外源鈣對酸雨脅迫下花生幼苗生理特性的影響

張秀玲胡 冉孫 穎高凱悅孫淑芳王雨璐厲 潔

(1. 德州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,山東 德州 253023;2. 山東省高校生物技術(shù)與生物資源利用重點實驗室,山東 德州 253023)

酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪、霧、雹等大氣降水[1]。當前,酸雨問題已成為當今世界面臨的重大生態(tài)問題[2]。中國現(xiàn)已成為繼歐洲和北美之后的世界第三大酸雨區(qū),其面積已達國土面積的40%[3]。酸雨能使土壤酸化、鹽基離子流失,導(dǎo)致作物根系發(fā)育受阻、活力下降,并影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收與利用[4]。當酸雨酸度達到一定閾值時,會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生嚴重不利影響,表現(xiàn)為植物膜系統(tǒng)損傷[5],呼吸速率加快,降低蒸騰速率、酶活性、葉綠素含量和光合效率等,導(dǎo)致作物減產(chǎn)[6]。

鈣可以維持細胞膜以及膜結(jié)合蛋白的穩(wěn)定性,在多種酶活性中起重要作用,是一種良好的膜保護劑。外源Ca2+能提高水稻、小麥葉片葉綠素含量[7-8],提高抗氧化酶活性,緩解鹽分、重金屬、酸雨等各種脅迫造成的傷害[9-10]。

花生(ArachishypogaeaL.)是我國重要的油料作物和經(jīng)濟作物[11],山東是我國花生主產(chǎn)區(qū)之一,本文以花生幼苗為試材,研究外源鈣對硫酸型酸雨脅迫下花生幼苗抗氧化酶活性以及膜脂過氧化的影響,探討鈣對植物逆境傷害的緩解機理,以期為植物代謝的化學(xué)調(diào)控,強化植物抵抗酸雨脅迫的能力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試花生品種為魯花12號,由德州市種子公司提供。挑選均勻飽滿的花生種子,用0.01%的高錳酸鉀溶液消毒10 min,無菌水反復(fù)清洗干凈后吸脹24 h,置于鋪有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿中(直徑為15 cm),在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)箱參數(shù)設(shè)置晝夜溫度25/15,光照強度5700lx,光照周期14h/d,每日補充蒸發(fā)掉的水分。待種子萌發(fā)出真葉后,將長勢一致的花生幼苗種植于上口直徑26 cm、高28 cm的塑料盆中,每盆兩株幼苗,蛭石和營養(yǎng)土混合比例為1∶1作為栽培土,于溫室中自然生長,晝夜溫度 28/22℃,相對濕度 85%,每2d澆灌一次1/4的hoagland營養(yǎng)液(不含Ca2+) 150mL。待幼苗長出4～5片真葉后,選取長勢一致幼苗用作試驗處理。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)山東省實測酸雨污染物成分[12],參照王艾平方法[7]以SO42-和NO3-質(zhì)量濃度比為5∶1的比例配制模擬酸雨母液,使用精密酸度計將母液以蒸餾水稀釋為pH值4.5的酸雨液。CaCl2濃度分別設(shè)為0、10、20、30、40和50mmol/L,對照無酸雨脅迫且無氯化鈣處理,共7個處理,3次重復(fù),隨機排列。

用小型噴霧器將不同濃度CaCl2溶液依次均勻噴灑在花生幼苗全株,每日于9:00,21:00各噴施1次,處理4d,用量25 mL/盆·次。生長5d后以酸雨脅迫,24h一次,連續(xù)2次,方法、用量同前,酸雨脅迫6d后,采取同一部位的展開葉片,用于測定各項生理指標。

1.3 測定方法

過氧化物酶(POD)含量的測定采用愈創(chuàng)木酚法[13],過氧化氫酶(CAT)的測定按武賢莉等[14]的方法進行,超氧化物歧化酶(SOD)的測定參考王學(xué)奎[15]的方法。相對電導(dǎo)率的測定采用浸泡法[16],丙二醛(MDA)和可溶性糖的測定采用硫代巴比妥酸顯色法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)分析采用SPSS和 Excel軟件處理。用Excel 2010 進行數(shù)據(jù)整理和作圖,用 SPSS 19.0數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)分析,差異顯著性分析采用LSD 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源鈣對酸雨脅迫下葉片SOD活性的影響

圖1可知,與正常對照相比,酸雨對照SOD活性提高了30.4%,表明沒有外源鈣的情況下,花生幼苗啟動自身的防御機制,增加了SOD活性。隨CaCl2濃度增加,酸雨脅迫下SOD活性呈上升趨勢,各CaCl2濃度下,分別比酸雨對照提高129%、151%、254%、272%、211%,與正常對照和酸雨對照差異顯著。表明外源鈣能有效提高SOD酶的活性,有效清除活性氧,降低植物細胞內(nèi)活性氧自由基對植物的傷害。

圖1 不同濃度Ca2+對酸雨脅迫下SOD活性的影響Fig.1 Effect of Ca2+ concentration on SOD activity in peanut seedlings under acid rain stress

2.2 外源鈣對酸雨脅迫下葉片POD活性的影響

圖2可知,與正常對照相比,酸雨對照POD活性提高了11.4%,表明酸雨脅迫下產(chǎn)生了大量的O2-,誘導(dǎo)了POD活性上升,來清除逆境中花生幼苗體內(nèi)過多的O2-。隨外源鈣濃度升高,花生幼苗POD活性整體呈上升趨勢,40 mmol/L的CaCl2處理下,較酸雨對照處理提高了85.6%,且差異顯著,表明在該濃度下外源鈣提高了酸雨脅迫下花生幼苗POD活性。50 mmol/L的CaCl2溶液處理下,酶活性迅速下降,外源鈣濃度過高抑制了POD活性。

圖2 不同濃度Ca2+對酸雨脅迫下POD活性的影響Fig.2 Effect of Ca2+ concentration on POD activity in peanut seedlings under acid rain stress

2.3 外源鈣對酸雨脅迫下葉片CAT活性的影響

由圖3看出,相比正常對照,酸雨脅迫使花生幼苗CAT活性提高了7.6%。隨外源鈣濃度升高,CAT活性呈先升后降趨勢,10～50 mmol/L CaCl2均能提高花生幼苗的CAT活性,CaCl2濃度為30 mmol/L下,花生幼苗體內(nèi)CAT活性達到最大值,較酸雨對照增加了39.9%,與酸雨對照差異顯著。在40、50mmol/L的CaCl2處理濃度下,CAT活性呈下降趨勢,但依然高于對照處理,與對照差異不顯著。表明外源鈣提高了酸雨脅迫下花生幼苗的CAT活性,提高了花生幼苗抵抗酸雨能力。

圖3 不同濃度Ca2+對酸雨脅迫下CAT活性的影響Fig.3 Effect of Ca2+ concentration on CAT activity in peanut seedlings under acid rain stress

2.4 外源鈣對酸雨脅迫下葉片MDA含量的影響

圖4可見,和正常對照相比,酸雨對照顯著增加了花生幼苗MDA含量,較對照增加了123.6%。隨CaCl2濃度增加,MDA含量呈下降趨勢,10、20、30、40、50 mmol/L各CaCl2濃度下,比酸雨對照分別下 降 了7.6%、21.5%、29.2%、41%、3.3%,40 mmol/L CaCl2下,與正常對照差異不顯著。外源鈣降低了酸雨脅迫下花生葉片MDA含量,阻止膜質(zhì)過氧化。50 mmol/L CaCl2濃度下,MDA含量又上升,活性氧產(chǎn)生速度超過了清除能力,對幼苗產(chǎn)生了傷害,致使膜質(zhì)過氧化產(chǎn)物增加。

圖4 不同濃度Ca2+對酸雨脅迫下MDA含量的影響Fig.4 EffectofconcentrationofCa2+ onMDAcontent in peanut seedlings under acid rain stress

2.5 外源鈣對酸雨脅迫下花生幼苗電導(dǎo)率的影響

植物受到脅迫時,質(zhì)膜遭到破壞,膜透性增大,電導(dǎo)率上升。圖5表明,花生幼苗在酸雨對照下,相對電導(dǎo)率比空白對照增大了42.8%,表明酸雨脅迫造成膜系統(tǒng)損害。在10、20、30、40mmol/L的CaCl2濃度處理下,相對電導(dǎo)率呈下降趨勢,分別比酸雨對照下降了49.7%、50.2%、50.3%和38.9%,且均低于空白對照且差異顯著,表明外源鈣能有效緩解酸雨對花生幼苗細胞膜的損傷。50 mmol/L的CaCl2濃度處理下,相對電導(dǎo)率顯著上升,本濃度下SOD、CAT活性下降,清除活性氧能力減弱,引起膜質(zhì)過氧化,導(dǎo)致膜透性增高。

圖5 不同濃度Ca2+對酸雨脅迫下花生幼苗電導(dǎo)率的影響Fig.5 Effect of concentration of Ca2+ on relative conductivity in peanut seedlings under acid rain stress

2.6 外源鈣對酸雨脅迫下花生幼苗可溶性糖含量的影響

圖6可知,與正常對照相比,酸雨對照花生幼苗體內(nèi)可溶性糖的含量顯著降低?；ㄉ酌缈扇苄蕴窃贑aCl2濃度0～50 mmol/L范圍內(nèi),可溶性糖含量呈先上升后下降的趨勢,但各濃度處理下均高于酸雨對照,差異不顯著,且均低于正常對照并差異顯著?？扇苄蕴鞘钦{(diào)節(jié)滲透脅迫的小分子物質(zhì),也是合成其他有機溶質(zhì)的碳架和能量來源[18]。酸雨脅迫下,會產(chǎn)生許多酸雨脅迫誘導(dǎo)蛋白,蛋白的合成會消耗糖的含量,所以糖的含量會降低。隨CaCl2濃度增高,可溶性糖含量有下降趨勢。

圖6 不同濃度Ca2+對酸雨脅迫下花生幼苗可溶性糖含量影響Fig.6 Effect of concentration of Ca2+ on soluble sugar in peanut seedlings under acid rain stress

3 討論與結(jié)論

逆境脅迫下植物產(chǎn)生自由基引起膜脂過氧化。SOD、CAT、POD是細胞內(nèi)3種重要的保護酶,SOD 能清除O2-、·OH而形成 H2O2,POD和CAT則催化H2O2為H2O[19],從而能有效阻止O2-和H2O2的積累及抑制-OH 的產(chǎn)生,對膜系統(tǒng)起保護作用[20-21]。當植物受到酸雨脅迫時,活性氧代謝紊亂,清除活性能力降低,質(zhì)膜結(jié)構(gòu)遭到破壞,導(dǎo)致膜脂過氧化[24-25]。本實驗結(jié)果表明,30mmol/L Ca2+處理有效地誘導(dǎo)了CAT活性的增強。40 mmol /L Ca2+處理POD、SOD活性達到最大值。表明Ca2+處理有效清除了逆境脅迫下積累的部分自由基,緩解了酸雨對花生幼苗的脅迫傷害。酸雨脅迫使花生幼苗MDA含量增加,40 mmol/L Ca2+處理明顯降低了MDA含量,降低膜脂過氧化作用,減輕膜脂過氧化對植物細胞的傷害。

當植物受到逆境傷害時,容易出現(xiàn)細胞膜破裂,膜蛋白受損,電解質(zhì)溶液外滲,從而導(dǎo)致相對電導(dǎo)率增大[26]。在外源鈣處理下,相對電導(dǎo)率呈下降趨勢。Ca2+可作為生物膜的穩(wěn)定劑,在維持植物細胞膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與完整性方面起重要的作用[27]。實驗結(jié)果顯示,鈣對酸雨脅迫下,花生幼苗細胞膜透性變化和MDA含量的變化趨勢相似,Ca2+處理抑制了細胞電解質(zhì)的滲漏。本研究結(jié)果顯示,30 mmol/L Ca2+可穩(wěn)定花生幼苗葉片的質(zhì)膜結(jié)構(gòu),降低質(zhì)膜透性,表現(xiàn)出對酸雨脅迫的良好防護作用。研究結(jié)果表明,酸雨脅迫下可溶性糖含量顯著降低,可能是由于酸雨脅迫誘導(dǎo)了蛋白產(chǎn)生消耗了光合作用的產(chǎn)物。隨著外源鈣的加入,可溶性糖含量有所上升,說明鈣緩解了酸雨脅迫對花生幼苗的傷害。但可溶性糖能否作為抗性鑒定指標還有待于進一步研究。