離子鈦對(duì)苦蕎鉛脅迫緩解作用初探

袁 航,張加志,陳莉雯,游 曌,譚 霞,李家良,萬(wàn) 燕1，,3，趙 鋼1，，3

(1.成都大學(xué) 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜糧加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610106;2.成都大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院，四川 成都 610106；3.四川省雜糧產(chǎn)業(yè)化工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610106)

0 引 言

重金屬鉛是毒害性強(qiáng)的環(huán)境污染物之一，鉛污染嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，進(jìn)而給人類健康帶來(lái)極大的威脅[1-2].苦蕎是我國(guó)傳統(tǒng)的雜糧作物之一，具有較高的食用價(jià)值和保健作用[3].我國(guó)苦蕎種植主要集中在四川、云南及貴州等地區(qū)，但由于礦產(chǎn)資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，四川某些地區(qū)鉛等重金屬污染嚴(yán)重[4-5].研究表明，抗水解穩(wěn)定離子鈦能將光能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能再借助酶轉(zhuǎn)變?yōu)樯锬?，喚醒植物因農(nóng)殘及惡劣氣候條件等造成的休眠和半休眠狀態(tài)的植物基因，使作物的這些基因特性充分地表達(dá)[6]，同時(shí)，鈦還可提高酶的活性、促進(jìn)氮素的吸收以及增強(qiáng)植物的光合作用等[7].因此，本文通過(guò)研究重金屬鉛脅迫下用不同濃度離子鈦溶液對(duì)苦蕎幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響，旨在為提高植物抗重金屬脅迫能力及緩解鉛污染的毒害作用提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 材料與方法

1.1 材 料

實(shí)驗(yàn)材料選用苦蕎大面積推廣品種川蕎1號(hào)，由四川涼山彝族自治州昭覺(jué)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育而成，由成都大學(xué)雜糧研究實(shí)驗(yàn)室提供.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

精選大小基本一致且飽滿的種子，使用1%高錳酸鉀溶液浸泡消毒1 h，先后用乙醇和蒸餾水清洗后，再用0、2.0、4.0、8.0、10.0 mg/L濃度離子鈦溶液浸種12 h，置于300 mg/kg鉛溶液浸潤(rùn)的培養(yǎng)盒中，作為發(fā)芽指標(biāo)的測(cè)定，并于恒溫箱中25 ℃恒溫培養(yǎng)11 d，每天澆水2次.另取種子采用相同的方法進(jìn)行消毒處理，蒸餾水浸種12 h，置于蒸餾水浸潤(rùn)的培養(yǎng)盒中，用作生理生化指標(biāo)的測(cè)定，并于恒溫箱中25 ℃恒溫培養(yǎng)，每天澆水2次.8 d后分別改用離子鈦溶液與300 mg/kg鉛溶液混合噴灑，于恒溫箱中25 ℃恒溫繼續(xù)培養(yǎng)3 d.

實(shí)驗(yàn)設(shè)置：鉛脅迫與離子鈦處理組，T1+Pb、T2+Pb、T3+Pb、T4+Pb、T5+Pb分別為鉛脅迫下0、2.0、4.0、8.0、10.0 mg/L離子鈦溶液處理；對(duì)照組，CK(正常澆水)與T0+Pb(鉛脅迫處理而未施加離子鈦)組.自培養(yǎng)開(kāi)始起每日進(jìn)行處理，直至第11 d收獲取樣.

1.3 測(cè)定指標(biāo)

每天同一時(shí)間記錄離子鈦浸種處理種子萌發(fā)數(shù)量，計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)以及發(fā)芽指數(shù).取樣后，使用專業(yè)根系分析系統(tǒng)WinRHIZO對(duì)其進(jìn)行根系分析；培養(yǎng)后，采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定可溶性蛋白的含量[8]，采用常用的蒽酮法測(cè)定可溶性糖含量[9]，采用硫代巴比妥酸與丙二醛的顯色反應(yīng)測(cè)定丙二醛(MDA)含量[10]，氮藍(lán)四唑還原法測(cè)超氧化物歧化酶(SOD)含量[11]，愈創(chuàng)木酚氧化法測(cè)愈創(chuàng)木酚過(guò)氧化物酶(POD)含量[12]，利用過(guò)氧化氫分解法測(cè)過(guò)氧化氫酶(CAT)含量[13].

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel 2003和DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、繪圖和統(tǒng)計(jì)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)及發(fā)芽指數(shù)

鉛脅迫下離子鈦浸種對(duì)苦蕎種子發(fā)芽的影響如圖1所示.

圖1 鉛脅迫下離子鈦浸種對(duì)苦蕎種子發(fā)芽的影響

從圖1可知，鉛脅迫下苦蕎種子發(fā)芽受到嚴(yán)重抑制，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均低于CK組.與CK組相比，鉛處理(T0+Pb)后苦蕎種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)降低幅度分別為45.95%、47.06%、60.97%；添加離子鈦后，其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均增加，且隨著濃度的增加呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，以T3+Pb處理最高，能明顯緩解因鉛脅迫造成的發(fā)芽抑制.

2.2 根系形態(tài)分析

鉛脅迫下離子鈦浸種對(duì)苦蕎幼苗根系的影響相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 鉛脅迫下離子鈦浸種對(duì)苦蕎幼苗根系的影響

由表1可知，CK組根系生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)良好，平均總根長(zhǎng)達(dá)18 cm，而受到鉛脅迫的T0+Pb組根長(zhǎng)受到明顯抑制，平均長(zhǎng)度只有4 cm.在實(shí)驗(yàn)組中，T3+Pb組總根長(zhǎng)度、總根表面積和總根體積最大，分別為25.38 cm、2.23 cm2和0.016 cm3，該組平均分支數(shù)、交叉數(shù)和鏈接數(shù)也為最大.

2.3 可溶性糖含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗可溶性糖含量如圖2所示.

由圖2可知，在苦蕎幼苗生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，鉛脅迫的植株可溶性糖含量均顯著高于CK組.其中,T4+Pb組可溶性糖含量最高，相較于T0+Pb組提升了20.3%.低濃度下的T1+Pb、T2+Pb及T3+Pb則低于T0+Pb組，且T1+Pb組僅含有17.2%的可溶性糖含量.

圖2 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗可溶性糖含量

2.4 可溶性蛋白含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗可溶性蛋白含量如圖3所示.

圖3 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗可溶性蛋白含量

由圖3可知，低濃度離子鈦處理后可溶性蛋白含量與對(duì)照組不存在顯著差異，隨離子鈦濃度的上升，可溶性蛋白含量隨之上升，進(jìn)一步促進(jìn)了植株體內(nèi)可溶性蛋白的合成.T5+Pb組可溶性蛋白含量最高，且顯著高于CK組，相較于T0+Pb組增加了33.3%.

2.5 MDA含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗MDA含量如圖4所示.

圖4 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗MDA含量

由圖4可知，鉛脅迫后苦蕎幼苗的MDA含量均有上升，各濃度離子鈦處理之間MDA含量差異不大，且無(wú)明顯規(guī)律，說(shuō)明MDA含量和離子鈦處理濃度之間不存在相關(guān)性.但T2+Pb組和T5+Pb組的MDA含量水平顯著高于T0+Pb組.

2.6 SOD含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗SOD含量如圖5所示.

由圖5可知,在鉛脅迫下，顯著抑制了苦蕎幼苗SOD活性.相較于CK組，T0+Pb組SOD含量下降了55.99%.各鉛脅迫處理組酶活性水平均處于較低狀態(tài)，T3+Pb處理濃度的實(shí)驗(yàn)組SOD活性最低.

圖5 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗SOD含量

2.7 CAT含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗CAT含量如圖6所示.

圖6 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗CAT含量

由圖6可知，在鉛脅迫下，各組苦蕎幼苗CAT酶活性均有所上升，中等適宜離子鈦濃度處理后CAT酶活性有顯著提升，高濃度下表現(xiàn)為抑制作用.其中酶活性最高的是T3+Pb實(shí)驗(yàn)組，相較于T0+Pb提升了1.07倍.

2.8 POD含量

鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗POD含量如圖7所示.

由圖7可知，在鉛脅迫下，相較于CK組，T0+Pb組POD酶的活性下降了24.4%，其中T2+Pb組活性最低.T3+Pb組POD酶活性有極顯著的提高，相較于T0+Pb組提升了2.9倍.高濃度離子鈦則對(duì)POD酶的活性產(chǎn)生了抑制作用.

圖7 鉛脅迫與不同離子鈦濃度下苦蕎幼苗POD含量

3 討 論

重金屬鉛脅迫是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，能夠抑制種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)、影響植株形態(tài)、生理生化特性和產(chǎn)量等[14-17].研究表明，鉛脅迫可造成植株矮小，生長(zhǎng)衰退，并促進(jìn)根系生長(zhǎng)吸收養(yǎng)分等[18-19]，而本研究也發(fā)現(xiàn)鉛脅迫能抑制種子萌發(fā)，促進(jìn)根系生長(zhǎng).可溶性糖與可溶性蛋白等是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，細(xì)胞通過(guò)積累滲透性物質(zhì)維持滲透壓[20-21].MDA是膜脂過(guò)氧化的最終產(chǎn)物，其含量可以反映膜脂氧化傷害的程度[22].重金屬脅迫是一種氧化脅迫，造成活性氧的缺失，體現(xiàn)超氧陰離子自由基含量的增加，對(duì)植物造成傷害[23]，而植物體內(nèi)的SOD、POD及CAT等抗氧化酶組成了一個(gè)有效的活性氧自由基清除系統(tǒng)[24-25].本研究發(fā)現(xiàn)較高濃度鉛脅迫對(duì)苦蕎幼苗中的可溶性蛋白、可溶性糖、MDA、SOD、POD及CAT均有較大影響.抗水解穩(wěn)定離子鈦?zhàn)鳛橐环N促植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑，能增強(qiáng)植物光合作用，促進(jìn)分化和誘導(dǎo)愈傷組織，提高作物抗旱、抗寒與抗病等抗逆能力，激發(fā)植物體內(nèi)酶的活性，增強(qiáng)植物細(xì)胞活力[26].大量研究表明，離子鈦能夠促進(jìn)種子萌發(fā)，提高種子發(fā)芽率[27-30]，提高幼苗可溶性糖及可溶性蛋白的含量[31].本研究也發(fā)現(xiàn)，離子鈦能有效提高鉛脅迫下苦蕎種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)及發(fā)芽指數(shù)，促進(jìn)根的生長(zhǎng)，提高可溶性蛋白、可溶性糖的含量及氧化酶活性.苦蕎是食藥兩用作物，具有較強(qiáng)的活性成分，而重金屬鉛對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有較強(qiáng)的毒害作用，而抗水解穩(wěn)定離子鈦對(duì)環(huán)境和生物友好，屬“實(shí)際無(wú)毒級(jí)物質(zhì)”[6].探討離子鈦對(duì)鉛脅迫下苦蕎幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響，為進(jìn)一步研究離子鈦對(duì)苦蕎鉛脅迫的緩解作用和機(jī)理具有現(xiàn)實(shí)意義.