鍶脅迫對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)及生理生化響應(yīng)的研究

常思宇++王建英++王晶妍

摘要：以玉米（Zea mays L.）種子和幼苗為研究對(duì)象，考察了不同濃度鍶脅迫對(duì)玉米種子發(fā)芽率、幼苗根長(zhǎng)、株高以及葉片中葉綠素含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量的影響。結(jié)果表明，放射性核素鍶對(duì)玉米種子的發(fā)芽及幼苗的生長(zhǎng)具有雙向作用，即低濃度促進(jìn)，高濃度抑制的作用；隨著鍶脅迫濃度的增加，SOD活性呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，而POD活性總體呈下降趨勢(shì)，MDA含量總體呈升高趨勢(shì)，表明玉米幼苗在放射性核素鍶脅迫過程中經(jīng)歷了忍耐和逐漸受損的過程。

關(guān)鍵詞：鍶脅迫；玉米（Zea mays L.）；葉綠素；生理生化

中圖分類號(hào)：S513 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）01-0032-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.009

Effects of Strontium Stress on the Growth and Physiological and Biochemical Characteristics of Corn Seedling

CHANG Si-yu1，2，WANG Jian-ying1，WANG Jing-yan1

（1.Key Laboratory of Integrated Exploitation of Bayan Obo Multi-Metal Resources， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， Inner Mongola， China； 2.Mathematics and Bioengineering College， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou 014010， Inner Mongola， China）

Abstract： Taking corn seeds and seedlings as material，the effects of strontium on the maize seed germination rate，root length and plant height of seedings， chlorophyll content，superoxide dismutase （SOD） activity，peroxidase （POD） activity and malondial-dehyde（MDA） content of leaves were studied. The results showed that radionuclide strontium had two-phase effects on maize seed germination and seedling growth，low doses promoted the proliferation of osteoblasts，but high doses inhibited the proliferation. With the concentrations of strontium increasing，the activities of SOD decreased initially and then increased，and the activities of POD decreased，whereas the content of MDA increased， which indicated that the maize seedlings undergo the process of the tolerance to be damaged under radionuclide strontium stress.

Key words： strontium stress； corn（Zea mays L.）； chlorophyll； physiology and biochemistry

隨著核工業(yè)的迅速發(fā)展，鈾、釷、銫、鍶等放射性核素不斷進(jìn)入水體、土壤，給環(huán)境帶來的潛在污染越來越引起人們的關(guān)注[1，2]。鍶作為放射性核素的一種，其可能對(duì)環(huán)境造成危害的形態(tài)為89Sr和90Sr[3]，往往通過吸附或攝食進(jìn)入并累積在生物體內(nèi)，最后通過食物鏈傳遞給人類。鍶進(jìn)入人體后，可以誘導(dǎo)多種腫瘤及白血病的發(fā)生，對(duì)人類的健康造成極大的危害。

鍶主要來源于核工業(yè)廢棄物和核原料的開采。隨著核原料需求的加大，大量的金屬選冶廢渣和廢水進(jìn)入環(huán)境，已成為一種極具危害性的復(fù)合污染源[4]。中國(guó)大部分尾礦庫(kù)中的各類污染物濃度呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)，這些污染物直接或間接地影響著當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物和動(dòng)植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育與遺傳損傷。相關(guān)研究[5-7]表明，干旱、高溫、重金屬等因素脅迫作用都會(huì)影響植物的生長(zhǎng)及體內(nèi)活性氧化代謝系統(tǒng)的平衡，產(chǎn)生大量的氧自由基，這些自由基能破壞膜的完整性，造成膜的選擇透過性喪失，細(xì)胞內(nèi)含物外滲，代謝紊亂，導(dǎo)致一系列有害的生理生化變化[8]。近年來，國(guó)內(nèi)外相繼開展了銫、鍶、鈾[9，10]對(duì)農(nóng)作物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，以及農(nóng)作物對(duì)這些污染物吸收和累積規(guī)律方面的研究。而關(guān)于鍶脅迫玉米生理生化的影響還鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以玉米（Zea mays L.）為研究對(duì)象，考察了不同濃度的鍶溶液對(duì)玉米株高、葉綠素以及超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）及丙二醛（MDA）含量等抗氧化指標(biāo)的影響，為探討鍶脅迫對(duì)植物的傷害機(jī)理和生物監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

儀器：分光光度計(jì)、電子天平、移液槍、恒溫水浴鍋、電磁爐、刻度試管、容量瓶、剪刀等。

藥劑：氯化鍶，鄰苯三酚、硫代巴比妥酸、愈創(chuàng)木酚等藥劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

材料：玉米品種博新34號(hào)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法 分別設(shè)置種子發(fā)芽試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn)兩類，種子發(fā)芽試驗(yàn)在培養(yǎng)皿中進(jìn)行，試驗(yàn)前將培養(yǎng)皿清洗干凈，并在底部墊上3層紗布，經(jīng)滅菌處理后烘干備用。以分析純氯化鍶溶液為母液，分別稀釋成鍶濃度為2、4、6、8 g/L的處理液。在培養(yǎng)皿中分別加入不同濃度的處理液至浸濕紗布，然后放入10粒子粒飽滿，無(wú)種皮破裂的完整玉米種子，96 h后統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽數(shù)量和根長(zhǎng)，連續(xù)統(tǒng)計(jì) 3 d后計(jì)算發(fā)芽率；盆栽試驗(yàn)采用高16 cm、直徑20 cm的磚紅色塑料花盆，每桶裝過篩土壤作為栽培基質(zhì)，放置7 d后播種。播種后，每隔1 d分別向盆栽中加入50 mL的處理液，以不添加氯化鍶的處理液為對(duì)照，每個(gè)實(shí)驗(yàn)平行做3組。在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行光（光照15 h、28 ℃、光照度9 000 lx）暗（黑暗9 h、18 ℃）交替培養(yǎng)，分別于不同時(shí)間取樣測(cè)定發(fā)芽率、株高、葉綠素等指標(biāo)。其中，發(fā)芽率（GR）=規(guī)定日期的發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%；發(fā)芽指數(shù)=∑（Gi/Di），式中，Gi為第i天發(fā)芽種子數(shù)，Di為時(shí)間。

1.2.2 生理生化指標(biāo)的測(cè)定 葉綠素含量采用葉綠素測(cè)定儀（浙江托普，TYS-B）測(cè)定；SOD活性測(cè)定采用鄰苯三酚自氧化法[11]；POD活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法[11]；MDA含量測(cè)定采用硫代巴比妥酸法[12]，所有指標(biāo)均重復(fù)測(cè)定3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel軟件整理數(shù)據(jù)并進(jìn)行方差分析，利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鍶脅迫對(duì)玉米種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的影響

為了考察鍶脅迫對(duì)玉米種子萌發(fā)及生長(zhǎng)的抑制效果，考察了鍶濃度分別為0、2、4、6、8 g/L時(shí)對(duì)玉米種子發(fā)芽和生長(zhǎng)的影響，所得結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，玉米的發(fā)芽率隨著鍶濃度的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在鍶濃度為0～4 g/L時(shí)，種子的發(fā)芽率變化較小，玉米種子萌發(fā)速率較快，大約在24 h后，玉米種子即可脹破種皮有萌發(fā)跡象，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，胚芽生長(zhǎng)速率較快，可長(zhǎng)至2.2 cm左右，說明低濃度鍶脅迫對(duì)玉米的發(fā)芽率影響較??；當(dāng)進(jìn)一步提高鍶的濃度時(shí)，種子的萌發(fā)緩慢，雖然種子也有萌發(fā)跡象，但胚芽較短（<1 cm），隨脅迫處理時(shí)間的增加，種子發(fā)芽率下降趨勢(shì)顯著，說明高濃度的鍶對(duì)玉米種子的萌發(fā)具有嚴(yán)重的抑制效果。盆栽中玉米生長(zhǎng)20 d后的根長(zhǎng)和株高對(duì)土壤中鍶脅迫的反應(yīng)十分明顯，隨著鍶濃度的增加，平均根長(zhǎng)和株高變化顯著，均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)，鍶濃度為4 g/L時(shí)，玉米根系和株高均達(dá)到最大值。根系的生長(zhǎng)對(duì)鍶脅迫的響應(yīng)更加敏感。

2.2 不同濃度鍶脅迫對(duì)玉米葉片葉綠素含量的影響

在植物的光合作用中，葉綠素對(duì)光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化起著極為重要的作用，其含量的變化既可反映植物葉片光合作用功能的強(qiáng)弱，也可用以表征逆境脅迫下植物組織器官的衰老狀況?？疾炝瞬煌J濃度對(duì)玉米幼苗葉片葉綠素含量的影響，所得結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，玉米幼苗在不同濃度鍶脅迫下，葉片中葉綠素含量發(fā)生明顯的變化，隨著鍶濃度的增加，葉片葉綠素含量呈先增加后減少的趨勢(shì)。鍶濃度為2 g/L時(shí)，葉片中葉綠素含量高于對(duì)照，說明其在此濃度下，葉綠素的合成受到促進(jìn)，這可能也是低濃度的Sr2+可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)的原因之一；但當(dāng)鍶濃度達(dá)到4 g/L時(shí)，葉綠素含量的變化呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，其原因可能是過量的鍶改變合成葉綠素的關(guān)鍵酶的構(gòu)象，導(dǎo)致酶失活，抑制葉綠素的合成，隨著葉綠素的分解不斷進(jìn)行，細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)遭到破壞，造成植物體一系列生理代謝的紊亂，從而抑制植物的生長(zhǎng)。

2.3 鍶脅迫對(duì)玉米活性氧代謝的影響

2.3.1 鍶脅迫對(duì)玉米SOD活性的影響 SOD是生物體內(nèi)的重要保護(hù)酶之一，它與POD、CAT等協(xié)同作用構(gòu)成生物體內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)，以清除在逆境條件下或衰老過程中氧自由基的積累對(duì)生物膜的破壞。由圖2可知，不同濃度鍶脅迫下，玉米葉片中SOD活性呈先增加后降低的趨勢(shì)，在鍶濃度為4 g/L時(shí)，酶活性達(dá)到最高，是抗氧化損傷自身保護(hù)的趨勢(shì)；隨著濃度的進(jìn)一步升高，SOD活性呈降低趨勢(shì)，在濃度為8 g/L時(shí)，活性降至70.15 U/（g·min），說明鍶的脅迫性毒害作用使整體細(xì)胞活性下降。

2.3.2 鍶脅迫對(duì)玉米POD活性的影響 POD是植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成部分，它能將H2O2轉(zhuǎn)化成O2和H2O，其活性的高低能反映植物受毒害的程度以及植物對(duì)逆境的適應(yīng)能力?？疾炝瞬煌瑵舛孺J脅迫對(duì)玉米幼苗葉片中POD活性的影響，所得結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，不同鍶脅迫濃度下玉米幼苗的POD活性整體呈現(xiàn)先增加后下降趨勢(shì)，當(dāng)鍶濃度小于4 g/L時(shí)，變化幅度較?。坏笥谠撝禃r(shí)，下降幅度逐漸變大，特別是鍶濃度為8 g/L時(shí)，POD活性比鍶濃度為6 g/L時(shí)下降了51.9%，其主要原因?yàn)殒J脅迫下，生物體自身有抗氧化機(jī)制，但這種能力是有限的，一定程度后這種機(jī)制會(huì)被破壞或者被其他機(jī)制替代，從而造成酶活性的下降[13]。

2.3.3 鍶脅迫對(duì)玉米MDA含量的影響 MDA被認(rèn)為是植物體在逆境條件下發(fā)生膜脂過氧化作用的產(chǎn)物之一，其可作為膜脂過氧化強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)。由圖4可以看出，當(dāng)鍶濃度在0～4 g/L范圍內(nèi)時(shí)，隨著鍶濃度的增加，MDA含量呈現(xiàn)先增加后減少趨勢(shì)，而鍶濃度大于4 g/L時(shí)，MDA含量增加幅度較大，表明高濃度的鍶脅迫危害下玉米幼苗葉片受到明顯的氧化損傷。當(dāng)鍶濃度為8 g/L時(shí)，MDA含量達(dá)最高值，說明對(duì)植物已造成了傷害，鍶在玉米幼苗體內(nèi)的不斷積累，導(dǎo)致膜脂過氧化作用加劇，MDA含量增大，進(jìn)而MDA與生物膜上的蛋白質(zhì)酶結(jié)合，導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子內(nèi)和分子間發(fā)生交聯(lián)，從而使其失去活性，引起膜喪失正常功能，該結(jié)果與劉慧芹等[14]的結(jié)果類似。

3 結(jié)論

鍶對(duì)玉米種子的發(fā)芽和生長(zhǎng)具有低濃度促進(jìn)高濃度抑制作用，對(duì)玉米幼苗的生理生化指標(biāo)影響較大。低濃度鍶脅迫對(duì)玉米葉綠素含量具有促進(jìn)作用，玉米幼苗葉片清除活性氧的能力增加，減少了活性氧對(duì)其的傷害，使其保持了較好的結(jié)構(gòu)和功能；但高濃度的鍶脅迫不僅對(duì)玉米幼苗葉片中葉綠素的產(chǎn)生有抑制作用，而且還造成玉米幼苗體內(nèi)活性氧自由基產(chǎn)生速度超過了植物清除氧的能力，增強(qiáng)了活性氧對(duì)細(xì)胞的傷害，破壞了玉米幼苗自身的抗氧化基質(zhì)，加劇了膜脂的過氧化作用，使蛋白質(zhì)失去活性，引起膜功能的喪失。

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