外源Se、VC對水稻鋅錳復(fù)合脅迫的緩解效應(yīng)

侯玨，梁旻昊，姚鵬程

(上海市格致中學(xué)，上海 奉賢 201499)

鋅、錳作為植物生長必需的微量元素，是某些酶不可缺少的組分。鋅錳干電池是日常生活中使用范圍最廣的干電池，干電池隨意丟棄會使土壤鋅錳元素過量，對植物產(chǎn)生毒害，從而表現(xiàn)出一系列形態(tài)及生理生化反應(yīng)[1-2]。Se雖然不是高等植物生長所必需的營養(yǎng)元素，但適量Se能有效提高植物對各種逆境脅迫的抵抗能力[3]，近年來不斷有研究報道Se在植物體內(nèi)能與重金屬元素發(fā)生拮抗效應(yīng)[3]，但很少涉及到鋅、錳元素。VC是一種抗氧化劑，能幫助植物抵抗干旱、臭氧和紫外線，保護植物免受光合作用中有害副作用的侵害[4]。但對緩解植物重金屬脅迫的報道較少。

水稻作為一種糧食植物，國內(nèi)外研究其對重金屬污染響應(yīng)的文獻較多[5-7]。已有研究表明，水稻在200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫時，抗氧化系統(tǒng)有很強的響應(yīng)[1-2]。因此，研究Se和VC對鋅錳復(fù)合脅迫的緩解效應(yīng)對于實現(xiàn)重金屬污染土壤的修復(fù)以及土地資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 方法

實驗于2019年在上海市格致中學(xué)奉賢校區(qū)植物逆境生理學(xué)實驗室進行。供試材料為取自上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的龍?zhí)馗水稻種子。選取大小一致的水稻種子，經(jīng)75%乙醇消毒20 min，用自來水沖洗20 min，蒸餾水沖洗后用蒸餾水浸種24 h，黑暗催芽24 h，之后播種于含Hoagland營養(yǎng)液的塑料培養(yǎng)盒中，于溫室中12 h光照/12 h黑暗、(28±2)℃下培養(yǎng)。營養(yǎng)液成分如下：(NH4)2SO448.2 mg·L-1，MgSO465.9 mg·L-1，K2SO415.9 mg·L-1，KNO318.5 mg·L-1，Ca(NO3)259.9 mg·L-1，KH2PO424.8 mg·L-1，F(xiàn)e-citrate 5 mg·L-1，MnCl2·4H2O 0.9 mg·L-1，ZnSO4·7H2O 0.11 mg·L-1，CuSO4·5H2O 0.04 mg·L-1，HBO32.9 mg·L-1，H2MoO40.01 mg·L-1。播種之前鋅以ZnSO4·7H2O形式，錳以MnSO4形式加入到營養(yǎng)液中，Se以Na2SeO3形式加入，VC以粉末的形式加入。共設(shè)置7個實驗組，1個空白對照組CK。除CK外，T1～7處理組均加入200 mg·L-1鋅錳復(fù)合溶液以模擬鋅錳復(fù)合脅迫，T2～4處理組分別加入100、150和200 mg·L-1Se溶液，T5～7處理組分別加入50、100和150 mg·L-1VC溶液。

CK與所有處理組均設(shè)置3次重復(fù)，pH值控制在6.5～7.0，每12 h用1 mol·L-1的HCl或NaOH調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH。每5 d更換營養(yǎng)液1次，處理20 d。

1.2 測定項目與方法

每個處理取3株材料測定株高和根長。用排水法測定根系體積。取水稻新鮮葉片，參考Sims等[8]的方法進行葉綠素含量的測定，參考Demiral等[9]的方法測定游離脯氨酸含量，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸顯色法[10]測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用比色法[10]測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用SPSS 20.0軟件進行ANVOA方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株表型特征

相對于CK，T1組200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫對水稻幼苗產(chǎn)生了顯著的抑制作用。施加Se或VC后，水稻幼苗的株高、根長、根系體積數(shù)值均增大，植株長勢變好。添加同種外源抗氧化劑的情況下，隨著添加濃度的升高，株高、根長、根系體積增大越明顯。在相同濃度下，VC的抗脅迫效果明顯優(yōu)于Se，處理組中，以T7添加150 mg·L-1VC組效果最好(表1)。

表1 Se與VC對鋅錳復(fù)合脅迫下水稻生長情況的影響

2.2 葉綠素含量

相對于CK，T1組200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫對水稻幼苗產(chǎn)生了顯著的抑制作用，導(dǎo)致葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均下降，葉綠素a/b的值上升。施加Se或VC后葉綠素a、葉綠素b的含量均增加。添加同種外源抗氧化劑的情況下，隨著添加濃度升高，葉綠素恢復(fù)得越多，葉綠素a/b的值均下降，且添加任意一種抗氧化劑，隨著濃度升高，下降的幅度越大。在相同濃度下，VC處理的水稻的葉綠素含量高于Se處理的水稻，VC處理的水稻的葉綠素a/b的值低于Se處理的水稻。所有處理組中，以T7添加150 mg·L-1VC組效果最好(表2)。

表2 Se與VC對鋅錳復(fù)合脅迫下水稻葉綠素含量的影響

2.3 MDA含量和SOD活性

相對于CK，T1組200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫對水稻幼苗產(chǎn)生了顯著的毒害作用，導(dǎo)致MDA含量上升，SOD活性下降。添加Se和VC后，MDA含量下降，SOD活性上升。且任意一種抗氧化劑濃度越高，MDA含量越少，SOD活性越大。在相同濃度下，VC處理水稻的抗氧化損傷能力高于Se處理的水稻(表3)。所有處理組中，以T7添加150 mg·L-1VC組抗氧化損傷能力最強。

表3 Se與VC對鋅錳復(fù)合脅迫下水稻MDA含量及SOD活性的影響

2.4 游離脯氨酸含量

相對于CK，T1組200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫使水稻幼苗游離脯氨酸含量上升。添加Se和VC后，脯氨酸含量呈下降趨勢，且任意一種抗氧化劑濃度越高，游離脯氨酸含量越低。在相同濃度下，VC處理水稻的游離脯氨酸含量低于Se處理的水稻。所有處理組中，以T7添加150 mg·L-1VC組游離脯氨酸含量下降的最多(表4)。

表4 Se與VC對鋅錳復(fù)合脅迫下水稻中脯氨酸含量的影響

3 討論

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可知在一定濃度下，Se或VC的濃度越高，對鋅錳復(fù)合脅迫的緩解效應(yīng)越好；在相同濃度下，VC的效果更好。且在已進行的實驗中，以150 mg·L-1VC的效果最好。

重金屬對植物的脅迫主要體現(xiàn)在重金屬能夠使蛋白質(zhì)變性，同時也伴有活性氧的過量產(chǎn)生，超氧化物積累，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)破壞等[11]。最終會導(dǎo)致植株的生長受到抑制，如長勢劣于對照組，葉綠素含量低于對照組等。這可能是因為植物對某種離子的積累引起了植物細(xì)胞膜滲透壓的改變，進而導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的自由基、活性氧，引起氧化損傷[12]。外源添加Se或VC均可以顯著緩解這種效應(yīng)，使得生長抑制受到緩解，由此可見，Se和VC均能夠緩解離子積累。

植物受到逆境脅迫時，會啟動抗氧化系統(tǒng)，SOD即為抗氧化系統(tǒng)中一種重要的酶。本研究發(fā)現(xiàn)鋅錳脅迫SOD活性的下降，因此可以看出，植物抗氧化能力的下降，當(dāng)外源添加Se或VC后，SOD活性回升，可能是因為Se和VC作為抗氧化劑，植物吸收后可增強SOD酶活性。而MDA的含量上升，則代表細(xì)胞過氧化程度高，這是氧化損傷的直接證據(jù)，外源添加的Se和VC同樣可以緩解MDA含量的上升。因此，進一步證實了外源添加Se或VC可以緩解植物的逆境脅迫。

除以上響應(yīng)外，植物自身也有抗逆反應(yīng)，例如脯氨酸等含量升高，本研究中當(dāng)植株受到鋅錳復(fù)合脅迫時，脯氨酸含量顯著上升，外源施加Se或VC使得脯氨酸含量顯著下降。因此，也可以通過關(guān)注脯氨酸含量的變化來判定外源Se或VC對植物逆境脅迫的緩解效應(yīng)。

有研究表明，Se能激活谷胱甘肽過氧化酶，具有較強的抗氧化能力[3]。重金屬離子使巰基酶的巰基受損，而VC能保護巰基不受損害，VC還具有其他抗氧化作用[11]。因此，推測Se和VC能夠通過提升植物的抗氧化能力來減少植物受到的氧化損傷，從而有效緩解過量鋅錳的毒害作用。而本研究所有實驗數(shù)據(jù)均表明，添加外源的Se或VC后植物所受鋅錳脅迫得到緩解。