不同禾本科植物對鋅錳復合脅迫的響應差異

方鑫 嚴涵 姚鵬程

摘? 要：為篩選修復鋅錳重金屬污染土壤的作物，采用營養(yǎng)液培養(yǎng)，研究了100 mg/L，150 mg/L，200 mg/L鋅、錳復合脅迫對水稻及小麥生長情況、葉綠素含量、游離脯氨酸含量、丙二醛含量以及超氧化物歧化酶活性的影響。結果顯示，鋅、錳復合脅迫均顯著抑制2種作物的生長，導致其株高降低，根長減小，根系體積減小，葉綠素含量大幅下降，游離脯氨酸、丙二醛（MDA）含量顯著上升（P<0.05），超氧化物歧化酶（SOD）活性顯著下降（P<0.05），且隨著脅迫濃度從100 mg/L上升到200 mg/L，2種作物的逆境響應不斷加劇。相同濃度下，脅迫對水稻的生長抑制強于小麥，表現(xiàn)為株高降低比例、根長減小比例以及根系體積減小比例小麥小于水稻，總葉綠素含量下降比例、游離脯氨酸含量、丙二醛含量上升幅度、超氧化物歧化酶活性下降幅度小麥小于水稻。因此，修復鋅錳重金屬污染的土地，小麥比水稻更適合種植。

關鍵詞：鋅;錳;復合脅迫;水稻;小麥

中圖分類號：S-3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.11974/nyyjs.20181131004

引言

鋅、錳作為植物生長必需的微量元素，是某些酶不可缺少的組分，也可作為某些酶的激活劑，對植物的生長和新陳代謝都有重要影響[1]。當鋅、錳離子過量則會對植物產(chǎn)生重金屬毒害，從而影響植物的生長，促使其產(chǎn)生一系列生理生化反應。而目前鋅錳干電池的隨意丟棄使得土壤遭受嚴重的鋅錳重金屬污染。對這些污染的土壤進行修復是亟待解決的問題。種植能吸收土壤中的重金屬且對污染物耐受性好的作物，是目前普遍應用的解決辦法。有研究發(fā)現(xiàn)，不同作物對重金屬離子的耐受程度不同，如水稻、小麥和蘿卜等耐鉻性較強，小白菜、黃瓜等對鉻毒害較敏感[2]。而目前關于植物對重金屬的耐受生理研究中，鋅、錳復合脅迫的報道十分罕見。

水稻和小麥同屬禾本科，是全球最主要的糧食作物，也是科學研究常用的模式植物，是在重金屬污染土壤中種植的理想作物。本研究旨在通過鋅、錳復合脅迫對水稻和小麥生長及生理生化特性的影響，篩選出更耐受鋅、錳復合脅迫的作物，為修復土壤鋅、錳重金屬污染提供理論依據(jù)，且為評價土壤鋅、錳重金屬污染提供參考指標。

1? ? ?試驗方法

試驗于2018年在上海市格致中學奉賢校區(qū)植物逆境生理學實驗室進行。供試材料為取自上海市農(nóng)業(yè)科學研究院的龍?zhí)馗水稻種子以及買自上海市種子公司的高優(yōu)503小麥種子。選取大小一致的種子，經(jīng)75% 乙醇消毒20min，用自來水沖洗20min，蒸餾水沖洗后再用蒸餾水浸種24h，黑暗催芽24h，隨后播種于含Hoagland營養(yǎng)液的塑料培養(yǎng)盒中，于溫室中12 h光照/12 h黑暗、（28±2）℃下培養(yǎng)。播種前鋅以ZnSO4·7H2O形式，錳以MnSO4 形式加入至營養(yǎng)液中，形成6個實驗組，分別水稻、小麥100mg/L Zn + 100mg/L Mn處理組各1個，150mg/L Zn + 150mg/L Mn處理組各1個，200mg/L Zn + 200mg/L Mn處理組各1個，1個水稻空白對照組，1個小麥空白對照組，對照組與所有實驗組均3組重復，pH值控制在6.5，每12h用1 mol/L 的HCl或NaOH調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH。每5d更換營養(yǎng)液1次，處理20d。

1.1? ? ?測定項目與方法

取3株材料用常規(guī)方法測定株高，根長。用排水法測定根系體積，取平均值。取水稻新鮮葉片，參考Sims[3]等的方法進行葉綠素含量的測定，參考Demiral[4]等的方法測定游離脯氨酸含量，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸顯色法[5]測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用比色法[5]測定。

1.2? ? ?數(shù)據(jù)統(tǒng)計

實驗數(shù)據(jù)均為3次重復的平均值，采用SPSS 20.0[6]軟件進行ANVOA方差分析和多重比較。

2? ? ?結果與分析

2.1? ? ? 水稻、小麥生長情況

鋅、錳復合脅迫處理20d后2種作物的生長情況（株高、根長、根系體積）見表1，水稻與小麥在3個處理下的株高均顯著低于對照組（P<0.05），根長均顯著短于對照組（P<0.05），根系體積均顯著小于對照組（P<0.05）。且隨著脅迫濃度的升高，重金屬對2種作物的抑制作用不斷增強。相同濃度處理下，鋅、錳復合脅迫對水稻的抑制作用強于小麥。其中，抑制作用最強均為200mg/L處理組，水稻在此處理下株高、根長、根系體積分別減小為對照組的59.1%、58.0%、39.1%，小麥在此處理下株高、根長、根系體積分別減小為對照組的72.5%、63.0%、54.2%。

2.2? ? ?葉綠素含量

由表2可見，各個處理均顯著降低了2種作物的葉綠素含量（P<0.05）。同種作物隨著脅迫濃度的升高，葉綠素a，葉綠素b，總葉綠素含量逐漸降低。相同濃度處理下，鋅、錳復合脅迫對水稻葉綠素含量的影響大于小麥。2種作物均在200mg/L處理下葉綠素含量下降最多。水稻的葉綠素a，葉綠素b，總葉綠素含量分別下降為對照組的65.9%、45.8%、59.5%。小麥的葉綠素a，葉綠素b，總葉綠素含量分別下降為對照組的72.3%、81.8%、74.6%。由葉綠素a/b數(shù)據(jù)可知，水稻葉綠素a的降幅低于葉綠素b，小麥葉綠素a的降幅高于葉綠素b。

2.3? ? ?游離脯氨酸含量

3個濃度脅迫下，2種作物葉片中游離脯氨酸含量均上升（圖1）。對于同種作物，隨著脅迫濃度的升高，脯氨酸含量不斷上升。相同濃度下，水稻脯氨酸含量上升的比例大于小麥。2種作物均在200mg/L處理下，脯氨酸含量達到最高，與對照組相比，水稻上升31.5%，小麥上升26.2%。

2.4? ? ?MDA含量和SOD活性

處理20d后，3個水稻處理組中的葉片均出現(xiàn)明顯的壞死斑及黃化現(xiàn)象，而小麥僅在200mg/L處理組出現(xiàn)這種現(xiàn)象。此現(xiàn)象與葉片中丙二醛含量上升有直接關系。對于同種作物，脅迫濃度越高，葉片黃化現(xiàn)象越嚴重，與表3 MDA含量相對應。相同濃度下，水稻MDA上升的比例高于小麥，在200mg/L處理組，2種作物丙二醛積累量均最高。水稻達到對照組的1.57倍，小麥達到對照組的1.36倍。

各濃度的鋅、錳復合脅迫均顯著降低2種作物葉片中SOD的活性。對于同種作物，SOD活性隨著脅迫濃度的升高而降低。相同濃度下，脅迫對作物葉片中SOD活性的影響水稻大于小麥。2種作物均在200mg/L處理組SOD活性下降最多，與對照組相比，分別下降32.3%、27.9%。

3? ? ?討論

鋅錳干電池的隨意丟棄使土壤遭受嚴重的重金屬污染。Zn、Mn是植物生長的必需元素，種植于污染土壤中的植物通過吸收土壤中的污染物達到修復土壤污染的目的。因此篩選在重金屬污染土壤中能夠較好生長的植物尤為必要。禾本科植物由于其高度進化的風媒傳粉結構、高效的物質運輸效率以及極高的水分利用率等使其在各種土壤中均能夠適應生長。因此禾本科植物成為了在重金屬污染土壤中種植的首選。

本研究所涉及的2種禾本科植物，小麥在100mg/L的低濃度處理組株高和根系體積分別下降為對照組的87.2%、71.6%，大于水稻的80.9%、55.6%。根長下降為對照組的85.4%，略小于水稻的87.0%。在200mg/L的高濃度處理組，小麥的株高、根長、根系體積分別下降為對照組的72.5%、63.0%、54.2%，均高于水稻的59.1%、58.0%、39.1%。表明在較高濃度的鋅錳復合污染的土壤中，不同禾本科植物的適應性有較大差異，小麥的適應性更強于水稻。

碳酸酐酶是植物葉綠體中的重要成分，鋅是碳酸酐酶的主要成分[7]。因此鋅在植物體內(nèi)具有重要的作用。但當鋅過量時則顯著提高了植物過氧化氫酶和愈創(chuàng)木酚過氧化物酶的活性，導致含氧自由基大量產(chǎn)生，葉綠體膜脂過氧化，葉綠體內(nèi)膜結構遭到破壞，使葉綠素的氧化分解加快[8]。這是鋅過量導致植物葉綠素含量降低的機理。本研究發(fā)現(xiàn)，無論是小麥還是水稻，在這3個濃度下均出現(xiàn)了葉綠素含量顯著下降的現(xiàn)象，說明2種作物在這3個濃度下均受到了較強的脅迫。水稻葉綠素a下降的比例低于葉綠素b，小麥葉綠素a下降的比例高于葉綠素b，這可能與2種植物本身葉綠素a與b的含量差異有關。而不管在哪個脅迫濃度下，葉綠素a，葉綠素b，葉綠素a+b下降的比例均為水稻大于小麥，也說明小麥在較高濃度的鋅、錳復合污染土壤中適應性好于水稻。

與葉綠素含量下降機制相似，MDA作為脂質過氧化的產(chǎn)物，在植物受脅迫時，在植物體內(nèi)含量會上升[9]。直觀表現(xiàn)為葉片出現(xiàn)壞死與黃化現(xiàn)象。在培養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)，3個水稻處理組中的幼苗葉片均出現(xiàn)明顯的壞死斑及黃化現(xiàn)象，而小麥僅在200mg/L處理組出現(xiàn)這種現(xiàn)象。從最宏觀角度也可說明小麥更加適應于在鋅、錳復合污染的土壤中生長。

隨著逆境下脂質的過氧化，植物隨即會啟動抗氧化系統(tǒng)，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）和谷胱甘肽還原酶（GR）等[10] 的含量變化。其中超氧化物歧化酶（SOD）即是植物抗氧化系統(tǒng)中一種重要的酶， Zn、Mn元素是植物體內(nèi)Cu、Zn-SOD、Mn-SOD的組成成分。當其過量時，反而會抑制SOD的活性[11]，因此， 在脅迫環(huán)境下SOD活性下降少的植物更適合用于修復土壤污染。而本研究發(fā)現(xiàn)在100mg/L，150mg/L，200mg/L鋅、錳復合脅迫條件下，小麥的SOD活性下降幅度均小于水稻。

作為細胞的一種滲透調(diào)節(jié)機制，環(huán)境脅迫會導致脯氨酸積累已被許多研究證實[12-14]。本研究中2種作物各個處理組游離脯氨酸均發(fā)生積累，且小麥的積累效應小于水稻，與其他指標的結果類似，因此，也可將游離脯氨酸的積累量作為脅迫指標進行修復作物的篩選。

參考文獻

[1]黃建國.植物營養(yǎng)學[M].北京：中國林業(yè)出版社，2004： 200.

[2]鄧波兒，劉同仇，周易勇，等.不同作物對鉻毒害耐性的研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，1991（1）：98-103.

[3]SimsD A，Gamon J A.Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species，leaf structures and developmental stages[J].Remote Sensing of Environment，2002（81）： 337-354.

[4]Demiral T，Turkan I.Comparative lipid peroxidation，antioxidant defense systems and proline content in roots of two rice cultivars differing in salt tolerance[J].Environmental and Experimental Botany，2005（53）：247-257.

[5]張志良，瞿偉菁.植物生理學實驗指導（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]CORP I B M.IBM SPSS statistics for Windows，version 20.0.Armonk[M].NY： IBM Corp.Released 2011.

[7]Wood I G.Sibley P M.Carbonic anhydrase activity in plants in relation to zinc content[J].Australian Journal of Science Research，1952（B5）：244-255.

[8]蔣明義，楊文英，徐江，等.滲透脅迫下水稻幼苗中葉綠素降解的活性氧損傷作用[J].植物學報，1994，36（4）：289 -295.

[9]CHAOUI A，MAZHOUDI S，GHORBAL M H，et al.Cadmium and zinc induction of lipid peroxidation and effects on antioxidant enzyme activities in bean （Phaseol usulgaris L[J].Plant Science，1997（127）：139-147.

[10]郭天榮，姚鵬程，張子棟.鋁毒和低磷脅迫下水稻幼苗抗氧化系統(tǒng)的響應[J].中國水稻科學，2013，27（6）：653-657.

[11]邵鄰相，黃伯鐘，丁淑靜.鋅、錳、鐵和銅離子對水稻幼苗生長及SOD活性的影響[J].種子，2001（6）：16-17，19.

[12]WATANABE S，KOJIMA K，IDE Y，et al.Effects of saline and osmotic stress on proline and sugar accumulation in Populu seuphratica in vitro[J].Plant Cell Tissue and Organ Culture，2000（63）：199-206.

[13]ASHRAF M，HARRIS P J C.Potential biochemical indicators of salinity tolerance in plants[J].Plant Science，2004（166）：3-16.

[14]MANSOUR M M F，SALAMA K H A，ALI F Z M，et al.Cell and plant responses to NaCl in Zea mays L.cultivars differing in salt tolerance[J].General Applied Plant Physiology，2005（31）：29-41.