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鈣對鎘脅迫下生菜幼苗生長和生理的影響

2010-07-31 01:22石貴玉李佳枚廖文雪
浙江農(nóng)業(yè)科學(xué) 2010年4期
關(guān)鍵詞:過氧化生菜逆境

石貴玉,李佳枚,韋 穎,廖文雪,葉 靜

(1.廣西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,廣西 桂林 541004;2.廣西環(huán)境工程與保護評價重點實驗室,廣西 桂林 541004)

隨著礦產(chǎn)資源大量開發(fā)利用,各種化學(xué)產(chǎn)品、農(nóng)藥、化肥的廣泛使用以及城市污泥、污水的農(nóng)業(yè)利用,重金屬對土壤、水體的污染也越來越嚴(yán)重[1-2]。在主要的重金屬污染物中,鎘 (Cd) 有比較高的生物毒性,Cd對高等植物的毒害作用主要表現(xiàn)為抑制植物對水分的吸收和運輸;抑制光合作用和呼吸作用;抑制其它新陳代謝等[3]。

很多研究表明,鈣 (Ca)在植物抗逆境過程中具有重要作用,外源Ca可增強植物對許多非生物逆境的適應(yīng)性,減輕逆境對植物所造成的傷害[4-5],營養(yǎng)液及土壤中添加Ca對Cd的毒害具有緩解作用[6]。

生菜 (Lactuca sativa)別名萵苣,屬菊科萵苣屬植物,生菜營養(yǎng)價值較高,主要以生食為主,是涼拌色拉、漢堡包不可缺少的蔬菜。在南方普遍栽培,是人們喜食的葉菜類之一。因生菜多在城市郊區(qū)種植,易受Cd污染。因此,研究生菜Cd積累及毒害生理機制,培育食用部位含Cd量低的生菜品種具有重要的理論和實際意義。

本試驗以生菜為材料,研究Ca對不同 Cd水平脅迫下的生菜植株生長生理的影響,探討Ca對不同Cd水平下生菜抗氧化酶活性的變化以及影響植株生長的生理機制,以求為發(fā)展綠色食品和無公害蔬菜提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料和處理

試驗用生菜秧苗受贈于桂林市穿山鄉(xiāng),品種為生菜王 (Lettuce)。

秧苗先用自來水沖洗根上的泥土,挑選生長一致的幼苗在營養(yǎng)液中進行預(yù)培養(yǎng),每盆5株,營養(yǎng)液配方采用華南農(nóng)業(yè)大學(xué)葉菜類配方[7],預(yù)培養(yǎng)1周后,進行脅迫處理。

試驗設(shè)置如下:1號不加 Cd對照 (CK);2號Ca 20 mg·L-1(以CaCl2加入,下同);3號Cd 10 mg·L-1(以 CdSO4加入,下同);4號 Cd 20 mg·L-1;5 號 Ca 20 mg·L-1+Cd 10 mg·L-1;6號 Ca 20 mg·L-1+Cd 20 mg·L-1。重復(fù) 3 次。分別于處理后10 d取樣測定過氧化物酶 (POD)、過氧化氫酶 (CAT)、超氧化物歧化酶 (SOD)的活性和丙二醛 (MDA)、還原性糖含量。第20天測定葉綠素含量和植株生長量。

1.2 測定方法

POD活性的測定:用愈傷木酚氧化法[8],以470 nm波長下每1 min每1 g材料的光密度變化表示酶活性大小。

CAT活性的測定:用紫外吸收法測定[9],以1 min內(nèi)D240減少0.1為一個酶活性單位。

SOD活性的測定:按Giannopolitis和Ries的方法,以每單位時間內(nèi)抑制光化還原50%的氮藍四唑 (NBT) 為一個酶活性單位[10]。

MDA含量的測定:采用硫代巴比妥酸比色法測定 MDA 含量[8]。

還原性糖含量的測定:用蒽酮法[8]。

葉綠素含量的測定:采用分光光度法,用Arnon 法計算葉綠素含量[8]。

生長量測定:采用尺寸測量法和天平法。

數(shù)據(jù)采用Excel軟件處理,采用 SPSS 13.0軟件用單因素方差分析對以上數(shù)據(jù)進行樣品的差異顯著性檢驗,采用LSD方法進行多重比較檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 對生菜幼苗生長的影響

從表1可見,培養(yǎng)20 d時,2號處理株高和鮮重與對照基本相同,3號、4號處理則株高和鮮重均比對照低,且濃度愈高作用愈明顯,但5號和6號有Ca存在時,株高和鮮重則分別比3、4號高,說明Ca有緩解Cd毒害的作用。

2.2 對生菜幼苗葉綠素含量和組分的影響

葉綠素是植物進行光合作用的色素,其含量高低可以在一定程度上反映光合作用水平[11]。葉綠素含量降低,光合作用減弱,會導(dǎo)致植物生長受抑制,生物量下降。從表1可以看出,隨著Cd污染濃度的升高,葉綠素總量呈下降的趨勢,同時葉綠素a/b比值隨著Cd污染濃度的增高而降低,說明Cd毒害使生菜葉片葉綠素含量降低,且對葉綠素a的影響小于對葉綠素b的影響。從表1中還可以看出,Ca+Cd,處理幼苗葉綠素含量和組成均高于Cd處理,說明Ca有緩解Cd毒害,保持較高水平葉綠素含量的作用。

表1 各處理對生菜幼苗株高、鮮重和葉綠素的影響

2.3 對生菜幼苗抗氧化能力的影響

2.3.1 SOD活性

SOD是重要的活性氧清除酶,能保護細(xì)胞免受活性氧脅迫的傷害。圖1看出,Cd脅迫下SOD活性有所提高,Ca存在時SOD活性比單一Cd脅迫的酶活性高,這可能與植物在逆境時通過提高SOD活性起應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)。說明Ca有提高生菜幼苗抗重金屬脅迫的能力。但隨著脅迫時間的延長,各處理的SOD活性均大幅度下降。

圖1 Ca對Cd脅迫下生菜幼苗SOD活性的影響

2.3.2 CAT活性

CAT也是清除H2O2重要的保護酶,圖2反映了Cd脅迫和Ca對生菜幼苗葉片CAT活性的影響。在處理的早期處理3~6生菜幼苗中的CAT活性均有明顯的增加,Ca處理從開始到結(jié)束,CAT活性均比CK組高,但是差異并不明顯。這說明Ca有提高CAT活性的能力,在處理后期,處理3~6幼苗中的CAT活性均下降。試驗結(jié)果與生菜SOD活性變化相似,這可能與植物在逆境時也通過提高CAT活性消除活性氧有關(guān)。

圖2 Ca對Cd脅迫下生菜幼苗CAT活性的影響

2.3.3 POD活性

POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶,能有效清除H2O2。圖3反映了鎘Cd脅迫時Ca對生菜幼苗葉片POD活性的影響。

從圖3可知,隨著處理時間的延長,處理3~6的POD活性從開始到實驗結(jié)束始終高于對照,處理5~6的POD活性一直比處理3~4的 POD活性高,反映Ca有提高POD活性的作用。

圖3 Ca對Cd脅迫下生菜幼苗POD活性的影響

2.3.4 MDA含量

植物在逆境環(huán)境中,細(xì)胞膜中的不飽和脂肪酸會發(fā)生過氧化作用產(chǎn)生MDA,使質(zhì)膜系統(tǒng)受到傷害,其選擇性受到破壞,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲量增加,因而MDA含量可反映膜脂過氧化作用的強弱,質(zhì)膜透性可表示膜傷害或變性的程度[12]。圖4反映了鎘脅迫下Ca對生菜幼苗葉片MDA含量變化的影響。在整個試驗中,處理3~6植株葉片MDA含量明顯比CK組多,達到了顯著水平 (P<0.05),特別是處理5~6始終比處理3~4的MDA含量要低,并且達到了顯著水平,這說明Ca離子在一定程度上增強了生菜抵抗重金屬的能力。

圖4 Ca對Cd脅迫下生菜幼苗MDA含量的影響

2.4 對生菜幼苗可溶性糖含量的影響

可溶性糖是參與細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的主要物質(zhì)之一,糖的積累能提高細(xì)胞滲透濃度,在植物抗性的維持中具有重要作用。圖5反映了Ca對Cd脅迫下生菜幼苗可溶性糖含量的影響。從圖5中可知,Cd脅迫使生菜幼苗體內(nèi)的可溶性糖含量下降,加Ca處理組生菜幼苗中的可溶性糖含量均比未加Ca處理組幼苗中可溶性糖含量高,差異明顯已達到顯著水平,反映Ca處理有緩解鎘毒害的作用。

圖5 Ca對Cd脅迫下生菜幼苗可溶性糖含量的影響

3 小結(jié)和討論

活性氧 (如·O2-,·OH,H2O2等)是植物正常代謝中的產(chǎn)物,在逆境脅迫下,活性氧代謝系統(tǒng)的平衡會受到影響,植物體內(nèi)的活性氧大量生成?;钚匝醯纳吣軉幽ぶ^氧化或膜脂脫脂作用,從而破壞膜結(jié)構(gòu)[8-9]。SOD和 CAT是存在于植物細(xì)胞中重要的清除自由基酶類之一,它的主要功能是清除超氧化物自由基·O2-和H2O[213],其活性的大小與植物抗逆的能力相關(guān)[14]。試驗反映,在Cd脅迫的早期,加入Ca能提高SOD和CAT的活性,從而提高清除自由基的能力,緩解Cd脅迫對生菜幼苗的傷害;但是,隨著Cd脅迫時間的延長,Ca逐漸失去提高幼苗SOD、CAT活性的作用,這可能是加入Ca使SOD、CAT活性提高是有限度的,隨著脅迫的加重,保護機制可能被破壞,因此,隨著Cd脅迫時間的延長,SOD、CAT活性又發(fā)生了急劇下降。在本次試驗中 CAT、SOD兩者活性的影響具有相關(guān)性,兩者活性變化趨勢基本一致,這說明加Ca能夠通過提高抗氧化酶類活性從而提高對鎘的抗逆性。

POD是植物體內(nèi)重要的代謝酶,也是植物體內(nèi)的抗氧化酶之一,過氧化物酶活性的高低不僅反映植物生長發(fā)育及內(nèi)在代謝情況,同時也是植物抗性好壞的標(biāo)志之一[12,15]。從試驗可以看出 Cd脅迫時Ca對生菜幼苗葉片POD活性的變化與Cd脅迫時Ca對生菜幼苗葉片SOD、CAT活性的變化不一致,POD的活性是從試驗開始到試驗結(jié)束持續(xù)升高,表明其對Cd脅迫的適應(yīng)性比較強,暗示POD活性在抗Cd脅迫的過程中起關(guān)鍵性的作用。

MDA是生物體代謝和生物膜系統(tǒng)脂質(zhì)過氧化作用下的產(chǎn)物,MDA含量的多少反映了細(xì)胞膜脂過氧化的程度,是一種重要的逆境生理指標(biāo)。本試驗說明生菜體內(nèi)膜脂過氧化的程度受Cd處理濃度和處理時間的雙重影響,處理濃度越大、時間越長,生菜體內(nèi)膜脂過氧化程度越大,植株受的傷害越大。Ca能維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,在逆境下具有保護植物細(xì)胞膜免遭損傷、降低離子滲漏的功能,原因可能是Ca與膜磷脂的極性頭部結(jié)合,通過交聯(lián)作用,使膜脂分子和蛋白質(zhì)分子結(jié)合緊密,從而降低了膜的透性[15]。說明Ca減輕了鎘的生理毒害,可能與它維持細(xì)胞膜和細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的完整性有關(guān)。

植物為了適應(yīng)逆境條件,也會主動積累一些可溶性糖、脯氨酸等物質(zhì),以適應(yīng)外界環(huán)境條件的變化。可溶性糖是參與細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的主要物質(zhì)之一,糖的積累能提高細(xì)胞滲透濃度,增加抗性能力,在植物抗性的維持中具有重要作用。賀迪等[16]發(fā)現(xiàn)Zn2+脅迫下可溶性糖含量的增加有利于細(xì)胞或組織持水,防止脫水從而使得細(xì)胞內(nèi)大分子糖類的分解加強而合成受抑,最終導(dǎo)致可溶性糖含量上升。本試驗也表明,外源Ca可以促進生菜體內(nèi)可溶性糖含量增加,這可能與提高生菜抗重金屬鎘毒害的能力有關(guān)。

據(jù)報道,Cd脅迫下,植物葉綠體結(jié)構(gòu)受損,葉綠素生物合成受阻[16],導(dǎo)致葉綠素總量降低,植物光合作用受到抑制,從而引起植物長勢較弱,生長量減少。本試驗中,隨著Cd濃度的增加和時間的延長,生菜葉綠素含量明顯降低、植株矮小,這與王林在蘿卜上的研究結(jié)果相似[17],導(dǎo)致了植物的光合能力降低,生長延緩。Ca處理葉綠素含量和組成均高于 Cd污染處理,這說明了Ca能增加生菜幼苗的抗Cd能力。

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