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A preliminary study of assessing the feasibility of using physiological and biochemical parameters to assess water hyacinth biogas slurry for soaking seeds to improve germination characteristics

利用生理生化参数评价水葫芦沼液浸种可行性初步研究



全 文 :书利用生理生化参数评价水葫芦
沼液浸种可行性初步研究
薛延丰1,2,3,石志琦1,2,3,严少华4,郑建初4,常志州4
(1.江苏省农业科学院食品质量安全检测研究所,江苏 南京210014;2.江苏省食品质量安全重点实验室-省部
共建国家重点实验室培育基地,江苏 南京210014;3.农业部食品安全监控重点开放实验室,
江苏 南京210014;4.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,江苏 南京210014)
摘要:以青菜为材料,研究了不同浓度水葫芦沼液进行青菜种子浸种后对种子发芽、生长、叶绿素含量及抗氧化酶
活性的影响。结果表明,沼液浸种可以提高种子的发芽势和发芽率,但与对照相比差异不显著;发芽指数和活力指
数随着沼液处理浓度的增加与对照相比显著增加;随着处理沼液施用浓度的增加,青菜的根长逐渐增加,Z1和Z4
处理株高与对照相比,虽然有所增加,但与对照差异不显著;株高、鲜重和干重的变化趋势相似,随着沼液处理浓度
的增加,株高、鲜重和干重的增加幅度也随之增大,当使用全沼液进行处理后虽然有所降低,但与对照相比显著增
加。青菜体内的叶绿素含量、抗氧化酶SOD、POD和CAT活性与对照相比显著增加,当使用全沼液处理后,叶绿
素含量与抗氧化酶活性虽然有所降低,但与对照相比显著增加。因此,生理生化参数可作为评判水葫芦沼液浸种
可行性的指标之一。
关键词:水葫芦;沼液;青菜;发芽;抗氧化酶
中图分类号:S555+.501;Q946  文献标识码:A  文章编号:10045759(2010)05005106
  随着工业的快速发展,水体富营养化现象加剧[1,2]。我国淡水水体的富营养化状况更加广泛、严重,约有
60%[3],其中滇池、太湖、巢湖等著名湖泊正遭受严重的富营养化危害。但自20世纪80年代以来,入湖污染物不
断增加,富营养化日趋严重,导致湖内蓝藻(犕犻犮狉狅犮狔狊狋犻狊犪犲狉狌犵犻狀狅狊犪)大量繁殖,形成严重的蓝藻“水华”现象[4,5]。
近几十年的研究发现水生植物净化系统具有净化效果佳、造价低、运行管理方便、景观和生态效益好等优点[6]。
其中,水葫芦(犈犻犮犺犺狅狉狀犻犪犮狉犪狊狊犻狆犲狊)是研究最早、最深入。也是实际生态修复工程中应用较广的水生植物[7]。
水葫芦,学名凤眼莲,原产于南美洲,属雨久花科,因在每个叶柄中部都有一个膨大似葫芦的球状体而得名。
具有发达的水下根系。水葫芦喜欢高温湿润。水葫芦庞大的根须不断地吸收水中的污染物,其惊人的繁殖速度
造就了超强的净化水质的本领。水葫芦的资源化利用成了人们关注的热点,通常水葫芦可作为饲料直接利用,或
者发酵后作为有机肥进行利用,研究发现水葫芦体内富含氮磷钾,其中含 N6.56%,P0.84%,K12.32%,Ca
4.58%,Mg1.58%,Fe0.671%,Mn0.446%,C/N接近15,水葫芦发酵液几乎含有植物生长的所有营养元
素[8]。还有研究发现,水葫芦发酵液具有促进作物生长、抗病虫害等功效,利用生物质厌氧发酵形成的发酵液被
誉为是一种优质的有机肥料和广谱性的生物农药,其商品化价值巨大[9]。那么水葫芦发酵后的沼液如何进行合
理利用,还没有得到更多的研究。考虑到该项目是在江苏省进行,水葫芦主要是净化太湖水体,对其产生的沼液
要就近使用,而青菜(犅狉犪狊狊犻犮犪狉犪狆犪)又是江苏省相对日常消费量较多的一种蔬菜,为探求沼液的合理利用,故本
试验选取青菜为研究对象,利用生理生化参数进行了青菜种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、生物量、叶绿
素含量和抗氧化酶活性变化的研究,同时对种子发芽参数和生长参数变化与叶片叶绿素含量变化的相关性进行
了分析,以期为水葫芦沼液浸种的可用性提供相应的技术支持。
1 材料与方法
1.1 材料和处理
供试蔬菜:青菜(绿领矮抗1号);供试沼液取自江苏省农业科学院水葫芦发酵后产生的沼液,其中pH值为
第19卷 第5期
Vol.19,No.5
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA   
51-56
2010年10月
 收稿日期:20091023;改回日期:20091208
基金项目:国家科技支撑项目(2009BAC63B02)资助。
作者简介:薛延丰(1978),男,河南孟州人,博士。Email:xueyanfeng@jaas.ac.cn
通讯作者。
7.06,含全N、全P、全K分别为0.75,0.22,0.15g/kg。
青菜种子用0.3%的 H2O2消毒12h,用蒸馏水洗净后将种子平铺于干燥的培养皿中,晒种2d,6h/d,每日
不定时翻动3~4次。将晒好的种子进行浸种处理,浸种5~6h后将种子捞出,清水洗净,晾干[10],挑选均一、形
态正常晒好的种子置于铺3层滤纸的培养皿(直径15cm)中,每皿100粒,设置3个重复,发芽后光照时间12h,
温度(19±1)℃。第1天向各培养皿中加入20mL不同浓度处理液,使滤纸完全浸湿,每日补充等量蒸发掉的溶
液以保持滤纸湿润。处理7d后,将其收获,用于生理生化指标测定。
具体浸种处理如下:CK,即对照,蒸馏水;Z1,是蒸馏水∶沼液=1∶1;Z2,是蒸馏水∶沼液=1∶1.5;Z3,是
蒸馏水∶沼液=1∶2;Z4,是全沼液。
1.2 测定方法
鲜重、干重、株高和根长测定:试验结束后,每皿随机挑取6棵生长状况较一致的幼苗,然后用去离子水洗净
吸干后测量其株高、根长和鲜重(freshweight,FW),将植株样品经110℃杀青30min,75℃烘干至恒重,称其干
重[11]。
种子发芽指标的测定和计算:根据发芽试验期间的记录,计算各项发芽指标。
发芽势(犌犈)=前3d发芽种子数/种子总数×100%
发芽率(犌犘)=7d发芽种子数/种子总数×100%[12]
发芽指数(犌犐)=∑犌狋/犇狋
式中,犌狋指在时间狋日内的发芽数,犇狋为相应的发芽天数。
活力指数(犞犐)=∑犌狋/犇狋×幼苗生长势(长度单位:cm)
幼苗生长势=预选时间内供试种子平均芽长+平均根长
式中,芽长:发芽第7天量取的幼苗芽长;根长:发芽第7天量取的幼苗根长[13,14]。
叶绿素含量:处理7d后,取0.2g左右叶片,用 WFZUV4802H紫外可见分光光度计[龙尼柯(上海)仪器
有限公司],参照 Welburn[15]的方法进行测定。
抗氧化酶活性:测定参照Xue和Liu[16]的方法。取幼苗0.5g左右,加入5mL预冷的65mmol/LpH7.8
磷酸缓冲液[内含1%聚乙烯吡咯烷酮(PVP)]于冰浴研磨,在4℃下10000r/m离心20min,上清液为酶液。超
氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用NBT法,以抑制 NBT光化还原的50%为1个酶活性单位1U表示;SOD活
力除以相应蛋白质含量得到SOD活力比。过氧化物酶(POD)活力采用愈创木酚法,以每分钟内A470变化0.01
为1个过氧化物酶活性单位(U);过氧化氢酶(CAT)活性采用过氧化氢法测定,以每分钟内A240变化0.01为1
个过氧化物酶活性单位(U)。蛋白质含量的测定参考Bradford[17]的方法。
1.3 统计分析
运用Excel和SPSS生物统计软件进行相关数据分析。
2 结果与分析
2.1 沼液对青菜种子发芽的影响
使用水葫芦沼液不同用量浸种对青菜种子发芽有不同的影响(表1)。发芽势随着沼液使用量的增加呈现出
先增加而后降低的趋势;Z1、Z2、Z3和Z4分别比对照高0.4%,1.8%,4.8%和1.8%,虽然使用沼液浸种处理的
发芽势均比对照高,但是差异均不显著。发芽率的变化趋势与发芽势相同。
就发芽指数而言,Z1处理比对照高6.1%,与对照差异显著;Z2处理比对照高9.1%,与对照相比发芽指数
显著增加;Z3处理发芽指数最高,比对照高15.8%,显著大于对照;Z4处理使得发芽指数有所降低,与Z3相比显
著降低,与对照相比大于对照,比对照高6.1%,但差异不显著。活力指数的变化趋势与发芽指数相同。
2.2 沼液对青菜生长的影响
在非全沼液处理下,植株的生长(株高、根长、鲜重和干重)随着沼液施用量的增加而增加;当为全沼液时,植
株的生长降低(表2)。就株高而言,Z1和Z2分别比对照增加了11.4%和18.6%,与对照差异显著;其中Z3处理
效果最为显著,株高比对照增加了22.0%,显著大于对照;当在Z4处理下,株高与Z2和Z3相比有所降低,但差
25 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.5
异不显著,与对照相比显著增加。就根长而言,Z1、Z2和Z4处理下,植株的根长均有所增加,但与对照相比差异
不显著;而Z3处理的青菜根长最长,比对照增加了23.1%,显著大于对照。鲜重和干重的变化趋势与株高相似,
但是Z1处理的鲜重和干重与对照相比差异不显著。说明用适量的水葫芦沼液对青菜种子进行浸种处理,有助
于植株的生长。
表1 不同浸种处理对青菜种子发芽的影响
犜犪犫犾犲1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犫犻狅犵犪狊狊犾狌狉狉狔狊狅犪犽犻狀犵狊犲犲犱狊狅狀狋犺犲犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀狅犳犆犺犻狀犲狊犲犮犪犫犫犪犵犲狊犲犲犱狊
处理Treatment 发芽势Germinatingviability(%) 发芽率Germinationpercentage(%) 发芽指数Germinationindex 活力指数Vigorindex
CK 90.67±1.53a 94.33±0.58a 165±2.97c 1693±59.44d
Z1 91.00±2.00a 96.67±0.58a 177±7.74b 1703±47.96c
Z2 92.33±1.53a 97.00±0.60a 180±6.38ab 1867±92.74b
Z3 95.00±1.00a 98.33±2.08a 191±5.36a 2064±61.70a
Z4 92.33±2.62a 96.67±1.08a 175±8.06b 1796±98.17bc
 注:同列不同小写字母表示差异显著(犘<0.05),下同。
 Note:Thedifferentlettersinthesamecolumnmeanthesignificantdifferenceat犘<0.05,thesamebelow.
表2 不同浸种处理对青菜生长及生物量的影响
犜犪犫犾犲2 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犫犻狅犵犪狊狊犾狌狉狉狔狊狅犪犽犻狀犵狊犲犲犱狊狅狀狋犺犲犵狉狅狑狋犺犪狀犱犫犻狅犿犪狊狊犻狀犆犺犻狀犲狊犲犮犪犫犫犪犵犲
处理Treatment 株高Shootheight(cm) 根长Rootlength(cm) 鲜重Freshweight(mg) 干重Dryweight(mg)
CK 2.36±0.18c 7.32±0.12b 20.50±2.50c 1.43±0.11c
Z1 2.63±0.29b 7.39±1.08b 21.80±1.20c 1.53±0.19c
Z2 2.80±0.03ab 7.75±0.26b 24.60±3.00ab 1.79±0.19ab
Z3 2.88±0.24a 9.01±0.52a 26.90±5.10a 1.84±0.32a
Z4 2.81±0.33ab 7.54±0.55b 23.70±4.50b 1.65±0.19b
2.3 沼液对青菜体内叶绿素含量的影响
叶绿素含量随着沼液比例的增加而呈现出先增大
后降低的趋势(表3)。其中以Z3处理下青菜体内叶
绿素含量最高,比对照增加了47.0%,显著大于对照;
在Z1和Z2处理下的青菜体内叶绿素含量与对照相
比显著增加,分别比对照增加了13.2%和17.5%;当
施用全沼液Z4进行处理时,与Z3相比显著降低,但
与对照相比显著增大。
就叶绿素a和叶绿素b的比值而言(表3),叶绿
素a和叶绿素b的比值与对照相比均无显著差异,这
说明就同一个品种而言,其叶绿素a和叶绿素b的比
值是相对稳定的。
表3 不同浸种处理对青菜幼苗叶绿素含量及
叶绿素犪/叶绿素犫的影响
犜犪犫犾犲3 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犫犻狅犵犪狊狊犾狌狉狉狔狊狅犪犽犻狀犵狊犲犲犱狊狅狀狋犺犲犮犺犾狅狉狅狆犺狔犾
犮狅狀狋犲狀狋犪狀犱狉犪狋犻狅狅犳犆犺犾犪/犆犺犾犫犻狀犆犺犻狀犲狊犲犮犪犫犫犪犵犲
处理
Treatment
叶绿素含量
Chlorophylcontent(mg/gFW)
叶绿素a/b
Chla/Chlb
CK 0.1860±0.0102c 3.1220±0.8371a
Z1 0.2106±0.0219b 3.4899±0.2740a
Z2 0.2186±0.0360b 3.5086±0.3385a
Z3 0.2735±0.0387a 3.5902±0.2389a
Z4 0.2156±0.0092b 3.4980±0.3460a
2.4 沼液对青菜体内抗氧化酶活性的影响
SOD、POD和CAT3种抗氧化酶活性随着沼液处理浓度的增加变化不同(图1)。SOD活性(图1A)随着沼
液处理浓度的增加与对照相比呈现出先增加后降低的趋势,在低浓度沼液浸种处理下,SOD活性与对照相比显
著增加,是对照的1.94倍;当处于Z2处理下时,SOD活性是对照的3.84倍,与对照差异显著;随着沼液处理浓
度的进一步增加,SOD活性与对照相比显著增加,是对照的4.10倍;当施用全沼液进行浸种处理时,SOD活性有
35第19卷第5期 草业学报2010年
所降低,但与对照相比差异显著,是对照的1.95倍。
图1 不同浸种处理对青菜体内犛犗犇(犃)、犘犗犇(犅)
和犆犃犜(犆)活性的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狊狅犳犫犻狅犵犪狊狊犾狌狉狉狔狊狅犪犽犻狀犵狊犲犲犱狊狅狀狋犺犲犪犫犻犾犻狋狔狅犳犛犗犇
(犃),犘犗犇(犅)犪狀犱犆犃犜(犆)狅犳犆犺犻狀犲狊犲犮犪犫犫犪犵犲狊犲犲犱犾犻狀犵狊
POD活性(图1B)变化趋势与SOD活性变化趋势
相同,在低浓度沼液浸种处理下,POD活性是对照
的1.63倍,与对照相比显著增加;当处于Z2处理下
时,POD活性是对照的2.55倍,显著大于对照;随
着沼液处理浓度的进一步增加,POD活性达到最
大,是对照的2.70倍,与对照相比显著增加;当施用
全沼液进行浸种处理时,POD活性降低,仅为对照
的1.45倍,但与对照相比差异显著。CAT活性(图
1C)随着沼液处理浓度的增加而呈现出的变化趋势
与SOD和POD相似,在低浓度沼液浸种处理下,
CAT活性与对照相比显著增加,是对照的1.60倍;
随着沼液处理浓度的增加,CAT活性显著增加,是
对照的2.50倍;当处于Z3处理下,CAT活性最大,
是对照的4.41倍,显著大于对照;当用全沼液Z4处
理时,CAT活性降低,为对照的1.86倍,但与对照
相比差异显著。说明适宜浓度的沼液进行浸种处
理,可以有效增加植株体内抗氧化酶活性。
2.5 叶绿素含量与种子发芽参数和生长参数变化
的相关性分析
试验结果显示,随着沼液浓度增加,叶绿素含量
显著上升,同时引起种子发芽参数和生长参数的明
显变化。对叶绿素含量与发芽参数和生长参数变化
进行的相关性分析结果显示(表4)。叶片叶绿素含
量的下降与发芽势、发芽指数、活力指数、根长和鲜
重的变化均呈正相关关系。从时间上看,发芽势、发
芽指数、活力指数、根长和鲜重变化同步于叶绿素含
量的变化。
3 讨论
种子萌发是植物生命开始的重要事件,也是植
物最早接受环境胁迫的阶段。本试验结果表明,发
芽势和发芽率均随着沼液使用量的增加呈现出先增加而后降低的趋势(表1),使用沼液浸种处理的发芽势和发
芽率均比对照高,但是差异均不显著;而发芽指数和活力指数随着沼液处理浓度的增加与对照相比显著增加。在
沼液浸种过程中,沼液中的各种营养物质和微生物分泌的多种活性物质被种子吸收后,能够激活种子胚乳中酶的
活性,促进胚细胞分裂,刺激种子生长发育[18]。
种子萌发后,幼苗的株高、根长、鲜重和干重受到不同程度的影响。随着处理沼液施用浓度的增加,青菜的根
长逐渐增加,Z1和Z4处理株高与对照相比,虽然有所增加,但与对照差异不显著;株高、鲜重和干重的变化趋势
相似,随着沼液处理浓度的增加,株高、鲜重和干重的增加幅度也随之增大,当使用全沼液进行处理后虽然有所降
低,但与对照相比显著增加。沼液浸种后能促进青菜生长和产量提高,是因为沼液中含有丰富的营养物质和大量
的蛋白质、氨基酸、维生素等生物活性物质[19],这些活性物质易于被作物吸收,向作物提供营养。同时这些物质
45 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.5
还可以促进植物根系发育,增强植株的抗病能力,提高
产量[20,21]。而高量沼液处理使得其生长和产量降低,
这些与前人研究结果相同[2224]。
植物叶片叶绿素含量是直接反映植物光合能力的
一个重要指标[25,26],同时植物体内SOD、POD和CAT
等清除活性氧的酶类活性较强,可及时清除植物受环
境胁迫时产生的过量活性氧,从而使活性氧的产生和
清除保持一种动态平衡[11,13]。本试验研究表明,通过
沼液浸种之后,青菜体内的叶绿素含量、抗氧化酶
SOD、POD和CAT活性与对照相比显著增加,当使用
全沼液处理后,叶绿素含量与抗氧化酶活性虽然有所
降低,但与对照相比显著增加。这说明沼液中的活性
表4 叶绿素含量与种子发芽参数和生长
参数变化的相关性分析
犜犪犫犾犲4 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀狊犪狀犪犾狔狊犻狊狅犳狊犲犲犱犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀狆犪狉犪犿犲狋犲狉狊
犪狀犱犵狉狅狑狋犺犻狀犱犲狓犲狊狑犻狋犺犮犺犾狅狉狅狆犺狔犾犮狅狀狋犲狀狋
参数
Parameters
公式
Formula
犚2值
犚2value
发芽势 Germinatingviability 狔=0.0182狓-1.4611 0.9373
发芽指数 Germinationindex 狔=0.0033狓-0.3649 0.9455
活力指数 Vigorindex 狔=0.0002狓-0.1457 0.9009
根长 Rootlength 狔=0.0446狓-0.1268 0.9304
鲜重Freshweight 狔=0.0120狓-0.0621 0.8686
物质在提供营养的同时,增加了植株自身的防御能力。同时也说明沼肥的施用有一定的浓度限制,高浓度的沼肥
未必能达到更好的效果。
综上所述,叶片叶绿素含量与种子发芽参数和生长参数变化相一致,且呈正相关关系,有可能作为评判水葫
芦沼液浸种可行性的生理指标。但由于不同沼液的生理性状可能很不相同,本次试验选用的沼液只有水葫芦1
个,研究结果还有待于用更多种类的沼液来进行验证。
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狋狅犪狊狊犲狊狊狑犪狋犲狉犺狔犪犮犻狀狋犺犫犻狅犵犪狊狊犾狌狉狉狔犳狅狉狊狅犪犽犻狀犵狊犲犲犱狊狋狅犻犿狆狉狅狏犲犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狊
XUEYanfeng1,2,3,SHIZhiqi1,2,3,YANShaohua4,ZHENGJianchu4,CHANGZhizhou4
(1.InstituteofFoodQualityandSafety,JiangsuAcademyofAgriculturalSciences,Nanjing210014,
China;2.KeyLabofFoodQualityandSafetyofJiangsuProvince—StateKeyLaboratoryBreeding
Base,Nanjing210014,China;3.KeyLabofAgroFoodSafetyandQuality,Ministryof
Agriculture,Nanjing210014,China;4.InstituteofAgriculturalResources
andEnvironment,JiangsuAcademyofAgriculturalSciences,
Nanjing210014,China)
犃犫狊狋狉犪犮狋:TheseedsofChinesecabbage(犅狉犪狊狊犻犮犪狉犪狆犪)weresoakedinarangeofconcentrationsofbiogas
slurryfromwaterhyacinth(犈犻犮犺犺狅狉狀犻犪犮狉犪狊狊犻狆犲狊)fermentation.Theeffectsoftheslurryonseedgermination,
growth,chlorophylcontentandchangesofantioxidantenzymesinChinesecabbageswerestudied.Thegermi
nationenergyandgerminationpercentageincreasedwithanincreaseofbiogasslurryconcentration,butthe
differenceswerenotsignificantcomparedwiththecontrols.Thegerminationindexandvigorindexincreased
markedlywithanincreasedconcentrationofbiogasslurry.WiththeexceptionofZ1andZ4,therootlengths
increasedsignificantlycomparedwiththecontrolsasdidshootheight,freshweightanddryweight:Althese
parametersincreasedmarkedlywithanincreaseofbiogasslurryconcentration.Althoughtheparametersde
creasedinthetreatmentofpurifiedbiogasslurry,theyweresignificantlydifferentfromthecontrol.Thetrend
ofchlorophylcontentandantioxidantenzymeactivitieschangedasforthegrowthparameters.Therefore,the
physiologicalandbiochemicalparameterscouldbeusedasasimpleindexforquicklyassessingthefeasibilityof
soakingseedsinwaterhyacinthbiogasslurrytoimprovegermination.
犓犲狔狑狅狉犱狊:Waterhyacinth(犈犻犮犺犺狅狉狀犻犪犮狉犪狊狊犻狆犲狊);biogasslurry;Chinesecabbage(犅狉犪狊狊犻犮犪狉犪狆犪);germina
tion;antioxidantenzyme
65 ACTAPRATACULTURAESINICA(2010) Vol.19,No.5