羅秋權(quán)/湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院

水楊酸在鎘脅迫下對玉米種子發(fā)芽和幼苗生理特性的影響研究

羅秋權(quán)/湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院

采用水培的實驗方法來培養(yǎng)玉米種子，通過玉米種子發(fā)芽試驗來研究水楊酸在鎘脅迫下對玉米種子的萌發(fā)及幼苗生理特性的影響。結(jié)果表明：不同鎘離子濃度對玉米種子的發(fā)芽及幼苗生理特性有不同影響。在一定范圍內(nèi)，隨著鎘離子的濃度升高，玉米的發(fā)芽率及發(fā)芽勢越低，玉米幼苗中可溶性糖、蛋白質(zhì)和丙二醛的含量也越高。而加入適量的水楊酸后，玉米種子的發(fā)芽率相對對照組最高提高了7.78％；玉米幼苗葉片中可溶性糖最高提高了0.51％，可溶性蛋白質(zhì)最高提高了371.14 μg·ml-1；丙二醛的含量相對對照組最高降低了219.97 μmol·g-1。表明水楊酸在鎘脅迫下對玉米有一定的緩解效果。

水楊酸；鎘脅迫；玉米；生理特性

玉米是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體部分之一，其生產(chǎn)的高低對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要的影響。隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，人們所生活的物質(zhì)環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重，尤其是鎘等重金屬的污染越來越嚴(yán)重，對我國的農(nóng)業(yè)已然造成了嚴(yán)重的影響。所以，減少鎘等重金屬對玉米生產(chǎn)的影響也越來越重要。而鎘等重金屬污染對環(huán)境、抑制作物生長發(fā)育以及影響農(nóng)產(chǎn)品安全和人體健康危害很大[1]。

水楊酸是生物體內(nèi)普遍存在的酚類化合物之一，它可以促進(jìn)種子萌發(fā)、幼苗生長等生理作用。為進(jìn)一步探討水楊酸對鎘脅迫下的植物的作用規(guī)律，本研究采用水培試驗方法，在含有不同濃度鎘培養(yǎng)液中添加適量的水楊酸，探討適量水楊酸在不同濃度的鎘脅迫下對玉米種子的發(fā)芽及萌發(fā)后的生理特性的影響，從而為預(yù)防玉米重金屬早期傷害及重金屬污染土壤的治理提供理論依據(jù)。

1.材料與方法

試驗材料是從市場上購買來的普通玉米種子，再從中選取大小均勻、健康飽滿的無蟲害的玉米種子。

試驗共設(shè)計10個處理，以是否加入水楊酸為對照分為2組，每組設(shè)多個不同鎘離子濃度梯度，分別為：0 μmol·L-1、50 μmol·L-1、100 μmol·L-1、150 μmol·L-1、200 μmol·L-1。每個處理設(shè)3次重復(fù)。

選擇均勻、飽滿、健康、無蟲害的玉米種子，用2.5％次氯酸鈉消毒15 min，用自來水反復(fù)沖洗，再用去離子水沖洗數(shù)次。將種子分成與處理數(shù)相應(yīng)份額，每份80粒，裝入干凈的小燒杯中并標(biāo)記號碼，分別用水楊酸濃度梯度為0 μmol·L-1、50 μmol·L-1、100 μmol·L-1、150 μmol·L-1、200 μmol·L-1浸泡12 h。然后依次移入鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿20粒，余下種子做更換替補(bǔ)，用相應(yīng)濃度的水楊酸于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（培養(yǎng)箱溫度25 ℃，光控12 h，間隔12 h）。每個處理重復(fù)三次。一周后，選取玉米種子發(fā)芽和幼苗生長最好的一組作為最適水楊酸濃度。

選擇均勻飽滿玉米種子，用2.5％次氯酸鈉消毒15 min，用自來水反復(fù)沖洗，再用去離子水沖洗數(shù)次。將種子分成與處理數(shù)相應(yīng)份額，每份100粒，裝入干凈的小燒杯中并標(biāo)記號碼，然后用相應(yīng)鎘濃度和最適濃度的水楊酸溶液浸種12 h。采用水培法將種子按編號依次移入鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿30粒，余下種子做更換替補(bǔ)，于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（培養(yǎng)箱溫度25 ℃，光控12 h，間隔12 h）。補(bǔ)充等量相應(yīng)濃度的鎘和最適濃度的水楊酸溶液或去離子水。培養(yǎng)一周左右，并記錄好其發(fā)芽數(shù)。然后將發(fā)芽的種子苗移至含相應(yīng)濃度處理液的水培箱中繼續(xù)培養(yǎng), 每組10株, 每個處理重復(fù)3次。一周后, 每個指標(biāo)隨機(jī)抽5 株植株進(jìn)行測定其可溶性總糖、蛋白質(zhì)含量、丙二醛含量等生理指標(biāo), 取其平均值。

用蒽酮比色法測定其可溶性總糖，采用考馬氏亮藍(lán)染料結(jié)合法測定其蛋白質(zhì)含量，用硫代巴比妥酸（TBA）顯色法測定其丙二醛的含量，采用Excel制作圖標(biāo)，DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

2.結(jié)果與分析

2.1水楊酸最適濃度的篩選

玉米種子用相應(yīng)濃度的水楊酸于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（培養(yǎng)箱溫度25 ℃，光控12 h，間隔12 h）。一周后，進(jìn)行觀察，統(tǒng)計種子的發(fā)芽數(shù)，實驗結(jié)果見表1。從表1中可知，用100 μmol·L-1的水楊酸濃度處理過的玉米種子的發(fā)芽率最好。因此選取100 μmol·L-1的水楊酸濃度為本實驗的后續(xù)處理濃度。

表1 不同濃度的水楊酸對玉米種子的發(fā)芽率的影響

2.2水楊酸在鎘脅迫下對玉米種子發(fā)芽的影響

采用水培法將玉米種子按編號依次移入鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿30粒，余下種子做更換替補(bǔ)，于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)（培養(yǎng)箱溫度25 ℃，光控12 h，間隔12 h），補(bǔ)充等量相應(yīng)濃度的鎘和100 μmol·L-1的水楊酸溶液或去離子水。培養(yǎng)一周左右，各處理組發(fā)芽勢及發(fā)芽率數(shù)據(jù)見表2，從表2中看出：在沒有加水楊酸的試驗組中空白對照的玉米種子發(fā)芽率及發(fā)芽勢最好，隨著鎘離子濃度增加發(fā)芽率及發(fā)芽勢越來越差；加入水楊酸處理組發(fā)芽率及發(fā)芽勢明顯高于對照組。并且在發(fā)芽率方面，當(dāng)鎘離子濃度低于或等于150 μmol·L-1時對照組和處理組都沒有顯著性差異，而當(dāng)鎘離子濃度達(dá)到200 μmol·L-1時對照組與處理組卻存在顯著性差異，但沒有達(dá)到極顯著性差異。在第5天的發(fā)芽勢中所有的對照組與處理組都不存在明顯性差異的現(xiàn)象。

表2 水楊酸在不同鎘離子濃度脅迫下對玉米種子的發(fā)芽率及發(fā)芽勢的影響

2.3.1水楊酸在鎘脅迫下對玉米幼苗葉片中可溶性糖含量的影響

實驗采用蒽酮比色法測定各個組項的可溶性糖含量數(shù)據(jù)見圖1。從圖1可以看出不管是處理組還是對照組的玉米幼苗葉片中可溶性糖的含量都隨著重金屬鎘濃度的增加而增加，并且不難看出在加入水楊酸的處理組中玉米幼苗中可溶性糖的含量比沒加水楊酸的對照組可溶性糖的含量增加的還要多（最高竟達(dá)到0.51％左右）而且增加的幅度要大得多。這就說明，一定量的水楊酸使在鎘離子脅迫下的玉米幼苗葉片中的可溶性糖的含量提高。

圖1 水楊酸在不同鎘離子濃度脅迫下對玉米葉片中的可溶性糖的含量的影響

2.3.2水楊酸在鎘脅迫下對玉米幼苗葉片中蛋白質(zhì)含量的影響

本實驗通過考馬氏亮藍(lán)染料結(jié)合法測定各組處理中玉米幼苗葉片中的可溶性蛋白質(zhì)含量的數(shù)據(jù)見圖2。從圖2中可以看出玉米幼苗葉片中可溶性蛋白質(zhì)的含量在鎘離子濃度低于150 μmol·L-1之前隨著重金屬鎘濃度的增加也隨之增加，并且在加入水楊酸處理組的玉米幼苗葉片中可溶性糖的含量比沒加水楊酸的對照組中的含量還要多，最大程度竟多出371.14 μg·ml-1左右。但在150 μmol·L-1到200 μmol·L-1這區(qū)間中不管試驗組還是對照組玉米幼苗葉片中的蛋白質(zhì)的含量大幅度下降，且下降的幅度大致相同。這說明是否加入水楊酸在一定的鎘離子濃度范圍內(nèi)，玉米幼苗葉片中的蛋白質(zhì)含量會增加；而超過某個量后就會使其含量降低。而加入一定量的水楊酸會使玉米幼苗葉片中的可溶性蛋白質(zhì)含量相對于相應(yīng)的沒加水楊酸的玉米幼苗葉片中的可溶性蛋白質(zhì)含量要更高。

2.3.3水楊酸在鎘脅迫下對玉米幼苗葉片中丙二醛含量的影響

采用硫代巴比妥酸（TBA）顯色法測定各組玉米幼苗葉片中的丙二醛含量的數(shù)據(jù)，在沒加鎘離子的對照組中玉米幼苗葉片中的丙二醛的含量基本相同，而玉米幼苗受鎘離子脅迫后，葉片中的丙二醛含量會隨之重金屬濃度的增加而提高，隨著鎘離子的濃度的增加而增加。在比較之下加入水楊酸的實驗組相對于相對應(yīng)未加水楊酸的對照組來說，增加的程度要低，且最大低至219.97 μmol·g-1。因此可以說，一定量的水楊酸在鎘離子脅迫下能降低玉米幼苗葉片中的丙二醛含量。

3結(jié)論與討論

本研究采用室內(nèi)水培法的方式，研究了水楊酸在鎘脅迫下對玉米種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響。研究結(jié)果表明：（1）種子萌發(fā)既是玉米生活周期的起點，也是玉米感知外界環(huán)境的最初生命階段，對重金屬污染最敏感，較低濃度（0 μmol·L-1-150 μmol·L-1）的鎘離子處理后，玉米幼苗葉片中蛋質(zhì)含量呈上升趨勢，較高濃度（150 μmol·L-1-200 μmol·L-1）鎘離子處理，使可溶性蛋白質(zhì)含量降低。在較低濃度的鎘離子處理下，可溶性蛋白質(zhì)的含量升高可能是由于鎘離子作為一種逆境因子激活了葉片中的抗氧化酶以及一些抗性蛋白的產(chǎn)生，較高濃度的鎘離子則一方面抑制蛋白質(zhì)的合成，另一方面又加速了蛋白質(zhì)的降解。

可溶性的糖對植物細(xì)胞具有滲透調(diào)節(jié)及保護(hù)膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用，植物為了適應(yīng)逆境環(huán)境會主動積累一些可溶性糖，可溶性糖降低細(xì)胞滲透勢和冰點，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化[16]。本研究中，隨著鎘離子處理濃度的增大，可溶性糖的含量也增加 ，這說明玉米幼苗對鎘離子毒害有一定的抗性。俞慧娜等[17]認(rèn)為，在較高濃度的錳處理下，大豆葉片中脯氨酸含量增加是為了適應(yīng)不利其生長的環(huán)境。該研究結(jié)果表明，在鎘離子處理下，玉米幼苗葉片組織中的脯氨酸含量增加與可溶性糖的含量增加是一致的，推測兩者共同對抗鎘離子的毒害。

丙二醛的含量的高低表明植物質(zhì)膜的過氧化作用的強(qiáng)弱。丙二醛的含量越高，質(zhì)膜的過氧化作用越強(qiáng)；反之則越弱[15]。本研究結(jié)果表明，一定濃度的水楊酸能降低玉米葉片中丙二醛的含量，從而減弱質(zhì)膜的過氧化作用，使玉米的抗鎘離子傷害能力提升?？傊?，一定濃度的水楊酸對植物在鎘脅迫下有一定的緩解或抵抗作用。而水楊酸與鎘等重金屬之間的作用機(jī)理問題還需進(jìn)一步研究。

[1]張大鵬,蔡春菊,范少輝,等.重金屬Pb2+和Cd2+對毛竹種子萌發(fā)及幼苗早期生長的影響[J].林業(yè)科學(xué)研究,2012,25(4):500-504.

[2]周媛,劉鵬.水楊酸對鋁脅迫下栝樓生長的調(diào)控機(jī)理研究[D].浙江師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013,32-37.[3]趙明月,方巖雄,紀(jì)紅兵.水楊酸保結(jié)工藝和機(jī)理及其包結(jié)物的性能研究[D].廣州工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013,55-59.

[4]朱杉, 安黎哲.擬南芥水楊酸通路蛋白參與植物抗生物脅迫的作用機(jī)理研究[D].蘭州大學(xué)博士學(xué)位論文,2013,2-4.

[5]張大鵬,蔡春菊,范少輝,蘇文會.重金屬Pb2+和Cd2+對毛竹種子萌發(fā)及幼苗早期生長的影響[J].林業(yè)科學(xué)研究,2012,04:500-504.

羅秋權(quán)（1993-），男，湖南郴州市人，湖南人文科技學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院2012級學(xué)生。