微囊藻毒素-LR和銅綠微囊藻裂解液對水稻光合作用的影響

時 玥,姜錦林,鄧正棟

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微囊藻毒素-LR和銅綠微囊藻裂解液對水稻光合作用的影響

時 玥1,2,姜錦林2*,鄧正棟1

(1.解放軍理工大學(xué)國防工程學(xué)院,江蘇南京 210009；2.環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所,國家環(huán)境保護(hù)農(nóng)藥環(huán)境評價與污染控制重點實驗室,江蘇南京 210042)

藍(lán)藻水華在生長和衰亡過程中會產(chǎn)生包括微囊藻毒素在內(nèi)的多種有毒代謝產(chǎn)物,這些毒素可能會隨灌溉用水進(jìn)入農(nóng)田而對作物帶來不利影響.本研究選用微囊藻毒素-LR(MC-LR)純品和銅綠微囊藻裂解液分別對營養(yǎng)生長期水稻進(jìn)行21d暴露處理,考察不同濃度(0.1,1.0,10.0,100.0,500.0μg/L)MC-LR和不同稀釋倍數(shù)(0.002,0.02和0.2倍)銅綠微囊藻裂解液對水稻葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及葉片超微結(jié)構(gòu)的影響.研究結(jié)果表明,MC-LR對水稻光合作用特征參數(shù)具有顯著的抑制作用,其中蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度對MC-LR暴露最為敏感,比較來看,考察濃度范圍內(nèi)銅綠微囊藻裂解液對植物光合作用特性指標(biāo)影響顯示出不同的特點,甚至表現(xiàn)出一定刺激和促進(jìn)作用,0.02倍裂解液暴露顯著促進(jìn)植株蒸騰作用和氣孔導(dǎo)度.此外,高濃度的單一MC-LR和高濃度銅綠微囊藻裂解液都能對水稻葉片超微結(jié)構(gòu)能造成一定程度的損傷.銅綠微囊藻裂解液和MC-LR作用特點不一致,推測是裂解液中其他組分造成微囊藻毒素有效性的改變和毒性的降低.

微囊藻毒素-LR；銅綠微囊藻；水稻；光合作用

在富營養(yǎng)化和超富營養(yǎng)化狀態(tài)的水體中,藍(lán)藻通常會異常增殖,產(chǎn)生水華藍(lán)藻.水華藍(lán)藻中如微囊藻、魚腥藻、浮絲藻、念珠藻和節(jié)球藻等可產(chǎn)生微囊藻毒素(MCs)、魚腥藻毒素和節(jié)球藻毒素等多種藻毒素[1],嚴(yán)重威脅水生生態(tài)系統(tǒng),引發(fā)生態(tài)災(zāi)害事件并危及水源地水質(zhì)安全.MCs是眾多藻毒素中分布最廣、毒性最大的,具有7種氨基酸組成的環(huán)狀七肽物質(zhì),目前為止,已被發(fā)現(xiàn)的MCs異構(gòu)體有近90種[2],以MC-LR、MC-RR和MC-YR這3種類型最為常見[3].藍(lán)藻水華發(fā)生時,水體中藻毒素含量在0.1~10μg/L之間[4],當(dāng)有外來因素導(dǎo)致藍(lán)藻細(xì)胞內(nèi)毒素大量釋放時,水體中藻毒素含量短時內(nèi)可高達(dá)1800μg/L[5],對生態(tài)及人類健康造成嚴(yán)重威脅.

MCs最經(jīng)典的致毒機(jī)制是抑制蛋白磷酸酶1和2A活性,影響細(xì)胞內(nèi)蛋白磷酸化和去磷酸化的平衡[6],近年研究表明氧化脅迫也是MCs致毒機(jī)理的一個重要方面[7-9].藍(lán)藻代謝釋放的MCs具有生物富集效應(yīng)[10-11],會對水生動植物造成危害,并存在隨食物鏈傳遞的風(fēng)險[12].MCs還會隨著灌溉、藍(lán)藻堆放處理等方式進(jìn)入到土壤圈中[13-14],在MCs在完全降解之前仍然要在土壤中滯留一段時間,這將對暴露在該環(huán)境下的作物帶來不利影響.研究表明,塔克庫斯特湖周圍農(nóng)田灌溉水中MCs的含量最高可達(dá)100μg/L[15];而在滇池湖水灌溉的農(nóng)田土壤中檢測到MCs的平均含量為1.6μg/kg[3].在MCs在完全降解之前仍然要在土壤中滯留一段時間,這將對暴露在該環(huán)境下的作物帶來不利影響.經(jīng)調(diào)查研究[16-17],種植在MCs污染水源附近的農(nóng)作物如番茄、辣椒和水稻等樣本中均有MCs的檢出情況,且在MCs的長期暴露下,水稻、油菜、小白菜等作物的生長都會受到不同程度的抑制[18-20].

前期研究[21]表明,0.1~10.0 μg/L的MC-LR和微囊藻裂解液分別暴露對水稻的生長影響和生態(tài)生理學(xué)效應(yīng)顯示出不一致的特點,單一MC-LR能抑制水稻株高、根長及葉片中淀粉酶活性,而高濃度裂解液在水稻的生長發(fā)育方面更多地表現(xiàn)為對植株的刺激和促進(jìn)作用,僅對水稻根長抑制顯著.在生理生化方面,MC-LR純品對水稻葉片還原性谷胱甘肽(GSH)具有誘導(dǎo)作用,而裂解液對GSH、丙二醛(MDA)和堿性磷酸酶(AKP)都表現(xiàn)出顯著抑制.為進(jìn)一步比較研究MCs純品和微囊藻裂解液對特定營養(yǎng)生長期階段的水稻(介于幼苗期和分蘗期之間)產(chǎn)生的不同生物效應(yīng),本研究選用單一MC-LR和銅綠微囊藻裂解液分別對水稻進(jìn)行21d暴露處理,考察不同稀釋倍數(shù)(0.1,1.0,10.0,100.0,500.0μg/L) MC-LR和不同濃度(0.002,0.02和0.2倍)裂解液對水稻葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及葉片超微結(jié)構(gòu)的影響,擬通過本研究,比較MC-LR與純毒素對水稻光合作用特性的異同點.

1 材料與方法

1.1 實驗材料與試劑

銅綠微囊藻藻種PACHB-905、MC-LR標(biāo)準(zhǔn)樣品(10.0μg/L)和ELISA試劑盒購自中科院武漢水生所;純微囊藻毒素MC-LR(純度395%),購自臺灣藻研究有限公司;相關(guān)生理生化指標(biāo)檢測試劑盒購自南京建成生物工程研究所.

1.2 銅綠微囊藻的培養(yǎng)及其裂解液制備

銅綠微囊藻PACHB—905采用BG11培養(yǎng)基,在光照培養(yǎng)箱中(25±1)oC,照度2000lx,120r/ min下培養(yǎng).取對數(shù)生長期的銅綠微囊藻,12000r/min下離心10min,棄上清,收集藻細(xì)胞于凍干機(jī)中凍干,準(zhǔn)確稱取約5g凍干藻粉,加入一定量去離子水,反復(fù)凍融3次后,超聲振蕩器處理10min, 10000r/min離心20min后取上清液,定容至250mL,即得到藍(lán)藻裂解液,經(jīng)HLB小柱(Waters)萃取、凈化、濃縮定容后,HPLC(Waters e2695/2998液相色譜儀,Zorbax Eclipse SB-C18柱,PDA檢測器)測定藍(lán)藻凍干粉中MC-LR濃度為43.47μg/g[21],干藻裂解液于-20℃保存.

1.3 水稻培養(yǎng)及暴露處理

選取顆粒飽滿的日本晴(L.)水稻種子用1% NaClO消毒20min,充分漂洗后于28℃下浸種24h,并于恒溫培養(yǎng)箱25℃黑暗濕潤環(huán)境中催芽,待水稻發(fā)芽后挑選長勢良好的幼苗轉(zhuǎn)移入國際水稻研究所常規(guī)營養(yǎng)液(含40mg/L Na+,10mg/L P5+,40mg/L K+,40mg/L Ca2+,40mg/L Mg2+,0.5mg/L Mn2+,0.05mg/L Mo6+,0.2mg/L B3+, 0.01mg/L Zn2+,0.01mg/L Cu2+,2mg/L Fe3+)中繼續(xù)培養(yǎng).培養(yǎng)條件:光/暗為14h/10h,光照強(qiáng)度2000lx, 相對濕度75%/70%,溫度25℃.每2d換一次營養(yǎng)液,培養(yǎng)1周后對水稻進(jìn)行染毒實驗.

實驗濃度設(shè)置為空白對照組(加100mL水培液);0.1,1.0,10.0,100.0,500.0μg/L MC-LR處理組;0.002倍裂解液處理組(100mL水培液+0.2mL裂解液);0.02倍裂解液處理組(98mL水培液+2mL裂解液);0.2倍裂解液處理組(80mL水培液+20mL裂解液),每組設(shè)3個平行,染毒周期為21d,每2d換一次營養(yǎng)液,定期收集10mL殘留液過0.45μm濾膜,根據(jù)ELISA試劑盒MC-LR的定量線性范圍(0.1~10.0μg/L)設(shè)置不同稀釋倍數(shù),測定水培液中藻毒素含量.

1.4 植株光合系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)測定

用便攜式光合測定儀測定水稻葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和葉綠素?zé)晒?測定水稻葉片葉綠素?zé)晒鈺r,激發(fā)光強(qiáng)為最大光強(qiáng)的50%(1500μmol/(m2·s)),暗適應(yīng)時間不少于30min,記錄時間5s,測定均在室溫下進(jìn)行.用可變熒光()與最大熒光(m)的比值/m表示光合效能活性的大小.

1.5 葉片透射電鏡觀察

雙刀片法獲得水稻鮮葉樣品,樣品經(jīng)4%戊二醛(0.2mol/L磷酸緩沖液配制,pH 7.2)固定,0.1mol/L磷酸緩沖液清洗,1%鋨酸(0.2mol/L磷酸緩沖液配制,pH 7.2)固定,0.1mol/L磷酸緩沖液清洗,丙酮系列脫水(30、50、70、90)%各1次,純丙酮2次;丙酮與Epon812包埋劑(1:1,1:2)滲透各1次,純Epon812包埋劑滲透過夜,(30℃ 24h、40℃ 24h、60℃ 48h)烘箱內(nèi)聚合,修塊,LKB-Ⅴ型超薄切片機(jī)半薄切片定位,超薄切片,醋酸鈾、檸檬酸鉛雙染色,HITACHI H-600(日立)透射電子顯微鏡觀察、拍片.

1.6 數(shù)據(jù)處理

研究結(jié)果由SPSS 19.0軟件計算,對于效應(yīng)值的顯著性分析,在滿足正態(tài)分布(Shapiro-Wilk test)和方差齊性(Levene’s test)的前提條件下,采用方差分析(ANOVA)和多重比較(S-N-K test)分析處理之間的差異顯著性,否則采用非參數(shù)檢驗(Kruskal- Wallis test)來檢驗處理之間差異的顯著性,<0.05具有顯著差異,<0.01具有極為顯著的差異,實驗結(jié)果表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)偏差,用Origin 8.5作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 暴露體系微囊藻毒素的ELISA分析

暴露體系中微囊藻毒素的ELISA分析結(jié)果如表1所示,由表1可知,0.1μg/LMC-LR處理組的測定濃度比理論濃度略高,這可能是該濃度接近試劑盒測定下限造成測定有所干擾,或為低濃度溶液配制偏差,加上暴露體系在培養(yǎng)環(huán)境中培養(yǎng)液蒸發(fā)和換液等相關(guān)步驟等綜合因素導(dǎo)致,其余MC-LR處理組在21d暴露期間的實際暴露濃度均與理論濃度較為符合.銅綠微囊藻裂解液測定結(jié)果為總微囊藻毒素濃度,結(jié)果除包括MC-LR外,可能還含有MC-RR等其他共存的藻毒素.

表1 培養(yǎng)液中微囊藻毒素實際濃度測定

2.2 MC-LR與銅綠微囊藻裂解液對水稻植株光合系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)的影響

2.2.1 MC-LR與銅綠微囊藻裂解液分別暴露對水稻凈光合速率的影響 由圖1所示,在較低濃度范圍(0.1~10.0μg/L),MC-LR暴露21d對水稻葉片凈光合速率無顯著影響,而高濃度MC- LR(100.0,500.0μg/L)處理則對植株凈光合速率有極顯著的抑制作用.比較來看,考察濃度范圍內(nèi)銅綠微囊藻裂解液暴露對水稻凈光合速率無顯著影響.

*<0.05,**<0.01;Max和Min分別代表試驗數(shù)據(jù)最大值和最小值;1SE和-1SE代表標(biāo)準(zhǔn)誤差;50%代表試驗數(shù)據(jù)的中位數(shù); □代表算術(shù)均值(下同)

2.2.2 MC-LR與銅綠微囊藻裂解液分別暴露對水稻蒸騰速率的影響 由圖2所示,和空白對照相比,MC-LR純品暴露21d對水稻蒸騰速率整體起到極顯著的抑制作用, 0.02倍綠微囊藻裂解液與MC-LR純品作用特點不同,暴露21d對水稻的蒸騰作用有極顯著促進(jìn)作用.

2.2.3 MC-LR與銅綠微囊藻裂解液分別暴露對水稻氣孔導(dǎo)度的影響 由圖3所示,與蒸騰速率變化類似,和空白對照相比,MC-LR純品暴露21d對水稻氣孔導(dǎo)度整體起到極顯著的抑制作用, 而0.02倍綠微囊藻裂解液暴露21d對水稻的氣孔導(dǎo)度有極顯著促進(jìn)作用.

2.2.4 MC-LR與銅綠微囊藻裂解液分別暴露對水稻葉綠素?zé)晒庥绊?由圖4所示,高濃度組的MC-LR(500.0μg/L)暴露21d造成水稻葉綠素?zé)晒鈽O顯著下降,而考察稀釋濃度范圍內(nèi)銅綠微囊藻裂解液對水稻葉綠素?zé)晒饩鶡o顯著影響.

圖3 MC-LR(A)與銅綠微囊藻裂解液(B)分別暴露對水稻氣孔導(dǎo)度的影響

圖4 MC-LR(A)與銅綠微囊藻裂解液(B)分別暴露對水稻葉綠素?zé)晒庥绊憣Ρ?/p>

2.3 MC-LR和銅綠微囊藻裂解液對水稻葉片超微結(jié)構(gòu)的影響

由圖5可知,對照組水稻葉片細(xì)胞中的超微結(jié)構(gòu)主要特征為葉綠體緊貼細(xì)胞壁分布,中央大液泡,細(xì)胞核近一側(cè)分布,線粒體正常;其中葉綠體中含少量淀粉粒和嗜鋨顆粒,類囊體片層排列有序并且規(guī)則.

圖5 對照組水稻葉片超微結(jié)構(gòu)的影響

(A)顯示葉片細(xì)胞中的葉綠體及細(xì)胞核,Bar=2μm;(B)顯示葉片細(xì)胞葉綠體中的類囊體片層,Bar=500nm對照;(C)顯示葉片細(xì)胞中的線粒體,Bar= 1μm

由圖6可知,100.0μg/L MC-LR暴露后,水稻葉片超微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷,主要表現(xiàn)為葉綠體部分貼細(xì)胞壁分布,部分細(xì)胞出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象,中央大液泡中仍然有高電子密度大圓顆粒狀嗜鋨物質(zhì)分布,同時中央大液泡中出現(xiàn)較多的環(huán)狀片層,細(xì)胞核近一側(cè)分布,線粒體被膜降解;其中:葉綠體腫脹,同樣含有少量淀粉粒,嗜鋨顆粒有增大趨勢,類囊體片層擴(kuò)張.

圖6 100.0μg/L MC-LR暴露對水稻葉片超微結(jié)構(gòu)影響

(A)顯示葉片細(xì)胞中的葉綠體及液泡中的高電子密度圓顆粒狀嗜鋨物質(zhì),Bar=2μm;(B)顯示葉片細(xì)胞葉綠體中的類囊體片層,Bar=500nm;(C)顯示葉片細(xì)胞中的線粒體及環(huán)狀片層 Bar=1μm;(D)顯示葉片細(xì)胞中的線粒體,Bar=1μm

(A)顯示葉片細(xì)胞中的葉綠體及液泡中的高電子密度圓顆粒狀嗜鋨物質(zhì),Bar=2μm;(B)顯示葉片細(xì)胞葉綠體中的類囊體片層,Bar=500nm;(C)顯示葉片細(xì)胞中的線粒體Bar=1μm;(D)顯示葉片細(xì)胞中的細(xì)胞核,Bar=2μm

由圖7可知,0.2倍銅綠微囊藻裂解液稀釋液暴露后,水稻葉片細(xì)胞中的超微結(jié)構(gòu)也受到一定影響,但受損程度不如100.0μg/L MC-LR暴露組嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為葉綠體依然近貼細(xì)胞壁分布,但部分葉綠體有腫脹現(xiàn)象,中央大液泡中高電子密度大圓顆粒狀嗜鋨物質(zhì)分布仍然較多,細(xì)胞核近一側(cè)分布,線粒體大部分正常,少部分細(xì)胞出現(xiàn)輕微質(zhì)壁分離現(xiàn)象;其中:葉綠體同樣含有少量淀粉粒,嗜鋨顆粒有增多趨勢,類囊體片層有輕微擴(kuò)張.

3 討論

3.1 MC-LR與銅綠微囊藻裂解液對水稻光合特性的影響

自然界中生產(chǎn)藻毒素的藍(lán)藻群體可生產(chǎn)一種或多種藻毒素,不同藻毒素的毒性結(jié)構(gòu)和致毒機(jī)理也不盡相同[22],因此,藻毒素裂解液與MC-LR純品產(chǎn)生的生物毒性會有所不同.前期研究表明,水稻在MC-LR純品和銅綠微囊藻裂解液暴露對水稻的生長和生理生化指標(biāo)展現(xiàn)出不同的毒性效應(yīng)特點[21],本研究同樣表明, MC-LR純品和銅綠微囊藻裂解液對水稻光合作用系統(tǒng)也顯示出不同的效應(yīng)特點.凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度是植物光合特性相關(guān)的重要參數(shù).凈光合速率指植物光合作用積累的有機(jī)物,其值等于總光合速率減去呼吸速率.本研究中高濃度MC-LR(100.0和500.0μg/L)處理對水稻凈光合速率有極顯著的抑制作用,表明高濃度MC-LR可以抑制植物光合作用,進(jìn)而對水稻生長發(fā)育和物質(zhì)積累造成嚴(yán)重不利影響,與前期研究結(jié)果相符合[21].植物蒸騰作用主要是氣孔蒸騰,其主要受光、溫度和CO2等因素的調(diào)節(jié).本研究考察濃度范圍內(nèi),MC-LR純品暴露均對水稻的蒸騰速率造成顯著抑制,這與MC-LR暴露后造成水稻葉片氣孔導(dǎo)度的改變相關(guān).氣孔運動具有滲透調(diào)節(jié)機(jī)制,保衛(wèi)細(xì)胞水勢提高則氣孔張開,水勢降低則氣孔關(guān)閉.由本研究水稻葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)圖可知,MC-LR暴露可造成水稻葉肉細(xì)胞產(chǎn)生一定程度的質(zhì)壁分離現(xiàn)象,即細(xì)胞液泡失水使原生質(zhì)層與細(xì)胞壁分離,因而推測MC-LR可以造成水稻葉片保衛(wèi)細(xì)胞水勢降低,進(jìn)而造成蒸騰作用下降.氣孔運動與保衛(wèi)細(xì)胞中淀粉和蔗糖轉(zhuǎn)化而形成的滲透勢改變也有關(guān),前期研究表明一定濃度的MC-LR暴露造成水稻淀粉酶活力顯著下降[21],淀粉水解轉(zhuǎn)化為蔗糖時保衛(wèi)細(xì)胞的滲透勢降低,水進(jìn)入細(xì)胞使細(xì)胞膨壓增加,氣孔張開,蒸騰速率提高,反之則下降,因而MC-LR脅迫下水稻葉片淀粉酶活力的降低可能與蒸騰速率下降也有關(guān)系.此外,MC-LR還能破壞生物細(xì)胞骨架系統(tǒng),因此純品MC-LR暴露下蒸騰速率的敏感變化可能與保衛(wèi)細(xì)胞牽引氣孔運動的微纖絲受損有關(guān)[23].而銅綠微囊藻裂解液暴露后水稻的蒸騰速率出現(xiàn)相反變化的趨勢,0.02倍銅綠微囊藻裂解液暴露21d對水稻的蒸騰作用有極顯著促進(jìn)作用.這種MCs暴露后出現(xiàn)效應(yīng)不一致的情況與前期研究中發(fā)現(xiàn)的植株生長和生理生化指標(biāo)不一致的結(jié)果在一定程度上是類似的[21].這是由于植株暴露在含復(fù)雜基質(zhì)成分的裂解液中,除遭受MCs的毒性影響之外,同時還暴露于其他復(fù)雜藻細(xì)胞裂解成分(也包括部分營養(yǎng)物質(zhì)),復(fù)合因素影響對植株生長和生理生化指標(biāo)表現(xiàn)出一定的未知刺激作用.

3.2 MC-LR與銅綠微囊藻裂解液對水稻葉綠素?zé)晒獾挠绊?/h3>

光合作用是植物生長的基礎(chǔ),葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔眠^程中各個步驟都緊密相關(guān),采用葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)能精確測定和研究光合作用的動態(tài)變化,能靈敏探測各種外界脅迫因子對光合作用造成的影響.本研究中只有高濃度MC-LR暴露對水稻葉綠素?zé)晒庠斐娠@著性抑制,但考察濃度范圍內(nèi)銅綠微囊藻裂解液對其無顯著影響.目前植物衰老或者污染物脅迫下植物光合作用效率、抗氧化系統(tǒng)、光合反應(yīng)關(guān)鍵酶、葉綠體超微結(jié)構(gòu)、類囊體膜脂肪酸成分變化和光合膜功能性大分子蛋白質(zhì)復(fù)合物的變化特征等都已有研究[24-25],但這些光合效能指標(biāo)與微囊藻毒素作用過程的相互關(guān)系還有待進(jìn)一步探索.MCs毒性作用機(jī)制最為經(jīng)典的解釋是抑制絲氨酸-蘇氨酸蛋白磷酸酶1和2A的活性[6,9],近幾年的研究表明氧化脅迫也是MCs另一個重要的毒性作用機(jī)理[7,9].活性氧(ROS)作為重要的信號分子參與到一系列植物生命過程中,如根毛發(fā)育和延長、葉片展開、頂端優(yōu)勢、花藥發(fā)育和花粉成熟等[26],調(diào)查生物或非生物因素脅迫下ROS 的產(chǎn)生和變化對研究相關(guān)毒性機(jī)制是至關(guān)重要的[8],Jiang等[9]發(fā)現(xiàn),低濃度MC-LR對沉水植物苦草的致毒機(jī)制似乎與氧化應(yīng)激關(guān)系更為密切,且1.0~10.0μg/L MC-LR作用14d可導(dǎo)致葉片可溶性蛋白含量下降,葉綠素含量下降,還觀察到高濃度MC-LR (10.0和25.0μg/L)脅迫導(dǎo)致植株色素表達(dá)模式上發(fā)生變化,隨著暴露濃度升高,葉片Chla含量增高且Chlb含量下降.類似的結(jié)果也在其他研究中得到佐證:將金魚藻暴露于0~5μg/L的MC-LR溶液中,24h后明顯可以看到一個劑量依賴性的色素表達(dá)變化:從Chl a向Chl b轉(zhuǎn)變[27].而葉綠素含量的變化明顯將影響到水生植物的光合作用,這實際上也是藍(lán)藻對水生高等植物他感作用的一個體現(xiàn).

3.3 MC-LR與銅綠微囊藻裂解液對水稻葉片超微結(jié)構(gòu)的影響

到目前為止,對MCs作用下植物的超顯微結(jié)果的損傷研究甚少,Jiang等[9]發(fā)現(xiàn)與MC-LR作用劑量正相關(guān)的葉肉細(xì)胞超顯微結(jié)構(gòu)的變化,較高濃度MC-LR可造成細(xì)胞器如葉綠體和線粒體的嚴(yán)重?fù)p傷.本研究發(fā)現(xiàn)MC-LR暴露可造成水稻葉片葉綠體腫脹、類囊體片層擴(kuò)張現(xiàn)象.此外,還發(fā)現(xiàn)MC-LR暴露可造成水稻少部分葉肉細(xì)胞出現(xiàn)質(zhì)壁分離現(xiàn)象,即細(xì)胞液泡失水使原生質(zhì)層與細(xì)胞壁分離,說明MC-LR可以造成水稻葉片保衛(wèi)細(xì)胞水勢降低,進(jìn)而造成蒸騰作用下降.比較來看,純品MC-LR和銅綠微囊藻裂解液的超微結(jié)構(gòu)影響特點較為相似,在考察濃度范圍內(nèi),微囊藻毒素對水稻葉片超微結(jié)構(gòu)的影響不甚嚴(yán)重.綜合前期研究[21]與本研究光合系統(tǒng)各指標(biāo)研究結(jié)果,銅綠微囊藻裂解液中存在的其他組分可能對水稻生物效應(yīng)影響較大,該方面還需進(jìn)一步研究.這主要是由于銅綠微囊藻裂解液基質(zhì)的復(fù)雜,植株暴露在裂解液中,除遭受MCs的毒性影響之外,同時還暴露于其他復(fù)雜藻細(xì)胞裂解成分(也包括部分營養(yǎng)物質(zhì)),可對植株生長和各個生理生化指標(biāo)表現(xiàn)出與純毒素不一樣的生物效應(yīng)結(jié)果;此外,由于裂解液中存在大量溶解性和少量不溶性有機(jī)質(zhì),這些物質(zhì)可能會增加MCs的吸附或改變其可溶態(tài)形態(tài),因此暴露體系內(nèi)MC-LR的生物有效性可能與對應(yīng)的純品存在顯著差異,常導(dǎo)致其有效性和毒性的降低.

4 結(jié)論

4.1 高濃度MC-LR(100.0和500.0μg/L)純品對水稻凈光合速率有極顯著的抑制作用,水稻蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度對MC-LR暴露十分敏感, 0.1~500.0μg/L的MC-LR均能顯著抑制植株蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度,但最高濃度組MC-LR (500.0μg/L)造成水稻葉綠素?zé)晒鈽O顯著下降.

4.2 考察濃度范圍內(nèi)銅綠微囊藻裂解液對植物光合作用特性指標(biāo)影響顯示出不同的特點,甚至表現(xiàn)出一定刺激和促進(jìn)作用,0.02倍裂解液暴露顯著促進(jìn)植株蒸騰作用和氣孔導(dǎo)度,考察濃度范圍內(nèi)裂解液對植物凈光合速率和葉綠素?zé)晒庥绊懖伙@著.

4.3 高濃度MC-LR純品和高濃度銅綠微囊藻裂解液對水稻葉片超微結(jié)構(gòu)能造成一定影響,造成水稻葉片葉綠體腫脹、類囊體片層擴(kuò)張和質(zhì)壁分離等現(xiàn)象

4.4 MC-LR暴露能抑制水稻光合作用,但銅綠微囊藻裂解液和MC-LR作用特點不一致,推測其中存在的其他組分可能對其生物效應(yīng)影響很大,該方面還需進(jìn)一步研究.

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Effects of pure MC-LR andcrude extracts on photosynthesis ofL.

SHI Yue1,2, JIANG Jin-lin2*, DENG Zheng-dong1

(1.National Defense College of Engineering, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210009, China；2.Key laboratory of Pesticide Environmental Assessment and Pollution Control, Nanjing Institute of Environmental Sciences, Ministry of Environmental Protection, Nanjing 210042, China)., 2017,37(11)：4284~4293

Microcystins (MCs) and other toxic metabolites, released from cyanobacterial blooms, can be transferred to farmland via irrigation and therefore may have adverse effects on terrestrial crops. In the present study, the net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductivity and chlorophyll fluorescence, as well as the ultrastructural features of leaves of rice (L.) at vegetative stage were investigated under the exposure to a series of concentrations of MC-LR (0.1, 1.0, 10.0, 100.0 and 500.0μg/L) andcrude extracts (0.002 lysate, 0.02 lysate and 0.2 lysate) for 21days. Results showed that exposure to pure MC-LR can produce significant inhibitory effects on the photosynthetic characteristic parameters of rice, and the transpiration rate and stomatal conductivity are the most sensitive indicators in rice to MC-LR exposure. In contrast, different effect characteristics of photosynthesis parameters, even the stimulating and promoting effects, were found in rice under the exposure tocrude extracts (e.g. significant induction of the transpiration rate and stomatal conductivity of rice under the exposure to 0.02lysate). In addition, a series of ultrastructural alterations were also found in rice leaves exposed to high levels of the pure MC-LR andcrude extract. These results suggested that the toxicity mechanism ofcrude extracts to rice is different from pure MC-LR and the decrease of biological toxicity might be due to the changes of MCs bio-availability caused by the interactions with other components co-existed in crude extract solution.

MC-LR；；rice；photosynthesis

X503.231

A

1000-6923(2017)11-4284-10

時 玥(1984-),女,江蘇南京人,講師,碩士,研究方向為污染生態(tài)學(xué)和水污染控制.發(fā)表論文10篇.

2017-05-03

國家自然科學(xué)基金青年基金(21407056)

* 責(zé)任作者, 副研究員, jjl@nies.org