水分胁迫和铅胁迫对小麦幼苗生理反应影响

王兰兰, 张馨元, 刘贺楠, 吕永霞, 刘春秀

(沈阳师范大学 化学与生命科学学院, 沈阳 110034)

水分胁迫和铅胁迫对小麦幼苗生理反应影响

王兰兰, 张馨元, 刘贺楠, 吕永霞, 刘春秀

(沈阳师范大学 化学与生命科学学院, 沈阳 110034)

以小麦幼苗为实验材料,研究铅胁迫以及水分与Pb双重胁迫下小麦叶片相对电导率、丙二醛含量、游离脯氨酸含量、可溶性糖含量、叶绿素含量和PSII最大光化学量子效率(Fv/Fm)变化。结果表明:随着Pb胁迫强度增大,与对照比较,小麦幼苗叶片相对电导率与MDA含量升高,且双重胁迫下高于单独Pb胁迫,表明水分胁迫与Pb处理的交互影响加重了植物细胞的膜质过氧化作用;Pb胁迫下游离脯氨酸和可溶性糖含量普遍高于对照,双重胁迫下溶性糖含量普遍高于Pb单独处理,说明水分胁迫下可溶性糖是重要渗透调节物质;随着Pb浓度的增加,与对照比较叶绿素含量和Fv/Fm普遍降低,双重胁迫和单独Pb处理比较,叶绿素含量未见明显差异,Fv/Fm普遍低于Pb单独处理,表明Pb胁迫和水分胁迫对PSII最大光化学量子效率影响表现为协同作用。

小麦;水分胁迫;Pb胁迫

0 引 言

在非生物胁迫中,干旱胁迫对农作物造成的危害占首位[1],因而如何减轻干旱对农作物造成的损失,有效提高其水分利用效率,已成为世界共同关注的问题。我国干早、半干旱地区占全国陆地面积的二分之一,给农业生产带来巨大灾难。

近年来我国工业迅速发展,土壤受到重金属的污染日益严重。目前,我国耕地受重金属污染面积将近2 000万hm2,约占总耕地面积1/5[2]。重金属中,铅(Pb)能够阻碍植物生长发育,从而降低作物产量和质量。另外,还可通过食物链富集,被人体吸收并严重危害人体健康[3]。

目前种植在干旱、半干旱地区的农作物很可能同时受到重金属的污染。一些研究人员通过实验研究了Pb对植物各项生理指标的影响,表明了铅对植物的毒害作用较为显著[4],而少有对水分胁迫及Pb胁迫的双重胁迫的研究。本文通过对小麦幼苗进行水分胁迫与Pb胁迫的交互处理,研究相关生理指标的变化,为预防重金属对农作物的毒害、干旱地区重金属污染方面提供理论依据。

1 材料与方法

1.1实验材料

供试材料:小麦幼苗

1.2实验处理

选取饱满、均一的小麦种子,表面消毒后,去离子水冲洗数次,之后在黑暗和25 ℃条件下浸种12 h。种子吸胀后,经催芽培养,室温下,Hoagland培养液进行水培。待幼苗生长一叶一心期,分3组处理:第1组为空白对照组(CK),即在室温下用Hoagland培养液进行水培培养。第2组为对照组,用含有Pb2+的浓度分别为25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L培养液处理。第3组实验组,在用12.3% PEG模拟水分胁迫基础上,分别添加浓度为25 mg/L、50 mg/L、100 mg/L、200 mg/L的Pb2+溶液,处理7 d后分别测定小麦叶片相对电导率、丙二醛含量、游离脯氨酸含量、可溶性糖含量、叶绿素含量、PSII最大光化学量子效率(Fv/Fm)生理指标的变化,各处理重复3次。

1.3测定方法

细胞膜相对透性测定采用外渗电导率法[5];丙二醛(MDA)含量的测定采用TBA(硫代巴比妥酸)法[6];游离脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮法[7];可溶性糖含量测定采用蒽酮法[8];叶绿素的提取和含量测定采用混合提取液法[9];叶绿素荧光参数测定采用调制式荧光测定仪(英国Hansatech公司生产)测定。

1.4数据处理

采用SPSS 12.0软件对不同浓度处理数据进行方差分析(One-way ANOVA),比较处理项与对照项之间差异显著性,数据以平均值±标准差(mean±SE)表示。

2 结果与分析

2.1细胞膜相对透性变化

细胞质膜是细胞与外界环境相隔离的屏障,通常被认为是胁迫伤害的最初和关键部位。在胁迫下,植物叶片组织细胞膜透的增大可以造成细胞中电解质的外渗。本研究结果表明(如图1),小麦幼苗叶片的膜透性随Pb处理浓度增大而增大。浓度大于50 mg/L时,与对照比较上升幅度较大。双重胁迫下,Pb浓度小于50 mg/L时,与Pb单独处理差异不大,而浓度大于50 mg/L时,差异达到显著水平(P<0.05)。

图1 单独Pb胁迫和水分、Pb双重胁迫下小麦幼苗叶片相对电导率的变化

图2 单独Pb胁迫和水分、Pb双重胁迫下小麦幼苗叶片MDA含量的变化

2.2丙二醛(MDA)含量变化

MDA是植物组织在逆境下发生膜脂过氧化作用的产物,它的产生可以作为植物发生膜脂过氧化作用强弱的指标。本研究结果表明(如图2),随着Pb处理浓度的增加,小麦叶片中MDA含量明显升高。双重胁迫下,MDA含量普遍高于Pb单独处理,但高浓度(200 mg/L)Pb处理时,双重处理和Pb单独处理比较差异不显著。

2.3游离脯氨酸含量的变化

游离脯氨酸是细胞内重要的渗透调节物质。本研究结果表明(如图3),低浓度Pb处理(小于25 mol/L)下,游离脯氨酸含量与对照比较无明显变化。随Pb浓度升高脯氨酸含量上升。双重胁迫下,当Pb处理浓度提高到100 mg/L时,游离脯氨酸含量显著高于Pb单独处理(P<0.05) 。

2.4可溶性糖含量变化

可溶性糖不仅是光合作用能量存储的主要形式,也是植物体内一种重要渗透调节物质[11]。本研究结果表明(如图4),随着Pb胁迫程度增大,与对照比较,可溶性糖含量普遍升高。双重胁迫下含量普遍高于pb单独处理(Pb小于25 mg/L时除外)。

2.5叶绿素含量变化

叶绿素含量对植物光合速率有直接的影响[12],是反映植物叶片光合能力的一个重要指标。本研究结果表明(如图5),随着Pb浓度的增加,与对照比较叶绿素含量除Pb浓度在50 mg/L时略有升高外,普遍呈下降趋势,且浓度高于50 mg/L时,显著降低(P<0.05)。双重胁迫和单独Pb处理比较,叶绿素含量未见明显差异。

2.6 Fv/Fm变化

最大光化学量子效率(Fv/Fm)代表PSll原初光能转化效率,是反映植物光能利用效率的一个重要参数。本研究结果表明(如图6),Pb胁迫处理下,与对照比较,Fv/Fm含量普遍降低,双重胁迫下Fv/Fm含量普遍低于Pb单独处理。

图3 单独Pb胁迫和水分、Pb双重胁迫下小麦幼苗叶片游离脯氨酸含量的变化

图4 单独Pb胁迫和水分、Pb双重胁迫下小麦幼苗叶片可溶性糖含量变化

图5 单独Pb胁迫和水分、Pb双重胁迫下小麦幼苗叶片叶绿素含量变化

图6 单独Pb胁迫和水分、Pb双重胁迫下小麦幼苗叶片最大光化学量子效率(Fv/Fm)的变化

3 讨 论

3.1水分胁迫和铅胁迫对小麦叶片膜系统影响

细胞膜是分隔细胞质和胞外环境的屏障,细胞膜的损伤将导致细胞内一系列生理生化代谢过程紊乱,严重时会导致植株死亡[13]。通常认为重金属胁迫程度愈大,细胞膜受毒害作用愈重[14]。本研究结果与上述结果一致,细胞膜透性随着Pb处理浓度的增大而增大。双重胁迫下,在Pb处理浓度大于50 mg/L时,小麦叶片膜透性明显高于Pb单独处理,说明Pb胁迫和水分胁迫对小麦叶片细胞膜的破坏产生了协同作用。

丙二醛(MDA)是植物发生膜质过氧化作用的最终产物,MDA含量变化可以反映细胞膜受损程度。大量研究表明,重金属是膜质过氧化的诱变剂,浓度越高膜质过氧化程度越高,其产物MDA积累就越多[15]。也有大量研究表明,水分胁迫是植物细胞膜系统损伤的重要原因[16]。本研究结果表明,MDA含量的变化规律与膜透性变化规律的一致性表明Pb胁迫处理与水分胁迫处理对小麦幼苗伤害的原初部位在质膜上。双重胁迫下,MDA含量普遍高于Pb单独处理,但Pb处理浓度高时(200 mg/L),双重处理和Pb单独处理比较差异不显著。说明当Pb浓度较高时,水分胁迫引起的膜质过氧化程度远远低于Pb处理。

3.2水分胁迫和铅胁迫对小麦叶片渗透调节物质的影响

可溶性糖和游离脯氨酸是两种常见的渗透调节物质,胁迫下,植物为建立新的渗透调节平衡,维系正常的生理代谢活动,其体内的渗透调节物质将会出现变化[17]。

细胞中游离脯氨酸具有调节细胞渗透平衡、增强细胞结构稳定性和阻止氧自由基产生的作用[10]。林伟等[18]研究发现游离脯氨酸随着重金属胁迫处理浓度的升高而增加,这是植物对逆境协迫的一种适应性反应。本研究结果表明,在低浓度Pb处理(小于25 mol/L)下,游离脯氨酸含量与对照比较无明显变化。随Pb浓度升高脯氨酸含量上升。说明只有存在一定浓度的Pb胁迫时,才能诱导脯氨酸含量的上升。当Pb浓度为100 mg/L时,pb胁迫与双重胁迫下小麦叶片的脯氨酸含量差异较大,说明水分胁迫对此浓度的Pb处理影响更为显著,小麦叶片呈现出较强的抗性。但当Pb浓度达到200 mg/L时,小麦叶片脯氨酸含量出现降低现象,原因可能是逆境胁迫达到一定程度后,植物代谢产生紊乱,引起脯氨酸含量下降,抗性降低。

可溶性糖是生物体中重要的能量来源和碳源,也是植物体内一种重要渗透调节物质。本研究结果表明(如图4) 随着Pb胁迫程度的增大,与对照比较,可溶性糖含量普遍升高。且双重胁迫下含量普遍高于pb单独处理(Pb小于25 mg/L时除外)。说明作为渗透调节物质可溶性糖可在低浓度的pb胁迫下产生积累,同时也是水分胁迫下一种相对主要的渗透调节物质(与脯氨酸比较)。

3.3水分胁迫和铅胁迫对小麦叶片光合作用的影响

叶绿体色素含量是反映植物光合能力的一个重要指标。林伟等[18]等研究发现,随着Pb浓度的升高,叶绿素含量降低,说明Pb污染在一定程度上影响了叶绿素的积累。本研究结果表明,随着Pb浓度的增加,与对照比较叶绿素含量普遍呈下降趋势,这与上述研究结果相一致。双重胁迫和单独Pb处理比较,叶绿素含量未见明显差异,表明一定程度水分亏缺对叶绿素影响不大。

叶绿素荧光通常被用于评价光合机构的功能和受环境胁迫的影响程度[19]。叶绿素荧光参数能够反映胁迫处理对植物光反应进程中PSII造成的影响。本研究结果发现,小麦叶片受Pb胁迫后,Fv/Fm下降,这可能是叶绿素含量降低的直接结果,也可能是Pb胁迫后,植物叶片光系统受到伤害,引起光合能力下降,这与马新民等[20]研究结果一致。双重胁迫下叶片Fv/Fm含量普遍低于Pb单独处理。表明Pb胁迫和水分胁迫对植物PSII最大光化学量子效率影响表现为协同作用。

4 结 论

1) 小麦叶片细胞膜透性和MDA含量随着Pb处理浓度的增大而增大,表明Pb胁迫处理对小麦幼苗伤害的原初部位在质膜上。双重胁迫下,细胞膜透性和MDA含量普遍高于Pb单独处理,说明Pb胁迫和水分胁迫对小麦叶片细胞膜的破坏产生了协同作用。

2) 随着Pb处理浓度增高,小麦叶片游离脯氨酸含量和可溶性糖含量逐渐升高。但当Pb浓度达到200 mg/L时,小麦叶片脯氨酸含量降低,可能是重度胁迫导致的植物代谢紊乱。双重胁迫下游离脯氨酸含量和可溶性糖含量普遍高于pb单独处理;作为渗透调节物质可溶性糖可在低浓度的pb胁迫下产生积累,同时也是水分胁迫下一种相对主要的渗透调节物质(与脯氨酸比较)。

3) 随着Pb浓度的升高,小麦叶片叶绿素含量和Fv/Fm降低;双重胁迫和单独Pb处理比较,叶绿素含量未见明显差异,表明一定程度水分亏缺对叶绿素影响不大,Fv/Fm含量普遍低于Pb单独处理。表明Pb胁迫和水分胁迫对植物PSII最大光化学量子效率影响表现为协同作用。

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Physiologicalchangesofwheatseedlingunderwaterand/orPbstress

WANGLanlan,ZHANGXinyuan,LIUHenan,LYUYongxia,LIUChunxiu

(College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University , Shenyang 110034 , China)

Wheat seedlings were used to study the changes of relative electrical transmission rates of callus, Fv/Fm and contents of MDA, free proline, soluble sugar, and chlorophyll, under Pb stress and pb and water stress. The results showed that relative electrical transmission rates of callus and contents of MDA increased under Pb stress compared with control, when plants were under pb and water stress, the permeability of cytoplasm membrance and membrance lipid peroxidation increased compared with Pb stress alone; Contents of free proline and soluble sugar increased under Pb stress compared with control, but contents of soluble sugar lower than under water and Pb stress, that means soluble sugar was the main osmotic regulation under water stress; Fv/Fm and contents of chlorophyll decreased under Pb stress compared with control, and Fv/Fm was much more decreased under water and Pb stress.

wheat; water stress; Pb stress

2014-03-22。

辽宁省教育厅科学研究项目(L2013421); 沈阳师范大学博士启动基金资助项目; 沈阳师范大学实验中心主任基金资助项目(SY201004)。

王兰兰(1978-),女,辽宁沈阳人,沈阳师范大学副教授,博士,硕士研究生导师。

1673-5862(2014)04-0491-05

Q948.12

: A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2014.04.008