方鑫 嚴(yán)涵 姚鵬程

摘? 要：為篩選修復(fù)鋅錳重金屬污染土壤的作物，采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，研究了100 mg/L，150 mg/L，200 mg/L鋅、錳復(fù)合脅迫對(duì)水稻及小麥生長(zhǎng)情況、葉綠素含量、游離脯氨酸含量、丙二醛含量以及超氧化物歧化酶活性的影響。結(jié)果顯示，鋅、錳復(fù)合脅迫均顯著抑制2種作物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致其株高降低，根長(zhǎng)減小，根系體積減小，葉綠素含量大幅下降，游離脯氨酸、丙二醛（MDA）含量顯著上升（P<0.05），超氧化物歧化酶（SOD）活性顯著下降（P<0.05），且隨著脅迫濃度從100 mg/L上升到200 mg/L，2種作物的逆境響應(yīng)不斷加劇。相同濃度下，脅迫對(duì)水稻的生長(zhǎng)抑制強(qiáng)于小麥，表現(xiàn)為株高降低比例、根長(zhǎng)減小比例以及根系體積減小比例小麥小于水稻，總?cè)~綠素含量下降比例、游離脯氨酸含量、丙二醛含量上升幅度、超氧化物歧化酶活性下降幅度小麥小于水稻。因此，修復(fù)鋅錳重金屬污染的土地，小麥比水稻更適合種植。

關(guān)鍵詞：鋅;錳;復(fù)合脅迫;水稻;小麥

中圖分類號(hào)：S-3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.11974/nyyjs.20181131004

引言

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]。當(dāng)鋅、錳離子過量則會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生重金屬毒害，從而影響植物的生長(zhǎng)，促使其產(chǎn)生一系列生理生化反應(yīng)。而目前鋅錳干電池的隨意丟棄使得土壤遭受嚴(yán)重的鋅錳重金屬污染。對(duì)這些污染的土壤進(jìn)行修復(fù)是亟待解決的問題。種植能吸收土壤中的重金屬且對(duì)污染物耐受性好的作物，是目前普遍應(yīng)用的解決辦法。有研究發(fā)現(xiàn)，不同作物對(duì)重金屬離子的耐受程度不同，如水稻、小麥和蘿卜等耐鉻性較強(qiáng)，小白菜、黃瓜等對(duì)鉻毒害較敏感[2]。而目前關(guān)于植物對(duì)重金屬的耐受生理研究中，鋅、錳復(fù)合脅迫的報(bào)道十分罕見。

水稻和小麥同屬禾本科，是全球最主要的糧食作物，也是科學(xué)研究常用的模式植物，是在重金屬污染土壤中種植的理想作物。本研究旨在通過鋅、錳復(fù)合脅迫對(duì)水稻和小麥生長(zhǎng)及生理生化特性的影響，篩選出更耐受鋅、錳復(fù)合脅迫的作物，為修復(fù)土壤鋅、錳重金屬污染提供理論依據(jù)，且為評(píng)價(jià)土壤鋅、錳重金屬污染提供參考指標(biāo)。

1? ? ?試驗(yàn)方法

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水稻種子以及買自上海市種子公司的高優(yōu)503小麥種子。選取大小一致的種子，經(jīng)75% 乙醇消毒20min，用自來水沖洗20min，蒸餾水沖洗后再用蒸餾水浸種24h，黑暗催芽24h，隨后播種于含Hoagland營(yíng)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)。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6個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別水稻、小麥100mg/L Zn + 100mg/L Mn處理組各1個(gè)，150mg/L Zn + 150mg/L Mn處理組各1個(gè)，200mg/L Zn + 200mg/L Mn處理組各1個(gè)，1個(gè)水稻空白對(duì)照組，1個(gè)小麥空白對(duì)照組，對(duì)照組與所有實(shí)驗(yàn)組均3組重復(fù)，pH值控制在6.5，每12h用1 mol/L 的HCl或NaOH調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液pH。每5d更換營(yíng)養(yǎng)液1次，處理20d。

1.1? ? ?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，參考Sims[3]等的方法進(jìn)行葉綠素含量的測(cè)定，參考Demiral[4]等的方法測(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[5]測(cè)定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用比色法[5]測(cè)定。

1.2? ? ?數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值，采用SPSS 20.0[6]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、小麥生長(zhǎng)情況

鋅、錳復(fù)合脅迫處理20d后2種作物的生長(zhǎng)情況（株高、根長(zhǎng)、根系體積）見表1，水稻與小麥在3個(gè)處理下的株高均顯著低于對(duì)照組（P<0.05），根長(zhǎng)均顯著短于對(duì)照組（P<0.05），根系體積均顯著小于對(duì)照組（P<0.05）。且隨著脅迫濃度的升高，重金屬對(duì)2種作物的抑制作用不斷增強(qiáng)。相同濃度處理下，鋅、錳復(fù)合脅迫對(duì)水稻的抑制作用強(qiáng)于小麥。其中，抑制作用最強(qiáng)均為200mg/L處理組，水稻在此處理下株高、根長(zhǎng)、根系體積分別減小為對(duì)照組的59.1%、58.0%、39.1%，小麥在此處理下株高、根長(zhǎng)、根系體積分別減小為對(duì)照組的72.5%、63.0%、54.2%。

2.2? ? ?葉綠素含量

由表2可見，各個(gè)處理均顯著降低了2種作物的葉綠素含量（P<0.05）。同種作物隨著脅迫濃度的升高，葉綠素a，葉綠素b，總?cè)~綠素含量逐漸降低。相同濃度處理下，鋅、錳復(fù)合脅迫對(duì)水稻葉綠素含量的影響大于小麥。2種作物均在200mg/L處理下葉綠素含量下降最多。水稻的葉綠素a，葉綠素b，總?cè)~綠素含量分別下降為對(duì)照組的65.9%、45.8%、59.5%。小麥的葉綠素a，葉綠素b，總?cè)~綠素含量分別下降為對(duì)照組的72.3%、81.8%、74.6%。由葉綠素a/b數(shù)據(jù)可知，水稻葉綠素a的降幅低于葉綠素b，小麥葉綠素a的降幅高于葉綠素b。

2.3? ? ?游離脯氨酸含量

3個(gè)濃度脅迫下，2種作物葉片中游離脯氨酸含量均上升（圖1）。對(duì)于同種作物，隨著脅迫濃度的升高，脯氨酸含量不斷上升。相同濃度下，水稻脯氨酸含量上升的比例大于小麥。2種作物均在200mg/L處理下，脯氨酸含量達(dá)到最高，與對(duì)照組相比，水稻上升31.5%，小麥上升26.2%。

2.4? ? ?MDA含量和SOD活性

處理20d后，3個(gè)水稻處理組中的葉片均出現(xiàn)明顯的壞死斑及黃化現(xiàn)象，而小麥僅在200mg/L處理組出現(xiàn)這種現(xiàn)象。此現(xiàn)象與葉片中丙二醛含量上升有直接關(guān)系。對(duì)于同種作物，脅迫濃度越高，葉片黃化現(xiàn)象越嚴(yán)重，與表3 MDA含量相對(duì)應(yīng)。相同濃度下，水稻MDA上升的比例高于小麥，在200mg/L處理組，2種作物丙二醛積累量均最高。水稻達(dá)到對(duì)照組的1.57倍，小麥達(dá)到對(duì)照組的1.36倍。

各濃度的鋅、錳復(fù)合脅迫均顯著降低2種作物葉片中SOD的活性。對(duì)于同種作物，SOD活性隨著脅迫濃度的升高而降低。相同濃度下，脅迫對(duì)作物葉片中SOD活性的影響水稻大于小麥。2種作物均在200mg/L處理組SOD活性下降最多，與對(duì)照組相比，分別下降32.3%、27.9%。

3? ? ?討論

鋅錳干電池的隨意丟棄使土壤遭受嚴(yán)重的重金屬污染。Zn、Mn是植物生長(zhǎng)的必需元素，種植于污染土壤中的植物通過吸收土壤中的污染物達(dá)到修復(fù)土壤污染的目的。因此篩選在重金屬污染土壤中能夠較好生長(zhǎng)的植物尤為必要。禾本科植物由于其高度進(jìn)化的風(fēng)媒傳粉結(jié)構(gòu)、高效的物質(zhì)運(yùn)輸效率以及極高的水分利用率等使其在各種土壤中均能夠適應(yīng)生長(zhǎng)。因此禾本科植物成為了在重金屬污染土壤中種植的首選。

本研究所涉及的2種禾本科植物，小麥在100mg/L的低濃度處理組株高和根系體積分別下降為對(duì)照組的87.2%、71.6%，大于水稻的80.9%、55.6%。根長(zhǎng)下降為對(duì)照組的85.4%，略小于水稻的87.0%。在200mg/L的高濃度處理組，小麥的株高、根長(zhǎng)、根系體積分別下降為對(duì)照組的72.5%、63.0%、54.2%，均高于水稻的59.1%、58.0%、39.1%。表明在較高濃度的鋅錳復(fù)合污染的土壤中，不同禾本科植物的適應(yīng)性有較大差異，小麥的適應(yīng)性更強(qiáng)于水稻。

碳酸酐酶是植物葉綠體中的重要成分，鋅是碳酸酐酶的主要成分[7]。因此鋅在植物體內(nèi)具有重要的作用。但當(dāng)鋅過量時(shí)則顯著提高了植物過氧化氫酶和愈創(chuàng)木酚過氧化物酶的活性，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[8]。這是鋅過量導(dǎo)致植物葉綠素含量降低的機(jī)理。本研究發(fā)現(xiàn)，無論是小麥還是水稻，在這3個(gè)濃度下均出現(xiàn)了葉綠素含量顯著下降的現(xiàn)象，說明2種作物在這3個(gè)濃度下均受到了較強(qiáng)的脅迫。水稻葉綠素a下降的比例低于葉綠素b，小麥葉綠素a下降的比例高于葉綠素b，這可能與2種植物本身葉綠素a與b的含量差異有關(guān)。而不管在哪個(gè)脅迫濃度下，葉綠素a，葉綠素b，葉綠素a+b下降的比例均為水稻大于小麥，也說明小麥在較高濃度的鋅、錳復(fù)合污染土壤中適應(yīng)性好于水稻。

與葉綠素含量下降機(jī)制相似，MDA作為脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，在植物受脅迫時(shí)，在植物體內(nèi)含量會(huì)上升[9]。直觀表現(xiàn)為葉片出現(xiàn)壞死與黃化現(xiàn)象。在培養(yǎng)過程中發(fā)現(xiàn)，3個(gè)水稻處理組中的幼苗葉片均出現(xiàn)明顯的壞死斑及黃化現(xiàn)象，而小麥僅在200mg/L處理組出現(xiàn)這種現(xiàn)象。從最宏觀角度也可說明小麥更加適應(yīng)于在鋅、錳復(fù)合污染的土壤中生長(zhǎng)。

隨著逆境下脂質(zhì)的過氧化，植物隨即會(huì)啟動(dòng)抗氧化系統(tǒng)，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）、抗壞血酸過氧化物酶（APX）和谷胱甘肽還原酶（GR）等[10] 的含量變化。其中超氧化物歧化酶（SOD）即是植物抗氧化系統(tǒng)中一種重要的酶， Zn、Mn元素是植物體內(nèi)Cu、Zn-SOD、Mn-SOD的組成成分。當(dāng)其過量時(shí)，反而會(huì)抑制SOD的活性[11]，因此， 在脅迫環(huán)境下SOD活性下降少的植物更適合用于修復(fù)土壤污染。而本研究發(fā)現(xiàn)在100mg/L，150mg/L，200mg/L鋅、錳復(fù)合脅迫條件下，小麥的SOD活性下降幅度均小于水稻。

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)[12-14]。本研究中2種作物各個(gè)處理組游離脯氨酸均發(fā)生積累，且小麥的積累效應(yīng)小于水稻，與其他指標(biāo)的結(jié)果類似，因此，也可將游離脯氨酸的積累量作為脅迫指標(biāo)進(jìn)行修復(fù)作物的篩選。

參考文獻(xiàn)

[1]黃建國(guó).植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2004： 200.

[2]鄧波兒，劉同仇，周易勇，等.不同作物對(duì)鉻毒害耐性的研究[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，1991（1）：98-103.

[3]SimsD A，Gamon J A.Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species，leaf structures and developmental stages[J].Remote Sensing of Environment，2002（81）： 337-354.

[4]Demiral T，Turkan I.Comparative lipid peroxidation，antioxidant defense systems and proline content in roots of two rice cultivars differing in salt tolerance[J].Environmental and Experimental Botany，2005（53）：247-257.

[5]張志良，瞿偉菁.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]CORP I B M.IBM SPSS statistics for Windows，version 20.0.Armonk[M].NY： IBM Corp.Released 2011.

[7]Wood I G.Sibley P M.Carbonic anhydrase activity in plants in relation to zinc content[J].Australian Journal of Science Research，1952（B5）：244-255.

[8]蔣明義，楊文英，徐江，等.滲透脅迫下水稻幼苗中葉綠素降解的活性氧損傷作用[J].植物學(xué)報(bào)，1994，36（4）：289 -295.

[9]CHAOUI A，MAZHOUDI S，GHORBAL M H，et al.Cadmium and zinc induction of lipid peroxidation and effects on antioxidant enzyme activities in bean （Phaseol usulgaris L[J].Plant Science，1997（127）：139-147.

[10]郭天榮，姚鵬程，張子棟.鋁毒和低磷脅迫下水稻幼苗抗氧化系統(tǒng)的響應(yīng)[J].中國(guó)水稻科學(xué)，2013，27（6）：653-657.

[11]邵鄰相，黃伯鐘，丁淑靜.鋅、錳、鐵和銅離子對(duì)水稻幼苗生長(zhǎng)及SOD活性的影響[J].種子，2001（6）：16-17，19.

[12]WATANABE S，KOJIMA K，IDE Y，et al.Effects of saline and osmotic stress on proline and sugar accumulation in Populu seuphratica in vitro[J].Plant Cell Tissue and Organ Culture，2000（63）：199-206.

[13]ASHRAF M，HARRIS P J C.Potential biochemical indicators of salinity tolerance in plants[J].Plant Science，2004（166）：3-16.

[14]MANSOUR M M F，SALAMA K H A，ALI F Z M，et al.Cell and plant responses to NaCl in Zea mays L.cultivars differing in salt tolerance[J].General Applied Plant Physiology，2005（31）：29-41.