嚴(yán)涵，方鑫，朱賢豪，劉星宇，洪陽(yáng)，劉駿，姚鵬程

(上海市格致中學(xué)，上海 奉賢 201499)

鋅錳干電池是目前市面上銷售量最大的干電池。耗盡電量的干電池隨意丟棄影響環(huán)境，使土壤遭受嚴(yán)重的重金屬污染。鋅、錳作為植物生長(zhǎng)必需的微量元素，是某些酶不可缺少的組分，也可作為某些酶的激活劑，對(duì)植物的生長(zhǎng)和新陳代謝都有重要影響[1]。其過(guò)量時(shí)會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生重金屬毒害，從而表現(xiàn)出一系列形態(tài)及生理生化反應(yīng)。一些物種可以通過(guò)一定的形式來(lái)避免重金屬毒害，其中，提高抗氧化系統(tǒng)的酶的活性是植物最重要的耐重金屬機(jī)理[2]。作為對(duì)植物生長(zhǎng)有害的重金屬，目前關(guān)于鋁、鎘、鉛等單一及復(fù)合脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)、代謝的毒害及植物產(chǎn)生的抗性機(jī)制已有許多報(bào)道[3-5]。盡管如鋅、錳等植物營(yíng)養(yǎng)元素過(guò)量對(duì)植物毒害的研究意義重大，但鮮見(jiàn)關(guān)于此方面的報(bào)道。本研究通過(guò)過(guò)量的植物營(yíng)養(yǎng)元素鋅、錳單一及復(fù)合脅迫水稻，檢測(cè)水稻幼苗的生理生化特性，以期闡明鋅、錳單一及復(fù)合脅迫對(duì)水稻的毒害機(jī)制，并為評(píng)價(jià)土壤鋅錳重金屬污染提供植物生理學(xué)指標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗(yàn)于2018年在上海市格致中學(xué)奉賢校區(qū)植物逆境生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)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。選取大小一致的種子，經(jīng)75%乙醇消毒20 min，用自來(lái)水沖洗20 min，蒸餾水沖洗后再用蒸餾水浸種24 h，黑暗催芽24 h，隨后播種于含Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的塑料培養(yǎng)盒中，于溫室中光/黑各12 h、(28±2)℃下培養(yǎng)。播種前鋅以ZnSO4·7H2O形式，錳以MnSO4形式加入至營(yíng)養(yǎng)液中，形成9個(gè)試驗(yàn)組。設(shè)空白對(duì)照組為T1；處理T2～T4分別為100、150、200 mg·L-1的Zn處理組；T5～T7分別為100、150、200 mg·L-1的Mn處理組；T8～T10分別為100 mg·L-1Zn+100 mg·L-1Mn、150 mg·L-1Zn+150 mg·L-1Mn和200 mg·L-1Zn+200 mg·L-1Mn的復(fù)合處理組，對(duì)照組與所有試驗(yàn)組均重復(fù)3次，pH值6.5，每12 h用1 mol·L-1的HCl或NaOH調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液pH。每5 d更換營(yíng)養(yǎng)液1次，處理20 d。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

取3株材料用常規(guī)方法測(cè)定株高，根長(zhǎng)。用排水法測(cè)定根系體積，取平均值。取水稻新鮮葉片，采用丙酮法測(cè)定葉綠素含量，茚三酮顯色法測(cè)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測(cè)定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用比色法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行ANVOA方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻幼苗生長(zhǎng)狀況

處理20 d后水稻幼苗的生長(zhǎng)情況(株高、根長(zhǎng)、根系體積)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鋅錳不同處理下水稻幼苗生長(zhǎng)情況

注：同列無(wú)相同小寫(xiě)字母表示處理間在5%水平差異顯著。表2～3同。

從表1可見(jiàn)，鋅、錳單一及復(fù)合脅迫下水稻生長(zhǎng)均受到抑制。同種重金屬脅迫下，抑制作用隨著濃度的升高而不斷加強(qiáng)。相同脅迫濃度下，單一鋅脅迫的抑制強(qiáng)于鋅、錳復(fù)合脅迫，強(qiáng)于單一錳脅迫。抑制作用最弱的為100 mg·L-1Mn處理組，株高、根長(zhǎng)、根系體積分別下降為對(duì)照組的81.3%、95.8%、71.5%。200 mg·L-1Zn處理組抑制作用最強(qiáng)，株高、根長(zhǎng)、根系體積分別下降為對(duì)照組的54.6%、37.2%、32.5%。

2.2 葉綠素含量

由表2可見(jiàn)，鋅、錳單一及復(fù)合脅迫均顯著降低了水稻幼苗葉片中葉綠素的含量。同種重金屬脅迫下，葉綠素含量的降幅隨著脅迫濃度的增大而增大。相同脅迫濃度下，葉綠素含量的降幅為單一鋅脅迫大于鋅錳復(fù)合脅迫，大于單一錳脅迫。在100 mg·L-1Mn處理組葉綠素含量下降最少，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量分別為對(duì)照組的82.9%、70.1%、78.8%。在200 mg·L-1Zn處理組葉綠素含量下降最多，其中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素分別為對(duì)照組的54.1%、35.4%、48.1%。由葉綠素a/b數(shù)據(jù)可知，葉綠素b的降幅高于葉綠素a。

2.3 游離脯氨酸含量

鋅、錳單一及復(fù)合脅迫均導(dǎo)致水稻幼苗葉片中游離脯氨酸含量上升(圖1)。同種重金屬脅迫下，隨著離子濃度的升高，水稻幼苗葉片中游離脯氨酸含量逐漸升高。相同脅迫濃度下，單一鋅脅迫對(duì)水稻幼苗游離脯氨酸含量上升幅度大于鋅錳復(fù)合脅迫，大于單一錳脅迫。200 mg·L-1Zn處理組，游離脯氨酸含量上升最多，100 mg·L-1Mn處理組，游離脯氨酸含量上升最少，相比對(duì)照組分別升高42.7%和7.2%。

圖1 鋅錳單一及復(fù)合脅迫對(duì)水稻幼葉中游離脯氨酸含量的影響

2.4 MDA含量和SOD活性

處理20 d后，水稻幼苗的葉片出現(xiàn)明顯的壞死斑及黃化現(xiàn)象。這與葉片中MDA含量上升有直接關(guān)系。同種重金屬脅迫下，離子濃度越高，葉片黃化現(xiàn)象越嚴(yán)重，與表3中MDA含量相對(duì)應(yīng)。相同濃度下單一鋅處理組MDA積累量最大，單一錳處理組積累量最小。在200 mg·L-1處理組，單一鋅脅迫MDA積累量達(dá)到對(duì)照組的1.70倍，單一錳脅迫處理組為對(duì)照組的1.22倍，小于單一鋅脅迫100 mg·L-1處理組(1.44倍)。

鋅、錳單一及復(fù)合脅迫均顯著降低葉片中SOD的活性，且同種重金屬脅迫下，SOD活性隨著脅迫濃度的升高而降低，相同濃度下單一鋅脅迫對(duì)水稻幼苗葉片SOD影響最大，鋅錳復(fù)合脅迫其次，單一錳脅迫最小。200 mg·L-1Zn處理組SOD活性下降最多，100 mg·L-1Mn處理組SOD活性下降最少，與對(duì)照組相比，分別下降48.3%和10.3%。

表3 鋅錳單一及復(fù)合脅迫對(duì)水稻幼葉中MDA和SOD活性的影響

3 討論

Zn、Mn是植物生長(zhǎng)的必需元素，其過(guò)量會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害。在相同濃度下，單一鋅脅迫的毒害效應(yīng)大于鋅錳復(fù)合脅迫，大于單一錳脅迫?？梢?jiàn)，水稻對(duì)錳的耐受程度高于鋅。而相同濃度下鋅錳復(fù)合脅迫的毒害效應(yīng)小于單一鋅的毒害，這可能和Mn2+的加入抑制了Zn2+對(duì)植物的毒害有關(guān)，因此兩者對(duì)水稻的脅迫存在一定的拮抗效應(yīng)。

本研究顯示，單一錳脅迫對(duì)水稻葉綠素合成的影響顯著低于單一鋅脅迫。這可能是由于鋅是葉綠體中碳酸酐酶的主要成分[6]，但當(dāng)鋅過(guò)量時(shí)則顯著提高了植物過(guò)氧化氫酶和愈創(chuàng)木酚過(guò)氧化物酶的活性，導(dǎo)致含氧自由基大量產(chǎn)生，葉綠體膜脂過(guò)氧化，葉綠體內(nèi)膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，使葉綠素的氧化分解加快[7]。此外，當(dāng)鋅局部積累時(shí)，會(huì)與葉綠體蛋白質(zhì)中的-SH結(jié)合，或者取代其中的Fe2+、Mg2+，使得葉綠素含量降低[7]。當(dāng)鋅、錳復(fù)合脅迫水稻幼苗時(shí)，Mn2+、Zn2+競(jìng)爭(zhēng)與葉綠體蛋白質(zhì)中的成分發(fā)生反應(yīng)，從而降低了Zn2+對(duì)水稻的毒害。

作為細(xì)胞的一種滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，環(huán)境脅迫會(huì)導(dǎo)致脯氨酸積累已被許多研究證實(shí)[8-10]。本研究的鋅、錳單一及復(fù)合脅迫條件下水稻幼苗葉片中脯氨酸都發(fā)生了積累，與之前的研究一致。脯氨酸的積累可能是由于水稻受到環(huán)境脅迫導(dǎo)致其合成量增大所致[11]。因?yàn)楦彼峥梢宰鳛槿苜|(zhì)保護(hù)生物大分子結(jié)構(gòu)不被破壞，也可以減少由于環(huán)境脅迫引發(fā)的自由基積累[12]。本研究中各個(gè)處理組游離脯氨酸積累的趨勢(shì)與葉綠素含量降低的趨勢(shì)相同，因此，可將游離脯氨酸的積累量作為脅迫指標(biāo)進(jìn)行脅迫程度的判定。

脂質(zhì)過(guò)氧化是植物在逆境脅迫下最典型的癥狀[13]。MDA是脂質(zhì)過(guò)氧化的產(chǎn)物，可反映植物的受脅迫程度[14]。本研究中鋅、錳單一及復(fù)合脅迫水稻表現(xiàn)出葉片壞死及黃化，且濃度越高，葉片壞死與黃化現(xiàn)象越嚴(yán)重。葉片中MDA含量也相應(yīng)的大幅上升，表明脅迫導(dǎo)致水稻脂質(zhì)過(guò)氧化水平提高，產(chǎn)生了大量自由基，這與脅迫導(dǎo)致水稻葉綠素含量下降的機(jī)制類似。

為了抵御自由基產(chǎn)生的氧化脅迫，植物會(huì)啟動(dòng)抗氧化系統(tǒng)，如SOD、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)、抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)和谷胱甘肽還原酶(GR)等[14]的含量發(fā)生變化。其中SOD即是植物抗氧化系統(tǒng)中一種重要的酶，可催化O2-轉(zhuǎn)化成H2O2。Zn、Mn元素是植物體內(nèi)Cu、Zn-SOD，Mn-SOD的組成成分。缺少這兩種元素，SOD活性會(huì)明顯下降[15]。本研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)這兩種元素過(guò)量時(shí)抑制了SOD的活性，這與邵鄰相等[16]的研究結(jié)論一致，表明脅迫處理的水稻并不能持續(xù)提高SOD活性以適應(yīng)逆境。

目前，Zn-Mn干電池隨意丟棄導(dǎo)致的土壤重金屬污染問(wèn)題已受到越來(lái)越多人的重視。在對(duì)干電池使用進(jìn)行干預(yù)的同時(shí)，如何對(duì)已污染的土壤進(jìn)行治理也是亟待解決的問(wèn)題。筆者認(rèn)為可依據(jù)本研究涉及到的指標(biāo)進(jìn)行Zn、Mn耐受水稻品種的篩選，種植于重金屬污染的土壤中用于緩解污染。