水源、氣候、煙草品種、育苗方式、施用時間等多種因素的影響，研究結(jié)果可能會有不一致的地方。本研究自齊苗期時（播種后15 d）施入硫酸銅，至播種后55 d，硫酸銅在營養(yǎng)液中持續(xù)對煙苗脅迫長達(dá)40 d，在10～50 mg/L濃度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)硫酸銅對煙苗根系生長和光合特性的促進(jìn)作用；但是在硫酸銅濃度為150 mg/L時，發(fā)現(xiàn)煙苗葉片的光合特性并未受到顯著影響，這進(jìn)一步說明硫酸銅濃度升高并不直接影響煙苗光合特性，其原因及機(jī)理尚須進(jìn)一步研究。

另外，本研究以五水合硫酸銅晶體（CuSO4·5H2O）為主要Cu2+源，由于硫酸銅溶液本身表現(xiàn)弱酸性，因此本研究未考慮硫酸銅加入營養(yǎng)液后pH值的改變對煙苗生長發(fā)育的影響，且未考慮藍(lán)綠藻生長對營養(yǎng)液中養(yǎng)分消耗和對pH值的影響[18]。

綜上，向煙草漂浮育苗營養(yǎng)液中加入10～250 mg/L硫酸銅，會對煙苗根系生長發(fā)育和根系活力產(chǎn)生明顯影響，隨著硫酸銅濃度的升高，這種抑制作用逐漸增強(qiáng)；而對煙苗光合特性的影響并不隨著濃度升高而逐漸增強(qiáng)，這可能與不同濃度硫酸銅對煙苗葉片氣孔因素和葉肉因素的影響程度不同有關(guān)。

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