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Ca~(2+)对铬胁迫下木麻黄种子萌发的生态效应



全 文 :Ca2+对铬胁迫下木麻黄种子萌发的生态效应*
周希琴1  李裕红**2 , 3
(1 肇庆学院 , 肇庆 526061;2 泉州师范学院 , 泉州 362000;3 厦门大学生命科学学院 , 厦门 361005)
摘 要 研究不同浓度 Ca2+对铬胁迫下木麻黄种子萌发的影响。结果表明 , 在 10 mg Cr3+·
L
-1或 100 mg Cr3+·L-1胁迫下 , 木麻黄种子萌发及幼苗生长发育受到抑制 ,较高浓度的 Cr3+
显示更大的毒性效应;在加入适量 Ca2+处理后 , 植物虽仍处在铬胁迫下 , 但脯氨酸 、O -2 、MDA
含量以及 POD、CAT 活性有所下降 , SOD活性上升 ,缓解了铬对种子萌发的抑制和幼苗生长发
育的影响。 Ca2+表现出对铬胁迫下木麻黄种子萌发和幼苗膜保护酶活性有积极的调控作用 ,
且可调节脯氨酸应激反应的灵敏程度 , 降低活性氧的产生速率和膜脂过氧化程度 , 但 Ca2+处理
需要适当的浓度 , 浓度过高会产生负效应。 Ca2+调控的最适浓度为 0.01 ~ 1 mmol·L-1 。
关键词 Ca2+ , 铬胁迫 , 木麻黄 ,种子萌发 , 保护酶
中图分类号 Q945.78   文献标识码 A   文章编号 1000-4890(2003)04-0037-05
Ecological effects of Ca2+ on the seed germination of Casuarina equisetif olia under chromic stress.
ZHOU Xiqin1 , LI Yuhong 2 , 3(1Biology Department of Zhaoqing College , Zhaoqing 526061 , Chi-
na;2Biology Department of Quanzhou Normal College , Quanzhou 362000 , China;3School of
L ife Sciences , Xiamen University , X iamen 361005 , China).ChineseJournal of Ecology , 2003 , 22
(4):37 ~ 41.
Effects of Ca2+w ith different concentrations on some earlier physiologic and ecological characteristics
of seed germination of Casuarina equisetifolia under chromic stress were studied.The results showed
that the seed germination and the seedling g row th were inhibited under the Cr3+ stress w ith concen-
trations of 10 mg·L-1 or 100 mg·L-1 , and there was stronger toxic effect with higher Cr3+ concen-
tration.When seeds or seedlings w ere treated by Ca2+ with proper concentration , although the
plants were still under the Cr
3+
stress , the content of proline , O-·2 and MDA , and the activities of
POD and CAT were decreased , and SOD activity increased.Therefore , Ca2+ reduced the inhibition
of seed germination and seedling grow th.There w as a good modulation effect of Ca2+on accelerating
the seed germination and enhancing the activity of seedling pro tective enzymes under Cr3+ stress.
Ca2+ could also modula te the sensitivity of proline to stress response , decrease the speed of O -·2 pro-
duction , and alleviative the pero xidation degree of membrane lipid.But the trea tment of Ca2+needed
suitable concentration.Much too high Ca2+ concentration w ould bring nega tiv e effect.The proper
concentration of Ca2+w as in the range of 0.01~ 1 mmol·L-1.
Key words Ca2+, chromic stress , Casuarina equiseti folia , seed germination , protective enzymes.
*福建省自然科学基金重点项目(D0120001)和泉州师范学院科研
基金资助项目(2002LI04)。
**通讯作者
收稿日期:2003-02-07  改回日期:2003-03-30
1 引 言
  铬是环境污染重金属元素之一 ,其对植物生长
发育的影响及危害机制已有所报道 ,有研究表明 ,铬
能抑制种子萌发 ,减少细胞分裂数目 ,诱发多种染色
体畸变[ 4] ;并使细胞保护系统功能受损 ,过氧化作
用加剧 ,细胞膜透性增大 ,严重时导致植物死亡[ 9] 。
Ca2+作为参与许多生命活动的第二信使 ,在传递胞
内信息 ,调节细胞代谢等方面起着极为重要的作用 。
许多研究表明钙能增强植物的抗逆性[ 12] 。本文主
要研究 Ca2+对铬胁迫下的木麻黄种子萌发及幼苗
抗氧化保护系统的影响 ,可为减缓铬对植物的影响
提供相应的防护措施以及一定的科学依据 。
2 材料和方法
2.1 植物培养方法
随机选择普通木麻黄(Casuarina equiseti folia)
种子(千粒重为 1.46 g)。经 0.4%高锰酸钾表面消
毒 6 min ,去离子水反复冲洗 ,浸泡 10 h后将种子均
生态学杂志 Chinese Journal of Ecolog y 2003 , 22(4):37~ 41                            
DOI :10.13292/j.1000-4890.2003.0073
匀置于铺有滤纸的培养皿中 ,每皿 100粒。分别用
10 mg Cr3+·L -1+0(对照组 1), +0.01 、0.1 、1 、10 、
30 、100mmol Ca2+·L-1溶液(处理组 1)以及 100 mg
Cr3+·L -1+0(对照组 2), +0.01 、0.1 、1 、10 、30 、100
mmol Ca2+·L-1溶液(处理组 2),共 14个处理浸润
种子 ,各处理组 3个重复。另取种子在自然条件下
催芽 ,当胚根长至 2 ~ 3 mm 时 ,移至于培养皿中 ,胁
迫处理同前 ,各处理组设 5个重复 。置自然光照下
萌发生长 ,培养温度为(22±2)℃,将萌发12 d后的
幼苗用于各种生理指标的测定 ,随机取样 ,三次重复
测定 ,取平均值 。实验所用试剂均为分析纯 , Cr3+
试剂为 CrCl3·6H2O ,浓度以纯金属离子计;Ca2+试
剂为 Ca(NO3)2·4H2O ,溶液均用去离子水配制。
2.2 测试方法
2.2.1 萌发指标测定 发芽率=8 天内发芽种子
数/种子总数×100%;相对发芽率=处理发芽率/对
照发芽率×100%;发芽指数=΢(G t/Dt)(G t 指在 t
时间内的发芽数;Dt 指发芽天数);相对发芽指数=
处理发芽指数/对照发芽指数×100%。
2.2.2 测定方法 酶液制备方法参见文献[ 3] ;可
溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝 G-250 染色
法[ 2] ;脯氨酸含量的测定采用酸性茚三酮法[ 2] ;超
氧负离子(O-·2 )测定按照罗广华等的方法[ 2] ;丙二醛
(MDA)含量测定根据硫代巴比妥酸法测定[ 3] ;SOD
活性:采用 NBT 光还原法[ 11] ;POD 活性采用愈创
木酚法[ 6] ;CAT 活性采用碘量法测定[ 1] 。
3 结果与分析
3.1 Ca2+对 Cr3+胁迫下木麻黄种子发芽和幼苗生
长的影响
种子发芽试验和早期植物幼苗生长试验均属目
前已建立的高等植物毒性试验方法之列[ 5] 。由表 1
看出 ,对照组 2的各项种子萌发参数值均明显低于
对照组 1 ,表明 100 mg Cr3+·L-1对种子萌发的毒害
作用远大于 10 mg Cr3+·L -1;比较处理组与对照组
的结果 ,可看出 Ca2+对于两组 Cr3+胁迫处理 ,均具
有提高铬胁迫下种子萌发的作用。随着 Ca2+浓度
的增大 ,种子发芽率 、相对发芽率 、发芽指数 、相对发
芽指数等皆显著提高 ,1 mmol Ca2+·L-1处理 ,种子
发芽率 、相对发芽率 、发芽指数 、相对发芽指数等指
标最高。但随着 Ca2+浓度的继续增大 ,种子萌发受
到抑制。可见 Ca2+在 0.01 ~ 10 mmol·L-1浓度范
围能明显缓解 Cr3+对木麻黄种子萌发的毒害作用 。
表 1 Ca2+对Cr3+胁迫下木麻黄种子萌发的影响
Tab.1 Effect of Ca2+on the seed germination of Casuarina equiseti-
folia under Cr3+stress
Ca(NO3)2
(mmo l·L-1)
10 mg CrCl3·L-1/第1 组
发芽率
(%)
相对发
芽率(%)
发芽
指数
相对发
芽指数(%)
100 mg CrCl3·L-1/第2 组
发芽率
(%)
相对发
芽率(%)
发芽
指数
相对发
芽指数(%)
0(CK) 28 100 2.6 100 4 100 1.8 100
0.01 37 132.1 3.3 126.9 9 225 2.0 111.1
0.1 40 142.9 3.5 134.6 9 225 2.2 122.2
1 42 150 3.7 142.3 11 275 2.5 138.9
10 38 135.7 3.2 123.1 5 125 1.6 88.9
30 28 100 2.8 107.7 4 100 1.3 72.2
100 2.5 8.9 0.4 15.4 0 0 0 0
  将催芽后的发芽个体移至于培养皿中 ,胁迫培
养 12 d后 ,观察测定幼苗生长情况(表 2),结果表明
100mg Cr
3+·L-1对种子萌发的毒害作用远大于 10
mg Cr
3+·L-1;低浓度的 Ca2+能明显缓解不同浓度
的 Cr3+对幼苗生长发育的影响。随着 Ca2+浓度的
增加 ,幼苗株高 、根长 、鲜重 、干重等均明显增大 ,0.1
mmol Ca2+·L-1处理组幼苗株高 、根长 、鲜重 、干重
等指标最高 。但当 Ca2+增加到 10 mmol·L-1时 ,开
始对幼苗的生长有抑制作用 ,随着 Ca2+浓度的继续
增加 ,长势趋劣 ,10 、30 、100 mmol Ca2+·L-1加 Cr3+
处理下的生长幼苗比单纯 Cr3+处理下的幼苗株高 、
根长 、鲜重 、干重明显减少 ,表明 Ca2+与 Cr3+对幼
苗产生复合毒害效应。从促生长角度看 ,运用 Ca2+
处理技术需要讲究适当的浓度 ,浓度过高则产生负
效应。
表 2 Ca2+对Cr3+胁迫下木麻黄幼苗生长的影响
Tab.2 Effect of Ca2+ on the seeding growth of Casuarina equiset ifo-
l ia under Cr3+stress
Ca(NO3)2
(mmo l·L-1)
10 mg CrCl3·L-1/第1 组
株高(cm) 根长(cm) 鲜重(mg) 干重(mg)
100 mg CrCl3·L-1/第2 组
株高(cm) 根长(cm) 鲜重(mg) 干重(mg)
0(CK) 2.77 0.87 6.1 1.3 0.88 0.49 4.1 1.1
0.01 3.66 1.33 6.4 1.4 1.04 0.59 4.5 1.2
0.1 3.70 1.35 7.8 1.8 1.07 0.61 5.9 1.3
1 3.02 0.99 6.6 1.5 0.90 0.54 4.2 1.1
10 2.48 0.94 4.8 1.2 0.76 0.43 3.9 1.0
30 1.99 0.70 4.6 1.1 0.72 0.39 3.5 0.9
100 1.37 0.55 4.0 1.0 0.64 0.37 3.0 0.8
3.2 Ca2+对 Cr3+胁迫下木麻黄幼苗脯氨酸含量的
影响
植物体内脯氨酸含量在一定程度上能反映植物
的抗逆性 ,逆境条件下植物体内脯氨酸含量的上升
可视为植物的保护性应激反应[ 8] 。研究结果(图
1a)表明 ,Cr3+胁迫条件下施用 Ca2+ ,随着 Ca2+浓
度的增加 ,植物体内脯氨酸含量逐渐降低 ,在 Ca2+
浓度为 0.1 mmol·L-1时 ,降到最低点 。以后随着
38                                         生态学杂志 第 22卷 第 4期 
Ca2+浓度的增加 ,脯氨酸含量也缓慢增加 ,最后在
Ca2+浓度为 100 mmol·L-1时急速增加到最高 。方
差 LSD 分析:与 CK 相比 , Ca2+浓度在 0.1 、100
mmol·L-1时具极显著差异性水平 ,在 30 mmol·L-1
时达到显著性差异 ,其余差异不显著。脯氨酸累积
既是植物对逆境的一种反应 ,也是植物抵御逆境 、维
持自身正常生命活动的一种方式 。当有适宜浓度
Ca2+作用时 ,可能因 Ca2+对植物的保护作用 ,降低
了Cr3+对脯氨酸合成的胁迫刺激;当 Ca2+浓度较
大时 ,对植物造成 Cr3+与钙离子胁迫双重伤害 ,植
物体内脯氨酸含量急速上升则是植物抵御极端胁迫
的保护性应激反应 。本实验亦体现 Ca2+可调节脯
氨酸应激反应的灵敏程度 。
3.3 Ca2+对 Cr3+胁迫下木麻黄幼苗超氧负离子
(O-·2 )含量的影响
O

2 自由基是植物体内破坏性很强的物质 ,O-2
既能与体内的蛋白质和核酸等活性物质直接作用 ,
又能衍生为 H2O2 、羟自由基(·OH)、单线态氧(1O2)
等其它形式的活性氧[ 2] ,从而引起膜脂过氧化 。实
验结果(图 1b)表明:在 Cr3+胁迫条件下施用 Ca2+ ,
随着 Ca2+浓度的增加 ,超氧负离子产生速率逐渐降
低 ,到 1 mmol·L-1Ca2+浓度时 ,降到最低点 ,以后随
着Ca2+浓度的增加 ,超氧负离子产生速率增加 ,最
后当Ca2+为 100 mmol·L-1时其速率达到最高点 。
各实验组与对照组间进行方差 LSD分析 ,结果显示
组间均达到显著差异水平 。适宜浓度的 Ca2+能降
低铬胁迫下超氧负离子产生速率 ,即 O-·2 对植物细
胞破坏性降低 ,体现 Ca2+作用可以减缓 Cr3+对植
物的胁迫伤害。
3.4 Ca2+对 Cr3+胁迫下木麻黄幼苗丙二醛
(MDA)含量的影响
MDA作为膜脂过氧化的产物 ,其在机体内的积
累会对细胞产生毒害作用 ,可作为膜脂过氧化程度
的指标之一 。研究结果(图 1c)表明 ,对照组 2 的
MDA含量高于对照组 1 ,体现高浓度 Cr3+致使膜脂
过氧化程度高于低浓度 C r3+。在两组 Cr3+胁迫加
Ca
2+处理后 ,随着Ca2+浓度的增加 ,MDA 含量均逐
渐下降 ,在 Ca2+浓度达 0.1 mmol·L -1时 ,MDA 含
量下降到最低点 ,然后随着 Ca2+浓度的增加 ,MDA
含量逐渐上升。可见适宜浓度的 Ca2+能控制 MDA
在植物体内的积累 ,从而降低其对细胞的毒害作用 。
方差 LSD分析:与 CK相比 ,Ca2+浓度在 0.1 mmol·
L -1差异显著 ,浓度在 100 mmol·L-1时差异达到极
显著 ,其余均未达到显著性差异 。
图 1 Ca2+对Cr3+胁迫下木麻黄幼苗脯氨酸(a)、O-·2 (b)、MDA(c)
含量的影响
Fig.1 Effect of Ca2+ on the content of proline(a), O-·2 (b), and
MDA(c)of Casuarina equisetifolia seedl ing under Cr3+stress
3.5 Ca2+对 Cr3+胁迫下木麻黄幼苗细胞保护酶系
统的影响
超氧化物岐化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过
氧化氢酶(CA T)是膜保护酶促防御系统中三种重要
酶 。一般情况下 ,细胞内的活性氧与防御系统之间
保持着平衡[ 13] 。由图 2a 看出 , 两组 C r3+胁迫加
Ca2+处理后 ,随着 Ca2+浓度的增加 ,SOD 活性相对
于对照均逐渐升高 ,当 Ca2+浓度为 0.1 mmol·L-1
时 ,SOD活性达到最高点 ,但随着 Ca2+浓度(1 mmol
·L-1)增加以及底物(超氧负离子)含量的减少(图
1b),SOD活性转而下降 。当 Ca2+浓度达 10 mmol·
L -1时 ,SOD活性又逐渐上升 ,以对付 O-·2 含量的增
加;随着 Ca2+浓度继续增加 , O-·2 产生速率加快 ,且
活性氧的增加来不及被清除 ,对植物的毒害加重 ,植
物细胞生理代谢进一步紊乱 ,SOD 的合成或激活受
阻 ,其活性又显下降。可见适宜的 Ca2+处理可诱导
SOD活性上升 ,以清除 Cr3+胁迫下超氧负离子的增
加 ,但浓度过高则失去此效应或起负作用 。方差
LSD分析:与 CK相比 ,Ca2+浓度为 0.01 、0.1 mmol
·L-1时具显著差异 ,其余差异不显著。
由图 2b 看出 , 在单一 Cr3+胁迫下(CK), 100
39周希琴等:Ca2+对铬胁迫下木麻黄种子萌发的生态效应
mg·L -1Cr3+胁迫组 POD活性比 10 mg·L-1Cr3+胁
迫组 POD活性高。在加 Ca2+处理后 ,随着 Ca2+浓
度的增加 , POD 活性逐渐降低 , 10 mg Cr3+·L-1 +
0.1 mmol Ca2+·L-1处理下 , POD活性最低;处理组
2中 , 100 mgCr3+·L-1 +1 mmolCa2+·L -1处理下 ,
POD活性最低 ,但随着 Ca2+浓度的继续增大 ,POD
活性又逐渐上升 ,到 100 mmol Ca2+·L-1浓度时 ,上
升到最高点 。有研究表明 ,逆境使植物体内过氧化
物含量增加 ,POD活性受激而增强[ 7] ,方差 LSD 分
析:与 CK 相比 , Ca2+浓度在 1 mmol·L -1时未达到
显著性差异 ,其余水平均达到极显著性差异。适宜
浓度的Ca2+可能减弱铬对幼苗的毒害作用 ,减少有
害物质的产生 ,使植物体对逆境的敏感性减弱 ,因此
POD活性的激活亦相应有所减弱 。
图 2 Ca2+对 Cr3+胁迫下木麻黄幼苗 SOD(a)、POD(b)、CAT(c)活
性的影响
Fig.2 Effect of Ca2+on the content of proline(a), O-·2 (b), andMDA
(c)of Casuarina equiset ifolia seedling under Cr3+ stress
  由图 2c可看出 ,单一 Cr3+胁迫下 ,100mg Cr3+
·L-1胁迫 CAT 活性比 10 mg Cr3+·L -1胁迫 CAT
活性高 ,体现较高浓度的 C r3+需激活更多的 CAT
活性以清除 H2O2 ,抵御逆境对机体的过氧化伤害 。
加Ca2+处理后 ,随着 Ca2+浓度的增加 ,CAT 活性逐
渐降低 ,处理组 1 中 , 10 mg Cr3+·L-1 +1 mmol
Ca2+·L-1处理下 ,CAT 活性最低;处理组 2中 ,100
mg Cr3+·L-1 +0.1 mmol Ca2+·L -1处理下 , CAT
活性最低 ,但随着 Ca2+浓度的继续增大 ,CAT 活性
均逐渐随之上升 ,Ca2+浓度达到或超过 10 mmol·
L -1时 , CAT 活性即比对照组高。方差 LSD 分析:
与 CK相比 , Ca2+浓度在 1 、30 、100 mmol·L-1时极
显著性差异 ,其余水平均未达到显著性差异。
4 讨 论
适宜浓度的 Ca2+处理能缓解 Cr3+胁迫对木麻
黄种子萌发和早期幼苗生长的影响。与无 Cr3+胁
迫相比 ,在 10 ~ 500 mg Cr3+·L-1胁迫范围 ,木麻黄
种子萌发和早期幼苗生长皆受 C r3+抑制(资料将另
文刊出)。Cr3+胁迫加低浓度 Ca2+(0.01 ~ 1 mmol·
L -1)处理后 ,木麻黄种子的发芽率 、相对发芽率 、发
芽指数 、相对发芽指数 ,幼苗株高 、根长 、鲜重 、干重
等皆较单一铬处理明显增加 ,但较高浓度的 Ca2+处
理则会协同 Cr3+一起对其产生加合胁迫效应。
Ca2+可以调控脯氨酸应激反应的灵敏程度。
适宜浓度Ca2+对植物的保护作用降低了 Cr3+对脯
氨酸合成的胁迫刺激 ,而高浓度 Ca2+可能和 Cr3+
一起对植物造成双重胁迫伤害 ,植物体内脯氨酸含
量应激上升。O-·2 是植物体内破坏性很强的氧化物
质 ,加入适宜浓度的 Ca2+后 ,能抑制 O-·2 的生成 ,或
促进O-·2 的清除 ,使 O-·2 产生速率降低 ,从而降低其
对植物细胞的破坏性 。丙二醛(MDA)是膜脂过氧
化的主要产物之一 ,其在植物体内积累是活性氧毒
害的表现 。适宜浓度的 Ca2+使 Cr3+胁迫下木麻黄
幼苗 MDA 含量明显降低 ,表明钙的作用减轻了活
性氧的毒害 ,能抑制 Cr3+胁迫对植物细胞膜脂过氧
化作用 。
适量的 Ca2+可增强木麻黄幼苗对铬的耐受能
力 ,调节抗氧化酶活性并使之相对稳定 ,努力使活性
氧的清除和生成处于相对的低水平平衡状态。
SOD 、POD 、CA T 是膜保护酶系统的三种重要酶 ,这
三种酶活性对 Ca2+处理有不同响应。在 Cr3+胁迫
加入适量Ca2+后 ,SOD反应最积极 ,其活性增强 ,表
明木麻黄幼苗清除 O-·2 的能力提高。POD 、CAT 在
适宜 Ca2+调节作用下 ,活性降低 ,但随着 Ca2+浓度
的增加 ,酶活性又上升 ,推测其受 Ca2+作用机理类
似于前述Ca2+对脯氨酸应激反应的调控机理 。
钙不仅仅作为一种植物必需的大量营养元素 ,
更重要的是作为胞内第二信使 ,通过钙调素的中介
而把胞外信号转换成胞内的生理生化反应[ 10] 。外
源 Ca2+的施用可能促进内源游离 Ca2+含量的增
40                                         生态学杂志 第 22卷 第 4期 
加 ,而胞内游离 Ca2+通过与钙调素结合调节或直接
调节细胞内有关酶活性和细胞功能 ,使植物在一定
程度内减缓逆境伤害 ,这可能是外源钙处理提高植
物抗逆能力的主要原因之一。值得一提的是 , 当
Ca2+浓度过高时 ,种子萌发受到影响 ,幼苗生长发
育受到伤害 ,MDA 、O-·2 、脯氨酸含量随之升高 , SOD
活性降低 , POD 、CAT 活性则逐渐升高 , 可见 SOD
比 POD和 CAT 对高浓度 Ca2+更敏感。综上所述 ,
Ca2+提高木麻黄幼苗抗 Cr3+毒害能力的最适浓度
为 0.01 ~ 1 mmol·L -1 。
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作者简介 周希琴 , 女 , 1962 年生 ,讲师 ,主要从事植物生理
学方面研究 , 发表论文近 10 篇。
责任编辑 魏丽萍
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41周希琴等:Ca2+对铬胁迫下木麻黄种子萌发的生态效应