鉻脅迫下氮施用對玉米苗期生理特性和鉻含量的影響

文雅,李俞昕,李國軍,李華*

(1.山西財經(jīng)大學 體育學院,山西 太原 030006;2.山西大學 環(huán)境與資源學院,山西 太原 030006)

0 引言

六價鉻(Cr)是環(huán)境中毒性很強的重金屬之一,當其積累到一定程度時,植物會受到明顯的脅迫作用,對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)安全也產(chǎn)生一定威脅[1]。

施肥不僅可以提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量,還能夠改變土壤中重金屬的形態(tài),進而影響植物對重金屬的吸收,但不同元素組成的肥料對重金屬的影響不盡相同[2]。氮(N)作為植物合成氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸等的重要成分,在其生長、代謝和遺傳等方面具有不可替代的作用。近年來,國內(nèi)外學者就N對土壤重金屬的影響做了大量研究，結果表明N肥的施用可以促進植物生長,緩解重金屬對植物的毒害作用[3-4];不同N處理水平和N形態(tài)對植物吸收和富集重金屬的影響不一致[5-6]；N施用量和N形態(tài)對種植植物土壤中的重金屬含量和形態(tài)影響不顯著[6-7]。但目前有關N與重金屬Cr之間的相互作用對玉米幼苗生理特性和Cr含量影響的研究還鮮見報道 ,本研究采用溶液培養(yǎng)法,以玉米幼苗為實驗對象,研究Cr脅迫下不同N施用量對玉米苗期生理特性的影響,確定不同Cr污染濃度下的最佳N施用量,為采用施肥措施降低重金屬的環(huán)境危害提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗設計

采用溶液培養(yǎng)法,營養(yǎng)液配方如表1所示,以玉米幼苗為實驗對象。種子(玉糯二號)經(jīng)質(zhì)量分數(shù)為10%的過氧化氫溶液消毒10 min后蒸餾水洗凈,置于培養(yǎng)箱(25～30℃)中催芽。當胚根長度為3～4 cm時,將其轉移至1/2營養(yǎng)液的培養(yǎng)器中(3 L塑料桶),待長出真葉后采用完全營養(yǎng)液培養(yǎng)。營養(yǎng)液的pH為6～6.5,更換周期為3 d,期間不間斷緩慢鼓入空氣[8]。采用雙因素完全隨機區(qū)組設計方法,在完全營養(yǎng)液中設置不同水平的Cr6+(0,20,40,100 μmol/L)和N(4 000,8 000,16 000 μmol/L)處理,共12個處理,每個處理重復3次。每個培養(yǎng)器定植3株玉米幼苗,在培養(yǎng)室中培養(yǎng),其環(huán)境條件見表2。培養(yǎng)30 d后收獲玉米幼苗的地上部和地下部。一部分洗凈后測定玉米幼苗的葉綠素、丙二醛(MDA)含量和根系活力；另一部分于105℃下殺青30 min,75℃烘干至恒重,測定玉米幼苗根部和地上部Cr含量。

表1 營養(yǎng)液組成

表2 玉米幼苗培養(yǎng)環(huán)境條件

1.2 測定方法

玉米幼苗葉綠素含量丙二醛(MDA)含量和根系活力分別采用乙醇丙酮混合液比色法、硫代巴比妥酸比色法和TTC比色法測定[9];植株Cr含量采用HNO3和H2O2消解,火焰分光光度計測定[10]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析,并對數(shù)據(jù)進行單因素方差分析(One-Way ANOVA),Doncan法進行顯著性差異分析。

2 結果與討論

2.1 不同處理對玉米幼苗葉綠素含量的影響

在玉米幼苗生長期,葉綠素含量一定程度上反映了植物光合器官的生理狀況和光合作用水平。由圖1可見,當N處理水平為4 000 μmol/L時,葉綠素含量隨著營養(yǎng)液中Cr濃度的升高而顯著降低(P<0.05)。N處理水平為8 000和16 000 μmol/L,Cr濃度為20 μmol/L時,與對照相比,葉綠素含量沒有顯著性差異(P>0.05)。當Cr濃度>20 μmol/L時,葉綠素含量隨著Cr濃度的升高顯著降低(P<0.05)。隨著N處理水平的升高玉米幼苗葉綠素含量顯著升高(P<0.05),在N處理水平為16 000 μmol/L時葉綠素含量達到最大。

Fig. 1 Effect of different treatments on the chlorophyll contents of maize seedings注:小寫字母不同表示同一Cr處理組間有顯著性差異,P<0.05,下同。圖1 不同處理對玉米幼苗葉綠素含量的影響

Cr脅迫下植物體內(nèi)葉綠素含量降低是因為Cr使植物細胞內(nèi)結構發(fā)生了變化,葉綠素酸酯還原酶活性或氨基-γ-酮戊酸的合成被抑制,進而影響了玉米幼苗葉綠素含量[11]。而N的施用促進了玉米幼苗葉片葉綠素的合成和發(fā)育,緩解Cr對細胞的毒害作用,增強光合作用效率。有研究表明,N對植物葉綠體的影響主要是通過調(diào)控葉綠體發(fā)育、葉綠素合成、電子傳遞系統(tǒng)以及光合作用酶活性來實現(xiàn)[12]。黃成能等[13]研究也發(fā)現(xiàn),N在一定程度的增加促使了葉綠素的合成。

2.2 不同處理對玉米幼苗MDA含量的影響

植物受Cr脅迫時體內(nèi)會積累大量活性氧,增大細胞膜脂的氧化作用,使得MDA含量升高,所以植物體內(nèi)MDA含量可以表征植物受Cr的氧化毒害程度[14]。由圖2可知,玉米幼苗體內(nèi)MDA含量隨Cr處理濃度的升高呈現(xiàn)出低抑高促的趨勢,分別在Cr處理濃度為20、20和40 μmol/L時含量達到最低。之后隨著Cr處理濃度的升高MDA含量增加,在100 μmol/L時達到顯著性差異(P<0.05)。無Cr處理組中玉米幼苗葉片MDA含量隨溶液中N濃度的升高而顯著降低(P<0.05)。當Cr處理濃度為20和100 μmol/L時,隨著N處理水平的升高,玉米幼苗MDA含量在N處理濃度16 000 μmol/L時達到顯著性差異(P<0.05)。當Cr處理濃度為40 μmol/L時,葉片MDA含量在中N處理組達到最大(P<0.05),低N處理和高N處理MDA含量沒有顯著變化(P>0.05)。

Fig.2 Effect of different treatments on the MDA contents of maize seedings圖2 不同處理對玉米幼苗丙二醛含量的影響

高濃度Cr脅迫下MDA增加可能是玉米幼苗組織細胞損傷,活性氧代謝平衡受到破壞,膜脂過氧化水平高[15]。馮旭等[16]研究也發(fā)現(xiàn)Cr脅迫對葎草雌雄幼苗MDA含量的影響總體變化趨勢是低抑高促。適量N的施用可與Cr形成協(xié)同作用,促進Cr在玉米幼苗體內(nèi)的積累和轉運,破壞了其活性氧代謝平衡,提高了膜脂過氧化水平,導致了葉片MDA含量升高,加重了Cr對玉米幼苗的脅迫程度。而在低N和高N處理組中N和Cr形成了拮抗作用,N的加入緩解了Cr對玉米幼苗的毒害作用。

2.3 不同處理對玉米根系活力的影響

張宇虹等[17]指出,植物不同部位對Cr的敏感程度不同,而根是植物吸收營養(yǎng)和水分的主要器官,也是最先接觸重金屬Cr的部分,因此最容易受到Cr的毒害。根系活力可以反映根系生命活動的強弱,是衡量根的生長和代謝的主要指標之一[18]。

如表3所示,玉米幼苗根系活力隨Cr處理濃度的升高而顯著降低(P<0.05)。當Cr濃度為100 μmol/L時,玉米幼苗的根系活力分別降低了49.23%、42.47%和30.0%。不同N處理組中,玉米幼苗根系活力的變化趨勢與葉綠素相似,隨著N處理水平的升高而升高,且差異達到顯著性水平(P<0.05)。

表3 不同處理對玉米幼苗根系活力的影響

當植物根部與Cr接觸后,根細胞絡合Cr產(chǎn)生逆境乙烯,而逆境乙烯對細胞有很強的毒害作用;同時,Cr也會影響根細胞的形態(tài)和結構,從而降低玉米幼苗的根系活力[17]。董冰冰等[19]研究也發(fā)現(xiàn),受Cr脅迫時黑麥草和牽?；ǖ母祷盍︼@著降低。本研究中N的加入提高了玉米幼苗的根系活力,提高N處理水平促進了根系的生長；另外，由于施N量的提高,地上部分碳氮代謝得到增強;在本研究中表現(xiàn)為葉綠素含量的增加,合成的物質(zhì)向下運輸,提高了根部的營養(yǎng)水平,進而提高了玉米幼苗的根系活力。

2.4 不同處理對玉米幼苗鉻含量的影響

植物所需物質(zhì)一般通過根部吸收,由于Cr不是植物的必需元素,因此植物體內(nèi)缺乏針對Cr的運輸機制,導致Cr在植物體中的移動性一般較低[20]。由表4可見,玉米幼苗根部Cr含量均遠高于地上部含量,且隨溶液中Cr濃度的升高而增加(P<0.05)。由表5可知,溶液Cr濃度升高,玉米幼苗根部的富集系數(shù)顯著降低(P<0.05),地上部的富集系數(shù)變化不一致,而其轉運系數(shù)升高,在Cr濃度100 μmol/L時達到顯著性差異(P<0.05)。隨著N處理水平的升高,玉米幼苗根部的Cr含量和富集系數(shù)顯著降低(P<0.05),地上部Cr含量顯著升高(P<0.05),玉米幼苗對Cr的富集系數(shù)和轉運系數(shù)在N處理水平16 000 μmol/L時達到顯著性差異(P<0.05),說明N的加入促進了Cr從根部向地上部的轉運。

有關植物根部對Cr的高積累量,有報道指出,Cr可與環(huán)境體系中的硫酸鹽結合,利用植物體內(nèi)硫酸鹽的運輸系統(tǒng)滲透進入根部細胞[21]。本研究表明Cr主要積累在玉米幼苗的根部,很少向地上部分轉運,這一結果與陳永林[22]的報道一致。

表4 不同處理對玉米幼苗鉻含量的影響

表5 不同處理下玉米幼苗對Cr的轉運系數(shù)(TF)和富集系數(shù)(BCF)

N的施加一方面降低了Cr的有效性,減少玉米幼苗對其的吸收和積累;另一方面促進植物生長,造成了玉米幼苗對Cr的稀釋效應,降低了Cr在玉米幼苗根部的積累[23]。N的加入同時促進了植物蛋白酶的合成,進而促進Cr在玉米幼苗體內(nèi)的轉運；除此之外,N也促使植物體內(nèi)一些氨基酸的合成和積累,在一定程度上促進Cr的轉運和分配[24]。因此,在實際的生產(chǎn)中要根據(jù)植物的可利用部分選擇不同的施N量。

3 結論

(1)Cr濃度對玉米幼苗葉片MDA的影響表現(xiàn)為低抑高促。適量的N處理可以減少葉片MDA的含量,N濃度過低或過高作用效果不顯著。

(2)Cr對玉米幼苗的葉綠素含量和根系活力有毒害抑制作用。N的加入可以降低Cr對玉米幼苗的脅迫程度。

(3)N抑制了玉米幼苗根部對Cr的吸收和積累,但促進了Cr在玉米幼苗體內(nèi)的轉運。

(4)根據(jù)所種植的植物特性和Cr濃度選擇適宜的施N量。