Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子萌發(fā)和幼苗生理特性的影響

趙永平,朱 亞,李花環(huán),蘇 麗

(商洛學(xué)院 生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院,陜西 商洛 726000)

Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子萌發(fā)和幼苗生理特性的影響

趙永平,朱 亞,李花環(huán),蘇 麗

(商洛學(xué)院 生物醫(yī)藥與食品工程學(xué)院,陜西 商洛 726000)

在室內(nèi)條件下研究了Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花品種“隴菊1號”種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響。研究結(jié)果表明:低濃度的Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用,而高濃度的Cu2+、Zn2+脅迫則表現(xiàn)為抑制作用;在不同濃度Cu2+、Zn2+脅迫下,金盞花幼苗的保護(hù)酶SOD、POD、CAT活性均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢;隨著Cu2+、Zn2+脅迫濃度的升高，金盞花幼苗的MDA含量逐漸增加。

金盞花;銅；鋅；脅迫;種子萌發(fā);生理特性

由于受過量施用化肥農(nóng)藥、礦物開采以及工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展等因素的影響,不同的重金屬在土壤中不斷積累,致使城市周邊及主要作物栽培區(qū)的土壤不同程度地受到了重金屬的污染,對動(dòng)、植物細(xì)胞內(nèi)的酶產(chǎn)生毒害作用,嚴(yán)重危害了各種植物的生存和人類的健康[1-2]。研究表明,過量的鋅、銅、汞等重金屬離子會(huì)破壞細(xì)胞膜的完整性和組成,使細(xì)胞內(nèi)的離子和有機(jī)物大量外滲,外界的有毒物質(zhì)進(jìn)入,進(jìn)而導(dǎo)致植物體內(nèi)一系列生理生化過程失調(diào),影響植物的水分代謝、光合作用、呼吸作用、糖類代謝等,最終使得植物無法正常生長[3-6]。而重金屬脅迫的最主要途徑之一是造成過氧化脅迫,產(chǎn)生大量的活性氧自由基,比如Cu2+能催化OH-的非酶促反應(yīng)[7]。因此,重金屬污染的問題越來越受到人們的關(guān)注,特別是重金屬對植物的危害、植物修復(fù)的可能機(jī)制及重金屬脅迫下植物的損傷逐漸成為研究熱點(diǎn),尋找抗重金屬的植物并研究其抗性機(jī)理也成為植物修復(fù)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題[8]。研究發(fā)現(xiàn)許多植物,如遏藍(lán)菜、蜈蚣草、龍葵、紅菾菜、寶山堇菜等在其生長發(fā)育過程中對重金屬都有較強(qiáng)的抵抗作用,且能夠很好地富集土壤中的重金屬,從而達(dá)到治理環(huán)境污染的目的,所以出現(xiàn)了植物修復(fù)技術(shù),并逐步發(fā)展成為一種綠色、廉價(jià)并被人們廣泛認(rèn)可的有效治理重金屬污染的措施。另外，在重金屬污染土壤中,植物的生長發(fā)育狀況也在一定程度上反映了土壤的污染程度,可以作為指示生態(tài)系統(tǒng)污染的一項(xiàng)重要指標(biāo)[9-11]。

金盞花(CalendulaofficinalisL.)又名萬壽菊、臭芙蓉等,屬菊科萬壽菊屬一年生草本植物。該植物原產(chǎn)于墨西哥,抗性強(qiáng),對土壤要求不嚴(yán),耐移植,生長迅速,栽培容易,病蟲害較少,開花時(shí)花大而艷,從其鮮花中提取的葉黃素不僅具有著色功能,還具有營養(yǎng)、保健功能,因此金盞花現(xiàn)已成為重要的特色經(jīng)濟(jì)作物[12-13]。同時(shí)它也是一種對重金屬吸附力較強(qiáng)的植物,有著廣泛的開發(fā)前景；目前關(guān)于重金屬脅迫對金盞花影響的研究報(bào)道較少。鑒于此,本課題組研究了不同濃度Cu2+、Zn2+脅迫下金盞花種子萌發(fā)和幼苗生理特性的變化,初步探明了金盞花對Cu2+、Zn2+脅迫的耐受程度,可為重金屬污染地區(qū)改善生態(tài)環(huán)境、提高生產(chǎn)效益提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為甘肅省農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究院提供的金盞花新品種“隴菊1號”。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取完整、飽滿、無霉斑的金盞花種子,用0.1%的HgCl2消毒5 min,然后用去離子水反復(fù)沖洗,最后點(diǎn)播在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中,每皿點(diǎn)播20粒種子；在培養(yǎng)皿中加入適量的用1/4 Hoagland配制的含有不同濃度CuSO4和ZnSO4的營養(yǎng)液,Cu2+和Zn2+的濃度梯度均設(shè)置為0(CK)、30、60、90、120、150 mg/L,每個(gè)濃度處理設(shè)3次重復(fù)。點(diǎn)播后在25 ℃下培養(yǎng)7 d,第3天測發(fā)芽勢,第7天測發(fā)芽率,然后將發(fā)芽的種苗移植到含有對應(yīng)Cu2+、Zn2+脅迫濃度的水培缽中進(jìn)行培養(yǎng),培養(yǎng)20 d后測定其生理指標(biāo)。

1.3 測定方法

1.3.1 發(fā)芽勢和發(fā)芽率的測定及計(jì)算 計(jì)算公式如下：

發(fā)芽勢(%)=M1/M×100%;

發(fā)芽率(%)=M2/M×100%。

上式中:M1為發(fā)芽3 d內(nèi)正常發(fā)芽的種子粒數(shù);M2為正常發(fā)芽的種子粒數(shù);M為供試的種子粒數(shù)。

1.3.2 相關(guān)酶活性和丙二醛含量的測定 超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)法[14]測定;過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[14]測定;過氧化氫酶(CAT)活性采用分光光度法[14]測定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[14]測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和DPS 7.05 軟件進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子發(fā)芽勢及發(fā)芽率的影響

發(fā)芽勢和發(fā)芽率是鑒別種子發(fā)芽整齊度的重要指標(biāo)。由表1可以看出,Cu2+脅迫和Zn2+脅迫對金盞花種子萌發(fā)均具有顯著的影響,在低濃度脅迫下,發(fā)芽勢和發(fā)芽率均呈現(xiàn)升高的趨勢,但當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí),隨著脅迫濃度的繼續(xù)升高,發(fā)芽勢和發(fā)芽率均快速降低。當(dāng)Cu2+脅迫濃度達(dá)到30 mg/L時(shí),金盞花種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均最高,分別為90.61%和93.33%。當(dāng)Zn2+脅迫濃度為90 mg/L時(shí),金盞花種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均最高,較不添加Zn2+處理分別提高了3.20和5.37個(gè)百分點(diǎn)。綜合比較而言,Zn2+脅迫對金盞花種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響低于Cu2+脅迫。

表1 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的影響

2.2 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗保護(hù)酶系統(tǒng)的影響

2.2.1 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗SOD活性的影響 逆境脅迫會(huì)造成植物體活性氧過量積累,而植物可以通過自身的保護(hù)酶系統(tǒng)來消除過量積累的活性氧來維持體內(nèi)的活性氧代謝平衡。植物體內(nèi)的SOD是重要的抗氧化酶,有清除活性氧、防止膜脂過氧化的作用[15]。如圖1所示,在不同濃度Cu2+、Zn2+脅迫下,金盞花幼苗中SOD活性隨脅迫濃度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢,且不同處理間存在顯著差異。當(dāng)Cu2+脅迫濃度達(dá)到90 mg/L時(shí),SOD活性最高,為287.65 U/g,較對照提高了15.31%；當(dāng)Zn2+脅迫濃度達(dá)到60 mg/L時(shí),SOD活性最高,較對照提高了33.25%。說明金盞花幼苗受到重金屬脅迫時(shí),SOD將啟動(dòng)它的保護(hù)機(jī)制,消除脅迫所積累的活性氧，防止膜脂過氧化,從而確保該植物能夠正常生長。

2.2.2 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗POD活性的影響 POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶,能協(xié)同SOD有效地清除過量自由基,減輕質(zhì)膜過氧化程度,因此其常作為植物組織抗性的一個(gè)診斷指標(biāo)。由圖2可以看出：POD的活性也隨著Cu2+、Zn2+濃度的增大呈先升后降的變化趨勢,分別在60 mg/L和90 mg/L時(shí)達(dá)到峰值,較對照分別提高了3.90%和17.95%；在Cu2+、Zn2+重度脅迫下,POD的活性均迅速下降。

圖1 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗SOD活性的影響

圖2 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗POD活性的影響

2.2.3 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗CAT活性的影響 過氧化氫酶(CAT)在植物抗逆生理中的主要作用是清除過量的H2O2,它與POD一起形成了植物清除活性氧的第二道防線。從圖3可以看出：當(dāng)Cu2+脅迫濃度由0 mg/L增加到60 mg/L時(shí),各處理金盞花幼苗的CAT活性差異不顯著；當(dāng)Cu2+濃度增加到90 mg/L時(shí),CAT活性最高,較對照提高了6.85%；隨后隨著Cu2+脅迫濃度的繼續(xù)升高,金盞花幼苗的CAT活性逐漸降低。當(dāng)Zn2+脅迫濃度低于90 mg/L時(shí),各處理金盞花幼苗的CAT活性差異不顯著；當(dāng)Zn2+脅迫濃度超過90 mg/L,金盞花幼苗處于重度脅迫下,其CAT活性急劇下降。

2.3 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗MDA含量的影響

逆境脅迫會(huì)導(dǎo)致植物的膜脂過氧化作用,而MDA為質(zhì)膜過氧化作用的中間產(chǎn)物,會(huì)嚴(yán)重?fù)p害植物生物膜,其含量的變化在一定程度上可以反映逆境脅迫對植物質(zhì)膜透性的損傷程度[8]。如圖4所示,在Cu2+、Zn2+脅迫下,MDA含量隨脅迫濃度的升高均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢,且Cu2+、Zn2+脅迫濃度越高,MDA的含量越大。當(dāng)Cu2+、Zn2+脅迫濃度由0增加至90 mg/L時(shí),各處理金盞花幼苗的MDA含量增加較為緩慢；當(dāng)Cu2+、Zn2+脅迫濃度超過90 mg/L時(shí),MDA含量快速升高；當(dāng)Cu2+、Zn2+脅迫濃度達(dá)到150 mg/L時(shí),MDA的含量均最高,分別較對照提高了149.53%和98.32%。

圖3 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗CAT活性的影響

圖4 Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花幼苗葉片中MDA含量的影響

3 結(jié)論與討論

重金屬污染是全世界面臨的嚴(yán)重的生態(tài)問題之一,而種子萌發(fā)是植物接受重金屬脅迫的起點(diǎn),也是植物感知外界環(huán)境的最初生命階段和對外界環(huán)境變化最敏感的階段。王彥梅等研究認(rèn)為,低濃度重金屬脅迫對小麥和黑麥種子萌發(fā)影響較小,高濃度時(shí)種子萌發(fā)受到一定的限制,并且Cu2+脅迫對種子萌發(fā)的抑制強(qiáng)度大于Zn2+脅迫[16]。本試驗(yàn)研究表明,低濃度Cu2+、Zn2+脅迫對金盞花種子萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用,當(dāng)Cu2+和Zn2+濃度分別為30 mg/L和90 mg/L時(shí),金盞花種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均最高；而高濃度Cu2+和Zn2+則對金盞花種子萌發(fā)具有抑制作用。

在植物體中,SOD、POD、CAT等各種酶類構(gòu)成了植物的保護(hù)酶系統(tǒng),植物主要通過自身保護(hù)酶活性的變化抵御環(huán)境因子所帶來的不利影響,保護(hù)酶活性的高低可以在一定程度上反映植物抗逆性的強(qiáng)弱。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,在不同濃度Cu2+、Zn2+脅迫下,金盞花幼苗的保護(hù)酶活性均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢,由此可以看出,低濃度Cu2+、Zn2+脅迫在一定程度上可以提高金盞花幼苗保護(hù)酶的活性,調(diào)節(jié)植株對環(huán)境的適應(yīng)能力,而高濃度Cu2+、Zn2+脅迫則會(huì)引起保護(hù)酶活性下降,使幼苗抗性減弱,對植株生長造成傷害。這與李淑艷等[4]的研究結(jié)果一致。

MDA是植物在逆境脅迫下細(xì)胞質(zhì)膜過氧化而產(chǎn)生的一種物質(zhì),它可以與植物體內(nèi)的大分子物質(zhì)作用,形成不溶性的化合物沉積,干擾細(xì)胞的正常生命活動(dòng),它可以反映植物在逆境環(huán)境條件下的適應(yīng)情況,常被用作植物膜質(zhì)過氧化損傷的指標(biāo)[17-19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著Cu2+、Zn2+脅迫濃度的升高,金盞花幼苗的MDA含量均呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢,當(dāng)Cu2+、Zn2+脅迫濃度由0增加至90 mg/L時(shí),各處理的MDA含量增加較為緩慢,可能是由于金盞花幼苗在受到輕度脅迫時(shí),植株啟動(dòng)了自身保護(hù)酶系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制,及時(shí)清除了質(zhì)膜過氧化的產(chǎn)物。但是當(dāng)Cu2+、Zn2+脅迫濃度超過90 mg/L時(shí),MDA含量快速升高,當(dāng)Cu2+、Zn2+脅迫濃度達(dá)到150 mg/L時(shí),MDA的含量分別較對照提高了149.53%和98.32%,這可能是由于保護(hù)酶系統(tǒng)受到嚴(yán)重抑制,對活性氧的清除能力大大減弱,已不能阻止自由基在細(xì)胞內(nèi)的積累,使質(zhì)膜發(fā)生過氧化,透性增加,導(dǎo)致其功能受損,從而可能引起細(xì)胞的衰老和死亡,對金盞花產(chǎn)生抑制甚至毒害效應(yīng)。

綜上所述,低濃度的重金屬對金盞花種子萌發(fā)及幼苗的生長有一定的促進(jìn)作用,當(dāng)金盞花受到輕度Cu2+、Zn2+脅迫時(shí),將啟動(dòng)自身的保護(hù)機(jī)制,如保護(hù)酶系統(tǒng),清除金盞花因過氧化脅迫而產(chǎn)生的大量活性氧自由基,從而保證它的正常生長。但是高濃度的Cu2+、Zn2+脅迫則會(huì)破壞這種保護(hù)機(jī)制,無法及時(shí)清除質(zhì)膜過氧化產(chǎn)物,從而對金盞花產(chǎn)生毒害作用,影響它的正常生長發(fā)育,甚至導(dǎo)致其死亡。同時(shí)高濃度的Cu2+、Zn2+對人體也有極大的危害,可能引發(fā)各種疾病。本試驗(yàn)在一定程度上得出了金盞花對Cu2+、Zn2+脅迫的抗性大小,初步為金盞花抗性機(jī)理研究提供了理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯:黃榮華)

Effects of Cu2+and Zn2+Stress on Seed Germination and Seedling Physiological Characteristics ofCalendulaofficinalis

ZHAO Yong-ping, ZHU Ya, LI Hua-huan, SU Li

(College of Biological Pharmacy and Food Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)

This paper studied the effects of Cu2+and Zn2+stress on the seed germination and seedling physiological characteristics ofCalendulaofficinalisvariety “Longju 1” under the indoor condition. The results showed that: low concentration of Cu2+and Zn2+stress had a certain promoting effect on the seed germination ofC.officinalis, while high concentration of Cu2+and Zn2+stress revealed an inhibitory effect; when the concentration of Cu2+and Zn2+stress increased, the activities of some protective enzymes (SOD, POD and CAT) inC.officinalisseedlings increased first and then decreased, while the MDA content increased gradually.

Calendulaofficinalis; Copper; Zinc; Stress; Seed germination; Physiological characteristics

2016-12-18

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201511396711);商洛學(xué)院引進(jìn)人才專項(xiàng)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(14SKY027)。

趙永平(1982─),男,陜西扶風(fēng)人,博士,主要從事藥用植物生理與資源利用研究。

S681.7

A

1001-8581(2017)05-0035-04