全 文 ：第 35 卷第 10 期
2015年 5月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.10
May,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家农业产业技术体系专项基金项目(nycytx鄄 13);山西省自然科学基金项目(2006011074)
收稿日期:2013鄄10鄄08; 摇 摇 修订日期:2014鄄11鄄17
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: zhangyx@ sxu.edu.cn
DOI: 10.5846 / stxb201310082415
崔秀秀,张义贤.Ni胁迫对不同基因型谷子幼苗生长及氮素代谢的影响.生态学报,2015,35(10):3244鄄3251.
Cui X X, Zhang Y X.Effect of Ni on the growth and nitrogen metabolism in foxtail millet seedlings of different genotypes.Acta Ecologica Sinica,2015,35
(10):3244鄄3251.
Ni胁迫对不同基因型谷子幼苗生长及氮素代谢的影响
崔秀秀,张义贤*
山西大学生命科学学院,太原摇 030006
摘要:采用盆栽土培法,研究了不同浓度 Ni2+(0、25、50、100、150、200 mg / kg)对 4种基因型谷子(13鄄36、B鄄 7、晋谷 51号、晋谷 52
号)幼苗生长,Ni2+富集与转运能力,叶片中硝态氮、氨态氮、可溶性蛋白质、脯氨酸含量及氮代谢相关酶硝酸还原酶(NR)、谷氨
酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合酶(GOGAT)、谷氨酸脱氢酶(GDH)活性的影响。 结果表明:Ni2+胁迫下,4 种基因型谷子幼苗的根
长、苗长、生物量随 Ni2+浓度增加逐渐降低,体内 Ni2+含量逐渐增加,与对照组差异显著(P <0.05)。 在所试浓度范围内,4 种基
因型谷子幼苗叶片中的硝态氮含量、NR、GS、GOGAT活性表现为低浓度(25—50mg / kg)增高和高浓度(50—200 mg / kg)降低,而
GDH活性在 Ni2+浓度为 100mg / kg以上时下降,氨态氮含量在 50—150 mg / kg处理组中为对照的 1.14—3.02倍。 不同浓度 Ni2+
处理后,4种基因型谷子幼苗叶片中的脯氨酸含量均有不同程度的提高,而可溶性蛋白质含量呈明显下降趋势。 实验结果证
明,Ni2+胁迫抑制了谷子幼苗对硝态氮的吸收,降低了叶片中 NR、GS、GOGAT活性,影响了氨的同化作用,使谷子幼苗的氮素代
谢发生紊乱,不同基因型谷子对 Ni2+胁迫的毒性效应存在差异。 4种基因型谷子对 Ni2+的耐性顺序为 13鄄 36>B鄄 7>晋谷 51>晋
谷 52。
关键词:谷子;Ni胁迫;生长响应;氮素代谢
Effect of Ni on the growth and nitrogen metabolism in foxtail millet seedlings of
different genotypes
CUI Xiuxiu, ZHANG Yixian*
College of Life Science, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
Abstract: Nowadays, soil pollution by Ni2+ is getting more severe in some place of China. Nickel (Ni) is an essential
microelement of plants, however, large Ni2+ accumulation in crops leads to necrosis of plant leaf, lignification of stem and
growth inhibition of root. The mechanisms of the Ni2+ toxicity are not well understood for nitrogen metabolism of higher
plants. In this study, pot culture was conducted to investigate the effects of Ni2+ on the growth of roots and shoots, biomass,
the uptake and accumulation of Ni2+, the contents of nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, free proline and soluble
proteins, the nitrogen metabolism key enzymatic activities including nitrate reductase (NR), glutamine synthase (GS),
glutamate synthase (GOGAT), glutamate dehydrogenase (GDH) in four genotypes (13鄄36, B鄄7, Jingu 51, Jingu 52) of
foxtail millet ( Setaria italica ( L.) Beauv) seedlings from Shanxi, China. The foxtail millet seeds were cultured in
incubators at 26益 for germination with no light, then planted in the pots spiked with five different Ni2+ concentration,
namely 25, 50, 100, 150, 200 (mg / kg) . The experimental results showed that with the rise of Ni2+ concentration the root
length, shoot length and biomass declined and the accumulation of Ni2+ increased gradually, which formed a sharp contrast
with the control group (P<0.05). In the range of test Ni2+ concentration, the content of nitrate nitrogen, the activities of
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NR, GS, GOGAT of four genotypes of foxtail millet characterized by increasing at low concentration (25—50mg / kg) and
declining at high concentration ( 50—200 mg / kg) . The activities of NR, GS, GOGAT reached the peak values when
exposed to 50mg / kg Ni2+ . The nitrate nitrogen contents and NR activities in 13鄄 36 were higher than other three genotypes
(P<0.05). The activities of GS and GOGAT in 13鄄36, B鄄7, Jingu51 were 1.69, 1.47, 1.19 and 2.84, 1.03, 3.17 times
than those of control group in 50mg / kg Ni2+ exposure. However, The GDH activities decreased when the Ni2+ concentration
higher than 100mg / kg. Ni2+ treatments increased the accumulation of ammonium nitrogen in range of 50 to150 mg / kg in the
leaves of four foxtail millet and were 1. 14 to 3. 02 times than control group. Besides these, with the increasing of Ni2+
concentration, the content of free proline increased, the soluble protein decreased. Synthesize the above results, we found
that Ni2+ treatments impaired N assimilation in foxtail millet seedlings by restraining the absorption of nitrate nitrogen and
inhibiting the activities of NR, GS and GOGAT, which lead to nitrogen metabolism disturbance. And the toxicity effect was
different among different genotypes of foxtail millet. Further, Ni2+ stress inhibited the growth of foxtail millet. The tolerance
order of four foxtail millets to Ni2+ was 13鄄36>B鄄7>Jingu51>Jingu52.
Key Words: foxtail millet (Setaria italica (L) Beauv); Ni stress; growth response; nitrogen metabolism
镍(Ni)是一种广泛分布的重金属元素,由于现代工业的快速发展,采矿、冶炼、电镀等废弃物的产生,以
及污泥和复合堆肥的使用,Ni已成为农业生态环境中的重要污染物[1]。 研究表明,Ni是植物生长的必需微量
元素之一,微量的镍能够促进种子萌发和幼苗的生长,延缓植物衰老[2]。 镍还是脲酶的金属辅基,参与植物
的氮素代谢,改善植物对氮素的利用率[3]。 但过量的镍能阻滞植物的生长,使植物叶片卷曲,黄化,甚至死
亡,还会干扰植物体内正常的物质代谢[4]。 氮是植物生长发育中不可缺少的营养元素,氮素代谢也是植物重
要的营养代谢之一[5],氮素代谢会影响植物的代谢、资源分配及生长和发育[6]。 Ni胁迫可以通过抑制植物体
内氮素代谢相关酶的活性,减少植物对氮的吸收与转运,引起氮代谢的变化[7]。
谷子(Setaria italica (L.) Beauv)是一种起源于我国的特色禾谷类粮饲兼用作物,具有耐旱、耐瘠、营养丰
富等特点,其蛋白质含量明显高于小麦、玉米和水稻等作物。 在谷子生长发育和产量的形成中,需要吸收氮、
磷、钾等多种营养元素,其中氮对谷子产量的作用最大[8]。 目前,国内外有关重金属胁迫对谷子毒性影响的
研究已有一些报道,Rout等[9]研究了 Ni2+对谷子愈伤组织生长及蛋白质合成的抑制效应。 肖志华等[10]研究
了不同浓度 Pb2+、Cu2+胁迫对谷子幼苗的叶绿素、可溶性蛋白质及 DNA 含量的影响。 张义贤等[11鄄12]研究了
Cu2+、Pb2+胁迫对不同基因型谷子幼苗基因组 DNA多态性的影响。 张喜文等[13]研究了谷子幼苗对土壤 Pb2+、
Cr3+的生长响应及吸收积累的差异性。 而有关 Ni2+对谷子幼苗生长及氮素代谢的研究报道甚少。 本实验采
用盆栽土培法,研究了外源 Ni2+胁迫下 4种基因型谷子幼苗生长、生物量、叶片中含氮物质、氮代谢关键酶活
性的变化及 Ni2+吸收积累特性,以期了解镍污染对谷子幼苗生长发育的影响,探讨镍对谷子氮素代谢的毒害
机制,比较不同基因型谷子幼苗对镍毒害的耐性差异,为重金属污染地区谷子的栽培管理及谷子品质改良提
供参考依据。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验材料
以山西省农科院谷子研究所提供的 13鄄 36、B鄄 7、晋谷 51 号、晋谷 52 号 4 种基因型谷子(Setaria italica
(L.) Beauv)为试验材料。 供试土壤为褐土,取自山西省农科院试验田 0—20cm的表层土。 土壤 pH值为7.2,
有机质含量为 8.3g / kg,全氮含量为 0.9mg / kg,速效 P、K 含量分别 25.2、68.6 mg / kg,镍含量为12.52mg / kg,土
壤含水量为 31.2%。 试验所用外源镍为 NiCl2·6H2O(分析纯)。
1.2摇 试验处理
Ni2+处理浓度的设置参照我国农田土壤环境质量标准[14]中 Ni2+污染临界值,用 NiCl2·6H2O 配制成 25、
5423摇 10期 摇 摇 摇 崔秀秀摇 等:Ni胁迫对不同基因型谷子幼苗生长及氮素代谢的影响 摇
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50、100、150、200mg / kg(以纯 Ni2+计)5个 Ni2+浓度溶液,以去离子水作为对照。 将配置好的 Ni2+溶液分别加
入装有 2 kg 土壤的陶瓷盆中(20cm伊20cm),充分混匀后放置 20d 备用。 精选籽粒饱满、大小均匀的谷子种
子,用 5%的 NaClO消毒 30min后洗净,放置在 26益培养箱中避光发芽。 将萌发后的种子种于盆中,每盆 50
粒,在室内条件下培养 30d后取样测试各指标,昼 /夜温度为 27益 / 20益,湿度为 30%—50%,每天定时补充水
分,以称重法确定失水量,每一处理设置 3个重复。
1.3摇 测定指标与方法
1.3.1摇 生物量及 Ni含量的测定
将培养 30d 的谷子幼苗整株取出,用去离子水洗净,然后将根浸入 20mmol / L 的 EDTA鄄Na2溶液中交换
20min,以去除根系表面吸附的 Ni2+,再用去离子水洗净,吸水纸吸干表面水分,测量幼苗的根长、苗长(cm)。
将谷子幼苗置于 70益烘箱中烘干至恒重,随机选取 10株幼苗,称生物量(mg)(以平均值计)。 根系耐性指数
(RTI) [10]:
RTI=各处理的根长(cm) /对照的根长(cm)
另将烘干的谷子幼苗分为地上、地下两部分,研磨,分别称取 0.1g,经 4颐1 HNO3鄄HClO4消化,去离子水定
容后用原子吸收分光光度计(SHIMADZU AA鄄6300型)测定各样品中的 Ni2+含量(mg / kg) [10]。
富集系数=植株地上部的重金属含量(mg / kg) /土壤中重金属含量(mg / kg)
转运系数=植株地上部的重金属含量(mg / kg) /根部的重金属含量(mg / kg)
1.3.2摇 氨态氮、硝态氮、可溶性蛋白质和游离脯氨酸含量的测定
选取谷子幼苗的新鲜叶片进行含氮物质的测定。 其中,氨态氮含量的测定参照中国科学院上海植物生理
研究所的方法[15];硝态氮含量的测定采用硝基水杨酸比色法[16],410nm波长下测定吸光度;可溶性蛋白质含
量的测定采用考马斯亮蓝 G鄄250染色法[16];游离脯氨酸含量的测定采用磺基水杨酸法[16]。
1.3.3摇 酶的提取与活性测定
谷子幼苗培养 30d后,从每处理组中随机剪取叶片 2g 进行酶液的提取。 硝酸还原酶的提取与活性测定
采用磺胺比色法[16]。 谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合酶、谷氨酸脱氢酶的提取与活性测定参照中国科学院上海植
物生理研究所的方法[15]。 硝酸还原酶的活性以 1h内还原 KNO3生成 NO
-
2 的微克数表示;谷氨酰胺合成酶的
活性以 1h内形成 1滋mol 酌鄄谷氨酰基氧肟酸的酶量作为 1个酶活性单位;谷氨酸合酶的活性以 30益下每分钟
反应液减少 1滋mol 的 NADH 所需的酶量定义为 1 个酶活性单位;谷氨酸脱氢酶的活性以反应系统中每分钟
光吸收 0.001的变化为酶活性单位,用 NADH滋mol min-1 g-1蛋白质表示活性。 以上酶的提取与测定均在 4益
条件下完成,每个处理做 3次重复。
1.4摇 数据处理
实验数据采用 Excel进行计算,并用 SPSS 16.0进行差异显著性分析。
2摇 结果与分析
2.1摇 Ni2+胁迫对不同基因型谷子幼苗生长及生物量的影响
表 1显示,与对照组相比,4 种基因型谷子幼苗的根长、苗长、生物量随 Ni2+处理浓度的增加逐渐下降,在
200mg / kg时降至最低,与对照差异显著(P<0.05)。 其中晋谷 52 受 Ni2+胁迫的影响最大,植株长度和生物量
分别比对照下降了 34.2%和 34.3%。 在所试 Ni2+浓度范围内,4 种基因型谷子幼苗的根系耐性指数均小于对
照组,表明 Ni2+胁迫对谷子幼苗的根系生长有明显抑制作用。 13鄄36、B鄄7、晋谷 51、晋谷 52对 Ni2+的平均耐性
指数分别为 0.618、0.658、0.566、0.562,不同基因型之间差异显著(P<0.05),4 种基因型谷子对 Ni2+的耐性大
小为 B鄄7>13鄄36>晋谷 51>晋谷 52。
2.2摇 Ni2+在不同基因型谷子幼苗体内的吸收积累与迁移
富集系数(BCF)和转运系数(TF)能够反映植物对土壤中重金属的吸收和转运能力[17]。 由表 2 可知,不
6423 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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同浓度 Ni2+处理下,4种基因型谷子幼苗地上部、根部中 Ni2+含量随处理浓度的升高逐渐增加,与对照差异显
著(P<0.05)。 在所试 Ni2+处理浓度范围内,幼苗根部的 Ni2+含量均明显高于地上部,表明 Ni2+进入谷子幼苗
体内主要积累在根部。 从谷子幼苗对 Ni2+的富集能力看,不同基因型间存在差异(P<0.05),4 种谷子对 Ni2+
的富集能力为晋谷 51>13鄄36>B鄄7>晋谷 52。 Ni2+由根部向地上部的转运能力也存在差异,4 种谷子的转运能
力为 13鄄36>B鄄7>晋谷 51>晋谷 52。
表 1摇 Ni2+对不同基因型谷子幼苗生长及生物量的影响
Table 1摇 Effects of the growth and biomass on different genotypes foxtail millet seedlings under Ni2+ stress
品种
Varieties
添加浓度 / (mg / kg)
Concentration
根长 / mm
Root length
苗长 / mm
Shoot length
生物量 / mg
Biomass
根系耐性指数
Root tolerance index
13鄄36 CK 91.1依0.06eB 93.0依3.44bA 438.12依0.02eA 1.00依0.00d
25 90.5依0.15eD 77.1依4.57aA 418.63依0.81dA 0.99依0.16cC
50 60.8依0.06dB 78.7依2.73aA 412.5依1.28cA 0.72依0.24cC
100 49.4依0.31cB 81.0依2.42aA 403.72依3.19bA 0.59依0.36bA
150 31.4依0.32bA 87.3依3.28abA 395.70依0.26aB 0.37依0.03aA
200 28.0依1.15aA 85.8依3.54abA 395.96依0.44aC 0.33依0.08aA
B鄄7 CK 88.3依0.17fA 116.4依4.47bB 510.36依0.34fC 1.00依0.00d
25 76.5依0.29eC 105.2依3.09aB 486.60依0.15eD 0.98依0.11dB
50 83.9依0.50dD 110.5依6.69aB 476.43依0.29dD 0.87依0.15eD
100 46.6依0.17cA 110.6依2.73aB 468.61依0.45cC 0.60依0.07cB
150 37.9依0.23abB 115.6依3.64bB 456.09依0.06bD 0.48依0.03bB
200 28.4依0.31aA 103.3依4.47aB 436.44依0.39aD 0.36依0.08aB
晋谷 51号 Jingu 51 CK 88.8依0.37eA 96.9依4.84aA 512.78依0.26fD 1.00依0.00e
25 57.9依0.21dA 100.0依2.07bB 451.43依0.25eC 0.65依0.27dA
50 52.9依0.67cA 104.6依3.82bB 436.58依0.30dC 0.60依0.12cA
100 52.3依0.17cC 105.2依2.72bB 432.84依0.22cB 0.59依0.06cA
150 45.9依0.26bC 109.3依6.35bB 420.65依0.35bC 0.52依0.02bC
200 40.3依0.35aB 113.3依4.88bB 363.79依1.90aB 0.45依0.08aD
晋谷 52号 Jingu 52 CK 112.1依0.49eC 111.8依5.63aB 442.73依0.74fB 1.00依0.00e
25 72.9依0.06dB 104.7依5.43aB 437.25依0.16eB 0.65依0.12dA
50 72.9依1.10dB 104.4依4.77aB 432.43依0.17dB 0.65依0.03dB
100 67.0依1.15cD 101.5依4.50aB 429.12依0.14cB 0.60依0.08bB
150 56.4依0.21bD 109.5依5.15aB 343.43依0.13bA 0.50依0.02cC
200 48.4依0.24aC 98.8依5.13aAB 290.87依0.13aA 0.43依0.07aC
摇 摇 同列相同基因型不同小写字母表示差异显著(P<0.05);相同浓度不同基因型不同大写字母表示差异显著(P<0.05)
表 2摇 Ni2+在不同基因型谷子幼苗体内的吸收、积累与迁移
Table 2摇 The uptake,accumulation and transformation of Ni2+ in different genotypes foxtail millet Seedlings
品种
Varieties
添加浓度 / (mg / kg)
Concentration
地上部含量 / (mg / kg)
Leaf and stem
根部含量 / (mg / kg)
Root
富集系数
Bio鄄concentration factor
转运系数
Translocation factor
13鄄36 CK 40.58依2.01aB 92.17依3.13aC 3.24依0.57dC 0.44依0.27aA
25 124.78依3.05bD 168.70依1.60bC 3.32依0.42dD 0.74依0.39dD
50 139.68依7.08cD 225.30依1.97cC 1.93依0.49cB 0.62依0.73cC
100 160.55依5.44dC 285.17依2.03dC 1.43依0.47bC 0.56依0.28bB
150 213.63依3.92eD 336.32依1.08eB 1.31依0.57aD 0.64依0.35cC
200 279.41依5.79fD 464.26依4.29fB 1.31依0.08aD 0.60依0.18cD
B鄄7 CK 38.25依8.39aB 75.26依6.31aA 3.06依0.36fB 0.51依0.82bC
25 98.43依4.04bC 159.10依4.20bB 2.62依0.57eC 0.62依0.18dC
50 120.80依4.65cB 196.33依5.02cB 1.93依0.38dB 0.62依0.15dC
100 146.24依5.01dB 256.38依2.87dB 1.30依0.27cB 0.57依0.40cB
150 178.42依2.19eB 348.90依2.41eC 1.10依0.57bB 0.51依0.13bB
200 201.63依4.72fB 546.70依1.90fD 0.95依0.69aB 0.37依0.68aA
7423摇 10期 摇 摇 摇 崔秀秀摇 等:Ni胁迫对不同基因型谷子幼苗生长及氮素代谢的影响 摇
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续表
品种
Varieties
添加浓度 / (mg / kg)
Concentration
地上部含量 / (mg / kg)
Leaf and stem
根部含量 / (mg / kg)
Root
富集系数
Bio鄄concentration factor
转运系数
Translocation factor
晋谷 51号 Jingu 51 CK 36.98依7.13aA 76.88依0.88aA 2.95依0.25fA 0.48依0.19cB
25 75.04依2.59bB 193.58依2.35bD 2.00依0.90dB 0.39依0.87aA
50 138.29依1.98cC 267.20依2.33cD 2.21依0.68eC 0.52依0.52dB
100 169.35依5.43dD 310.55依7.01dD 1.51依1.03cD 0.55依0.43eB
150 186.12依3.18eC 369.70依5.10eD 1.15依0.42bC 0.50依0.34cB
200 211.63依5.62fC 489.26依3.16fC 1.00依0.84aC 0.43依0.55bB
晋谷 52号 Jingu 52 CK 41.17依2.77aC 86.39依5.18aB 3.29依1.91eC 0.48依0.76cB
25 56.79依4.65bA 132.85依3.81bA 1.51依0.98dA 0.43依0.27aB
50 78.31依3.88cA 175.30依0.95cA 1.25依0.28cA 0.45依0.46bA
100 101.51依2.64dA 234.11依2.11dA 0.90依0.37bA 0.43依0.36aA
150 119.35依5.65eA 249.51依3.43eA 0.73依0.18aA 0.48依0.78cA
200 135.19依8.02fA 279.80依5.70fA 0.64依0.49aA 0.48依0.67cC
2.3摇 Ni2+胁迫对不同基因型谷子幼苗硝态氮、氨态氮、游离脯氨酸及可溶性蛋白质含量的影响
由表 3可以看出,在低浓度(25—50 mg / kg)Ni2+处理组中,4种基因型谷子幼苗叶片中硝态氮的含量逐渐
上升,与对照相比差异显著(P<0.05)。 当 Ni2+处理浓度>50 mg / kg时,4 种谷子叶片中硝态氮含量逐渐下降。
4种基因型谷子叶片中的硝态氮含量为 13鄄36>B鄄7>晋谷 51>晋谷 52。 Ni2+处理下,4 种谷子幼苗叶片中氨态
氮含量随处理浓度的升高先增加后减少,在 50—100 mg / kg 范围内为对照的 1.14—3.02 倍,且不同处理组间
差异显著(P<0.05),其中晋谷 52叶片中氨态氮含量明显高于其他 3种基因型。
表 3摇 Ni2+胁迫对不同基因型谷子幼苗硝态氮、氨态氮、游离脯氨酸和可溶性蛋白质含量的影响
Table 3摇 Effects of Ni2+ stress on contents of nitrate,ammonium,free praline and soluble proteins in different genotypes foxtail millet Seedlings
品种
Varieties
添加浓度 / (mg / kg)
Concentration
氨态氮 / (滋g / g)
Nitrate
硝态氮 / (滋g / g)
Ammonium
可溶性蛋白质 / (滋g / g)
Soluble protein
脯氨酸 / (滋g / g)
Proline
13鄄36 CK 338.66依0.73cC 927.44依0.56bD 81.13依0.35dD 9.88依1.31aA
25 351.65依0.95dC 1198.72依0.56dD 79.31依1.13cdD 10.41依0.05abA
50 381.16依0.55eC 1343.57依0.05eD 77.71依0.39bcD 11.75依0.10bB
100 422.64依1.20fC 1199.68依0.04dD 76.12依0.96abD 16.13依0.20cC
150 195.77依0.55bA 1072.32依0.68cD 76.16依1.47abD 22.11依0.05dC
200 168.25依1.19aA 828.12依0.56aD 73.63依0.71aD 25.40依0.30dC
B鄄7 CK 423.92依0.27eD 568.42依0.56dC 62.45依0.48cB 12.44依0.05aB
25 233.70依0.06aB 636.10依2.01eC 58.14依0.75cB 13.65依0.04bB
50 249.35依0.04bB 677.87依0.03fC 56.24依0.81bcB 15.55依0.04cC
100 292.02依1.42dA 518.19依0.06cB 53.23依2.67aB 15.77依0.14cB
150 480.94依0.27fC 498.43依2.01bC 52.87依1.27abB 23.12依0.11dD
200 264.23依1.52cC 434.95依0.07aB 51.35依0.25abB 56.57依0.11eD
晋谷 51号 Jingu 51 CK 142.22依0.28aA 534.99依0.56bB 50.74依4.83bA 13.49依0.03aC
25 331.02依0.27cC 628.86依0.55dB 49.12依4.39bA 14.90依0.03bC
50 391.49依0.04eD 634.56依1.24eB 47.60依4.92aA 15.33依0.14cC
100 373.99依1.00dB 558.93依0.56cC 43.98依2.59aA 16.19依0.03dB
150 339.44依1.46fB 487.11依0.56bB 46.13依8.04aA 16.33依0.05dD
200 198.02依0.97bB 463.57依0.09aC 42.84依4.14aA 19.32依0.06eB
晋谷 52号 Jingu 52 CK 243.72依0.55dB 320.40依0.27aA 76.51依0.94cC 9.72依0.05aA
25 134.38依0.82aA 344.26依0.06dA 73.27依1.26bC 10.51依0.05aA
50 212.87依0.27bA 361.07依0.28fA 68.55依0.54aC 10.97依0.08aA
100 736.01依1.09fD 356.03依0.28eA 72.53依0.80bC 13.93依0.03bA
150 532.46依1.25eD 332.69依0.28cA 71.19依0.28bC 14.49依1.27bA
200 157.14依0.27cA 328.73依0.74bA 70.71依0.55aC 14.76依0.10bA
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摇 摇 4种基因型谷子幼苗叶片中可溶性蛋白质含量随着 Ni2+处理浓度的增加逐渐下降,当 Ni2+浓度达到 200
mg / kg时降至最低,分别比对照降低了 9.24%,17.77%,15.57%,7.58%。 13鄄 36 和晋谷 52 叶片中可溶性蛋白
质含量大于 B鄄 7和晋谷 51。 Ni2+胁迫下,4 种基因型谷子幼苗叶片中的脯氨酸含量随处理浓度的逐渐增加,
与对照相比差异显著(P<0.05),且不同基因型之间存在差异(P<0.05),13鄄 36 和 B鄄 7的脯氨酸含量显著高于
晋谷 51和晋谷 52。
2.4摇 Ni2+胁迫对不同基因型谷子幼苗 NR、GS、GOGAT、GDH酶活性的影响
4种基因型谷子幼苗叶片中的 NR活性随着 Ni2+处理浓度的增加先升高后下降(表 4),在 100—150 mg /
kg时为对照的 1.02—1.54倍,不同基因型间差异显著(P<0.05)。 除晋谷 52 外,其他谷子幼苗中 GS、GOGAT
活性均随 Ni2+处理浓度升高先升后降,在 50mg / kg 时达到最大值,分别为对照的 1.69、1.47、1.19 倍和 2.84、
1郾 03、3.17倍。 Ni2+胁迫下,4种谷子幼苗叶片中 GDH活性在 100 mg / kg时明显高于对照(P<0.05),此后逐渐
下降。 在 25—100 mg / kg的 Ni2+处理范围内,4 种谷子叶片中 GDH 的活性大小为 B鄄 7>晋谷 51>晋谷 52>
13鄄36。
表 4摇 Ni2+胁迫对不同基因型谷子幼苗 GOGAT、GS、NR、GDH酶活性的影响
Table 4摇 Effects of Ni2+ stress on activities of GOGAT,GS,NR and GDH in different genotypes foxtail millet Seedlings
品种
Varieties
添加浓度
Concentration /
(mg / kg)
硝酸还原酶
Nitrate reductase /
(滋g g-1 h-1)
谷氨酰胺合成酶
Glutamine synthase /
(滋mol g-1 h-1)
谷氨酸合酶
Glutamate synthase /
(滋mol g-1 h-1)
谷氨酸脱氢酶
Glutamate dehydrogenase /
(滋mol g-1 h-1)
13鄄36 CK 11.79依0.09bB 299.91依0.47bD 11.73依0.02bB 218.02依5.03cA
25 11.96依0.06aB 342.19依5.48cD 22.61依0.04cB 165.10依5.02bA
50 12.08依0.05aB 506.34依0.95fD 33.26依0.22dC 243.48依0.04dA
100 15.73依0.05bD 418.07依0.73eD 11.74依0.03bA 287.93依3.08eA
150 18.14依0.07cD 374.38依0.37dD 11.08依0.22aAB 165.18依5.02aA
200 12.11依0.05aB 257.83依0.78aD 11.09依0.21aA 148.09依5.03aA
B鄄7 CK 8.86依0.03dA 193.39依0.31cC 45.22依0.03dC 581.11依4.37eD
25 8.16依0.01bA 241.15依0.54eC 22.61依0.01bC 450.12依5.81bD
50 8.40依0.02cA 284.30依0.44fC 46.52依0.43eC 533.54依5.39cC
100 8.91依0.04dA 215.03依0.45dC 33.26依0.22cC 896.97依0.20dD
150 7.24依0.04aA 184.83依0.67bC 11.52依0.22aA 356.45依7.95aAB
200 8.32依0.02cA 100.32依0.30aB 13.92依0.44aB 347.96依7.92aB
晋谷 51号 Jingu 51 CK 14.02依0.09bD 131.60依0.50cB 10.57依0.11aA 543.24依0.031eC
25 14.19依0.06cD 129.83依0.30bA 13.91依0.43bB 379.67依2.27aC
50 13.84依0.05aC 156.01依0.28eC 33.47依0.03dC 605.43依0.66cD
100 14.23依0.05cC 140.06依0.25dB 22.39依0.22cAB 791.61依3.89dC
150 14.85依0.07eC 130.47依0.13bB 11.09依0.22aA 469.75依7.92bBC
200 14.61依0.05dD 86.16依0.38aB 10.65依0.13aA 487.63依2.97bC
晋谷 52号 Jingu 52 CK 13.90依0.02bC 104.75依0.65dA 34.79依0.44dC 431.45依3.04ceB
25 13.86依0.03bC 62.35依0.89eB 11.31依0.12aB 353.41依0.44aB
50 13.93依0.02bD 82.15依1.14aA 11.52依0.22abA 394.20依6.38aB
100 14.14依0.10cB 88.07依0.20aA 22.82依0.22cB 498.45依5.33bB
150 14.14依0.01cB 78.07依0.62cA 22.39依0.21cB 516.66依4.80cD
200 13.68依0.03aC 57.15依0.55bA 11.52依0.22abA 531.33依2.26dD
3摇 讨论
大量研究证明,重金属进入土壤后具有积累性和不可分解性的特征,并参与土壤和生物体的循环过程。
植物通过根系将重金属吸收进入根细胞内,并通过细胞间的运输向地上部转移[10]。 本研究结果表明,在所试
9423摇 10期 摇 摇 摇 崔秀秀摇 等:Ni胁迫对不同基因型谷子幼苗生长及氮素代谢的影响 摇
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浓度(25—200mg / kg)范围内,4种基因型谷子幼苗体内的 Ni2+含量显著增加(P<0.05),且根部含量远高于地
上部。 使谷子幼苗的生长受到明显抑制,根长、苗长显著低于对照,直接影响到生物量的生成。 4 种谷子幼苗
的根系耐性指数均低于对照,富集系数和转运系数在不同基因型间存在明显的种内差异。 表明 Ni2+虽然是植
物生长的必需微量元素,但在较高浓度处理后对幼苗的生长可造成明显的抑制和毒害效应,此结果与其他学
者在小麦、玉米、水稻等作物中的研究结果相一致[17鄄19]。
在高等植物中,氮素的吸收、同化、利用是植物生长发育的一个重要生理代谢过程,植物吸收利用的氮素
主要来自于土壤中的硝态氮(NO-3 )和铵态氮(NH
+
4 ) [20]。 硝酸还原酶(NR)是植物吸收利用 NO
-
3 的第一个
酶,NR可以直接调节 NO-3 的还原,从而调节氮代谢[21]。 植物根系体内 NO
-
3 的还原过程中,硝态氮的含量直
接代表着 NR的活性大小[22]。 本实验中,4 种基因型谷子幼苗叶片中硝态氮含量、NR 活性均表现为低浓度
(0—50mg / kg)增加和高浓度(100—200mg / kg)下降趋势,且不同基因型间存在显著差异,表明高浓度的 Ni2+
胁迫对谷子硝态氮的合成和 NR活性具有明显的抑制作用,从而影响了谷子对硝态氮的吸收和利用。 高浓度
的 Ni2+引起谷子幼苗叶片中 NR活性降低的原因可能是:NR是一种诱导酶,叶片中 NR的存在对 NO-3 有一定
的依赖性,Ni2+胁迫下 NR活性的降低与 NO-3 含量减少相关[23]。 这与 Renata[24]在两种叶菜中的研究结果相
一致。
正常供氮情况下,植物主要通过谷氨酰胺合成酶鄄谷氨酸合成酶(GS鄄GOGAT)循环途径将体内的 NH+4 同
化为有机氮,为其他含氮有机物的合成提供前体[25]。 GS 是处于氮代谢中心的多功能酶,能直接催化谷氨酸
与 NH+4 发生反应生成谷氨酰胺,其活性的提高可增强氮代谢的效率。 GOGAT 在氨同化过程中与 GS 具有协
同作用,可催化谷氨酰胺生成谷氨酸,进一步合成其他酰胺、氨基酸和蛋白质[5]。 本实验证明,13鄄 36、B鄄 7、晋
谷 51在 25—50mg / kg的 Ni2+处理条件下,叶片中的 GS和 GOGAT活性变大,表明在此浓度范围内 Ni2+对 GS、
GOGAT的活性有一定的刺激作用,这与 M覿ck等[26]在大麦中的研究结果相似。 当浓度达到 50mg / kg以上时,
GS、GOGAT的活性下降,影响了氨的同化作用,导致谷子体内的氨态氮含量增加。 而晋谷 52 的 GS、GOGAT
活性在所试浓度范围内均受到抑制,氨态氮的积累量远高于以上 3 种基因型,表明 Ni2+胁迫对不同基因型谷
子氨同化作用的抑制程度不同。 于方明[27],王志强[28]等在拟南芥,小麦的研究中表明,当植物细胞中氨浓度
较高时,植物可以通过 GDH途径补充谷氨酸库,缓解氨毒。 本实验中,当 Ni2+浓度为 100mg / kg 时,谷子幼苗
叶片中的 GDH活性显著提高,氨态氮含量开始下降,证明 GDH对缓解 NH+4 的毒害起着重要作用。
在逆境胁迫下,植物体中游离脯氨酸的含量在一定程度上能够反映植物的抗逆性[29]。 Brugiere[30]指出
植物氨同化过程中,当氨态氮含量升高时,脯氨酸可作为 NH+4 突然增多时的临时贮藏物质,来缓解氨毒。 本
实验中,在 25—100mg / kg浓度范围内,谷子幼苗叶片中脯氨酸含量与氨态氮含量均增加,但当浓度大于 100
mg / kg时,脯氨酸含量增加,氨态氮含量有所下降,表明脯氨酸的大量积累对 NH+4 毒害产生了缓解作用。
可溶性蛋白质是细胞基质及各种细胞器基质的主要组成成分,在细胞生理代谢过程中有重要的催化功
能,其含量的变化在一定程度上能反映植物氮素代谢的情况[21]。 本实验结果显示,在 50—200mg / kg Ni2+浓
度范围内,4 种基因型谷子幼苗叶片中的可溶性蛋白质含量均有下降,B鄄 7和晋谷 51 的下降幅度大于 13鄄 36
和晋谷 52,此现象可能与氮素吸收同化过程中关键酶(NR、GS、GOGAT)活性下降有关,导致无机氮向氨基酸
的转化受到抑制,从而使蛋白质的合成受到抑制。
4摇 结论
(1) Ni2+胁迫使 4种基因型谷子幼苗体内的 Ni2+含量增加,抑制了谷子幼苗的生长,降低了生物量。 4 种
基因型谷子对 Ni2+的耐性大小为 13鄄36>B鄄7>晋谷 51>晋谷 52。
(2) 50 mg / kg以上的 Ni2+处理后,4种谷子幼苗体内硝态氮的含量均有下降,氮素代谢过程中几种关键
酶(NR、GS、GOGAT)活性受到抑制,使谷子幼苗体内氨态氮积累,造成谷子幼苗氮素代谢过程紊乱。 这种影
响具有基因型之间的差异。
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(3) 在本实验条件下,Ni2+胁迫使谷子幼苗体内可溶性蛋白质含量下降,脯氨酸含量增加,且脯氨酸对氨
毒害具有明显的缓解作用。
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