水楊酸在鎘脅迫下對(duì)玉米種子發(fā)芽和幼苗生理特性的影響研究

羅秋權(quán)/湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院

水楊酸在鎘脅迫下對(duì)玉米種子發(fā)芽和幼苗生理特性的影響研究

羅秋權(quán)/湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院

采用水培的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)培養(yǎng)玉米種子，通過(guò)玉米種子發(fā)芽試驗(yàn)來(lái)研究水楊酸在鎘脅迫下對(duì)玉米種子的萌發(fā)及幼苗生理特性的影響。結(jié)果表明：不同鎘離子濃度對(duì)玉米種子的發(fā)芽及幼苗生理特性有不同影響。在一定范圍內(nèi)，隨著鎘離子的濃度升高，玉米的發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)越低，玉米幼苗中可溶性糖、蛋白質(zhì)和丙二醛的含量也越高。而加入適量的水楊酸后，玉米種子的發(fā)芽率相對(duì)對(duì)照組最高提高了7.78％；玉米幼苗葉片中可溶性糖最高提高了0.51％，可溶性蛋白質(zhì)最高提高了371.14 μg·ml-1；丙二醛的含量相對(duì)對(duì)照組最高降低了219.97 μmol·g-1。表明水楊酸在鎘脅迫下對(duì)玉米有一定的緩解效果。

水楊酸；鎘脅迫；玉米；生理特性

玉米是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體部分之一，其生產(chǎn)的高低對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要的影響。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，人們所生活的物質(zhì)環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重，尤其是鎘等重金屬的污染越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)已然造成了嚴(yán)重的影響。所以，減少鎘等重金屬對(duì)玉米生產(chǎn)的影響也越來(lái)越重要。而鎘等重金屬污染對(duì)環(huán)境、抑制作物生長(zhǎng)發(fā)育以及影響農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康危害很大[1]。

水楊酸是生物體內(nèi)普遍存在的酚類化合物之一，它可以促進(jìn)種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)等生理作用。為進(jìn)一步探討水楊酸對(duì)鎘脅迫下的植物的作用規(guī)律，本研究采用水培試驗(yàn)方法，在含有不同濃度鎘培養(yǎng)液中添加適量的水楊酸，探討適量水楊酸在不同濃度的鎘脅迫下對(duì)玉米種子的發(fā)芽及萌發(fā)后的生理特性的影響，從而為預(yù)防玉米重金屬早期傷害及重金屬污染土壤的治理提供理論依據(jù)。

1.材料與方法

試驗(yàn)材料是從市場(chǎng)上購(gòu)買來(lái)的普通玉米種子，再?gòu)闹羞x取大小均勻、健康飽滿的無(wú)蟲(chóng)害的玉米種子。

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)10個(gè)處理，以是否加入水楊酸為對(duì)照分為2組，每組設(shè)多個(gè)不同鎘離子濃度梯度，分別為：0 μmol·L-1、50 μmol·L-1、100 μmol·L-1、150 μmol·L-1、200 μmol·L-1。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。

選擇均勻、飽滿、健康、無(wú)蟲(chóng)害的玉米種子，用2.5％次氯酸鈉消毒15 min，用自來(lái)水反復(fù)沖洗，再用去離子水沖洗數(shù)次。將種子分成與處理數(shù)相應(yīng)份額，每份80粒，裝入干凈的小燒杯中并標(biāo)記號(hào)碼，分別用水楊酸濃度梯度為0 μmol·L-1、50 μmol·L-1、100 μmol·L-1、150 μmol·L-1、200 μmol·L-1浸泡12 h。然后依次移入鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿20粒，余下種子做更換替補(bǔ)，用相應(yīng)濃度的水楊酸于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（培養(yǎng)箱溫度25 ℃，光控12 h，間隔12 h）。每個(gè)處理重復(fù)三次。一周后，選取玉米種子發(fā)芽和幼苗生長(zhǎng)最好的一組作為最適水楊酸濃度。

選擇均勻飽滿玉米種子，用2.5％次氯酸鈉消毒15 min，用自來(lái)水反復(fù)沖洗，再用去離子水沖洗數(shù)次。將種子分成與處理數(shù)相應(yīng)份額，每份100粒，裝入干凈的小燒杯中并標(biāo)記號(hào)碼，然后用相應(yīng)鎘濃度和最適濃度的水楊酸溶液浸種12 h。采用水培法將種子按編號(hào)依次移入鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿30粒，余下種子做更換替補(bǔ)，于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（培養(yǎng)箱溫度25 ℃，光控12 h，間隔12 h）。補(bǔ)充等量相應(yīng)濃度的鎘和最適濃度的水楊酸溶液或去離子水。培養(yǎng)一周左右，并記錄好其發(fā)芽數(shù)。然后將發(fā)芽的種子苗移至含相應(yīng)濃度處理液的水培箱中繼續(xù)培養(yǎng), 每組10株, 每個(gè)處理重復(fù)3次。一周后, 每個(gè)指標(biāo)隨機(jī)抽5 株植株進(jìn)行測(cè)定其可溶性總糖、蛋白質(zhì)含量、丙二醛含量等生理指標(biāo), 取其平均值。

用蒽酮比色法測(cè)定其可溶性總糖，采用考馬氏亮藍(lán)染料結(jié)合法測(cè)定其蛋白質(zhì)含量，用硫代巴比妥酸（TBA）顯色法測(cè)定其丙二醛的含量，采用Excel制作圖標(biāo)，DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2.結(jié)果與分析

2.1水楊酸最適濃度的篩選

玉米種子用相應(yīng)濃度的水楊酸于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（培養(yǎng)箱溫度25 ℃，光控12 h，間隔12 h）。一周后，進(jìn)行觀察，統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。從表1中可知，用100 μmol·L-1的水楊酸濃度處理過(guò)的玉米種子的發(fā)芽率最好。因此選取100 μmol·L-1的水楊酸濃度為本實(shí)驗(yàn)的后續(xù)處理濃度。

表1 不同濃度的水楊酸對(duì)玉米種子的發(fā)芽率的影響

2.2水楊酸在鎘脅迫下對(duì)玉米種子發(fā)芽的影響

采用水培法將玉米種子按編號(hào)依次移入鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿30粒，余下種子做更換替補(bǔ)，于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（培養(yǎng)箱溫度25 ℃，光控12 h，間隔12 h），補(bǔ)充等量相應(yīng)濃度的鎘和100 μmol·L-1的水楊酸溶液或去離子水。培養(yǎng)一周左右，各處理組發(fā)芽勢(shì)及發(fā)芽率數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，從表2中看出：在沒(méi)有加水楊酸的試驗(yàn)組中空白對(duì)照的玉米種子發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)最好，隨著鎘離子濃度增加發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)越來(lái)越差；加入水楊酸處理組發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)明顯高于對(duì)照組。并且在發(fā)芽率方面，當(dāng)鎘離子濃度低于或等于150 μmol·L-1時(shí)對(duì)照組和處理組都沒(méi)有顯著性差異，而當(dāng)鎘離子濃度達(dá)到200 μmol·L-1時(shí)對(duì)照組與處理組卻存在顯著性差異，但沒(méi)有達(dá)到極顯著性差異。在第5天的發(fā)芽勢(shì)中所有的對(duì)照組與處理組都不存在明顯性差異的現(xiàn)象。

表2 水楊酸在不同鎘離子濃度脅迫下對(duì)玉米種子的發(fā)芽率及發(fā)芽勢(shì)的影響

2.3.1水楊酸在鎘脅迫下對(duì)玉米幼苗葉片中可溶性糖含量的影響

實(shí)驗(yàn)采用蒽酮比色法測(cè)定各個(gè)組項(xiàng)的可溶性糖含量數(shù)據(jù)見(jiàn)圖1。從圖1可以看出不管是處理組還是對(duì)照組的玉米幼苗葉片中可溶性糖的含量都隨著重金屬鎘濃度的增加而增加，并且不難看出在加入水楊酸的處理組中玉米幼苗中可溶性糖的含量比沒(méi)加水楊酸的對(duì)照組可溶性糖的含量增加的還要多（最高竟達(dá)到0.51％左右）而且增加的幅度要大得多。這就說(shuō)明，一定量的水楊酸使在鎘離子脅迫下的玉米幼苗葉片中的可溶性糖的含量提高。

圖1 水楊酸在不同鎘離子濃度脅迫下對(duì)玉米葉片中的可溶性糖的含量的影響

2.3.2水楊酸在鎘脅迫下對(duì)玉米幼苗葉片中蛋白質(zhì)含量的影響

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)考馬氏亮藍(lán)染料結(jié)合法測(cè)定各組處理中玉米幼苗葉片中的可溶性蛋白質(zhì)含量的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出玉米幼苗葉片中可溶性蛋白質(zhì)的含量在鎘離子濃度低于150 μmol·L-1之前隨著重金屬鎘濃度的增加也隨之增加，并且在加入水楊酸處理組的玉米幼苗葉片中可溶性糖的含量比沒(méi)加水楊酸的對(duì)照組中的含量還要多，最大程度竟多出371.14 μg·ml-1左右。但在150 μmol·L-1到200 μmol·L-1這區(qū)間中不管試驗(yàn)組還是對(duì)照組玉米幼苗葉片中的蛋白質(zhì)的含量大幅度下降，且下降的幅度大致相同。這說(shuō)明是否加入水楊酸在一定的鎘離子濃度范圍內(nèi)，玉米幼苗葉片中的蛋白質(zhì)含量會(huì)增加；而超過(guò)某個(gè)量后就會(huì)使其含量降低。而加入一定量的水楊酸會(huì)使玉米幼苗葉片中的可溶性蛋白質(zhì)含量相對(duì)于相應(yīng)的沒(méi)加水楊酸的玉米幼苗葉片中的可溶性蛋白質(zhì)含量要更高。

2.3.3水楊酸在鎘脅迫下對(duì)玉米幼苗葉片中丙二醛含量的影響

采用硫代巴比妥酸（TBA）顯色法測(cè)定各組玉米幼苗葉片中的丙二醛含量的數(shù)據(jù)，在沒(méi)加鎘離子的對(duì)照組中玉米幼苗葉片中的丙二醛的含量基本相同，而玉米幼苗受鎘離子脅迫后，葉片中的丙二醛含量會(huì)隨之重金屬濃度的增加而提高，隨著鎘離子的濃度的增加而增加。在比較之下加入水楊酸的實(shí)驗(yàn)組相對(duì)于相對(duì)應(yīng)未加水楊酸的對(duì)照組來(lái)說(shuō)，增加的程度要低，且最大低至219.97 μmol·g-1。因此可以說(shuō)，一定量的水楊酸在鎘離子脅迫下能降低玉米幼苗葉片中的丙二醛含量。

3結(jié)論與討論

本研究采用室內(nèi)水培法的方式，研究了水楊酸在鎘脅迫下對(duì)玉米種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響。研究結(jié)果表明：（1）種子萌發(fā)既是玉米生活周期的起點(diǎn)，也是玉米感知外界環(huán)境的最初生命階段，對(duì)重金屬污染最敏感，較低濃度（0 μmol·L-1-150 μmol·L-1）的鎘離子處理后，玉米幼苗葉片中蛋質(zhì)含量呈上升趨勢(shì)，較高濃度（150 μmol·L-1-200 μmol·L-1）鎘離子處理，使可溶性蛋白質(zhì)含量降低。在較低濃度的鎘離子處理下，可溶性蛋白質(zhì)的含量升高可能是由于鎘離子作為一種逆境因子激活了葉片中的抗氧化酶以及一些抗性蛋白的產(chǎn)生，較高濃度的鎘離子則一方面抑制蛋白質(zhì)的合成，另一方面又加速了蛋白質(zhì)的降解。

可溶性的糖對(duì)植物細(xì)胞具有滲透調(diào)節(jié)及保護(hù)膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用，植物為了適應(yīng)逆境環(huán)境會(huì)主動(dòng)積累一些可溶性糖，可溶性糖降低細(xì)胞滲透勢(shì)和冰點(diǎn)，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化[16]。本研究中，隨著鎘離子處理濃度的增大，可溶性糖的含量也增加 ，這說(shuō)明玉米幼苗對(duì)鎘離子毒害有一定的抗性。俞慧娜等[17]認(rèn)為，在較高濃度的錳處理下，大豆葉片中脯氨酸含量增加是為了適應(yīng)不利其生長(zhǎng)的環(huán)境。該研究結(jié)果表明，在鎘離子處理下，玉米幼苗葉片組織中的脯氨酸含量增加與可溶性糖的含量增加是一致的，推測(cè)兩者共同對(duì)抗鎘離子的毒害。

丙二醛的含量的高低表明植物質(zhì)膜的過(guò)氧化作用的強(qiáng)弱。丙二醛的含量越高，質(zhì)膜的過(guò)氧化作用越強(qiáng)；反之則越弱[15]。本研究結(jié)果表明，一定濃度的水楊酸能降低玉米葉片中丙二醛的含量，從而減弱質(zhì)膜的過(guò)氧化作用，使玉米的抗鎘離子傷害能力提升?？傊欢舛鹊乃畻钏釋?duì)植物在鎘脅迫下有一定的緩解或抵抗作用。而水楊酸與鎘等重金屬之間的作用機(jī)理問(wèn)題還需進(jìn)一步研究。

[1]張大鵬,蔡春菊,范少輝,等.重金屬Pb2+和Cd2+對(duì)毛竹種子萌發(fā)及幼苗早期生長(zhǎng)的影響[J].林業(yè)科學(xué)研究,2012,25(4):500-504.

[2]周媛,劉鵬.水楊酸對(duì)鋁脅迫下栝樓生長(zhǎng)的調(diào)控機(jī)理研究[D].浙江師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013,32-37.[3]趙明月,方巖雄,紀(jì)紅兵.水楊酸保結(jié)工藝和機(jī)理及其包結(jié)物的性能研究[D].廣州工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013,55-59.

[4]朱杉, 安黎哲.擬南芥水楊酸通路蛋白參與植物抗生物脅迫的作用機(jī)理研究[D].蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文,2013,2-4.

[5]張大鵬,蔡春菊,范少輝,蘇文會(huì).重金屬Pb2+和Cd2+對(duì)毛竹種子萌發(fā)及幼苗早期生長(zhǎng)的影響[J].林業(yè)科學(xué)研究,2012,04:500-504.

羅秋權(quán)（1993-），男，湖南郴州市人，湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院2012級(jí)學(xué)生。