鎘脅迫條件下硅對果蔗幼苗生理生化特性的影響

王天順,廖 潔,陳 偉,蔣文艷,楊玉霞,羅麗紅,莫磊興*

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全與檢測技術(shù)研究所，廣西 南寧 530007；2.農(nóng)業(yè)部甘蔗品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心(南寧)，廣西 南寧 530007)

果蔗汁多清甜，脆嫩爽口，有潤津止渴、清涼解毒之美譽，贏得越來越多消費者的青睞，其種植面積正逐年擴大。但由于果蔗長期連作，以及農(nóng)業(yè)投入品的不合理使用，導致重金屬鎘(Cd)在土壤中日漸積累，Cd污染狀況日益嚴重，進而會給消費者的身體帶來安全隱患[1]。因此，對果蔗生長土壤中的Cd進行防治調(diào)控意義重大。硅(Si)是地球上豐富度僅次于氧的元素，也是植物生命周期內(nèi)所需的重要營養(yǎng)元素，Si可以調(diào)控植物對重金屬的抵抗力[2-3]。研究表明，Si能調(diào)控植物葉片的光合作用及光合效率；能降低根系細胞的透性，提高根系活力，促進根系的繁育生長；能改善抗氧化酶活性用以抵御植物體內(nèi)自由基傷害等，進而緩解Cd對植物的影響[4-7]。筆者前期研究了Cd脅迫下Si對果蔗幼苗鮮質(zhì)量、株高、根長的影響以及Cd在果蔗幼苗根、莖、葉中的積累分布[8-10]，但沒有研究Cd脅迫下Si對果蔗幼苗生理生化指標的確切影響，而且對相應的影響機制未做深入探討。為此，采用砂培試驗，研究Cd脅迫下不同Si用量對果蔗幼苗生理生化指標的影響，以期進一步揭示Cd脅迫下Si對果蔗毒害的緩解機制，為合理利用Si緩解重金屬對植物的毒害提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試果蔗品種為Badila。

1.2 試驗方法

采用生物組培方法培育果蔗幼苗，培育50 d后，選取生長均勻的果蔗幼苗，將根部用超純水反復沖洗干凈后，栽種3棵于砂桶中，砂桶直徑20 cm、高25 cm，每桶裝12 kg砂粒。按文獻[10]方法配制pH值為5.5左右的營養(yǎng)液，間隔3～5 d向砂桶中施澆營養(yǎng)液一次，每次0.5 L。預培養(yǎng)60 d后，施含Cd、Si的營養(yǎng)液。含Cd、Si的營養(yǎng)液共設(shè)置5個質(zhì)量濃度，每個質(zhì)量濃度4次重復。T0：Cd為0 mg/L，Si為0 mg/L；T1：Cd為10 mg/L，Si為0 mg/L；T2：Cd為10 mg/L，Si為10 mg/L；T3：Cd為10 mg/L，Si為20 mg/L；T4：Cd為10 mg/L，Si為40 mg/L。分別以T0和T1處理作為Cd空白對照和Si空白對照，初次施含Cd、Si的營養(yǎng)液2 L，7 d后再施含Cd、Si的營養(yǎng)液2 L，然后間隔3～5 d施不含Cd、Si的營養(yǎng)液0.5 L，30 d后采樣。

1.3 樣品采集

處理30 d后采取果蔗葉片，用去離子水把葉片反復沖洗干凈，再用吸水紙將葉片擦拭干凈，液氮速凍，超低溫保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4 測定項目及方法

采用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[11]；采用紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性[11]；采用硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛(MDA)含量[11]；采用酸性茚三酮比色法測定游離脯氨酸(Pro)含量[11]；采用比色法測定葉綠素含量[12]。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel 2010處理數(shù)據(jù)，采用 SPSS 18.1 進行數(shù)據(jù)差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫下Si對果蔗葉片抗氧化酶活性的影響

2.1.1 SOD活性 由圖1可知，相比T0處理，T1處理果蔗葉片因受Cd脅迫影響SOD活性提高，提高幅度為9.58%，但差異不顯著；其余處理SOD活性均降低，差異也均不顯著，分別降低7.05%、7.49%、11.90%。與T1處理相比，各添加Si處理果蔗葉片SOD活性均不同程度降低，分別降低15.18%、15.58%、19.60%，差異均未達顯著水平。因此，在一定質(zhì)量濃度的Cd脅迫下，無Si處理時Cd脅迫提高了果蔗葉片SOD活性，但施用不同質(zhì)量濃度Si后，果蔗葉片SOD活性均所下降，可見施Si緩解了Cd脅迫對果蔗葉片的影響。

相同字母表示處理間差異不顯著(P>0.05),下同

2.1.2 CAT活性 由圖2可知，相比T0處理，T2處理果蔗葉片CAT活性降低，降低幅度為20.01%，差異不顯著；其余處理CAT活性均提高，分別提高11.43%、14.27%、8.37%，但差異均未達顯著水平。與T1處理相比，T3處理果蔗葉片CAT活性升高，提高幅度為2.46%；T4處理果蔗葉片CAT活性降低，降低幅度為2.57%；T2處理果蔗葉片CAT活性降低，降低幅度為28.21%，差異均不顯著。因此，在一定質(zhì)量濃度的Cd脅迫下，果蔗葉片CAT活性變化與施Si量有關(guān)，一定施用量的Si能緩解Cd對果蔗葉片的影響。

圖2 不同處理對果蔗葉片CAT活性的影響

2.2 Cd脅迫下Si對果蔗葉片MDA含量的影響

由圖3可知，相比T0處理，其余各處理果蔗葉片MDA含量均有所增加。其中，T1處理因受Cd脅迫影響，MDA含量顯著增加了27.66%，T2、T3 和T4處理分別增加了8.52%、23.40%和14.90%，加Si各處理間差異不顯著。與T1處理相比，各添加Si處理果蔗葉片MDA含量均不同程度減少，分別減少了15.00%、3.33%和10.00%，差異均未達顯著水平。這表明加Si減少了因Cd脅迫引起的果蔗葉片MDA含量的增加程度，但減少程度不隨Si用量的增加而發(fā)生明顯變化。因此，在一定質(zhì)量濃度的Cd脅迫下，施Si能緩解Cd對果蔗葉片的影響。

不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同

2.3 Cd脅迫下Si對果蔗葉片Pro含量的影響

由圖4可知，T1處理果蔗葉片受Cd脅迫影響Pro含量增加，增加幅度為10.42%；其余處理Pro含量均減少，分別減少34.14%、16.48%和31.98%，加Si各處理間差異不顯著。與T1處理相比，各添加Si處理果蔗葉片中Pro含量均下降，分別減少了40.35%、24.36%和38.40%，T2和T4處理差異顯著。這表明加Si降低了因Cd脅迫引起的果蔗葉片Pro含量。因此，在一定質(zhì)量濃度的Cd脅迫下，施Si緩解了Cd對果蔗葉片的影響。

圖4 不同處理對果蔗葉片Pro含量的影響

2.4 Cd脅迫下Si對果蔗葉片葉綠素含量的影響

各處理果蔗葉片葉綠素含量如圖5所示，與T0處理相比，只有T3處理果蔗葉片葉綠素含量有所增加，增加幅度為8.92%；T1、T2和T4處理果蔗葉片葉綠素含量均有一定幅度降低，其中T1處理因受Cd脅迫影響，降低14.17%，T2 和T4處理分別降低5.35%和16.04%。與T1處理相比，施Si處理果蔗葉片葉綠素含量隨著Si質(zhì)量濃度的增加呈先增加后減小趨勢，T2處理葉綠素含量增加10.28%，T3處理增加25.23%，T4處理減少2.18%，差異均未達顯著水平。T3處理果蔗葉片葉綠素含量最多，是T0處理的107.49%，是T1處理的125.23%。因此，在一定質(zhì)量濃度的Cd脅迫下，施Si緩解了Cd對果蔗葉片的影響。

圖5 不同處理對果蔗葉片葉綠素含量的影響

3 結(jié)論與討論

植物體在逆境條件下會啟動膜保護系統(tǒng)，用于清除體內(nèi)產(chǎn)生的自由基[13]。當植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧自由基得到及時清除時，其體內(nèi)的活性氧自由基才能保持平衡，減少對植物的傷害。SOD和CAT是逆境脅迫下維持植物生存的重要酶類，是植物抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成部分，其活性大小可用來評價逆境脅迫條件下植物抗脅迫能力的強弱[14-16]。本研究結(jié)果表明，在Cd脅迫條件下，相較T0處理果蔗體內(nèi)不僅SOD活性有一定幅度升高，而且CAT活性也有一定幅度升高。施用不同質(zhì)量濃度Si后，相較T1處理果蔗體內(nèi)SOD活性均呈下降趨勢，Si的作用開始發(fā)揮，降低了Cd脅迫的傷害；CAT 活性較T1處理先下降后變化不大，說明隨著Si質(zhì)量濃度的增加,Si的抑制傷害效果開始降低。綜上，施Si減弱了Cd脅迫下果蔗幼苗受的傷害。這與前人[17-19]的研究結(jié)果類似。

植物組織在遭受重金屬脅迫時，會啟動自身膜系統(tǒng)來抵御重金屬對其細胞膜組織的傷害，從而在體內(nèi)發(fā)生一系列的生化反應用于自我保護，MDA就是這一作用過程中的產(chǎn)物，MDA含量可在一定程度上反映植物體內(nèi)自由基的變化[20]，可反映逆境條件下植物膜系統(tǒng)受傷害的程度[21-22]。本研究結(jié)果表明，當遭受重金屬Cd脅迫時，明顯刺激了果蔗葉片的膜系統(tǒng)，以致果蔗組織脂膜化作用加劇，MDA含量升高。施用不同質(zhì)量濃度的Si后，果蔗葉片中MDA含量均比不施用Si處理有所降低，可見施Si減輕了果蔗葉片的膜脂過氧化程度，對Cd脅迫引起的膜系統(tǒng)危害有一定的緩解作用。但施用高質(zhì)量濃度的Si時，緩解效果有所下降。說明在合適的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)，Si對Cd毒害才有緩解作用，這與張志雯等[23]、袁宇飛等[24]的研究結(jié)果相似。

Pro能有效保護植物細胞的膜系統(tǒng)[25]，Pro在植物體內(nèi)的積累可視為植物受到脅迫的一種信息指示[26-27]，Pro含量可反映植物細胞結(jié)構(gòu)和功能受損傷的程度，這是植物對逆境脅迫的本能防御反應[28]。本研究結(jié)果表明，當遭受重金屬Cd脅迫時，果蔗幼苗葉片Pro含量升高，植物體內(nèi)Pro含量的增加是植物對逆境脅迫的一種適應性反應，這與李文一等[29]的研究結(jié)果一致。隨著Si的加入，各處理的Pro含量均較T1處理降低，說明Si在一定程度上緩解了Cd毒害對果蔗幼苗的影響，這與劉鳴達等[30]的研究結(jié)果類似。

葉綠素在植物進行光合作用過程中起著舉足輕重的作用，是光合作用過程中必不可少的重要物質(zhì)，其含量的高低能指示植物光合能力的強弱，也能衡量植物在逆境下受傷害的大小[31]。研究發(fā)現(xiàn)，Cd會致使葉綠體及色素解體，降低光合作用效率，從而導致植物葉片枯萎[32]。本研究結(jié)果表明，Cd脅迫減弱了果蔗葉片的光合作用，葉綠素含量降低；施Si后，隨著Si用量的增加果蔗葉片葉綠素含量先增大后降低，在T3處理時葉綠素含量達到最大值，其中T2和T3處理果蔗幼苗葉綠素含量均高于T1處理，但T4處理果蔗幼苗葉綠素含量與T1處理差別不大。因此，在Cd脅迫條件下，一定質(zhì)量濃度的Si可以緩解Cd毒害對果蔗幼苗的影響；但當Si的質(zhì)量濃度過高時，緩解程度又有所降低。說明Si對Cd作用下果蔗幼苗葉綠素含量的影響是有限的，這與張志雯等[23]的研究結(jié)果類似。

綜上，在Cd脅迫條件下，Si通過提高葉綠素含量、改善抗氧化酶的活性、調(diào)控MDA含量及Pro含量等途徑，緩解重金屬Cd脅迫對果蔗的毒害，使果蔗在逆境條件下得以生長。在Cd脅迫下，施用適量的Si可在一定程度上緩解Cd對果蔗幼苗造成的毒害，有關(guān)Si緩解果蔗幼苗Cd毒害的深層次生理機制尚待深入研究，可從果蔗組織內(nèi)Cd的化學結(jié)合形態(tài)、亞細胞及分子分布方面開展進一步研究。

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