稀土元素鈰對(duì)黃豆幼苗鉛脅迫的緩解效應(yīng)

趙朝宇，劉 慧，王亞喆，徐秋曼，李 翔，陳 宏

（天津師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院，b.天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

稀土元素鈰對(duì)黃豆幼苗鉛脅迫的緩解效應(yīng)

趙朝宇，劉 慧，王亞喆，徐秋曼，李 翔，陳 宏

（天津師范大學(xué)a.生命科學(xué)學(xué)院，b.天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300387）

為了解稀土金屬鈰能否緩解土壤鉛污染對(duì)黃豆幼苗的脅迫效應(yīng)以及作用機(jī)理，采用1mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6浸泡黃豆種子，萌發(fā)后用不同質(zhì)量濃度的Pb（NO3）2溶液脅迫處理黃豆幼苗，測(cè)量幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率、MDA含量、保護(hù)酶活性（SOD﹑POD﹑CAT）以及脯氨酸含量等生理指標(biāo).結(jié)果發(fā)現(xiàn)：同對(duì)照組（CK）相比，鉛脅迫能夠提高黃豆幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量，降低幼苗的保護(hù)酶活性和脯氨酸含量，而且鉛脅迫的損害作用隨著處理濃度的增大而增強(qiáng).金屬鈰的預(yù)處理則能夠顯著降低幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量，提高保護(hù)酶活性和脯氨酸含量，即鈰能夠通過(guò)降低鉛脅迫對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷以及提高細(xì)胞的抗氧化能力來(lái)緩解鉛對(duì)黃豆幼苗的毒害作用.

黃豆；Ce（NH4）2（NO3）6；鉛脅迫；緩解效應(yīng)

重金屬鉛是廣泛存在的環(huán)境污染物.土壤中的鉛會(huì)直接對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用，如改變細(xì)胞膜透性進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞膜穩(wěn)定性降低、細(xì)胞內(nèi)溶物外滲、細(xì)胞內(nèi)自由基增多，阻礙細(xì)胞的有絲分裂過(guò)程等[1-2].植物在遭受鉛脅迫后，也會(huì)采取相應(yīng)的防御措施，如增強(qiáng)體內(nèi)的保護(hù)酶活性，從而減輕活性氧的脅迫[3].有研究表明，適量的稀土金屬能夠提高植物光合能力、增強(qiáng)植物抗逆性[4-5]，過(guò)量的稀土金屬則會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害作用[6].如趙倩倩等[7]研究稀土金屬鈰對(duì)黃豆種子萌發(fā)及幼苗生理活性的影響，發(fā)現(xiàn)低濃度的鈰對(duì)植物體幾乎無(wú)影響，質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí)能夠促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，質(zhì)量濃度高于50 mg/L時(shí)，鈰表現(xiàn)出抑制作用.

本研究以黃豆為植物材料，先用Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡黃豆種子，再用不同質(zhì)量濃度的含鉛Hoagland營(yíng)養(yǎng)液處理黃豆幼苗.分析黃豆幼苗在遭受鉛脅迫時(shí)，稀土金屬鈰是否會(huì)影響幼苗細(xì)胞膜透性和保護(hù)酶活性因鉛脅迫而發(fā)生的變化，以此揭示鈰對(duì)植物重金屬毒害的緩釋作用.

1 材料與方法

1.1 材料處理

選取個(gè)體飽滿、均勻的黃豆種子，用質(zhì)量濃度為1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡24 h，對(duì)照組用蒸餾水浸泡.25℃下催芽48 h，之后篩選發(fā)芽一致的種子，每15粒播種于1個(gè)放置有濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)皿（Φ=10 cm）中.培養(yǎng)室條件為：白天室溫25℃，夜間20℃，每天光照12 h.培養(yǎng)第6天開(kāi)始加入Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，每4d更換1次.培養(yǎng)10d后，分別用蒸餾水、不同質(zhì)量濃度的Pb（NO3）2溶液進(jìn)行處理，每個(gè)處理重復(fù)5次.每隔24h取樣，測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛（MDA）含量、保護(hù)酶活性（過(guò)氧化物歧化酶SOD、過(guò)氧化物酶POD、過(guò)氧化氫酶CAT）、脯氨酸含量等指標(biāo).共設(shè)置6個(gè)實(shí)驗(yàn)組，即對(duì)照組（未添加鉛和鈰，CK）、1 mg/L的Pb（NO3）2溶液處理Ⅰ、10 mg/L的Pb（NO3）2溶液處理Ⅱ、1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液處理Ⅲ、1 mg/L的 Ce（NH4）2（NO3）6溶液和1 mg/L的Pb（NO3）2溶液處理Ⅳ、1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液和10 mg/L的Pb（NO3）2溶液處理Ⅴ.

1.2 測(cè)定方法

相對(duì)電導(dǎo)率：方法參照文獻(xiàn)[8]，20℃下鉛脅迫黃豆幼苗后測(cè)定電導(dǎo)率，之后煮沸5 min，冷卻至20℃時(shí)再測(cè)電導(dǎo)率，二者比值為相對(duì)電導(dǎo)率.MDA含量測(cè)定：方法參照文獻(xiàn)[9]，用單位質(zhì)量鮮重所含的MDA的物質(zhì)的量，即μmol/g表示.SOD活性測(cè)定：方法參照文獻(xiàn)[10]，用單位質(zhì)量鮮重所含的酶活單位數(shù)，即U/mg表示.POD活性測(cè)定：酶液制備方法參照文獻(xiàn)[11]，POD活性測(cè)定方法參照文獻(xiàn)[12]，用每毫克蛋白在1 min內(nèi)的OD變化值，即△OD/（min·mg）表示.CAT活性測(cè)定：方法參照文獻(xiàn)[13]，用單位質(zhì)量酶蛋白在1 min內(nèi)催化的底物的物質(zhì)的量，即μmol/（min·mg）表示.脯氨酸含量測(cè)定：方法參照文獻(xiàn)[14]，用單位質(zhì)量鮮重所含的脯氨酸的質(zhì)量，即μg/g表示.

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法

采用二因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)的方差分析法分析數(shù)據(jù).

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用spss17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用Excel軟件做圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 鈰對(duì)鉛脅迫下黃豆幼苗相對(duì)電導(dǎo)率的影響

相對(duì)電導(dǎo)率能夠反映植物膜系統(tǒng)狀況，植物在逆境中或受到毒害時(shí)，細(xì)胞受損，生物膜容易破裂，透性增加，細(xì)胞內(nèi)的可溶性物質(zhì)外滲，相對(duì)電導(dǎo)率增大[15-16].不同處理組中黃豆幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率如表1所示.

表1 不同處理組中黃豆幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率Tab.1 Relative conductivity of soybean seedlings in different experimental groups

由表1可以看出，用Pb（NO3）2溶液處理黃豆幼苗時(shí)，同對(duì)照組相比，幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率顯著增加，并且隨著Pb（NO3）2溶液質(zhì)量濃度的增大，幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率也增加，質(zhì)量濃度為10 mg/L的Pb（NO3）2處理組中，處理3 d后幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率同對(duì)照組之間的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p<0.05）.單純用Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡黃豆種子后，幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率較對(duì)照組略有下降.用Ce（NH4）2（NO3）6溶液處理種子后，幼苗再接受鉛脅迫時(shí)，與2個(gè)Pb（NO3）2溶液處理組相比，幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率顯著降低.如處理第5天時(shí)，處理Ⅳ比處理Ⅰ的相對(duì)電導(dǎo)率下降了7.9%，處理Ⅴ比處理Ⅱ的相對(duì)電導(dǎo)率降低了9.9%.這些結(jié)果表明鈰能夠在一定程度上降低鉛脅迫后黃豆幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率，即減少鉛對(duì)細(xì)胞膜的損傷，防止可溶性物質(zhì)的外滲.

2.2 鈰對(duì)鉛脅迫下黃豆幼苗MDA含量的影響

植物器官衰老或處于逆境條件時(shí)，通常會(huì)發(fā)生膜脂質(zhì)的過(guò)氧化作用，MDA是其產(chǎn)物之一，表示細(xì)胞膜脂質(zhì)的過(guò)氧化程度以及植物逆境條件反應(yīng)的強(qiáng)弱[17-18].不同處理組中黃豆幼苗的MDA含量如表2所示.

表2 不同處理組中黃豆幼苗MDA的含量Tab.2 MDA content of soybean seedlings in different experimental groups μmol/g

由表2可以看出，在只添加Pb（NO3）2的2個(gè)處理組中，黃豆幼苗的MDA含量均高于對(duì)照組，且隨著Pb（NO3）2質(zhì)量濃度的增大，黃豆幼苗的MDA含量增加，尤其是只添加10 mg/L的Pb（NO3）2處理組，處理1d后，幼苗的MDA含量就顯著高于對(duì)照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p<0.05）.只用1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6預(yù)先處理種子的黃豆幼苗中，MDA含量則低于對(duì)照組.用1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6預(yù)先浸泡種子，再用Pb（NO3）2溶液處理，黃豆幼苗的MDA含量均低于直接用Pb（NO3）2溶液處理的處理組.由此可見(jiàn)，鈰能夠降低鉛脅迫后幼苗的MDA含量，減輕重金屬鉛對(duì)黃豆幼苗的毒害，減少細(xì)胞膜的損傷.

2.3 鈰對(duì)鉛脅迫后黃豆幼苗保護(hù)性酶活性的影響

植物遭受逆境脅迫時(shí)體內(nèi)會(huì)合成保護(hù)性酶類SOD、POD和CAT[5-6]，以清除因脅迫產(chǎn)生的能夠損傷生物膜系統(tǒng)的自由基和過(guò)氧化氫等，減少機(jī)體所受毒害.

黃豆種子預(yù)先用Ce（NH4）2（NO3）6浸泡后，再用不同濃度的Pb（NO3）2溶液脅迫處理黃豆幼苗，幼苗體內(nèi)3種保護(hù)酶的活性如圖1所示.

圖1 鈰對(duì)鉛脅迫后黃豆幼苗保護(hù)酶活性的影響Fig.1 Effects of Ce on protective enzymes activities of soybean seedlings under Pb stress

由圖1可以看出，在未做任何處理的對(duì)照組和僅用Ce（NH4）2（NO3）6溶液處理的處理組中，3種保護(hù)酶的活性都顯著高于其他4個(gè)處理組，而且隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)照組和Ce（NH4）2（NO3）6處理組的保護(hù)酶活性基本不變或呈略微上升的趨勢(shì)，而其他4個(gè)處理組中保護(hù)酶活性則呈顯著下降趨勢(shì).比較鈰和鉛協(xié)同處理黃豆幼苗的處理組，在各個(gè)處理時(shí)間內(nèi)，4個(gè)處理組中SOD和POD保護(hù)酶活性大小的順序均為：Ce+Pb（NO3）2（1 mg/L）處理組>Pb（NO3）2（1 mg/L）處理組>Ce+Pb（NO3）2（10mg/L）處理組>Pb（NO3）2（10 mg/L）處理組.CAT保護(hù)酶活性的比較中，也是Ce+Pb（NO3）2（1 mg/L）處理組中的活性最大；處理前期Ce+Pb（NO3）2（10 mg/L）處理組中CAT活性大于Pb（NO3）2（1 mg/L）處理組，后期則是Pb（NO3）2（1 mg/L）處理組中CAT活性較高；在整個(gè)處理過(guò)程中，Pb（NO3）2（10 mg/L）處理組的CAT活性始終最低.由此可見(jiàn)，鉛脅迫會(huì)顯著破壞黃豆幼苗中的保護(hù)酶系統(tǒng)，而且隨著鉛作用濃度的增大，破壞性增強(qiáng).而鈰確實(shí)能夠緩解鉛脅迫造成的保護(hù)酶系統(tǒng)的損傷，顯著提高黃豆幼苗體內(nèi)的保護(hù)酶活性.

2.4 鈰對(duì)鉛脅迫后黃豆幼苗脯氨酸含量的影響

植物體內(nèi)的脯氨酸含量高低是反應(yīng)植物抗逆性強(qiáng)弱的指標(biāo)之一.黃豆幼苗在遭受鉛脅迫后細(xì)胞內(nèi)溶物外滲，而脯氨酸的水合能力較強(qiáng)，能夠穩(wěn)定原生質(zhì)膠體及組織內(nèi)的代謝過(guò)程[19].本研究中用鈰和鉛協(xié)同處理，不同處理組中黃豆幼苗的脯氨酸含量如圖2所示.

圖2 鈰對(duì)鉛脅迫后幼苗脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of Ce on proline content of seedlings under Pb stress

由圖2可以看出，6個(gè)處理組中黃豆幼苗的脯氨酸含量均隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而增加.對(duì)照組和1 mg/L Ce（NH4）2（NO3）6浸泡種子的處理組中，黃豆幼苗的脯氨酸含量相近，均高于其他4個(gè)處理組.用Pb（NO3）2溶液處理黃豆幼苗時(shí)，幼苗的脯氨酸含量顯著降低，且隨著Pb（NO3）2質(zhì)量濃度的增大，幼苗的脯氨酸含量降低幅度增加.預(yù)先用Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡黃豆種子后，萌發(fā)出的幼苗再經(jīng)Pb（NO3）2溶液處理時(shí)，幼苗的脯氨酸含量明顯高于單純用同等濃度的Pb（NO3）2溶液處理的幼苗.由此認(rèn)為，黃豆種子預(yù)先用1 mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液浸泡處理能夠在一定程度上降低鉛脅迫對(duì)黃豆幼苗脯氨酸含量的影響.

3 結(jié)論

本課題組在趙倩倩等[7]研究鈰對(duì)黃豆種子萌發(fā)和幼苗生理活性影響的基礎(chǔ)上，以1mg/L的Ce（NH4）2（NO3）6溶液預(yù)先浸泡黃豆種子，再用不同濃度的Pb（NO3）2溶液脅迫處理黃豆幼苗，測(cè)量幼苗的一系列生理生化指標(biāo).結(jié)果表明：鉛脅迫能夠提高黃豆幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量，即造成細(xì)胞膜的損傷，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)溶物外滲；鉛脅迫還會(huì)降低黃豆幼苗的保護(hù)酶活性和脯氨酸含量，使得細(xì)胞膜更易受到自由基和過(guò)氧化氫的損害.而鈰處理能夠減緩鉛脅迫造成的黃豆幼苗相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量的升高，提高幼苗體內(nèi)的保護(hù)酶活性和脯氨酸含量，即鈰能夠減輕重金屬鉛對(duì)黃豆幼苗的毒害.為了將這一成果應(yīng)用到實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，還需要進(jìn)行一系列的后續(xù)研究，包括稀土金屬鈰能否提高鉛脅迫后農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量、鈰能否緩解更高濃度的鉛脅迫、如何根據(jù)土壤中的鉛含量以及作物品種來(lái)確定鈰的添加量、以何種方式添加鈰能夠更加有效地緩解鉛脅迫等.

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（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）

Alleviation effect of cerium on Pb stress in soybean seedlings

ZHAO Chaoyu，LIU Hui，WANG Yazhe，XU Qiuman，LI Xiang，CHEN Hong
（a.College of Life Sciences，b.Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Resistance，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China）

To learn whether cerium can alleviate the stress effect of Pb pollution of soil on soybean seedlings and the reactive mechanisms，the seeds of soybean were soaked with 1 mg/L Ce（NH4）2（NO3）6，and the seedlings were treated with Pb（NO3）2solutions of different mass concentrations.Some physiological indices were measured，including relative conductivity，MDA content，protective enzymes activity（SOD，POD，CAT），and proline content.The results showed that：compared with the control（CK），Pb stress can enhance the relative conductivity and MDA content，meanwhile decrease the protective enzymes activity as well as proline content.With the increase of mass concentrations of Pb（NO3）2solutions，the damage on soybean seedlings increased as well.While the treatment of cerium on soybean seeds can efficiently lower the relative conductivity and MDA content，and enhance the protective enzymes activity and proline content.That is，cerium can alleviate the damage of Pb stress on soybean seedlings by relieving the injury of membrane system and enhancing the antioxidant ability of cell.

soybean；Ce（NH4）2（NO3）6；Pb stress；alleviation effect

1671-1114（2015）04-0067-04

Q945.78

A

2014-07-07

天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（13JCYBJC25500）.

趙朝宇（1990—），女，碩士研究生.

徐秋曼（1969—），女，副教授，主要從事植物生理學(xué)方面的研究.