矮壯素對鼓粒期大豆鉻亞細胞分布的影響

李艷+冷燕+韋俊位+彭偉+楊遠祥+劉飛

摘要：為研究植物外源激素對植物抗重金屬特性的影響，以日本青、韓國三青豆2個大豆品種為材料，通過用不同濃度（0、0.50、0.75、1.00、1.50、2.00 g/L）的矮壯素進行浸種處理，研究鉻污染土上大豆鼓粒期根、莖、葉、籽粒各器官亞細胞組分（細胞壁、細胞器、細胞可溶性組分）中的鉻含量。結(jié)果表明，從大豆各器官亞細胞組分中的鉻積累及分布比例來看，矮壯素浸種可以提高2個品種各器官細胞壁中鉻的積累量，但最適矮壯素處理濃度在2個品種間存在差異。

關(guān)鍵詞：矮壯素；大豆；鉻；亞細胞分布

中圖分類號： S565.101文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0077-04

通信作者：冷燕，碩士，主要從事作物抗逆性研究。E-mail：705784903@qq.com。目前，由于工業(yè)生產(chǎn)排放大量重金屬，使土壤、水受到較大污染，已危害作物生長。鉻（Cr）等重金屬會嚴重傷害作物根系，影響作物葉片對于重要營養(yǎng)元素鐵的吸收，從而降低作物光合速率和蒸騰速率，嚴重時甚至造成作物死亡[1-2]。植物在重金屬環(huán)境中能正常生存，主要是因為重金屬在植物體內(nèi)以不具有生物活性的解毒形態(tài)存在，如結(jié)合到細胞壁中、主動運輸進入液泡、與有機酸或某些蛋白質(zhì)絡(luò)合等[3]，且重金屬在細胞壁的沉淀以及液泡的區(qū)域化分布是植物內(nèi)部解毒的2個重要途徑[4]。

植物激素對植物的抗逆性有一定調(diào)節(jié)作用。Khan等發(fā)現(xiàn)，IAA能減少HgCl2對絲瓜（Luffa cylindrical L.）基莖生長的抑制作用[5]；研究還表明，IAA在鹽脅迫和重金屬脅迫下能夠促進植株根系和莖的生長[6-8]。Agami等在對鎘（Cd）脅迫下小麥葉片抗氧化性的研究中指出，吲哚乙酸和水楊酸減輕了鎘誘導(dǎo)的氧化損傷，提高了葉片對鎘的耐受性并且增強了葉片結(jié)構(gòu)[9]。Zhu等研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素在擬南芥中對鎘毒性的緩解作用主要是通過減少與鎘積累相關(guān)的NO的積累以及降低與Cd2+攝取相關(guān)的IRT1的表達[10]。但有關(guān)植物激素對大豆抗鉻污染的研究尚鮮有報道。矮壯素作為一種重要的生長調(diào)節(jié)劑，能有效地影響脫落酸含量，使之在營養(yǎng)生長期和生殖生長期分別增加和降低，從而提高地榆的抗逆性[11]。在高羊茅的研究中也發(fā)現(xiàn)，矮壯素能使高羊茅葉片內(nèi)源激素生長素、赤霉素含量一直呈下降趨勢，脫落酸含量呈上升趨勢[12]。在重金屬脅迫下，矮壯素能否使植物的抗逆性提高還有待進一步研究。本研究通過對矮壯素浸種后的大豆（Glycine max）進行鉻脅迫處理，旨在探討矮壯素在大豆抗重金屬脅迫中的作用。

1材料與方法

1.1試驗地概況及材料

本試驗于2011年在四川農(nóng)業(yè)大學新區(qū)農(nóng)場進行，供試土壤為紫色土，其基本理化性質(zhì)為鉻含量76.75 mg/kg，有機質(zhì)含量22.3 g/kg，全氮含量1.45 g/kg，全磷含量0.57 g/kg，全鉀含量12.21 g/kg，pH值7.46。

供試材料為在成都平原種植面積廣且品種優(yōu)良的2個大豆（Glycine max）品種日本青和韓國三青豆。日本青分枝3～5個，株高約50 cm，成熟期100 d左右；韓國三青豆株高約 50 cm，成熟期90 d左右。

1.2試驗設(shè)計與方法

用32.5 cm×25 cm的塑料盆裝入風干土5 kg，按GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》加入CrCl3·H2O溶液，充分混勻（淹水浸沒）放置2周后裝盆，調(diào)配土壤鉻污染水平達GB 15618—1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》（200 mg/kg）。

選擇籽粒飽滿、大小均勻2個大豆品種（日本青和韓國三青豆）的種子，采用矮壯素浸種處理，設(shè)置5個處理濃度與對照（0、0.50、0.75、1.00、1.50、2.00 g/L），每個處理重復(fù)5次[13]。具體浸種處理如下：

在室溫下，用5%（V/V）NaClO浸泡大豆種子3 min，經(jīng)去離子水清洗4次后，按照設(shè)定的矮壯素濃度浸種（保持完全淹沒）6 h，然后轉(zhuǎn)移至鋪有2層濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中催芽 24 h，選取長勢一致的6株苗播入預(yù)先處理過的土壤中；對照（CK）用去離子水浸種。在幼苗長至2葉1心時，保留長勢一致的幼苗4株/盆。

1.3測定項目及方法

1.3.1根、莖、葉、籽粒鉻亞細胞分布亞細胞組分的分離：參照Weigel等的方法，采用差速離心法分離出不同的細胞組分[14]。準確稱取鮮樣2 g于石英研缽中，加入20 mL提取液[0.25 mmol/L蔗糖+50 mmol/L Tris-HCl緩沖液（pH值 7.8）+1.0 mmol/L二硫赤鮮糖醇]，研磨勻漿，勻漿液在冷凍離心機中于3 000 r/min下離心（葉、籽粒的離心時間為 15 min，根、莖為30 min），沉淀為細胞壁，上清液在 26 000 r/min 下離心30 min，沉淀為細胞器；上清液為細胞可溶性組分。全部操作在4 ℃下進行，并在相同條件下測定鉻全量以計算回收率。細胞壁和細胞器組分采用硝酸-高氯酸濕化消化，細胞可溶性部分鉻含量直接上機測定，并以提取液作空白對照，用Aaanlust 800型原子吸收分光光度計進行測定[15]，并在相同條件下測定鉻全量以計算回收率。

1.3.2數(shù)據(jù)處理方法用DPS進行方差分析和多重比較。

2結(jié)果與分析

2.1矮壯素對鼓粒期大豆根鉻的亞細胞分布的影響

2.1.1日本青根中鉻的亞細胞分布由表1可知，從根各細胞組分的鉻含量來看，與CK相比，1.00、1.50 g/L矮壯素浸種提高了日本青根細胞壁鉻含量，而0.50、0.75 g/L矮壯素浸種極顯著降低了日本青根細胞壁鉻含量，其中0.50 g/L處理降低幅度最大，為18.17%，達到極顯著差異水平（P<0.01）；矮壯素浸種降低了根細胞器鉻含量，但整體上隨矮壯素濃度的升高鉻含量降低的程度減小，0.50 g/L處理鉻含量降低幅度最大，為33.83%，達到極顯著差異水平（P<0.01）；根細胞可溶性組分中的鉻含量在矮壯素浸種處理后均降低，其中 2.00 g/L 處理降低幅度最大，為36.51%，達到極顯著差異水平（P<0.01）。

從根各細胞組分中鉻的積累分配比例來看，矮壯素浸種提高了根細胞壁中鉻的積累分配比例，并降低了根細胞器中鉻的積累分配比例，在0.75 g/L處理時，細胞壁中鉻比例最大，為74.56%，較CK增加4.93百分點，但細胞器中鉻的積累比例最小，為 21.93%，較CK減少4.35百分點；根細胞可溶性組分中鉻的積累在0.50 g/L矮壯素浸種處理后升高，但在其他處理濃度下均降低，在2.00 g/L處理下最低，為289%，較CK減少1.20百分點。

2.1.2韓國三青豆根中鉻的亞細胞分布由表1可知，從根各細胞組分的鉻含量來看，與CK相比，0.50、0.75 g/L矮壯素浸種極顯著降低了韓國三青豆根細胞壁鉻含量，降低幅度分別為21.59%、11.20%；其他濃度處理對根細胞壁鉻濃度的影響未達極顯著水平；矮壯素浸種降低了根細胞器、根細胞可溶性組分鉻含量，均在2.00 g/L處理降低幅度最大，分別降低了27.10%、14.68%，達到極顯著差異水平（P<0.01）。

從根各細胞組分中鉻的積累分配比例來看，隨著矮壯素浸種濃度的升高，根細胞壁中鉻的積累分配比例提高，在200 g/L處理提高幅度最大，為3.96百分點；根細胞器中鉻的積累分配比例隨矮壯素濃度的升高降低，在2.00 g/L處理下出現(xiàn)最小值，降低了3.30百分點；根細胞可溶性組分中鉻的積累分配比例在低矮壯素濃度下即0.50、0.75 g/L處理下升高，而在2.00 g/L處理下降低。

2.2矮壯素對鼓粒期大豆莖鉻的亞細胞分布的影響

2.2.1日本青莖中鉻的亞細胞分布由表2可知，與CK相比，1.50 g/L矮壯素浸種極顯著提高了日本青莖細胞壁鉻含量；0.50、0.75 g/L處理極顯著降低了鉻在細胞壁中的含量，并且在0.50 g/L處理下降低幅度最大，達到32.34%；矮壯素浸種顯著降低了日本青莖細胞器鉻含量，其中1.00、2.00 g/L處理降低了44.37%，降低幅度最大；矮壯素浸種提高了莖細胞可溶性組分中鉻的含量，在1.00、1.50、2.00 g/L處理下鉻含量相同且最大，為0.19 mg/kg，較CK極顯著（P<0.01）提高了18.75%。從莖各細胞組分中鉻的積累分配比例來看，矮壯素浸種提高了莖細胞壁和細胞可溶性組分中鉻的積累分配比例，降低了莖細胞器中鉻的積累分配比例。

2.2.2韓國三青豆莖中鉻的亞細胞分布由表2可知，與CK相比，1.50 g/L矮壯素浸種極顯著提高了莖細胞壁鉻含量，提高幅度達到7.95%，其他濃度處理極顯著降低了鉻在細胞壁中的積累，其中在0.50 g/L處理降低幅度最大，為 32.41%；矮壯素浸種降低了鉻在莖細胞器中的積累，其中 0.75 g/L 處理降低幅度最大，為42.57%；與對照相比，0.50、0.75 g/L處理極顯著提高了莖細胞可溶性組分中的鉻含量，并且在0.50 g/L處理下升高幅度最大，為30.43%，而 1.00 g/L 處理極顯著降低了莖細胞可溶性部分鉻含量。

從莖各細胞組分中鉻的積累分配比例來看，0.50、2.00 g/L 矮壯素浸種降低了莖細胞壁中鉻的積累分配比例，而其他處理濃度表現(xiàn)為升高趨勢；矮壯素浸種降低了細胞器中鉻的積累分配比例；1.50 g/L矮壯素浸種降低了莖可溶性部分鉻的積累分配比例，而其他處理表現(xiàn)為升高趨勢。

2.3矮壯素對鼓粒期大豆葉鉻的亞細胞分布的影響

2.3.1日本青葉中鉻的亞細胞分布由表3可知，與CK相比，除1.50 g/L濃度外，其他濃度矮壯素處理降低了葉片細胞壁中鉻積累量，在0.75 g/L出現(xiàn)最小值，降低了19.80%，達到極顯著差異（P<0.01）；矮壯素浸種處理降低了葉細胞器鉻含量，并且在0.75g/L處理出現(xiàn)最小值，降低幅度為表2矮壯素浸種對鼓粒期大豆莖從葉各細胞組分中鉻的積累分配比例來看，矮壯素浸種提高了葉細胞壁（除2.00 g/L處理外）和細胞可溶性組分中鉻的積累分配比例，且鉻積累分配比例均呈先升高后降低的趨勢，分別在0.75、1.00 g/L 處理處出現(xiàn)最大值，降低了葉細胞器中鉻的積累分配比例，在0.75 g/L處理處出現(xiàn)最小值。

2.3.2韓國三青豆葉中鉻的亞細胞分布由表3可知，與CK相比，在0.50 g/L處理下矮壯素浸種極顯著降低了葉細胞壁中的鉻含量，降低幅度為14.78%；其他濃度處理下葉片細胞壁中鉻含量有下降趨勢，但未達到極顯著水平；葉片細胞器中鉻含量在矮壯素浸種處理后極顯著降低，并且在 0.50 g/L 處理下降低幅度最大，為14.39%；矮壯素浸種提高了葉細胞可溶性部分鉻含量，且隨處理濃度的上升呈先升高后降低的趨勢，在0.75 g/L處理處出現(xiàn)最大值，提高幅度最大，為54.55%。

從葉各細胞組分中鉻的積累分配比例來看，0.50、0.75 g/L 矮壯素浸種降低了葉細胞壁鉻的積累分配比例，而其他濃度處理表現(xiàn)為升高趨勢，且積累分配比例隨濃度的升高而提高。矮壯素浸種降低了葉細胞器中鉻的積累分配比例，提高了葉可溶性組分中鉻的積累分配比例。

2.4矮壯素對鼓粒期大豆籽粒鉻的亞細胞分布的影響

2.4.1日本青籽粒中鉻的亞細胞分布由表4可知，與CK相比，矮壯素浸種對籽粒細胞壁鉻含量基本無顯著影響，但極顯著降低了籽粒細胞器和細胞可溶性組分（除2.00 g/L處理外）鉻含量，分別在0.75、1.00 g/L處理時出現(xiàn)最小值，降低幅度分別為2090%、36.36%；從籽粒各細胞組分中鉻的積累分配比例來看，矮壯素浸種提高了籽粒細胞壁鉻的積累分配比例，且積累分配比例隨處理濃度的增大呈先升高后降低的趨勢，降低了籽粒細胞器中鉻的積累分配比例，2.00 g/L處理提高了籽粒細胞可溶性組分鉻的積累分配比例，其他濃度處理則呈降低趨勢。

2.4.2韓國三青豆籽粒中鉻的亞細胞分布由表4可知，與CK相比，韓國三青豆經(jīng)矮壯素浸種后，籽粒細胞壁中鉻含量無顯著變化，但矮壯素處理極顯著降低了籽粒細胞器中鉻含量，并且在0.75 g/L處理下降低幅度最大，為21.88%；2.00 g/L 處理極顯著提高了籽粒細胞可溶性部分鉻含量，提高幅度10%，而其他濃度處理降低了可溶性部分鉻含量，在1.00 g/L處理下降低了40%，達到極顯著差異（P<0.01）。

從籽粒各細胞組分中鉻的積累分配比例來看，矮壯素浸種提高了韓國三青豆籽粒細胞壁鉻的積累分配比例，且積累分配比例隨處理濃度的增大呈先升高后降低的趨勢，降低了籽粒細胞器中鉻的積累分配比例，2.00 g/L處理提高了籽粒細胞可溶性部分鉻的積累分配比例，其他濃度處理則呈降低趨勢。

3討論與結(jié)論

研究表明，土壤中的鉻通過根表皮細胞進入皮層細胞，穿過凱氏帶，在木質(zhì)部進行裝載后通過導(dǎo)管運往地上部分，這對表4矮壯素浸種對鼓粒期大豆籽粒鉻的亞細胞分布的影響

已有研究表明，生長素和赤霉素通過促進了作物細胞分裂和延長，增加了作物根細胞與重金屬的可接觸面積，促進了作物對重金屬的吸收[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，低濃度（0.50、0.75 g/L）的矮壯素浸種處理對減少日本青根系對鉻的吸收作用最大，并且鉻在細胞壁中的分配比例最大（0.75 g/L處理下）；隨著矮壯素處理濃度的增加，各濃度相比較，鉻在細胞壁中的分配有減少趨勢而在細胞器中的分配有增加趨勢。韓國三青豆在較高濃度（1.00、1.50、2.00 g/L）矮壯素處理下根系細胞壁中的鉻含量增加，并且細胞器中的鉻減少幅度也更大，從分配比例看，高濃度下鉻在細胞壁中的分配更多而在細胞器中更少。因此，不同大豆品種對矮壯素浸種濃度的反應(yīng)不同，低濃度的矮壯素浸種更適于日本青根系細胞壁對重金屬的吸附而韓國三青豆在高濃度矮壯素處理后根系抵御重金屬能力會提高。

日本青中浸種處理在較低濃度即葉片和根在0.75 g/L、莖在 1.00 g/L濃度下分別在葉片和根、莖細胞壁中分配更多的鉻，更利于抗逆；而韓國三青豆則在較高濃度（莖 1.50 g/L，根、葉2.00 g/L）浸種處理后更利于重金屬在各器官細胞壁的富集，區(qū)劃重金屬能力更好。浸種處理對籽粒中鉻在各部位的分布無顯著影響。因此，不同品種、不同矮壯素處理濃度對鉻的分配影響不同，并且從根系到籽粒，大豆根吸收重金屬后，通過莖中導(dǎo)管、篩管向其葉和籽粒運輸，莖對重金屬的積累與莖的運輸能力密切相關(guān)[21-22]，莖運輸能力低的作物品種可以有效降低籽粒重金屬的含量，因此籽粒中重金屬含量主要取決于運輸過程，而矮壯素浸種處理對籽粒中的重金屬含量影響不大。

從大豆籽粒鉻的亞細胞分布來看，浸種處理提高了籽粒細胞壁中鉻積累比例，這可能是因為大豆籽粒細胞壁的主要成分為蛋白質(zhì)、木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和果膠質(zhì)等，使細胞壁表面帶有較多的羧酸基團和少量帶正電荷的氨基[18]，鉻可通過靜電引力吸附在細胞壁上，進而減少鉻的跨膜運輸，減少對細胞器的傷害。另外，前人的研究結(jié)果表明，外源激素浸種能提高大豆成熟期籽粒產(chǎn)量[23-25]，因為矮壯素能夠調(diào)控大豆的營養(yǎng)生長，促進其生殖生長，促進花芽分化，使作物花數(shù)增多，同時提高植物抗逆性和光合作用，促進光合產(chǎn)物的形成[26-27]，從而提高大豆的產(chǎn)量；但若噴施矮壯素濃度過高，則可能會對葉片造成傷害，降低光合速率，進而使籽粒產(chǎn)量有所降低。因此，外源矮壯素也能通過影響籽?？怪亟饘倌芰蜕L來影響作物產(chǎn)量。

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