硒對(duì)紫花苜蓿葉片光合特性的影響

代惠萍,趙 樺,賈根良,李新生,徐 皓,裴金金,吳三橋，江 海

(1.陜西理工學(xué)院 陜西省資源生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西漢中 723001; 2.陜西理工學(xué)院 生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西漢中 723001; 3.陜南秦巴山區(qū)生物資源綜合開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西漢中 723001; 4.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 甘肅省環(huán)境生物監(jiān)測(cè)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000; 5.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院,陜西楊凌 712100)

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硒對(duì)紫花苜蓿葉片光合特性的影響

代惠萍1,2,3,4,趙 樺2,賈根良5,李新生1,徐 皓2,裴金金1,吳三橋2，江 海2

(1.陜西理工學(xué)院 陜西省資源生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西漢中 723001; 2.陜西理工學(xué)院 生物科學(xué)與工程學(xué)院,陜西漢中 723001; 3.陜南秦巴山區(qū)生物資源綜合開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西漢中 723001; 4.蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 甘肅省環(huán)境生物監(jiān)測(cè)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅蘭州 730000; 5.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院,陜西楊凌 712100)

以紫花苜蓿品種大葉苜蓿為試材,研究硒(Se)不同濃度(0、100、900 μmol/L)處理對(duì)新疆大葉苜蓿葉片生物量、硒含量和光合色素的影響。結(jié)果表明,隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),在第60 d時(shí),硒脅迫組的紫花苜蓿葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、類(lèi)胡卜素含量、硒積累量和生物量均比對(duì)照增加。綜合表明,紫花苜蓿葉片具有較強(qiáng)的富Se能力。

硒脅迫,光合色素,紫花苜蓿

硒(Se)是人和動(dòng)物必需的微量元素,而植物在自然界硒循環(huán)轉(zhuǎn)化、人類(lèi)健康領(lǐng)域具有重要地位和作用,使得近年來(lái)植物硒研究領(lǐng)域也受到普遍關(guān)注[1]。同時(shí),硒是人和動(dòng)物體內(nèi)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GSH-Px)的組成成分,且GSH-Px可以消除脂質(zhì)過(guò)氧化物的毒性作用[2-4]。當(dāng)環(huán)境中的硒過(guò)量可導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生疾病、動(dòng)物胚胎發(fā)育不正常甚至死亡[5]。且過(guò)量硒對(duì)植物產(chǎn)生毒害,植物出現(xiàn)中毒癥狀,生長(zhǎng)及生理活動(dòng)受到抑制,植物細(xì)胞對(duì)硒的毒性最敏感的部位是一些特殊的和基本反應(yīng)中需要S的部位,低濃度的Se對(duì)植物吸收S的影響不大,反而會(huì)刺激作物的一些生理反應(yīng)。但當(dāng)大量的Se取代S進(jìn)入植物組織中,一些酶的疏基(-GSH)就會(huì)失去作用,含硒的疏基干擾細(xì)胞的正常生化反應(yīng)和酶的功能[6-7]。同時(shí),Se能夠預(yù)防和抑制鎘、砷、汞、銀等有毒元素對(duì)機(jī)體的傷害[8-9]。在食物鏈中,由于Se主要來(lái)源于植物并最終來(lái)源于土壤,土壤中Se的含量、形態(tài)和作物對(duì)Se的吸收轉(zhuǎn)化等都直接影響著食物鏈中Se水平[9-10]。因此,土壤中的Se一直是研究熱點(diǎn)話(huà)題。

紫花苜蓿(MedicagosativaL)不僅是食品、飼料的重要來(lái)源,也在紡織、造紙等工業(yè)方面有著廣泛的用途[4]。代惠萍等[4]研究證實(shí),紫花苜蓿對(duì)Se具有較高的富集能力,它生物量大,生長(zhǎng)周期長(zhǎng),抗干旱和病蟲(chóng)害能力強(qiáng),是一種潛在的、應(yīng)用前景較好的重金屬污染土壤修復(fù)植物。隨著紫花苜蓿深加工的發(fā)展,污染的土壤上種植紫花苜蓿,收割后作為工業(yè)用途,避免紫花苜蓿體內(nèi)的重金屬進(jìn)入食物鏈,對(duì)促進(jìn)苜蓿產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展,保障環(huán)境安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本研究通過(guò)添加外源Se,初步探討Se脅迫對(duì)紫花苜蓿葉片的生長(zhǎng)特性、Se積累量和光合色素積累的影響,為富硒紫花苜蓿在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和預(yù)防硒缺乏促進(jìn)健康等綜合開(kāi)發(fā)利用方面提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

紫花苜蓿 品種“新疆大葉苜?！?種子來(lái)源于西北農(nóng)林科技大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院。供試土壤 陜西理工學(xué)院生物工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)地的園田土,采用園田土、草炭、蛭石,按照(3∶1∶1)的體積比充分混勻,自然風(fēng)干(土壤含水率在≤2%),過(guò)2 mm篩。然后取若干土樣做本底值測(cè)試,并將其余土分裝于塑料盆中。

Na2SeO3分析純 成都西亞化工股份有限公司；硒標(biāo)準(zhǔn)液(1.000 g/L),國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物，超純水(電阻率>18.25 MΩ·cm),鐵氰化鉀，65%濃硝酸(優(yōu)級(jí)純)，30%過(guò)氧化氫(分析純)，丙酮 國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司。微波消解儀Mars6 美國(guó)CEM公司；PF6-2原子熒光分光光度計(jì) 北京普析通用儀器責(zé)任有限公司；UV2550分光光度計(jì) 日本島津；UPT-I-10超純水機(jī) 優(yōu)譜科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽法,用25 cm×16 cm塑料盆,每盆土壤質(zhì)量約2 kg。于2014年3月播種,選飽滿(mǎn)、無(wú)病蟲(chóng)害苜蓿種子,用0.1%的HgCl2消毒10 min,每盆播種20粒,在自然光照條件下培養(yǎng),出芽15 d后間苗,每盆留15株長(zhǎng)勢(shì)均勻的幼苗。植株生長(zhǎng)期間用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液澆灌,苜蓿幼苗生長(zhǎng)2個(gè)月后,在去離子水中分別加入亞硒酸鈉(Na2SeO3)母液配成不同質(zhì)量濃度的處理液,施入土壤中,形成0(CK,硒虧缺)、100(低濃度硒)、900 μmol/L(高濃度硒),3個(gè)處理,每處理重復(fù)6次,共18盆。培養(yǎng)期間,采用稱(chēng)重法,補(bǔ)充消耗的水分。在脅迫20、40、60 d時(shí)進(jìn)行收獲,選擇生長(zhǎng)基本一致的植株,每個(gè)處理收獲12株,將每株葉片分開(kāi),迅速用液氮速凍,保存于-80 ℃冰箱中,進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生物量 不同濃度Se脅迫后20、40、60 d時(shí)進(jìn)行取樣,每個(gè)處理取12株,將每株的葉片分開(kāi),并用去離子水沖洗。然后烘箱內(nèi)100 ℃殺青15 min,80 ℃下烘至恒質(zhì)量。之后用萬(wàn)分之一天平稱(chēng)量地上部干質(zhì)量。

1.3.2 Se含量 將1.3.1中測(cè)定過(guò)干質(zhì)量的葉片樣品,粉碎成粉末,65%(w/v)HNO3消解,用原子吸收分光度計(jì)測(cè)定Se含量[6]。

1.3.3 光合色素含量的測(cè)定 將葉片剪碎混勻,80%(m/V)丙酮浸提法[11]。葉綠素a、葉綠素b和類(lèi)胡蘿卜素含量參照Dai等[12]方法計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 12進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。One-Way ANOVA方差分析比較不同字母是表示相同時(shí)間,不同處理組的差異,通過(guò)LSD法進(jìn)行差異顯著性(p<0.05)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 硒對(duì)紫花苜蓿葉片生物量的影響

圖1可見(jiàn),Se脅迫條件下,在20 d時(shí),隨著硒濃度的增加,苜蓿葉片生物量呈先增加后降低的變化趨勢(shì),但不同濃度間差異不顯著(p>0.05),在40 d時(shí),隨著脅迫濃度增加葉片生物量呈上升趨勢(shì),且差異顯著(p<0.05),然而,在第60 d時(shí),隨著脅迫濃度增加,葉片生物量呈先增加后降低變化趨勢(shì),與對(duì)照相比分別增加了11.8%和7.0%,因而表明在適宜硒可促進(jìn)紫花苜蓿的生長(zhǎng),當(dāng)硒濃度過(guò)量抑制植物生物量積累。

圖1 硒對(duì)紫花苜蓿葉片生物量的影響Fig.1 Effects of Se stress on the accumulation of biomass in the leaves of Medicago sativa

2.2 硒對(duì)紫花苜蓿葉片硒含量的影響

圖2可見(jiàn),Se脅迫條件下,隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng),參試紫花苜蓿葉片Se含量呈增加趨勢(shì),在20 d和40 d時(shí),大葉苜蓿葉片Se含量顯著高于相應(yīng)對(duì)照,且差異顯著(p<0.05),在第60 d時(shí),硒脅迫組紫花苜蓿葉片Se的含量分別比對(duì)照顯著提高了19.6倍和37.4倍(p<0.05)。

圖2 硒對(duì)紫花苜蓿葉片Se積累量的影響Fig.2 Effects of Se stress on the accumulation of Se in the leaves of Medicago sativa

2.3 硒對(duì)紫花苜蓿葉片葉綠素含量的影響

圖3 硒對(duì)紫花苜蓿葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素、類(lèi)胡蘿卜素含量的影響Fig.3 Effects of Se stress on the contents of Chla, Chlb, Chla+b, Carotenoids in the leaves of Medicago sativa

圖3表明,在Se脅迫下,不同時(shí)間不同濃度Se脅迫的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類(lèi)胡蘿卜素含量呈相似的變化趨勢(shì),且與對(duì)照均達(dá)到顯著水平(p<0.05)。在20 d后,隨著硒含量的增加,參試苜蓿葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類(lèi)胡蘿卜素含量呈先上升后降低的變化趨勢(shì);在第40 d時(shí),與20 d時(shí)Se脅迫葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量含量呈相似的變化趨勢(shì),且不同處理組之間差異顯著(p<0.05)。而在900 μmol/L Se脅迫下,類(lèi)胡蘿卜素含量與對(duì)照差異不顯著(p>0.05);在第60 d時(shí),大葉苜蓿葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類(lèi)胡蘿卜素含量均顯著高于對(duì)照35.2%和31.0%;52.1%和35.8%;40.1%和32.4%;55.3%和43.6%,且差異顯著(p<0.05)。隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng),說(shuō)明在100 μmol/L Se濃度硒顯著提高了大葉苜蓿葉片葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素積累的量,進(jìn)而有效地促進(jìn)了硒脅迫對(duì)光合色素合成,當(dāng)900 μmol/L Se脅迫時(shí),苜蓿葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類(lèi)胡蘿卜素含量開(kāi)始下降,說(shuō)明光合色素合成受到抑制。

3 討論與結(jié)論

關(guān)于硒對(duì)植物生長(zhǎng)的影響,硒對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響具有兩面性,低濃度硒處理可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)與發(fā)育,而高濃度硒處理則會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害[13]。本實(shí)驗(yàn)表明,在第40 d,不同濃度硒處理下紫花苜蓿生物量和硒含量顯著高于對(duì)照,在第60 d時(shí),不同濃度Se脅迫下,生物量積累與對(duì)照相比增加了11.8%和7.0%。表明在低濃度硒脅迫對(duì)紫花苜蓿的生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用,由于硒累積產(chǎn)生毒害作用,導(dǎo)致生物量下降。

植物對(duì)硒的吸收量與植物種類(lèi)有很大關(guān)系,隨土壤施硒量的增加,大蒜硒積累量呈下降趨勢(shì)[14],常琳琳[15]等研究表明,土壤施硒可以明顯提高鴨兒芹根莖葉中硒的含量。本實(shí)驗(yàn)表明,通過(guò)土壤施硒可以使紫花苜蓿具有較高的富硒量,不同濃度Se脅迫在第60 d時(shí),葉片硒含量分別為1.8～47.5 mg/kg,均與施硒量呈顯著的正相關(guān),說(shuō)明在高濃度Se脅迫下,紫花苜蓿葉片有較強(qiáng)的積累能力,且葉正是人們常食用的部位,這為紫花苜蓿富硒產(chǎn)品及其富硒農(nóng)畜產(chǎn)品的研制提供可靠的理論依據(jù)。

葉片葉綠素含量作為植物的重要功能性狀指標(biāo)可以較好地反映其對(duì)非生物脅迫的生理響應(yīng)[15]。高濃度Se抑制了PSⅡ的電子傳遞過(guò)程,減弱了光合作用強(qiáng)度,降低葉綠素的合成,其Se脅迫加速活性自由基的產(chǎn)生,導(dǎo)致葉綠素含量的降低,最終引起光合速率的下降[16]。薛瑞玲[17]等和Ramos[18]等研究表明,在小白菜和萵苣菜中發(fā)現(xiàn)適當(dāng)濃度的外源Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)均提高其抗氧化作用,促進(jìn)了葉綠素的合成和生長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)證明,硒可以提高大葉苜蓿葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總和和類(lèi)胡蘿卜素含量,這與夏永香[19]等研究結(jié)果一致,適量的硒可以顯著提高葉綠素含量,可促進(jìn)葉綠素合成酶(如:膽色素原脫氨酶、原葉綠素酸酯還原酶、8-氨基乙酰丙酸合成酶)的-SH結(jié)合有關(guān)。Li[20]等研究指出,適當(dāng)濃度硒可促進(jìn)植物對(duì)Ca、Mg、Mn、Zn、P、K等元素的吸收,而這些元素大多數(shù)能促進(jìn)或參與葉綠素的合成過(guò)程。因此,硒提高葉綠素含量可能是通過(guò)促進(jìn)對(duì)葉綠素合成有益元素的吸收來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

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Effects of Se stress on photosynthetic pigments in the leaves ofMedicagosativaL.

DAI Hui-ping1,2,3,4,ZHAO Hua2,JIA Gen-liang5,LI Xin-sheng1, XU Hao2,PEI Jin-jin1,WU San-qiao2,JIANG Hai2

(1.Shaanxi Province Key Laboratory of Bio-resources,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China; 2.College of Biological Science & Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China; 3.Qinling-Bashan Mountains Bioresources Comprehensive Development, Collaborative Innovation Center,Hanzhong 723001,China; 4. Gansu Key Laboratory of Biomonitoring and Bioremediation for Environmental Pollution, School of Life Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000; 5.College of Science,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)

Potexperimentswasconductedtoinvestigatethebiomass,selenium(Se)accumulationandphotosyntheticpigmentsofMedicago sativaL.underseleniumstress(0,100,900μmol/L).After60daysofSeexposure,theresultswasindicatedthatthecontentsofchlorophylla,chlorophyllb,totalchlorophyll,carotenoids,seleniumaccumulationandbiomassweregraduallyincreasedwiththeadditionofSeintheleavesofMedicago sativaL.,comparedtothecontrol.Thus,itwasconcludedthatMedicago sativaL.hadhighseleniumresistance.

seleniumstress;photosyntheticpigments;Medicage sativaL.

2016-04-21

代惠萍(1972-)，女，博士，副教授，主要從事植物營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究，E-mail：daihp72@aliyun.com。

陜西省自然基金項(xiàng)目(2015JM3086)；陜西省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(15JS019)；陜南秦巴山區(qū)生物資源綜合開(kāi)發(fā)協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目(QBXT-Z(P)-15-7)；陜西省科技廳項(xiàng)目(2015SZS-15-05)。

TS201.4

A

1002-0306(2016)19-0363-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.062