鉛脅迫對(duì)馬鈴薯幼苗生長形態(tài)及內(nèi)源激素的影響

宋 潔，郭華春，李 俊，張光海，思玲超

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院， 昆明 650201)

重金屬對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有潛在的不利影響[1]。土壤重金屬污染造成的農(nóng)作物減產(chǎn)的問題一直受到世界許多國家的關(guān)注[2]。在中國，由于采礦、冶煉、三廢排放、過量施用化肥農(nóng)藥等人為因素影響，導(dǎo)致污染土地生產(chǎn)出來的糧食重金屬含量超過國家食用標(biāo)準(zhǔn)[3]。鉛(Pb)作為土壤中富含的非必需元素，是關(guān)注度較高的重金屬之一，對(duì)環(huán)境和人類健康的影響也受到廣泛關(guān)注[4-6]。由于Pb毒性較大，在土壤中存在的普遍性和長期性，是中國重點(diǎn)監(jiān)測和控制排放的元素[7]。Pb對(duì)植物生命進(jìn)程的不同影響是多因素共同作用的結(jié)果，有研究表明，植物形態(tài)特征與重金屬含量間存在正比例關(guān)系[8]。大劑量Pb可能會(huì)導(dǎo)致多數(shù)植物的代謝紊亂，生長抑制，甚至死亡[9]。已有的研究表明，高水平的重金屬可導(dǎo)致植物早期死亡，并可加速葉片的衰老速度[10-11]。也有研究表明，重金屬可延遲或減少開花而使葉片更新速度減慢，進(jìn)而影響植物生命進(jìn)程[12]。植物內(nèi)源激素在調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育方面起重要作用，生長素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、乙烯、水楊酸等，參與植物的重金屬脅迫信號(hào)傳導(dǎo)[13-16]。研究顯示，在Pb脅迫下，除了形態(tài)特征、生理指標(biāo)發(fā)生變化外，其激素水平也會(huì)產(chǎn)生明顯響應(yīng)[17-18]。

馬鈴薯是中國的重要作物之一，隨著中國馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的推進(jìn)，將利用南方的冬閑田擴(kuò)大馬鈴薯的種植面積。但中國南方地區(qū)礦藏資源集中，重金屬污染嚴(yán)重[19-20]。目前，對(duì)馬鈴薯受Pb脅迫的形態(tài)學(xué)響應(yīng)機(jī)制和激素變化尚不清楚。本研究基于前期研究，選用2個(gè)Pb富集差異顯著的馬鈴薯品種‘青薯9號(hào)’和‘麗薯6號(hào)’，對(duì)其幼苗進(jìn)行不同質(zhì)量濃度Pb處理，通過分析Pb處理下馬鈴薯生長特征和內(nèi)源激素變化，明確其在不同Pb質(zhì)量濃度下的形態(tài)學(xué)響應(yīng)及激素變化規(guī)律，為進(jìn)一步揭示Pb對(duì)馬鈴薯生理特性的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以高富集品種‘青薯9號(hào)’和低富集品種‘麗薯6號(hào)’馬鈴薯脫毒苗為試材，由云南農(nóng)業(yè)大學(xué)薯類研究所提供，將脫毒苗在無菌條件下剪成單葉節(jié)段，插入含20 mL固體MS培養(yǎng)基(w=3%蔗糖，pH 5.8)的組培瓶，每瓶7節(jié)莖段，以24 h為1個(gè)周期，光照16 h(光照度3 000 lx)，黑暗8 h，溫度(21±2)℃的條件下培養(yǎng)30 d。選取長勢一致的脫毒試管苗移栽至帶有基質(zhì)土(w=80%細(xì)碎泥炭、w=20%蛭石)的漂浮盤上(規(guī)格：18×9孔)，每個(gè)漂浮盤移栽162株，基質(zhì)土購買于昆明呈貢斗南園藝資材經(jīng)營部。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將帶有脫毒苗的漂浮盤放置于含有6 L Hoadland營養(yǎng)液的塑料框內(nèi)進(jìn)行Pb(CH3COO)2·3H2O處理，設(shè)置5個(gè)質(zhì)量濃度，分別為0、50、250、500、1 000 mg/L，以0 mg/L為對(duì)照(CK)，溫度23 ℃的條件下培養(yǎng)30 d后進(jìn)行幼苗形態(tài)學(xué)參數(shù)測量及內(nèi)源激素測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 幼苗形態(tài)學(xué)參數(shù) 每個(gè)處理隨機(jī)選取5株幼苗，將整株幼苗清洗干凈，用吸水紙擦干，通過EPSON V700掃描儀將完整幼苗圖像掃描存入計(jì)算機(jī)，采用WinRHIZO PRO 2012根系分析系統(tǒng)軟件(Regent Instruments，Canada Inc.)分析總根長、表面積、體積和葉面積，分析天平稱取生物量(鮮樣)質(zhì)量，用卷尺和游標(biāo)卡尺分別測定株高和莖粗。單株形態(tài)學(xué)參數(shù)重復(fù)測定3次。

1.3.2 葉片內(nèi)源激素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 稱取馬鈴薯組培苗葉片1.000 g，每處理重復(fù)3次，液氮冷凍后迅速放入-80 ℃保存，均采用酶聯(lián)免疫吸附法(ELISA)，委托上海篤瑪生物科技有限公司測定赤霉素(GA3)、脫落酸(ABA)、水楊酸(SA)、乙烯(ETH)、生長素(IAA)和玉米素(ZT)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)生物學(xué)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)進(jìn)行3次測量，采用Excel 2013進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、制圖，采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行方差分析和逐步回歸。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度Pb處理對(duì)馬鈴薯幼苗生長的影響

隨著Pb處理質(zhì)量濃度的增加，供試2個(gè)品種馬鈴薯幼苗的單株生物量、株高、莖粗、葉片數(shù)和葉面積(表1)呈先增后降趨勢，與未添加Pb相比，Pb質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)生物量和株高最大，‘青薯9號(hào)’和麗薯6號(hào)’生物量顯著增加 11.51%和7.69%；Pb質(zhì)量濃度為250 mg/L時(shí)2個(gè)品種馬鈴薯幼苗生物量和株高均開始降低，當(dāng)質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時(shí)2種生物量和株高降至最低。表明低Pb質(zhì)量濃度對(duì)這2個(gè)品種馬鈴薯幼苗的生長有促進(jìn)作用，高Pb質(zhì)量濃度對(duì)生長有抑制作用。

Pb質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，2個(gè)品種馬鈴薯幼苗莖粗、葉片數(shù)和葉面積顯著高于對(duì)照。Pb質(zhì)量濃度為50、250 mg/L時(shí)，‘麗薯6號(hào)’莖粗顯著高于‘青薯9號(hào)’，與CK相比，‘麗薯6號(hào)’增長 73.68%，‘青薯9號(hào)’增長22.73%，其余質(zhì)量濃度下‘青薯9號(hào)’顯著高于‘麗薯6號(hào)’。說明不同Pb質(zhì)量濃度處理下這2個(gè)品種莖粗、葉片數(shù)和葉面積也存在濃度效應(yīng)。Pb質(zhì)量濃度為50、250 mg/L時(shí)對(duì)‘麗薯6號(hào)’莖粗有促進(jìn)作用。Pb質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，‘青薯9號(hào)’和‘麗薯6號(hào)’總根長是CK的3.06倍和2.31倍，1 000 mg/L時(shí)開始降低，比CK處理分別降低13.44%和 43.00%；Pb質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，‘青薯9號(hào)’和‘麗薯6號(hào)’根表面積分別是CK的4.92倍和 5.55倍，1 000 mg/L質(zhì)量濃度下達(dá)到最小值；不同質(zhì)量濃度處理后的2個(gè)品種馬鈴薯幼苗根體積較CK均有增加，Pb質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)增量最大，‘青薯9號(hào)’和‘麗薯6號(hào)’分別是CK的2.67倍和3.00倍；以上結(jié)果說明這2個(gè)品種馬鈴薯地下部根系的生長受Pb脅迫與地上部分規(guī)律大致一致，隨Pb處理質(zhì)量濃度的增加呈先增后降趨勢。

2.2 不同質(zhì)量濃度Pb處理對(duì)馬鈴薯幼苗內(nèi)源激素的影響

2.2.1 馬鈴薯幼苗ABA和SA質(zhì)量分?jǐn)?shù) 由表2可知，隨Pb質(zhì)量濃度的增加，‘青薯9號(hào)’和‘麗薯6號(hào)’的ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈上升趨勢，當(dāng)Pb質(zhì)量濃度為1 000 mg/L時(shí)達(dá)最大值，與CK相比，‘青薯9號(hào)’ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加29.03%，‘麗薯6號(hào)’增加36.91%。且在任一Pb質(zhì)量濃度下，‘麗薯6號(hào)’ABA質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于‘青薯9號(hào)’。不同Pb質(zhì)量濃度下，2個(gè)品種馬鈴薯SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于CK。Pb質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，2種馬鈴薯SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)均降到最低，與CK相比，‘青薯9號(hào)’降幅為20.17%，‘麗薯6號(hào)’降幅為42.46%。表明不同程度Pb處理對(duì)重金屬低富集型‘麗薯6號(hào)’ABA和SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響強(qiáng)于高富集型‘青薯9號(hào)’。

2.2.2 馬鈴薯幼苗ETH和ZT質(zhì)量分?jǐn)?shù) 隨Pb質(zhì)量濃度的增加，‘青薯9號(hào)’和‘麗薯6號(hào)’ETH變化趨勢不同?！愂?號(hào)’呈現(xiàn)先升高后下降的變化規(guī)律，在Pb濃度為250 mg/L時(shí)，‘麗薯6號(hào)’ETH質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到高峰，是CK的2.02倍，‘青薯9號(hào)’變化不大。 ZT與細(xì)胞分裂有關(guān)，2個(gè)品種馬鈴薯隨Pb處理質(zhì)量濃度的增加ZT質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化趨勢一致，均呈現(xiàn)降-升-降的趨勢。Pb質(zhì)量濃度為250 mg/L時(shí)2個(gè)品種ZT質(zhì)量分?jǐn)?shù)降到最低，與CK相比，‘青薯9號(hào)’與‘麗薯6號(hào)’分別降低9.39%和12.47%。Pb質(zhì)量濃度為500 mg/L時(shí)2個(gè)品種ZT質(zhì)量分?jǐn)?shù)升到最高，‘青薯9號(hào)’與‘麗薯6號(hào)’較CK分別上升8.01%和 14.93%。以上結(jié)果說明，Pb脅迫對(duì)馬鈴薯幼苗分裂生長有影響；脅迫初期重金屬低富集型馬鈴薯較高富集型馬鈴薯ETH質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高。

2.2.3 馬鈴薯幼苗IAA和GA3質(zhì)量分?jǐn)?shù) 生長素對(duì)植物的生長調(diào)節(jié)具有雙重性，10-10mol/L是促進(jìn)根系生長的最適濃度[21]。經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本研究2個(gè)品種的IAA為26.47～38.29 pmol/L,處于促進(jìn)根系生長的最適濃度。表明Pb脅迫對(duì)2個(gè)品種IAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不大，均處于最適宜根系生長的濃度范圍。

隨Pb質(zhì)量濃度的增加，2個(gè)品種GA3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的波動(dòng)性變化。在處理質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，2個(gè)品種GA3質(zhì)量分?jǐn)?shù)均降到最低，與CK相比，‘青薯9號(hào)’和‘麗薯6號(hào)’降幅為12.90%和27.27%。處理質(zhì)量濃度為250 mg/L時(shí)達(dá)到最大值，較CK‘青薯9號(hào)’增幅為25.81%，麗薯6號(hào)增幅為24.24%。

表1 不同質(zhì)量濃度Pb處理下馬鈴薯幼苗生長狀況Table 1 Growth characteristics of potato seedings under different mass concentration of Pb treatments

注：不同大寫字母表示同一脅迫下不同品種間的差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示同一品種在不同脅迫下的差異顯著(P<0.05)。

Notes： Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level between two varieties in each treatment;different small letters indicate significant difference at 0.05 level between different treatments within the same variety.

表2 不同質(zhì)量濃度Pb處理下馬鈴薯幼苗內(nèi)源激素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Endogenous hormone mass fraction of potato seedings mass concentration of Pb treatments ng/g

3 討 論

3.1 不同質(zhì)量濃度Pb處理對(duì)馬鈴薯幼苗生長的影響

植物在重金屬影響下會(huì)產(chǎn)生一系列形態(tài)學(xué)響應(yīng)，但也存在濃度效應(yīng)，武倩倩[21]研究表明：低劑量的土壤Pb對(duì)紅薯生長有一定的促進(jìn)作用，但土壤Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過350 mg/kg后開始表現(xiàn)出抑制作用。本試驗(yàn)中，低質(zhì)量濃度Pb對(duì)供試馬鈴薯幼苗的生長有促進(jìn)作用，高質(zhì)量濃度Pb對(duì)供試馬鈴薯幼苗的生長有抑制作用。一般認(rèn)為，根系生長情況可作為評(píng)判重金屬對(duì)植物生長發(fā)育的指標(biāo)[22]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地下部分根長、根表面積和體積與地上部分規(guī)律大致一致，隨Pb處理質(zhì)量濃度的增加均呈現(xiàn)先增后降的趨勢，該結(jié)果與Larbi 等[13]研究結(jié)果一致。表明Pb破壞了根系細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，幼苗通過根長、表面積和體積的響應(yīng)，從而提高對(duì)Pb的耐受性，但對(duì)Pb 脅迫耐性有一定的范圍[23-24]。有研究發(fā)現(xiàn)同一Pb濃度對(duì)同一植物不同類型的地上、地下生長特征影響不同[25]。本試驗(yàn)中對(duì)Pb脅迫的‘青薯9 號(hào)’和‘麗薯6號(hào)’的形態(tài)特征變化趨勢基本一致，但具體指標(biāo)的變化量仍存在品種差異，質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，‘麗薯6號(hào)’根表面積、根體積較CK的變化量比‘青薯9號(hào)’更明顯。這可能與‘麗薯6號(hào)’和‘青薯9號(hào)’對(duì)Pb積累量不同有關(guān)，但具體的調(diào)控機(jī)制還需結(jié)合馬鈴薯對(duì)Pb的分配、轉(zhuǎn)移途徑做進(jìn)一步研究。

3.2 不同質(zhì)量濃度Pb處理對(duì)馬鈴薯幼苗內(nèi)源激素的影響

ABA通常被認(rèn)為是信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)物質(zhì)，在植物受到非生物脅迫時(shí)發(fā)揮重要作用[26]。ABA可作為擬南芥響應(yīng)重金屬脅迫的潛在調(diào)節(jié)者，其濃度隨重金屬脅迫濃度的增加而增加[27]。SA是第一個(gè)被證明在重金屬毒性生物應(yīng)激反應(yīng)中發(fā)揮作用的內(nèi)源性植物生長調(diào)節(jié)劑[28]。本試驗(yàn)中，Pb處理會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯幼苗中內(nèi)源激素ABA增加，不同程度Pb處理對(duì)重金屬低富集型‘麗薯6號(hào)’ABA和SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響強(qiáng)于重金屬高富集型‘青薯9號(hào)’，這一結(jié)果可能與ABA可誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉從而抑制蒸騰流，阻礙金屬離子的向上運(yùn)輸，從而使‘麗薯6號(hào)’重金屬積累量較低有關(guān)[29]。乙烯可促進(jìn)莖的橫向生長，重金屬脅迫下也會(huì)出現(xiàn)莖的增粗[30]。本試驗(yàn)重金屬低富集型‘麗薯6號(hào)’中ETH質(zhì)量分?jǐn)?shù)為250 mg/L時(shí)達(dá)到最大，且高于‘青薯9號(hào)’，此質(zhì)量濃度下的‘麗薯6號(hào)’的莖粗大于‘青薯9號(hào)’，說明‘麗薯6號(hào)’通過ETH質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致莖粗增加，以應(yīng)對(duì)重金屬脅迫。IAA對(duì)植物的根、芽、莖的生長有其最適濃度范圍[21]，本研究中任意Pb質(zhì)量濃度下2個(gè)品種IAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)均處于促進(jìn)根系生長的最適濃度。GA3可促進(jìn)植物生長，打破休眠，提高抗逆性等，在植物應(yīng)對(duì)非生物脅迫的作用越來越明顯[31-32]。本研究中，不同Pb質(zhì)量濃度下GA3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢表現(xiàn)為下降-上升-下降-上升的波動(dòng)性變化，反映了植物激素GA3在應(yīng)對(duì)重金屬脅迫時(shí)與其他激素共同作用有關(guān)。有研究表明赤霉素在調(diào)節(jié)激素動(dòng)態(tài)平衡的基礎(chǔ)上對(duì)植株進(jìn)行調(diào)控[33-34]。這一結(jié)果與朱珍[35]的研究結(jié)果相似，該推斷是否合理還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié) 論

不同脅迫程度下，重金屬富集特性不同的品種會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的形態(tài)以應(yīng)對(duì)Pb脅迫，使馬鈴薯形態(tài)特征發(fā)生變化，低質(zhì)量濃度Pb對(duì)馬鈴薯幼苗生長有促進(jìn)作用，高質(zhì)量濃度Pb對(duì)馬鈴薯幼苗生長有抑制作用。

不同質(zhì)量濃度Pb處理下馬鈴薯幼苗內(nèi)源激素變化是一個(gè)比較復(fù)雜的過程, ABA、SA、ETH、IAA、ZT、GA3共同參與了馬鈴薯在重金屬脅迫下的協(xié)調(diào)機(jī)制。不同程度Pb處理對(duì)重金屬低富集型‘麗薯6號(hào)’ABA和SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響強(qiáng)于重金屬高富集型‘青薯9號(hào)’。Pb脅迫對(duì)2個(gè)品種IAA質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響不大，均處于最適宜根系生長的濃度范圍。