王蘭蘭, 張馨元, 劉賀楠, 呂永霞, 劉春秀

(沈陽師范大學 化學與生命科學學院, 沈陽 110034)

水分脅迫和鉛脅迫對小麥幼苗生理反應(yīng)影響

王蘭蘭, 張馨元, 劉賀楠, 呂永霞, 劉春秀

(沈陽師范大學 化學與生命科學學院, 沈陽 110034)

以小麥幼苗為實驗材料,研究鉛脅迫以及水分與Pb雙重脅迫下小麥葉片相對電導率、丙二醛含量、游離脯氨酸含量、可溶性糖含量、葉綠素含量和PSII最大光化學量子效率(Fv/Fm)變化。結(jié)果表明:隨著Pb脅迫強度增大,與對照比較,小麥幼苗葉片相對電導率與MDA含量升高,且雙重脅迫下高于單獨Pb脅迫,表明水分脅迫與Pb處理的交互影響加重了植物細胞的膜質(zhì)過氧化作用;Pb脅迫下游離脯氨酸和可溶性糖含量普遍高于對照,雙重脅迫下溶性糖含量普遍高于Pb單獨處理,說明水分脅迫下可溶性糖是重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì);隨著Pb濃度的增加,與對照比較葉綠素含量和Fv/Fm普遍降低,雙重脅迫和單獨Pb處理比較,葉綠素含量未見明顯差異,Fv/Fm普遍低于Pb單獨處理,表明Pb脅迫和水分脅迫對PSII最大光化學量子效率影響表現(xiàn)為協(xié)同作用。

小麥;水分脅迫;Pb脅迫

0 引 言

在非生物脅迫中,干旱脅迫對農(nóng)作物造成的危害占首位[1],因而如何減輕干旱對農(nóng)作物造成的損失,有效提高其水分利用效率,已成為世界共同關(guān)注的問題。我國干早、半干旱地區(qū)占全國陸地面積的二分之一,給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來巨大災難。

近年來我國工業(yè)迅速發(fā)展,土壤受到重金屬的污染日益嚴重。目前,我國耕地受重金屬污染面積將近2 000萬hm2,約占總耕地面積1/5[2]。重金屬中,鉛(Pb)能夠阻礙植物生長發(fā)育,從而降低作物產(chǎn)量和質(zhì)量。另外,還可通過食物鏈富集,被人體吸收并嚴重危害人體健康[3]。

目前種植在干旱、半干旱地區(qū)的農(nóng)作物很可能同時受到重金屬的污染。一些研究人員通過實驗研究了Pb對植物各項生理指標的影響,表明了鉛對植物的毒害作用較為顯著[4],而少有對水分脅迫及Pb脅迫的雙重脅迫的研究。本文通過對小麥幼苗進行水分脅迫與Pb脅迫的交互處理,研究相關(guān)生理指標的變化,為預防重金屬對農(nóng)作物的毒害、干旱地區(qū)重金屬污染方面提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1實驗材料

供試材料:小麥幼苗

1.2實驗處理

選取飽滿、均一的小麥種子,表面消毒后,去離子水沖洗數(shù)次,之后在黑暗和25 ℃條件下浸種12 h。種子吸脹后,經(jīng)催芽培養(yǎng),室溫下,Hoagland培養(yǎng)液進行水培。待幼苗生長一葉一心期,分3組處理:第1組為空白對照組(CK),即在室溫下用Hoagland培養(yǎng)液進行水培培養(yǎng)。第2組為對照組,用含有Pb2+的濃度分別為25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L培養(yǎng)液處理。第3組實驗組,在用12.3% PEG模擬水分脅迫基礎(chǔ)上,分別添加濃度為25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L的Pb2+溶液,處理7 d后分別測定小麥葉片相對電導率、丙二醛含量、游離脯氨酸含量、可溶性糖含量、葉綠素含量、PSII最大光化學量子效率(Fv/Fm)生理指標的變化,各處理重復3次。

1.3測定方法

細胞膜相對透性測定采用外滲電導率法[5];丙二醛(MDA)含量的測定采用TBA(硫代巴比妥酸)法[6];游離脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法[7];可溶性糖含量測定采用蒽酮法[8];葉綠素的提取和含量測定采用混合提取液法[9];葉綠素熒光參數(shù)測定采用調(diào)制式熒光測定儀(英國Hansatech公司生產(chǎn))測定。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 12.0軟件對不同濃度處理數(shù)據(jù)進行方差分析(One-way ANOVA),比較處理項與對照項之間差異顯著性,數(shù)據(jù)以平均值±標準差(mean±SE)表示。

2 結(jié)果與分析

2.1細胞膜相對透性變化

細胞質(zhì)膜是細胞與外界環(huán)境相隔離的屏障,通常被認為是脅迫傷害的最初和關(guān)鍵部位。在脅迫下,植物葉片組織細胞膜透的增大可以造成細胞中電解質(zhì)的外滲。本研究結(jié)果表明(如圖1),小麥幼苗葉片的膜透性隨Pb處理濃度增大而增大。濃度大于50 mg/L時,與對照比較上升幅度較大。雙重脅迫下,Pb濃度小于50 mg/L時,與Pb單獨處理差異不大,而濃度大于50 mg/L時,差異達到顯著水平(P<0.05)。

圖1 單獨Pb脅迫和水分、Pb雙重脅迫下小麥幼苗葉片相對電導率的變化

圖2 單獨Pb脅迫和水分、Pb雙重脅迫下小麥幼苗葉片MDA含量的變化

2.2丙二醛(MDA)含量變化

MDA是植物組織在逆境下發(fā)生膜脂過氧化作用的產(chǎn)物,它的產(chǎn)生可以作為植物發(fā)生膜脂過氧化作用強弱的指標。本研究結(jié)果表明(如圖2),隨著Pb處理濃度的增加,小麥葉片中MDA含量明顯升高。雙重脅迫下,MDA含量普遍高于Pb單獨處理,但高濃度(200 mg/L)Pb處理時,雙重處理和Pb單獨處理比較差異不顯著。

2.3游離脯氨酸含量的變化

游離脯氨酸是細胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。本研究結(jié)果表明(如圖3),低濃度Pb處理(小于25 mol/L)下,游離脯氨酸含量與對照比較無明顯變化。隨Pb濃度升高脯氨酸含量上升。雙重脅迫下,當Pb處理濃度提高到100 mg/L時,游離脯氨酸含量顯著高于Pb單獨處理(P<0.05) 。

2.4可溶性糖含量變化

可溶性糖不僅是光合作用能量存儲的主要形式,也是植物體內(nèi)一種重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[11]。本研究結(jié)果表明(如圖4),隨著Pb脅迫程度增大,與對照比較,可溶性糖含量普遍升高。雙重脅迫下含量普遍高于pb單獨處理(Pb小于25 mg/L時除外)。

2.5葉綠素含量變化

葉綠素含量對植物光合速率有直接的影響[12],是反映植物葉片光合能力的一個重要指標。本研究結(jié)果表明(如圖5),隨著Pb濃度的增加,與對照比較葉綠素含量除Pb濃度在50 mg/L時略有升高外,普遍呈下降趨勢,且濃度高于50 mg/L時,顯著降低(P<0.05)。雙重脅迫和單獨Pb處理比較,葉綠素含量未見明顯差異。

2.6 Fv/Fm變化

最大光化學量子效率(Fv/Fm)代表PSll原初光能轉(zhuǎn)化效率,是反映植物光能利用效率的一個重要參數(shù)。本研究結(jié)果表明(如圖6),Pb脅迫處理下,與對照比較,Fv/Fm含量普遍降低,雙重脅迫下Fv/Fm含量普遍低于Pb單獨處理。

圖3 單獨Pb脅迫和水分、Pb雙重脅迫下小麥幼苗葉片游離脯氨酸含量的變化

圖4 單獨Pb脅迫和水分、Pb雙重脅迫下小麥幼苗葉片可溶性糖含量變化

圖5 單獨Pb脅迫和水分、Pb雙重脅迫下小麥幼苗葉片葉綠素含量變化

圖6 單獨Pb脅迫和水分、Pb雙重脅迫下小麥幼苗葉片最大光化學量子效率(Fv/Fm)的變化

3 討 論

3.1水分脅迫和鉛脅迫對小麥葉片膜系統(tǒng)影響

細胞膜是分隔細胞質(zhì)和胞外環(huán)境的屏障,細胞膜的損傷將導致細胞內(nèi)一系列生理生化代謝過程紊亂,嚴重時會導致植株死亡[13]。通常認為重金屬脅迫程度愈大,細胞膜受毒害作用愈重[14]。本研究結(jié)果與上述結(jié)果一致,細胞膜透性隨著Pb處理濃度的增大而增大。雙重脅迫下,在Pb處理濃度大于50 mg/L時,小麥葉片膜透性明顯高于Pb單獨處理,說明Pb脅迫和水分脅迫對小麥葉片細胞膜的破壞產(chǎn)生了協(xié)同作用。

丙二醛(MDA)是植物發(fā)生膜質(zhì)過氧化作用的最終產(chǎn)物,MDA含量變化可以反映細胞膜受損程度。大量研究表明,重金屬是膜質(zhì)過氧化的誘變劑,濃度越高膜質(zhì)過氧化程度越高,其產(chǎn)物MDA積累就越多[15]。也有大量研究表明,水分脅迫是植物細胞膜系統(tǒng)損傷的重要原因[16]。本研究結(jié)果表明,MDA含量的變化規(guī)律與膜透性變化規(guī)律的一致性表明Pb脅迫處理與水分脅迫處理對小麥幼苗傷害的原初部位在質(zhì)膜上。雙重脅迫下,MDA含量普遍高于Pb單獨處理,但Pb處理濃度高時(200 mg/L),雙重處理和Pb單獨處理比較差異不顯著。說明當Pb濃度較高時,水分脅迫引起的膜質(zhì)過氧化程度遠遠低于Pb處理。

3.2水分脅迫和鉛脅迫對小麥葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

可溶性糖和游離脯氨酸是兩種常見的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),脅迫下,植物為建立新的滲透調(diào)節(jié)平衡,維系正常的生理代謝活動,其體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)將會出現(xiàn)變化[17]。

細胞中游離脯氨酸具有調(diào)節(jié)細胞滲透平衡、增強細胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和阻止氧自由基產(chǎn)生的作用[10]。林偉等[18]研究發(fā)現(xiàn)游離脯氨酸隨著重金屬脅迫處理濃度的升高而增加,這是植物對逆境協(xié)迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)。本研究結(jié)果表明,在低濃度Pb處理(小于25 mol/L)下,游離脯氨酸含量與對照比較無明顯變化。隨Pb濃度升高脯氨酸含量上升。說明只有存在一定濃度的Pb脅迫時,才能誘導脯氨酸含量的上升。當Pb濃度為100 mg/L時,pb脅迫與雙重脅迫下小麥葉片的脯氨酸含量差異較大,說明水分脅迫對此濃度的Pb處理影響更為顯著,小麥葉片呈現(xiàn)出較強的抗性。但當Pb濃度達到200 mg/L時,小麥葉片脯氨酸含量出現(xiàn)降低現(xiàn)象,原因可能是逆境脅迫達到一定程度后,植物代謝產(chǎn)生紊亂,引起脯氨酸含量下降,抗性降低。

可溶性糖是生物體中重要的能量來源和碳源,也是植物體內(nèi)一種重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。本研究結(jié)果表明(如圖4) 隨著Pb脅迫程度的增大,與對照比較,可溶性糖含量普遍升高。且雙重脅迫下含量普遍高于pb單獨處理(Pb小于25 mg/L時除外)。說明作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖可在低濃度的pb脅迫下產(chǎn)生積累,同時也是水分脅迫下一種相對主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(與脯氨酸比較)。

3.3水分脅迫和鉛脅迫對小麥葉片光合作用的影響

葉綠體色素含量是反映植物光合能力的一個重要指標。林偉等[18]等研究發(fā)現(xiàn),隨著Pb濃度的升高,葉綠素含量降低,說明Pb污染在一定程度上影響了葉綠素的積累。本研究結(jié)果表明,隨著Pb濃度的增加,與對照比較葉綠素含量普遍呈下降趨勢,這與上述研究結(jié)果相一致。雙重脅迫和單獨Pb處理比較,葉綠素含量未見明顯差異,表明一定程度水分虧缺對葉綠素影響不大。

葉綠素熒光通常被用于評價光合機構(gòu)的功能和受環(huán)境脅迫的影響程度[19]。葉綠素熒光參數(shù)能夠反映脅迫處理對植物光反應(yīng)進程中PSII造成的影響。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),小麥葉片受Pb脅迫后,Fv/Fm下降,這可能是葉綠素含量降低的直接結(jié)果,也可能是Pb脅迫后,植物葉片光系統(tǒng)受到傷害,引起光合能力下降,這與馬新民等[20]研究結(jié)果一致。雙重脅迫下葉片F(xiàn)v/Fm含量普遍低于Pb單獨處理。表明Pb脅迫和水分脅迫對植物PSII最大光化學量子效率影響表現(xiàn)為協(xié)同作用。

4 結(jié) 論

1) 小麥葉片細胞膜透性和MDA含量隨著Pb處理濃度的增大而增大,表明Pb脅迫處理對小麥幼苗傷害的原初部位在質(zhì)膜上。雙重脅迫下,細胞膜透性和MDA含量普遍高于Pb單獨處理,說明Pb脅迫和水分脅迫對小麥葉片細胞膜的破壞產(chǎn)生了協(xié)同作用。

2) 隨著Pb處理濃度增高,小麥葉片游離脯氨酸含量和可溶性糖含量逐漸升高。但當Pb濃度達到200 mg/L時,小麥葉片脯氨酸含量降低,可能是重度脅迫導致的植物代謝紊亂。雙重脅迫下游離脯氨酸含量和可溶性糖含量普遍高于pb單獨處理;作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖可在低濃度的pb脅迫下產(chǎn)生積累,同時也是水分脅迫下一種相對主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(與脯氨酸比較)。

3) 隨著Pb濃度的升高,小麥葉片葉綠素含量和Fv/Fm降低;雙重脅迫和單獨Pb處理比較,葉綠素含量未見明顯差異,表明一定程度水分虧缺對葉綠素影響不大,Fv/Fm含量普遍低于Pb單獨處理。表明Pb脅迫和水分脅迫對植物PSII最大光化學量子效率影響表現(xiàn)為協(xié)同作用。

[ 1 ]張士功,劉國棟,劉更另. 植物營養(yǎng)與作物抗旱性[J]. 植物學通報, 2001,18(1):64-69.

[ 2 ]王煥校,常學秀. 環(huán)境與發(fā)展[M]. 北京:高等教育出版社, 2003:114.

[ 3 ]WHO/IPCS. Inorganic lead[M]. Geneva: WHO/IPCS, 1995.

[ 4 ]宋勤飛,樊衛(wèi)國. 鉛脅迫對番茄生長及葉片生理指標的影響[J]. 山地農(nóng)業(yè)生物學報, 2004,23(2):134-138.

[ 5 ]蕭浪濤,王三根. 植物生理學實驗技術(shù)[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社, 2005.

[ 6 ]VELIKOVA V, YORDANOV I, EDREVA A. Oxidative stress and some antioxi-dant systems in acid rain-treated bean plantsprotective role ofexog-enous polyamines[J]. Plant Science, 2000,151:59-64.

[ 7 ]鄭炳松. 現(xiàn)代植物生理生化研究技術(shù)[M]. 北京:氣象出版社, 2006.

[ 8 ]湯章城. 現(xiàn)代植物生理學實驗指南[M]. 北京:科學出版社, 2003:127-217.

[ 9 ]張憲政. 植物葉綠素含量測定一丙酮乙醇混合液法[J]. 遼寧農(nóng)業(yè)科學, 1986(3):26-28.

[10]彭志紅,彭克勤. 滲透脅迫下植物脯氨酸積累的研究進展[J]. 中國農(nóng)學通報, 2002,18(4):80-83.

[11]SMIRNOFF N, CUMBES Q J. Hydroxyl radical scavenging aetivity of compatible solutes[J]. Phytochem, 1989,28(4):1075-1060.

[12]李六林,楊佩芳,田彩芳. 新紅星蘋果不同枝類葉片中葉綠素含量的變化[J]. 果樹科學, 1999,16(1):78-80.

[13]王忠. 植物生理學[M]. 北京:中國農(nóng)業(yè)出版社, 2002.

[14]李元. Cd,Fe及其復合污染對煙草葉片幾項生理指標的影響[J]. 生態(tài)學報, 1992,12(2):147-154.

[15]馬成倉,洪法水. 汞對小麥種子萌發(fā)和幼苗生長作用機制初探[J]. 植物生態(tài)學報, 1998,22(4):373-378.

[16]王蘭蘭,張立軍,陳貴. 甘薯愈傷組織對干旱脅迫的生理反應(yīng)研究[J]. 沈陽師范大學學報:自然科學版, 2006,24(4):474-477.

[17]張玉秀. 植物耐重金屬機理研究進展[J]. 植物學報, 1999,41(5):453-57.

[18]林偉,張燕,周娜娜,等. 鉛污染對黃瓜幼苗脯氨酸及葉綠素含量的影響[J]. 安徽農(nóng)學通報, 2006,12(11):86-87.

[19]KOOTEN O, SNEL J F H. The use of chloro Phyll fluoreseence nomenclature in plant stress Physiology[J]. Photosynthesis Research,1990,25(3):147-150.

[20]馬新明,李春明,袁祖麗,等. 鉛污染對烤煙光合特性,產(chǎn)量及其品質(zhì)的影響[J]. 植物生態(tài)學報, 2006,30(3):472-478.

Physiologicalchangesofwheatseedlingunderwaterand/orPbstress

WANGLanlan,ZHANGXinyuan,LIUHenan,LYUYongxia,LIUChunxiu

(College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University , Shenyang 110034 , China)

Wheat seedlings were used to study the changes of relative electrical transmission rates of callus, Fv/Fm and contents of MDA, free proline, soluble sugar, and chlorophyll, under Pb stress and pb and water stress. The results showed that relative electrical transmission rates of callus and contents of MDA increased under Pb stress compared with control, when plants were under pb and water stress, the permeability of cytoplasm membrance and membrance lipid peroxidation increased compared with Pb stress alone; Contents of free proline and soluble sugar increased under Pb stress compared with control, but contents of soluble sugar lower than under water and Pb stress, that means soluble sugar was the main osmotic regulation under water stress; Fv/Fm and contents of chlorophyll decreased under Pb stress compared with control, and Fv/Fm was much more decreased under water and Pb stress.

wheat; water stress; Pb stress

2014-03-22。

遼寧省教育廳科學研究項目(L2013421); 沈陽師范大學博士啟動基金資助項目; 沈陽師范大學實驗中心主任基金資助項目(SY201004)。

王蘭蘭(1978-),女,遼寧沈陽人,沈陽師范大學副教授,博士,碩士研究生導師。

1673-5862(2014)04-0491-05

Q948.12

: A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2014.04.008