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Physiological and biochemical responses of Medicago sativa seed to cobalt stress

紫花苜蓿种子萌发对钴胁迫的生理生化响应



全 文 :书犇犗犐:10.11686/犮狔狓犫2015148 犺狋狋狆://犮狔狓犫.犾狕狌.犲犱狌.犮狀
张虎,寇江涛,师尚礼.紫花苜蓿种子萌发对钴胁迫的生理生化响应.草业学报,2015,24(9):146153.
ZHANGHu,KOUJiangTao,SHIShangLi.Physiologicalandbiochemicalresponsesof犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪seedtocobaltstress.ActaPrataculturae
Sinica,2015,24(9):146153.
紫花苜蓿种子萌发对钴胁迫的生理生化响应
张虎1,2,寇江涛1,2,师尚礼1,2
(1.甘肃农业大学草业学院,甘肃 兰州730070;2.草业生态系统教育部重点实验室,甘肃省草业工程实验室,
中-美草地畜牧业可持续研究中心,甘肃 兰州730070)
摘要:以“甘农3号”紫花苜蓿为试验材料,研究不同浓度Co2+(0,0.25,0.50,1.00,2.50,5.00mmol/LCoCl2)胁迫
对紫花苜蓿种子萌发及幼苗生理生化特性的影响。结果表明:Co胁迫对紫花苜蓿种子的萌发及幼苗的生长有明
显的抑制作用,随着Co胁迫浓度的增大,种子发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数及幼苗的胚芽长、胚根长、根系
活力和干重均显著降低,而且Co胁迫对发芽势的抑制作用大于发芽率,对胚根生长的抑制作用大于胚芽;低浓度
Co胁迫(0.25和0.50mmol/L)下,苜蓿幼苗叶片中可溶性蛋白、可溶性糖含量和蛋白水解酶、超氧化物歧化酶
(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、愈创木酚过氧化物酶(GPX)、过氧化氢酶(CAT)活性与CK均无显著差异,
而游离脯氨酸含量显著升高;随着Co胁迫浓度的升高,可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸含量及蛋白水解酶、
SOD、APX、GPX、CAT活性均显著下降,超氧阴离子自由基(O2·-)产生速率、羟自由基(OH· )浓度、H2O2 及丙
二醛(MDA)含量均显著增加。说明高浓度Co胁迫使得苜蓿幼苗抗氧化系统活性下降,活性氧清除能力降低,膜
脂过氧化程度加剧,从而抑制了紫花苜蓿种子的萌发及幼苗的生长。
关键词:钴胁迫;紫花苜蓿;种子萌发;幼苗生长;抗氧化酶;渗透调节;活性氧  
犘犺狔狊犻狅犾狅犵犻犮犪犾犪狀犱犫犻狅犮犺犲犿犻犮犪犾狉犲狊狆狅狀狊犲狊狅犳犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪狊犲犲犱狋狅犮狅犫犪犾狋狊狋狉犲狊狊
ZHANGHu1,2,KOUJiangTao1,2,SHIShangLi1,2
1.犆狅犾犾犲犵犲狅犳犌狉犪狊狊犾犪狀犱犛犮犻犲狀犮犲,犌犪狀狊狌犃犵狉犻犮狌犾狋狌狉犪犾犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730070,犆犺犻狀犪;2.犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犈犮狅狊狔狊狋犲犿犕犻狀犻狊
狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀,犘狉犪狋犪犮狌犾狋狌狉犪犾犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犌犪狀狊狌犘狉狅狏犻狀犮犲,犛犻狀狅犝犛犆犲狀狋犲狉犳狅狉犌狉犪狕犻狀犵犾犪狀犱犈犮狅狊狔狊狋犲犿犛狌狊狋犪犻狀
犪犫犻犾犻狋狔,犔犪狀狕犺狅狌730070,犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋:Theaimofthisstudywastoinvestigatethemechanismofcobalt(Co)stressdamageon犕犲犱犻犮犪犵狅
狊犪狋犻狏犪asexperimentmaterials,Theeffectsofdifferentconcentrations(0,0.25,0.50,1.00,2.50,5.00
mmol/LCoCl2)ofCoon犕.狊犪狋犻狏犪(cv.GannongNo.3)seedgerminationandseedlingphysiologicalandbio
chemicalcharacteristicswereassessed.TheresultsindicatethatCostresssignificantlyinhibitedseedgermina
tionandseedlinggrowth.Seedgerminationpotential,germinationrate,germinationindex,vigorindex,seed
lingsproutlength,radiclelength,rootactivityanddryweightweresignificantlyreducedwithincreasingcobalt
concentration.TheinhibitoryeffectsofCostressongerminationpotentialwashigherthanthatofcobaltstress
ongerminationrate,andtheinhibitoryeffectsofCostressonradicalgrowthwashigherthanthatontheplu
mule.Cosignificantlyreducedthesolubleproteincontent,solublesugarcontent,proteolyticenzymeactivity,
第24卷 第9期
Vol.24,No.9
草 业 学 报
ACTAPRATACULTURAESINICA
2015年9月
Sep,2015
收稿日期:20150317;改回日期:20150420
基金项目:国家现代牧草产业技术体系建设专项(CARA35),全国种质资源保种(NB2130135)和农业部行业专项“牧区优质高效饲草生产利用
技术研究与示范”(201003023)资助。
作者简介:张虎(1978),男,甘肃镇原人,助教,在读硕士。Email:zhangh@gsau.edu.cn
通讯作者Correspondingauthor.Email:shishl@gsau.edu.cn
superoxidedismutase(SOD),ascorbateperoxidase(APX),guaiacolperoxidase(GPX)andcatalase(CAT)in
seedlingleaves.HoweverfreeprolinecontentincreaseddramaticalyatlowerCoconcentrationsbutdeclinedat
higherconcentrations.AthigherCoconcentrations,O2·-(superoxideanionradical),OH·(hydroxylradical),
H2O2andmalondialdehydeincreasedsignificantly.ThisilustratesthatunderhighCostress,theseedlingan
tioxidantsystemactivityandactiveoxygenscavengingabilityof犕.狊犪狋犻狏犪decreased,inhibiting犕.狊犪狋犻狏犪seed
germinationandseedlinggrowth.
犓犲狔狑狅狉犱狊:cobaltstress;犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪;seedgermination;seedlinggrowth;antioxidantenzyme;osmotic
adjustment;activeoxygen
土壤是人类赖以生存的自然环境要素和重要的农业生产资源,人类活动的不断增加导致全球土地重金属污
染越来越严重,并严重危害着人类自身的健康,因此,近年来治理重金属污染成为国际科学界研究的热点问题[1]。
钴(Co)是动植物体生长发育所必需的微量营养元素之一,对保持生物机体的正常代谢功能必不可少[2],其在土
壤中广泛存在并参与豆科植物的根瘤固氮[34],在植物的矿质营养中通常作为植物生长发育的有益元素而发挥作
用,对多种植物具有提高产量、改善品质的作用[5]。
调查表明,世界土壤钴的平均含量范围一般在0.05~300mg/kg之间,大多数土壤钴含量范围为2~40
mg/kg,目前多引用10mg/kg[6]。我国土壤中钴含量的变幅较大,一般为0.57~104mg/kg,大部分土壤钴含量
在5~40mg/kg之间。我国土壤钴的背景值为11.6mg/kg,且南北方差异较大,北方土壤钴含量高、变幅小,一
般范围为12~35mg/kg,南方则从痕量到200mg/kg[78]。钴虽然植物生长的必需微量营养元素,在植物的生长
过程中有重要的作用[9],但土壤中过量的钴会阻滞植物的生长发育并使之受到毒害[10]。
紫花苜蓿(犕犲犱犻犮犪犵狅狊犪狋犻狏犪)作为多年生的高产、优质豆科经济作物,具有生长速度快、生活史短、地上部及
根系生物量大等特点,但有关钴胁迫对紫花苜蓿萌发、生长及生理生化的影响还缺乏研究。本文以紫花苜蓿为材
料,研究不同浓度钴胁迫对紫花苜蓿种子发芽及幼苗生理生化特性的影响,旨在探明钴胁迫对紫花苜蓿幼苗的伤
害机理,为明确紫花苜蓿对钴胁迫的耐性机制提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 供试材料及处理
供试品种为甘农3号紫花苜蓿(犕.狊犪狋犻狏犪cv.GannongNo.3),由甘肃农业大学草业学院提供。
试验于2012年在甘肃农业大学草业生态系统教育部重点实验室进行。试验选取饱满均匀的苜蓿种子,用
0.1% HgCl2 溶液消毒5min,去离子水冲洗3~4次,吸水纸吸干,置于垫有2层滤纸的培养皿中,每皿100粒种
子,将培养皿置于种子发芽箱中[光通量密度70μmol/m
2·s,温度(25±1)℃,相对湿度80%]进行发芽。试验
药品为CoCl2,设6个Co2+胁迫浓度,分别为0(CK:蒸馏水),0.25,0.50,1.00,2.50,5.00mmol/L,每个处理重
复6次,为保证处理浓度稳定,每隔24h更换1次处理液。
自种子发芽之日起,每日观察并记录发芽种子数(以胚根伸出种皮作为发芽标准),于处理第4天时统计种子
的发芽势,测定可溶性蛋白、可溶性糖及游离脯氨酸含量、蛋白水解酶活性;第10天时统计种子的发芽率,测量苜
蓿幼苗的胚芽长、胚根长、幼苗干重,计算发芽指数、活力指数,并测定幼苗的根系活力,超氧化物歧化酶(super
oxidedismutaseactivity,SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(ascorbateperoxidaseactivity,APX)、愈创木酚过氧化物
酶(guaiacolperoxidaseactivity,GPX)、过氧化氢酶(catalaseactivity,CAT)活性,超氧阴离子自由基(O2·-)产
生速率,羟自由基(OH·)浓度、双氧水(H2O2)及丙二醛(malondialdehydecontent,MDA)含量。
1.2 测定方法
种子发芽势、发芽率采用常规统计方法测定:发芽势(%)=(4d内正常发芽种子粒数/供试种子数)×100,
发芽率(%)=(10d内正常发芽的种子数/供试种子数)×100。胚芽长、胚根长的测定:发芽第10天时,每处理
741第9期 张虎 等:紫花苜蓿种子萌发对钴胁迫的生理生化响应
随机选取20株幼苗,采用精度为0.1mm的游标卡尺分别测量胚芽长、胚根长,求平均值。幼苗干重的测定:发
芽第10天时,每处理随机选取20株幼苗,95℃杀青10min,65℃下烘干称重。发芽指数(犌犐)= ∑(犌狋/犇狋),活
力指数(犞犐)=犌犐×犛。其中,犌狋为在狋日的发芽种子数,犇狋为发芽天数,犛为单株鲜重。根系活力采用氯化三苯
基四氮唑(TTC)法,参考邹琦[11]的方法测定。
可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G250染色法[11]测定,可溶性糖含量采用蒽酮比色法[11]测定,游离脯氨酸
含量采用酸性茚三酮比色法[11]测定,蛋白水解酶活性测定参考Zhang等[12]的方法。超氧化物歧化酶(SOD)、抗
坏血酸过氧化物酶(APX)、愈创木酚过氧化物酶(GPX)及过氧化氢酶(CAT)活性参考 AndréDiasdeAzevedo
Neto等[13]方法测定。超氧阴离子自由基(O2·-)产生速率采用对氨基苯磺酸法[14]测定,羟自由基(OH·)浓度
采用2脱氧D核糖显色法[14]测定,双氧水(H2O2)含量采用KI显色法[14]测定,丙二醛(MDA)含量采用硫代巴
比妥酸(TBA)显色法[14]测定,以上各指标重复3次。
1.3 数据处理与分析
采用Excel2003进行数据处理和图表绘制,并采用SPSS16.0软件进行单因素方差分析(onewayANO
VA)和最小显著差数法(LSD法)进行多重比较。
2 结果与分析
图1 犆狅胁迫对紫花苜蓿种子发芽势和发芽率的影响
犉犻犵.1 犈犳犳犲犮狋狅犳犮狅犫犪犾狋狊狋狉犲狊狊狅狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱
犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀狆狅狋犲狀狋犻犪犾犪狀犱犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀狉犪狋犲
   不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平,下同。Differentlet
tersaresignificantlydifferentat犘<0.05,thesamebelow.
2.1 Co胁迫对紫花苜蓿种子萌发及幼苗生长的影响
紫花苜蓿种子在Co胁迫条件下能否正常萌发是
其能否在Co污染的土壤中生长的先决条件。Co胁迫
对紫花苜蓿种子的萌发有显著的影响,并存在明显的
浓度效应,随着Co胁迫浓度的增大,紫花苜蓿种子的
发芽势、发芽率(图1)和发芽指数、活力指数(表1)均
呈降低的趋势。由图1可知,Co胁迫对紫花苜蓿种子
发芽势的抑制程度大于发芽率,当Co胁迫浓度达到
2.5mmol/L时,其发芽势低于50%,发芽率也低于
60%。由表1可知,0.25mmol/LCo胁迫对紫花苜
蓿种子的发芽指数和活力指数无显著的影响,当Co
胁迫浓度达到0.5mmol/L时,紫花苜蓿种子的发芽
指数和活力指数均显著降低。
Co胁迫对紫花苜蓿幼苗的根系活力(表1)及生
长(表2)也有明显的影响。0.25~0.50mmol/LCo
胁迫对紫花苜蓿幼苗的根系活力无显著影响,当Co
胁迫浓度达到1.00mmol/L时,紫花苜蓿幼苗的根系
活力开始降低,并随着Co胁迫浓度的增大而显著降
低。0.25mmol/LCo胁迫对紫花苜蓿幼苗的胚芽
长、干重无显著的影响,但显著降低了幼苗的胚根长,
当Co胁迫浓度达到0.50mmol/L时,紫花苜蓿幼苗
的胚芽长和干重均显著降低,并且随着Co胁迫浓度
的增大,紫花苜蓿幼苗的胚芽长、胚根长和干重呈显著的下降趋势。
以上结果表明,Co胁迫明显抑制了紫花苜蓿种子的萌发及幼苗的生长,致使紫花苜蓿种子的发芽势、发芽
率、发芽指数及活力指数下降,显著降低了幼苗的根系活力、胚芽长、胚根长和干重。
841 草 业 学 报 第24卷
2.2 Co胁迫对紫花苜蓿种子萌发中渗透调节物质含
量及蛋白水解酶活性的影响
可溶性蛋白、可溶性糖是植物生长发育的主要营
养成分,也是植物体内的重要信号分子,能够参与植物
在逆境胁迫下的信号转导和渗透调节;游离脯氨酸也
在植物渗透调节中发挥着重要的作用;蛋白水解酶能
够催化贮藏蛋白的氧化分解与能量释放,在种子萌发
初期提供萌发所需要的营养物质和能量来源。由表3
可知,当Co胁迫浓度为0.25和0.50mmol/L时,紫
花苜蓿种子萌发过程中的可溶性蛋白、可溶性糖含量
及蛋白水解酶活性均与CK差异不显著;当Co胁迫浓
度达到1.00mmol/L时,紫花苜蓿种子萌发过程中的
蛋白水解酶活性显著受到抑制,可溶性蛋白、可溶性糖
含量显著降低,均显著低于CK,并且随着Co胁迫浓
度的增大而显著下降;0.25和0.50mmol/LCo胁迫
下紫花苜蓿种子萌发过程中的游离脯氨酸含量显著高
于CK,其中以0.50mmol/LCo胁迫浓度下最高,
1.00mmol/LCo胁迫对游离脯氨酸含量无显著的影
响,当Co胁迫浓度达到2.50mmol/L时,游离脯氨酸
含量显著下降。
2.3 Co胁迫对紫花苜蓿幼苗抗氧化酶活性的影响
逆境条件下,植物为了避免活性氧诱导对细胞产
生的伤害,能够利用抗氧化酶系统及时清除活性氧,从
而保护植物机体的生理机能。由图2可知,随着Co
胁迫浓度的增大,紫花苜蓿幼苗叶片的SOD、APX、
GPX活性均呈先升高后降低的趋势,而CAT活性呈
表1 犆狅胁迫对紫花苜蓿种子发芽指数、活力指数
及幼苗根系活力的影响
犜犪犫犾犲1 犈犳犳犲犮狋狅犳犮狅犫犪犾狋狊狋狉犲狊狊狅狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犵犲狉犿犻狀犪狋犻狅狀
犻狀犱犲狓,狏犻犵狅狉犻狀犱犲狓犪狀犱狊犲犲犱犾犻狀犵狉狅狅狋犪犮狋犻狏犻狋狔
浓度
Concentration
(mmol/L)
发芽指数
Germination
index
活力指数
Vigorindex
根系活力
Rootactivity
(μg/g·h)
0 167.22±5.62a 42.46±2.12a 289.32±7.05a
0.25 160.75±6.18ab 39.91±1.97a 294.76±8.25a
0.50 151.88±5.42bc 35.24±2.21b 287.52±11.12a
1.00 142.48±6.09c 31.29±2.43c 252.74±12.09b
2.50 118.21±8.05d 25.56±2.65d 202.64±12.00c
5.00 93.76±10.23e 18.52±3.07e 153.60±14.79d
 不同小写字母表示处理间差异达5%显著水平,下同。Differentlet
tersaresignificantlydifferentat犘<0.05,thesamebelow.
表2 犆狅胁迫对紫花苜蓿幼苗生长的影响
犜犪犫犾犲2 犈犳犳犲犮狋狅犳犮狅犫犪犾狋狊狋狉犲狊狊狅狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犾犻狀犵犵狉狅狑狋犺
浓度
Concentration
(mmol/L)
胚芽长
Epicotyllength
(mm)
胚根长
Hypocotyllength
(mm)
干重
Dryweight
(mg/plant)
0 25.39±1.77b 42.53±4.02a 19.21±1.28a
0.25 28.83±1.10a 20.22±3.21b 20.11±0.92a
0.50 26.40±2.60b 11.65±1.80c 17.15±0.89b
1.00 20.90±2.79c 10.71±2.53c 16.85±1.02b
2.50 15.53±1.16d 6.67±1.46d 6.68±1.13c
5.00 13.91±1.90d 2.41±0.81e 2.91±0.78d
下降的趋势。当Co胁迫浓度为0.25和0.50mmol/L时,紫花苜蓿幼苗的SOD、APX、GPX、CAT活性均与CK
差异不显著;在1.00和2.50mmol/LCo胁迫浓度下,紫花苜蓿幼苗的SOD活性显著高于CK,当Co胁迫浓度
达到5.00mmol/L时,SOD活性有所下降,与CK无显著差异;在1.00mmol/LCo胁迫浓度下,紫花苜蓿幼苗
的APX、GPX活性达到最高,并且显著高于CK,当Co胁迫浓度达到2.50mmol/L时,APX、GPX活性开始下
降,在2.50和5.00mmol/LCo胁迫浓度下,APX、GPX活性均与CK差异不显著;当Co胁迫浓度达到1.00
mmol/L时,随着Co胁迫浓度的增大,紫花苜蓿幼苗的CAT活性也开始降低,并且均显著低于CK。
表3 犆狅胁迫对紫花苜蓿种子萌发中渗透调节物质含量及蛋白水解酶活性的影响
犜犪犫犾犲3 犈犳犳犲犮狋狅犳犮狅犫犪犾狋狊狋狉犲狊狊狅狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犾犻狀犵狅狊犿狅狋犻犮犪犱犼狌狊狋犿犲狀狋狊狌犫狊狋犪狀犮犲狊犮狅狀狋犲狀狋犪狀犱狆狉狅狋犲狅犾狔狋犻犮犲狀狕狔犿犲犪犮狋犻狏犻狋狔
 浓度Concentration
(mmol/L)
可溶性蛋白
Solubleprotein(mg/gFW)
可溶性糖
Solublesugar(mmol/gFW)
游离脯氨酸
Freeproline(μmol/gFW)
蛋白水解酶Protease(mg
BSAhydrolysed/mgprotein·h)
0 7.45±0.34a 34.21±2.17b 14.42±0.97c 1.19±0.14a
0.25 8.11±0.50a 43.93±4.27a 16.89±0.88b 1.37±0.15a
0.50 7.28±0.42a 41.60±4.40a 20.42±1.09a 1.20±0.13a
1.00 5.29±0.47b 33.13±2.28b 13.65±1.18c 0.92±0.12b
2.50 4.69±0.77b 22.49±2.49c 10.12±1.26d 0.65±0.13c
5.00 3.00±0.86c 17.78±3.01c 6.90±1.19e 0.38±0.12d
941第9期 张虎 等:紫花苜蓿种子萌发对钴胁迫的生理生化响应
图2 犆狅胁迫对紫花苜蓿幼苗抗氧化酶活性的影响
犉犻犵.2 犈犳犳犲犮狋狅犳犮狅犫犪犾狋狊狋狉犲狊狊狅狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犾犻狀犵犪狀狋犻狅狓犻犱犪狀狋犲狀狕狔犿犲犪犮狋犻狏犻狋狔
 
2.4 Co胁迫对紫花苜蓿幼苗活性氧积累及膜脂过氧化的影响
Co胁迫对紫花苜蓿幼苗体内活性氧代谢有显著的影响(表4)。Co胁迫下,紫花苜蓿幼苗体内的O2·-产生
速率、OH·浓度、H2O2 含量及膜脂过氧化产物MDA含量均显著增加,并且随着Co胁迫浓度的增大而升高。在
0.25mmol/LCo胁迫浓度下,紫花苜蓿幼苗体内的O2·-产生速率、OH·浓度、H2O2 及 MDA含量均与CK差
异不显著。当Co胁迫浓度达到0.5mmol/L时,O2·-产生速率、OH·浓度、H2O2 及 MDA含量均显著高于
CK,并随着Co胁迫浓度的增大而显著升高。说明Co胁迫诱导产生了大量的活性氧,并引起了紫花苜蓿幼苗的
膜脂过氧化,而且随着Co胁迫浓度的增大,紫花苜蓿幼苗膜脂过氧化程度进一步加剧。
表4 犆狅胁迫对苜蓿幼苗活性氧积累和膜脂过氧化的影响
犜犪犫犾犲4 犈犳犳犲犮狋狅犳犮狅犫犪犾狋狊狋狉犲狊狊狅狀犪犾犳犪犾犳犪狊犲犲犱犾犻狀犵犪犮狋犻狏犲狅狓狔犵犲狀犪犮犮狌犿狌犾犪狋犻狅狀犪狀犱犿犲犿犫狉犪狀犲犾犻狆犻犱狆犲狉狅狓犻犱犪狋犻狅狀
浓度
Concentration
(mmol/L)
超氧阴离子自由基
Superoxideanionfree
radical(μmol/min·gFW)
羟自由基
Hydroxylfreeradical
(A·1000/gFW)
H2O2
Hydrogenperoxide
(μmol/gFW)
MDA
Malondialdehyde
(μmol/gFW)
0 3.56±0.34d 542.32±14.61e 1.20±0.20e 4.26±0.56e
0.25 3.99±0.33d 529.85±16.98e 1.52±0.22de 4.71±0.46de
0.50 5.37±0.57c 634.43±22.31d 2.34±0.50d 5.62±0.51d
1.00 7.33±0.43b 697.90±25.53c 3.62±0.65c 7.56±0.72c
2.50 8.15±0.75ab 818.55±31.74b 4.68±0.45b 9.12±0.69b
5.00 9.07±0.65a 983.12±34.89a 6.77±0.70a 11.31±0.67a
3 讨论与结论
种子在逆境胁迫下能否正常萌发及幼苗生长状况是植物能否存活的前提条件,也是某物种能否在某一地区
形成自然群落的关键因素[15]。一般情况下,种子的发芽势高,说明种子的生命力强,种子出苗较为整齐一致,而
051 草 业 学 报 第24卷
发芽率则能够反映种子的出苗情况。发芽指数反映了种子的发芽速率和整齐程度,而活力指数反映了种子在较
广的范围能否迅速发芽和生长的整齐度。本试验中,Co胁迫显著降低了紫花苜蓿种子的发芽势、发芽率、发芽指
数及活力指数,抑制了紫花苜蓿种子的萌发。根系作为植物体最活跃的吸收器官和合成器官,其活力水平可直接
影响地上部的生长和营养状况及产量水平。在种子萌发过程中,胚芽长、胚根长及幼苗干重也是反映幼苗生长状
况的关键指标。Co胁迫也显著降低了紫花苜蓿幼苗的根系活力,降低了胚芽长、胚根长及幼苗干重,说明Co胁
迫对紫花苜蓿幼苗生长有显著的抑制作用。一般认为,重金属对植物种子萌发及幼苗的影响存在一个较低浓度
下的刺激效应和高浓度下的抑制效应。随着Co胁迫浓度的增大,对紫花苜蓿种子萌发及幼苗生长的抑制作用
加剧,这与前人[1619]的研究结果一致,但本试验结果不存在低浓度下的刺激效应,这可能和Co的胁迫浓度有关,
也可能和植物种类有关。由于种子萌发后,胚根最先突破种皮吸水,受Co胁迫的时间比胚芽长,并且胚根是种
子发芽过程中吸收水分和营养的主要器官,Co进入幼苗体内后,大多数积累在胚根部位,所以胚根受到的抑制程
度大于胚芽。
任何逆境都会引起渗透胁迫,渗透调节是植物减少逆境伤害的一个重要特征[20]。逆境胁迫下,植物体能够
通过代谢调控积累一些小分子有机物质进行渗透调节,缓解逆境造成的渗透胁迫[21],可溶性蛋白、可溶性糖、游
离脯氨酸含量的高低能够在一定程度上反映植物对逆境胁迫的耐性,而蛋白水解酶活性的升高有利于植物在逆
境胁迫下积累游离氨基酸[22]。研究表明,逆境胁迫能够诱导植物的基因表达发生改变,正常蛋白合成受阻,逆境
应激蛋白被诱导合成,应激蛋白的协同作用可以清除变性蛋白、维持细胞正常代谢[23]。所以重金属胁迫诱导可
溶性蛋白含量增加,可能是植物抵抗重金属毒害的一种解毒机制[24]。本试验中,可溶性蛋白含量的下降可能是
由于Co2+在苜蓿幼苗体内过量积累而导致细胞结构遭到破坏而引起的。同时,Co胁迫增加了苜蓿幼苗的代谢
强度,进而增加了苜蓿幼苗对营养和能量的需求,对可溶性糖的需求和利用量增加,所以可溶性糖含量下降。
Co2+在苜蓿幼苗体内的过量积累,引起蛋白质变性,也造成了可溶性蛋白含量下降,蛋白水解酶活性也受到了抑
制。在低浓度Co胁迫下,游离脯氨酸含量升高以缓解Co胁迫引起的渗透胁迫,在高浓度Co胁迫下,苜蓿幼苗
体内的渗透调节平衡被打破,游离脯氨酸含量下降。
在正常生理条件下,植物体内的抗氧化酶促系统和非酶促系统共同发挥作用,使得体内的活性氧代谢处于动
态平衡[25]。植物遭受逆境胁迫后,体内活性氧(reactiveoxygenspecies,ROS)代谢平衡会被打破,ROS大量产生
并积累,ROS会以极强的氧化性造成细胞膜脂过氧化反应,导致膜系统损伤和细胞氧化,并大量积累过氧化产物
MDA,从而引起植物的氧化伤害[26]。本试验中,在低浓度Co胁迫(0.25和0.50mmol/L)下,紫花苜蓿幼苗的
SOD、APX、GPX、CAT活性均与CK差异不显著,在1.00mmol/LCo胁迫浓度下,紫花苜蓿幼苗的SOD、APX、
GPX活性均显著升高,CAT活性开始下降,之后随着Co胁迫浓度的增大,SOD、APX、GPX、CAT活性均下降,
说明Co胁迫对苜蓿幼苗抗氧化酶系统造成了损伤。0.25mmol/LCo胁迫对紫花苜蓿幼苗的活性氧代谢无显
著影响,Co胁迫浓度达到0.50mmol/L时,紫花苜蓿幼苗的活性氧代谢发生紊乱,O2·-产生速率、OH·浓度、
H2O2 及 MDA含量均显著升高,说明Co胁迫对紫花苜蓿幼苗的质膜结构造成了严重的伤害,这与王松华等[27]
的结果一致,说明重金属胁迫诱导膜脂过氧化是紫花苜蓿受害表现的普遍现象。
犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊:
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