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镉胁迫对海菜花种子萌发及幼苗初期生理生化的影响



全 文 :书陈祖拥,范菲菲,官小云,等.镉胁迫对海菜花种子萌发及幼苗初期生理生化的影响[J].江苏农业科学,2016,44(11):482-484.
doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2016.11.138
镉胁迫对海菜花种子萌发及幼苗初期生理生化的影响
陈祖拥1,范菲菲2,官小云3,彭 艳4,朱 健1
(1.贵州大学资源与环境工程学院,贵州贵阳550025;2.贵州省土壤肥料研究所,贵州贵阳550006;
3.宜宾职业技术学院校企合作办公室,四川宜宾644003;4.贵州民族大学化学与环境科学学院,贵州贵阳 550025)
  摘要:通过营养液培养法,研究Cd2+对海菜花种子萌发及幼苗初期叶绿素含量、抗氧化酶活性及可溶性蛋白质含
量的影响。结果表明,各浓度(0.1~2.0mg/L)Cd2+处理抑制海菜花种子的萌发,但与对照无显著差异(P>0.05);海
菜花种子的发芽势、发芽指数、活力指数整体随Cd2+处理浓度的增大而下降,当Cd2+处理浓度较高时,与对照差异显
著(P<0.05)。Cd2+胁迫明显降低海菜花叶片中叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素含量,且与对照差异显著(P<0.05)。
随着Cd2+浓度增大,超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、可溶性蛋白质含量先升高后降低;过氧化
氢酶(CAT)活性呈持续降低趋势,且与对照差异显著(P<0.05)。随 Cd2+胁迫浓度增大,其对海菜花的毒害作用
增强。
  关键词:镉胁迫;海菜花;萌发;叶绿素;抗氧化酶系统;可溶性蛋白质;毒害
  中图分类号:X522  文献标志码:A  文章编号:1002-1302(2016)11-0482-03
收稿日期:2016-02-19
基金项目:贵州省科学技术基金(编号:黔科合J字[2012]2104)。
作者简介:陈祖拥(1983—),男,广西桂平人,博士研究生,主要从事
土壤生态修复研究。E-mail:qingfeng340@126.com。
通信作者:朱 健,硕士,高级实验师,主要从事自然保护与环境地理
研究。E-mail:zhujian2009@126.com。
  在云贵高原分布有我国特有的三级重点保护高原淡水植
物海菜花(Oteliaacuminatavar.acuminata),其对水质要求很
高,对水生生态系统具有重要的生态指示作用。由于人类活
动的增强,工业“三废”排放,农业化肥、农药等的大量使用和
城市垃圾的肆意堆放,使生态系统中的重金属污染日益加
剧[1],导致海菜花数量急剧减少,而重金属对海菜花种子发
芽的毒害作用还鲜见报道。本研究选用毒性较强,且在贵州
省具有较高土壤背景值[2]的 Cd2+为代表,研究重金属 Cd2+
对海菜花种子萌发和幼苗生长初期生理生化的影响,以期初
步揭示Cd2+对海菜花的生态毒理效应。
1 材料与方法
1.1 材料
供试海菜花种子采自贵州省贵阳市花溪区花溪水库下游
花溪河段,挑选籽粒饱满、大小均匀的种子用于试验。
CdCl2·2.5H2O购自国药集团上海化学试剂公司,各分析纯、
生化纯试剂都用超纯水配制。
1.2 试验设计
用CdCl2·2.5H2O(分析纯)和1/10浓度 Hoagland营养
液,分别配制0、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0mg/LCd2+处理液,分
别将等体积的该处理液置于铺有2层滤纸、直径9cm的培养
皿中,分别挑选饱满的海菜花种子各20粒平铺于滤纸上,盖
好玻璃培养皿,置于温度(25±1)℃、光照度 2000lx、
14h/d、湿度80%的人工气候培养箱中进行萌发试验,每个处
理3次重复。每天添加适量的超纯水补偿蒸发的水分,保持
滤纸湿润但不淹水。以胚根露出种皮时记录为发芽种子[3],
培养14d后测定叶绿素、类胡萝卜素、可溶性蛋白质含量,同
时测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化
氢酶(CAT)活性。
1.3 分析方法
1.3.1 发芽指标计算方法 发芽指标计算方法如下:
发芽率(GR)=14d内正常发芽的种子数/供试种子数×100%;
发芽势(GP)=萌发前7d发芽数之和/供试种子数×100%;
发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)。
式中:Gt为第t天的发芽数;Dt为相应发芽时间。
活力指数=GI×S。
式中:S为幼苗平均总长度[4]。
1.3.2 叶绿素、类胡萝卜素含量测定 取各处理幼苗,用
80%丙酮溶液提取,用分光光度计测定提取液在 665、649、
470nm处的吸光度[5]。
1.3.3 SOD、POD、CAT活性和可溶性蛋白质含量的测定 
取各处理幼苗,加入少量0.1mol/L磷酸缓冲液(pH值7.8),
置冰浴研磨匀浆,4℃、12000r/min离心15min,上清液用于
酶活性和可溶性蛋白含量的测定。SOD活性的测定采用
NBT光化还原法[5],POD活性的测定采用愈创木酚法[5],
CAT活性的测定采用南京建成科技有限公司 CAT试剂盒测
定,可溶性蛋白质含量的测定采用考马斯亮蓝G-250法[6]。
1.4 数据处理与分析
用SPSS13.0软件对试验数据进行统计分析,显著性水
平设置为0.05水平;用Origin2015软件绘制变化趋势图。
2 结果与分析
2.1 镉胁迫对海菜花种子发芽的影响
如表1所示,在试验浓度范围内,Cd2+胁迫对海菜花种子
发芽率具有一定抑制作用,但与对照无显著差异(P>0.05);
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网络出版时间:2016-12-14 09:13:44
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不同Cd2+胁迫下海菜花种子发芽势、发芽指数、活力指数的
变化趋势类似,整体表现出随Cd2+处理浓度的增大呈下降趋
势,当 Cd2+处理浓度较高时,其发芽势、发芽指数、活力指数
与对照差异显著(P<0.05)。
表1 镉胁迫对海菜花种子发芽的影响
Cd2+浓度
(mg/L)
发芽率
(%)
发芽势
(%) 发芽指数 活力指数
0 92.4±6.2a 37.2±18.3a 13.50±4.12a 51.30±6.20a
0.1 83.1±8.7a 25.8±11.6ab11.40±2.31a 39.60±7.13a
0.2 86.5±17.1a 16.5±10.1abc7.62±3.85ab18.50±10.10b
0.5 73.3±20.3a 7.3±5.5bc 6.63±4.17ab12.40±7.04bc
1.0 75.0±18.6a 3.3±4.2bc 4.55±3.32b 3.51±2.16c
2.0 70.7±21.2a 0.0±0.0c 4.45±2.35b 3.22±2.74c
  注:同列数据后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同。
2.2 镉胁迫对海菜花幼苗生长的影响
从表2可知,随着Cd2+浓度增大,海菜花幼苗长度、根长
逐渐减小,且与对照差异显著(P<0.05);当 Cd2+浓度达到
2.0mg/L时,海菜花平均苗长仅为对照的7.4%,根的生长被
完全抑制,没有明显的根系生成。Cd2+浓度≤0.5mg/L时,
Cd2+对幼苗叶片数无显著影响;当 Cd2+浓度≥1.0mg/L时,
海菜花幼苗叶片数随 Cd2+离子浓度增大而显著减少(P<
005)。海菜花平均根数随 Cd2+浓度增大呈减少趋势,当
Cd2+为0.1mg/L时,海菜花平均根数与对照无显著差异;当
Cd2+≥0.2mg/L时,海菜花平均根数均与对照差异显著(P<
0.05)。由此说明,随着Cd2+胁迫浓度增大,Cd2+对海菜花幼
苗生长的抑制作用增强。
表2 镉胁迫对海菜花根、芽的影响
Cd2+浓度
(mg/L)
平均苗长
(cm)
平均叶片数
(张)
平均根长
(cm)
平均根数
(条)
0 5.4±0.1a 2.6±0.1a 3.2±0.1a 1.5±0.1a
0.1 3.5±0.1b 2.5±0.2a 2.4±0.1b 1.4±0.1a
0.2 2.0±0.1c 2.5±0.1a 0.9±0.2c 0.9±0.1b
0.5 1.4±0.1d 2.3±0.1a 0.1±0.0d 0.8±0.2b
1.0 0.7±0.1e 1.5±0.2b 0.0±0.0e 0.0±0.0c
2.0 0.4±0.0f 1.0±0.0b 0.0±0.0e 0.0±0.0c
2.3 镉胁迫对海菜花光合色素含量的影响
叶绿素含量在很大程度上反映了植物的光合作用能力,
叶绿素与光合速率、营养状况关系密切,逆境条件下,叶绿素
含量是表征植物受伤害程度的指标之一。类胡萝卜素是植物
细胞中重要的辅助色素,在光合作用过程中能够激发活性氧
的清除,保护细胞器免受伤害[4]。如表3所示,在 Cd2+浓度
为0.1~2.0mg/L时,海菜花幼苗中叶绿素a、叶绿素b、类胡
萝卜素含量随 Cd2+处理浓度增大而降低;当 Cd2+浓度为
2.0mg/L时,叶绿素 a、叶绿素 b、类胡萝卜素含量分别仅为
对照的1.7%、6.6%、2.7%,可见高浓度 Cd2+显著抑制了叶
绿素、类胡萝卜素的合成。
2.4 镉胁迫对海菜花幼苗中抗氧化酶系统的影响
SOD、POD、CAT等3种抗氧化酶活性与植物抵御外界胁
迫能力密切相关。由表4可知,随着 Cd2+浓度增大,海菜花
幼苗中SOD活性整体表现出先升高后降低的趋势,Cd2+胁迫
下的海菜花幼苗SOD活性高于对照(P<0.05)。当 Cd2+浓
度为0.5mg/L时,SOD活性最大,为对照的8.78倍;当Cd2+
表3 镉胁迫对海菜花光合色素含量的影响
Cd2+浓度
(mg/L)
叶绿素a含量
(mg/g)
叶绿素b含量
(mg/g)
类胡萝卜素含量
(mg/g)
0 0.715±0.027a 0.272±0.010a 0.186±0.009a
0.1 0.573±0.045b 0.175±0.021b 0.139±0.012b
0.2 0.416±0.021c 0.153±0.016b 0.092±0.007c
0.5 0.213±0.019d 0.148±0.022b 0.067±0.005d
1.0 0.186±0.031de 0.134±0.018b 0.004±0.001e
2.0 0.012±0.005e 0.018±0.001c 0.005±0.001e
表4 镉胁迫对海菜花幼苗中抗氧化系统酶活性的影响
Cd2+浓度
(mg/L)
SOD活性
(U/g,FW)
POD活性
[U/(g·min,FW)]
CAT活性
(U/mg)
0 42.7±5.6d 0.620±0.078cd 3025±162a
0.1 129.5±25.1c 0.833±0.042c 2479±215b
0.2 283.0±17.5b 1.174±0.082b 1893±201bc
0.5 375.0±40.2a 1.419±0.061a 1461±245c
1.0 168.0±29.5c 0.618±0.049cd 512±97d
2.0 105.0±19.1c 0.524±0.063d 427±63e
浓度为2.0mg/L时,SOD活性仍为对照的2.46倍。海菜花
幼苗中POD活性变化规律与SOD相似,随着Cd2+浓度增大,
POD活性也呈现先升高后降低的趋势,当 Cd2+浓度为
0.5mg/L时,POD活性最大,为对照的2.29倍,与对照差异
显著(P<0.05);随着 Cd2+浓度的继续增大,POD活性开始
下降,当Cd2+浓度为2.0mg/L时,其活性与对照无显著差
异。由此可见,SOD的耐受性比POD强。海菜花幼苗中CAT
活性的变化规律与 SOD、POD活性不同,随 Cd2+浓度增大而
逐渐降低,且均与对照差异显著(P<0.05)。当 Cd2+浓度为
2.0mg/L时,海菜花幼苗的CAT活性被抑制了85.9%,由此
可见,CAT对Cd2+胁迫的耐受性较差。
2.5 镉胁迫对海菜花幼苗中可溶性蛋白质含量的影响
植物体内的可溶性蛋白质主要是参与各种代谢的酶类,
其含量是植物的重要生理指标之一。由图1可见,随着 Cd2+
处理浓度增大,海菜花幼苗中可溶性蛋白质含量表现出先升
高后降低的趋势,在Cd2+处理浓度为0.5mg/L时,海菜花幼
苗中可溶性蛋白质含量最大,且与对照差异显著(P<0.05);
随着 Cd2+处理浓度的继续增大,可溶性蛋白质含量开始下
降,当Cd2+处理浓度为2.0mg/L时,可溶性蛋白质含量与对
照无显著差异。由此表明,海菜花在受 Cd2+胁迫时,体内能
产生一些抗性蛋白抵御外界胁迫;但处于高浓度 Cd2+胁迫
时,这种抵御机制受到破坏,可溶性蛋白质含量降低。随着镉
胁迫浓度增大,SOD、POD活性先升高后降低的变化趋势也证
明了可溶性蛋白质含量的这种变化规律。
3 结论与讨论
本研究表明,各浓度Cd2+胁迫对海菜花种子的发芽率整
体表现出抑制作用,这与 Cd2+抑制紫羊茅[7]、白三叶[7]、亚
麻[8]种子萌发的报道一致;而与低浓度 Cd2+诱导、高浓度
Cd2+抑制碱蓬[9]、黑麦草[10]等种子萌发的报道不同。种子萌
发前期阶段主要利用种子自身储存的营养物质,外部污染物
质须要通过种皮进入其内部才能参与萌发的前期过程。可能
由于Cd2+在短期内较难通过海菜花种皮,所以对其发芽率抑
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制作用不显著,这说明海菜花种子种皮的自我防御能力较强。
海菜花种子的发芽势、发芽指数、活力指数随着外源 Cd2+浓
度的增大呈逐渐降低趋势,在高浓度Cd2+处理时与对照差异
显著,这与 Cd2+对紫羊茅[7]、白三叶[7]、黑麦草[10]种子萌发
试验结果一致。这说明高浓度 Cd2+对海菜花种子萌发具有
抑制作用,可能是高浓度 Cd2+能部分通过种皮进入种子内
部,抑制海菜花种子萌发。
植物幼苗生长和种子萌发过程中营养物质利用途径不
同,因此幼苗生长过程的Cd2+胁迫与发芽阶段的Cd2+胁迫影
响不同。Cd2+胁迫对海菜花幼苗的芽长、根长、叶片数、根数
均有不同程度的影响,高浓度 Cd2+胁迫对海菜花幼苗的芽
长、根长、叶片数、根数有显著的抑制作用,这与 Cd2+对早熟
禾[7]、紫羊茅[7]、白三叶[7]、亚麻[8]、黑麦草[10]影响的相关研
究结果一致。由于重金属对植物的伤害首先表现在对幼苗根
部的伤害[11],所以 Cd2+对根的抑制作用大于对芽的抑制作
用。同时,由于胚根受到毒害,导致其对营养物质的吸收能力
降低甚至消失,最终又影响芽的生长。另一方面,Cd2+可能
使海菜花幼苗体内加速产生大量的活性氧,抑制各种酶活性,
从而也影响到海菜花幼苗和根系的生长[12]。
重金属破坏叶绿体结构,使植物叶片叶绿素含量降低,降
低光合强度,这是重金属对植物毒害的普遍现象[13]。本研究
中,海菜花种子在受到Cd2+胁迫时,叶绿素 a、叶绿素 b、类胡
萝卜素含量均下降,这与Cd2+胁迫对黑麦草[10]、烤烟[14]绿叶
素的影响规律一致。其主要原因是镉抑制了叶绿素合成,降
低海菜花幼苗中的叶绿素含量,减弱其光合作用,抑制其
生长[10,13-14]。
SOD、POD、CAT是植物体内酶促防御系统的3个重要保
护酶,它们发挥协同作用,消除活性氧,保护植物膜系统。本
研究表明,随着Cd2+处理浓度的增大,SOD、POD活性都是先
升后降,这与Cd2+对黑麦草[10],Cu2+对海菜花幼苗[15]叶片中
SOD、POD酶活性的影响规律一致。由此表明,低浓度 Cd2+
对POD、SOD活性具有激活作用,随着Cd2+浓度逐渐增大,又
转为抑制作用。CAT活性则随着Cd2+浓度增大而逐渐降低。
由此可见,海菜花幼苗受Cd2+胁迫后抗氧化酶系统反馈机制
不同,CAT、POD、SOD活性呈现不同的变化规律。陈国祥等
认为,低浓度的重金属逆境胁迫会抑制植物根系对养分、水分
的吸收,同时引发活性氧(ROS)积累,增强脂质过氧化作用,
使得SOD、POD活性增强[16]。本研究中,在低浓度Cd2+胁迫
下,海菜花为有效缓解 Cd2+胁迫引起的氧化胁迫,及时清除
ROS的积累,SOD、POD活性增强也充分证实了此观点。但随
着Cd2+浓度的进一步增大,高浓度的Cd2+导致海菜花幼苗中
活性氧等自由基的积累超过植物本身的耐受极限,转而开始
抑制SOD、POD的活性。随着 Cd2+浓度增大,CAT活性逐渐
降低,这可能是海菜花种子 CAT对 Cd2+敏感,不能抵御外来
污染物胁迫,这也可能是其耐受性较差的原因之一。
海菜花幼苗中的可溶性蛋白是植物细胞内未与膜系统特
异结合的酶,其含量越高,说明其体内生理生化反应与代谢活
性越旺盛,有利于植物抵御逆境胁迫[12]。本研究中,随着
Cd2+浓度增大,可溶性蛋白质含量先升高后降低的变化趋
势,与Cd2+对谷子幼苗[12]、Cu2+对海菜花幼苗[15]叶片中可溶
性蛋白质的影响结果一致。究其原因,一方面可能是适量的
Cd2+可以诱导合成一些新蛋白质,参与抗逆性生理活动,促
进可溶性蛋白质含量的增加;另一方面,高浓度 Cd2+也诱导
了蛋白水解酶活性增强,加速了蛋白质水解[12],同时高浓度
Cd2+胁迫导致海菜花抗氧化酶系统受损,抗性酶减少,从而
导致可溶性蛋白质含量减少。
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