酸雨脅迫對花生種子萌發(fā)的影響及其生理機制

王艾平，徐芬芬(上饒師范學院 生命科學學院， 江西 上饒 334001)

酸雨脅迫對花生種子萌發(fā)的影響及其生理機制

王艾平，徐芬芬
(上饒師范學院 生命科學學院， 江西 上饒 334001)

為探明酸雨脅迫影響花生種子萌發(fā)的生理機制，采用模擬酸雨脅迫萌發(fā)期花生種子的方法，研究了不同pH值酸雨對花生種子萌發(fā)過程中磷脂含量和水解酶活性的影響。結果表明，不同pH值酸雨脅迫對花生種子萌發(fā)均有一定的抑制作用，且隨著pH值的降低，抑制作用加強；花生種子磷脂含量隨pH值的減小呈降低趨勢，pH值≤4.0時磷脂含量極顯著低于CK(pH值6.5)；隨酸雨pH值的減小，花生種子淀粉酶、脂肪酶和蛋白酶等水解酶活性均呈下降趨勢，pH值4.0～5.0為酸雨極顯著抑制花生水解酶活性的pH閾值；種子呼吸速率與酸雨pH值呈顯著正相關。可見，酸雨主要通過降低種子呼吸強度，抑制水解酶活性，進而抑制種子萌發(fā)。

花生； 酸雨脅迫； pH值； 磷脂含量； 水解酶活性； 呼吸速率

酸雨是指pH值<5.6的降雨。近年來，隨著人口劇增和工業(yè)化進程的加快，酸雨污染在我國各地呈蔓延發(fā)展趨勢，酸雨污染范圍不斷擴大，酸性不斷增強，已成為重要的生態(tài)環(huán)境問題之一[1]。酸雨是排入大氣的SOx、NOx等物質混入雨水中引起的一種次級污染物，主要是水與硫酸和硝酸(或鹽酸)的混合物。當酸雨的酸度達到一定閾值時，將破壞植物的超微結構，降低葉綠素含量和光合效率，阻礙其生長發(fā)育，最終導致作物減產(chǎn)[2]。有關研究表明，酸雨對玉米、小麥、蠶豆、油菜及蔬菜等農(nóng)作物的生長均有抑制作用[3-9]。

花生(Arachishypogaea)是我國重要的經(jīng)濟作物和油料作物。但南方絕大多數(shù)花生種植在酸雨影響區(qū)，花生產(chǎn)量普遍不高。目前關于酸雨脅迫對花生種子萌發(fā)影響的研究較少。聶呈榮等[10]研究了不同pH值酸雨對花生種子萌發(fā)的影響，結果表明，花生種子發(fā)芽率、胚根長度、胚根直徑和活力指數(shù)等均隨模擬酸雨pH值的降低而減少；pH值低于4.5的模擬酸雨處理花生種子的發(fā)芽率、胚根長度和活力指數(shù)等均極顯著降低。陳學政[11]研究了不同酸度梯度(pH值2.0、3.0、4.0、5.0、6.0)模擬酸雨對花生生長的影響，結果顯示，強酸度的酸雨脅迫下花生葉綠素色素合成和細胞膜系統(tǒng)組織受到嚴重損害，SOD、CAT、POD等抗氧化酶活性顯著降低，正常的生理生態(tài)功能受到了抑制；但pH值5.0的輕度酸雨脅迫可以促進花生的生長。目前尚未見有關酸雨抑制花生種子萌發(fā)的生理機制方面的報道。種子發(fā)芽是一個需要大量能量的過程，種子萌發(fā)依靠分解貯存的脂肪、蛋白質和淀粉為幼胚的生長提供能量和物質，故脂肪酶、蛋白酶和淀粉酶的活力直接影響種子萌發(fā)和幼苗生長速度。鑒于此，研究了酸雨對種子萌發(fā)過程中水解酶活性的影響，為探明酸雨抑制種子萌發(fā)的機制提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試花生品種：中花四號，種子購于市場。

1.2 模擬酸雨方法

模擬酸雨采用分析純濃硫酸和濃硝酸按照摩爾比4∶1配制成母液，然后用蒸餾水稀釋成 pH值為2.0、3.0、4.0、5.0、6.0等5個酸雨處理，對照(CK)為與酸液離子成分相同的中性溶液(pH值6.5)，并經(jīng)pH值S-29A 酸度計(上海精密科學儀器有限公司)校準。

1.3 試驗方法

挑選飽滿的花生種子，依次經(jīng)消毒、浸種、催芽后，挑選發(fā)芽整齊一致的種子播于培養(yǎng)皿(直徑為9 cm)的濕濾紙上，每個培養(yǎng)皿中50 粒，每處理重復5皿。以pH值6.5為CK，共設6個pH值處理， 2 d更換1次處理液。于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25 ℃，光周期為晝12 h/夜12 h。試驗期間，每天用相應濃度的處理液沖洗培養(yǎng)皿，以保持pH值恒定。

1.4 測定項目及方法

培養(yǎng)第2天，開始觀察出芽情況，以后每24 h觀察1次種子萌發(fā)率，萌發(fā)率=已發(fā)芽的種子數(shù)/種子總數(shù)×100%；磷脂含量測定采用鉬藍比色法[12]，發(fā)芽后每天測定1次；脂肪酶活性測定采用堿液滴定法，淀粉酶活性測定采用3,5-二硝基水楊酸還原法，蛋白酶活性測定采用Folin-酚法，上述3種水解酶活性均于培養(yǎng)第2天起測定，每天測定1次；種子呼吸速率采用電導儀測定[13]，于種子萌發(fā)第2天用DDS-307型電導率儀測定，單位為 mg/(g·h)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Excel進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計整理，DPS 6.55版軟件進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 模擬酸雨對花生種子萌發(fā)的影響

由表1可以看出，不同pH值酸雨脅迫對花生種子萌發(fā)均有一定的抑制作用，且隨著pH值的降低，抑制作用加強。至萌發(fā)第8天，不同pH值處理間差異較大，除pH值6.0外，其他pH值處理花生種子萌發(fā)率均極顯著低于CK(P<0.01)，且pH值越小抑制作用效果越明顯，pH值低于3.0處理的花生種子均出現(xiàn)不同程度的霉爛，pH值2.0處理的花生種子全部霉爛。

表1 不同pH值酸雨對花生種子萌發(fā)率的影響 %

注：同列不同大、小寫字母分別表示差異達極顯著(P<0.01)、顯著(P<0.05)水平，下同。

2.2 模擬酸雨對萌發(fā)期花生種子磷脂含量的影響

磷脂是構成植物細胞中細胞膜、核膜及各種細胞器膜的基本成分，是生物細胞的構成物質，生命的基礎物質之一。種子萌發(fā)時所進行的物質代謝與能量傳遞都與含磷的有機物有直接關系。由表2可知，花生種子磷脂含量隨pH值的降低呈減小趨勢；當pH值一定時，萌發(fā)前5 d，磷脂含量隨萌發(fā)時間的延長而增加，可能是由于胚的生長合成了新的細胞結構，磷脂增加，到第6天又降低，可能與脅迫時間過長有關。pH值6.0處理花生種子的磷脂含量與CK差異不顯著，pH值≤5.0時顯著低于CK，pH值≤4.0時極顯著低于CK。說明pH值低于5.0的酸雨脅迫嚴重影響了種子質膜透性，抑制種子萌發(fā)。

表2 不同pH值酸雨對花生種子磷脂含量的影響 mg/g

2.3 模擬酸雨對萌發(fā)期花生種子脂肪酶活性的影響

脂肪是花生種子的主要貯藏物質，脂肪的水解速度與種子的萌發(fā)速度密切相關。由表3可知，隨萌發(fā)時間的推進，CK花生種子的脂肪酶活性逐漸增加，而其他pH值處理花生種子的脂肪酶活性均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。正常情況下，種子內貯藏物質在水解酶的作用下，不斷水解供胚生長需要，因而水解酶活性逐漸增強，直到子葉長出能進行光合作用。而模擬酸雨各處理，在脅迫初期由于酸雨軟化種皮，吸水加快，脂肪酶活性提高，但隨脅迫時間的延長，傷害作用積累，酶活性降低。不同脅迫強度間比較，隨著脅迫強度的增加，萌發(fā)第2～3天，各pH值處理脂肪酶活性均高于CK，可能與酸雨促使種皮軟化，有助于種子吸水有關，到萌發(fā)第5天，脂肪酶活性隨脅迫強度的增加而降低，此時，脅迫傷害積累，活性氧量增加，質膜流動性和穩(wěn)定性受到破壞，導致脂肪酶部分失活，對萌發(fā)傷害加強。

表3 不同pH值酸雨對花生種子脂肪酶活性的影響 U/g

2.4 模擬酸雨對萌發(fā)期花生種子淀粉酶和蛋白酶活性的影響

從表4、表5可以看出，隨萌發(fā)時間的推進，CK花生種子的淀粉酶活性和蛋白酶活性逐漸增加，而其他pH值處理花生種子的淀粉酶活性和蛋白酶活性整體上表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢，變化趨勢與脂肪酶活性相似。至萌發(fā)第6天，pH值6.0處理花生種子的淀粉酶活性與CK差異不顯著，pH值5.0及以下處理顯著低于CK(P<0.05)，pH值4.0及以下處理的淀粉酶活性極顯著低于CK(P<0.01)；pH值6.0處理花生種子的蛋白酶活性與CK差異不顯著，pH值5.0及以下蛋白酶活性極顯著低于CK(P<0.01)。可見，酸雨顯著抑制花生脂肪酶和蛋白酶活性的pH值為5.0，pH值4.0～5.0為酸雨顯著抑制花生水解酶活性的pH值閾值。

表4 不同pH值酸雨對花生種子淀粉酶活性的影響 U/g

表5 不同pH值酸雨對花生種子蛋白酶活性的影響 U/g

2.5 模擬酸雨對萌發(fā)期花生種子呼吸速率的影響

呼吸速率是種子萌發(fā)過程中能量代謝狀態(tài)或組織損傷程度的間接反映[14]。由圖1可知，隨著發(fā)芽進程，花生種子呼吸速率逐漸增大；隨著pH值的降低，花生種子呼吸速率逐漸減小。到發(fā)芽第6天，種子呼吸速率與酸雨的pH值呈顯著正相關，呼吸速率與pH值的相關性方程為：y=0.048 3x+0.027(r=0.996 4)。酸雨抑制種子呼吸與水解酶活性鈍化有關。

圖1 不同pH值脅迫下花生種子的呼吸速率

3 結論與討論

本試驗結果表明，不同pH值酸雨脅迫對花生種子萌發(fā)均有一定的抑制作用，且隨著pH值的降低，抑制作用加強。磷脂是構成細胞膜的成分，植物受到酸雨危害的表現(xiàn)之一是細胞膜透性的改變，酸雨脅迫強度越高，種子萌發(fā)受傷害也越嚴重，細胞膜透性增大，磷脂含量降低。

種子萌發(fā)依靠分解貯存的脂肪、蛋白質和淀粉為幼胚的生長提供能量和物質，故脂肪酶、蛋白酶和淀粉酶的活性直接影響種子萌發(fā)和胚的生長速度。本試驗結果表明，酸雨脅迫初期，花生種子萌發(fā)過程中脂肪酶、蛋白酶和淀粉酶活性均高于CK，但隨脅迫時間和脅迫強度的增加，酶活性受到抑制?？赡芤驗槊{迫初期酸雨軟化種皮，使其吸水加快，脂肪酶活性提高，但隨脅迫時間的延長，傷害作用積累，酶活性降低，導致種子內貯存物質分解速度降低，故種子萌發(fā)受到抑制。

萌發(fā)第6天，pH值4.0及以下各處理磷脂含量和脂肪酶、蛋白酶和淀粉酶3種水解酶的活性均極顯著低于CK(P<0.01)，這可能是因為酶最適pH值一般都在4.5～6.5[15]，酸度增大可能不同程度地降低水解酶活性，從而導致貯藏物質水解速度變慢，能量減少，新細胞發(fā)育受到影響[16]，種子中毒失去生命力，僅維持在依賴襯質勢吸水膨脹的物理階段，故種子萌發(fā)受到抑制。

花生種子的呼吸速率與酸雨的pH值呈顯著正相關，說明酸雨主要是通過降低種子呼吸強度，抑制水解酶活性，進而抑制種子萌發(fā)的。

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Effects of Acid Rain Stress on Germination of Peanut Seeds and Related Physiological Mechanism

WANG Aiping,XU Fenfen
(Life Science Department,Shangrao Normal College,Shangrao 334001,China)

The physiological mechanism of acid rain affecting peanut seed germination was studied by using simulated acid rain to treat peanut seeds in germination stage.The effect of acid rain with different pH value on phospholipid content and hydrolase activities in the process of peanut seed germination was analyzed.The result showed that acid rain of different pH value inhibited the germination of peanut seeds,and the inhibition effect increased with the decrease of pH value.The phospholipid content of peanut decreased with the decrease of pH value,and under the pH≤4.0 it was very significantly lower than that of CK(pH=6.5).Along with the decrease of the pH value of acid rain,the activities of amylase,lipase and protease were all reduced.The hydrolase activities of peanut were significantly inhibited under the pH value of 4.0—5.0.Seed respiration rate and pH value of acid rain were significantly positively related.Thus it was inferred that acid rain inhibited the seed germination by reducing seed respiration intensity and inhibiting hydrolase activity.

peanut; acid rain stress; pH value; phospholipid content; hydrolase activity; respiration rate

2015-11-22

2014年江西省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(201410416029)；2015年上饒師范學院科技項目(201504)

王艾平(1963-)，男，江西上饒人，教授，本科，主要從事植物生理研究。E-mail:451281345@qq.com

S565.2；Q945.78

A

1004-3268(2016)06-0030-04