不同形態(tài)硼對油菜幼苗鋁毒的緩解效應(yīng)及其FTIR特征分析

閆 磊 姜存?zhèn)} Muhammad Riaz 吳秀文 盧曉佩 杜晨晴 王宇函

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不同形態(tài)硼對油菜幼苗鋁毒的緩解效應(yīng)及其FTIR特征分析

閆 磊 姜存?zhèn)}*Muhammad Riaz 吳秀文 盧曉佩 杜晨晴 王宇函

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 / 微量元素研究中心, 湖北武漢 430070

采用水培法, 以油菜品種Cao 221167為試驗材料, 設(shè)置無機態(tài)硼酸(BA)和有機態(tài)山梨醇硼(SB)及不同Al3+(0、100、200和500 μmol L–1)處理, 研究不同形態(tài)硼(B)對油菜幼苗鋁(Al)毒的緩解作用及不同形態(tài)B之間的緩解效應(yīng)差異, 以及利用FTIR (傅里葉紅外光譜)技術(shù)分析葉片各物質(zhì)含量的變化。結(jié)果表明, Al毒脅迫下, 不同形態(tài)B (BA和SB)處理, 顯著提高植株生物量和根系長度(0、100、200和500 μmol L–1Al毒脅迫下BA處理根長分別增加了52.15%、101.45%、366.70%和18.73%; SB處理分別增加了46.80%、133.98%、261.36%和10.77%), 提高色素含量和SOD活性, 而降低了Al含量、MDA含量和POD活性。不同形態(tài)B處理下, 油菜幼苗在200 μmol L–1Al3+處理下長勢、生物量及色素含量最高。在500 μmol L–1Al3+處理下, 油菜幼苗株高、根長、總干鮮重及色素含量顯著低于無Al處理; FTIR分析表明, Al毒脅迫下油菜葉片中蛋白質(zhì)和低聚糖等含量明顯上升, 加硼明顯降低了蛋白質(zhì)和低聚糖的含量, 且BA處理降低幅度明顯高于SB處理。說明不同形態(tài)B (BA和SB)的添加均明顯緩解Al毒, 且BA對Al毒緩解效果優(yōu)于SB, 這為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用何種硼肥來緩解Al毒起到一定的指導(dǎo)作用。

油菜; 不同形態(tài)硼; 鋁毒脅迫; FTIR; 緩解效應(yīng)

鋁(Al)是地殼中含量最豐富的金屬元素, 其含量約占地殼的8%[1]。世界約40%、中國約21% 的耕作土壤中的作物受到Al毒嚴(yán)重影響[2]。Al毒是酸性土壤限制作物生長的最重要因素, 然而土壤中的Al對植物的影響并不取決于總量, 而是與其存在形式和化學(xué)形態(tài)緊密相關(guān)[3-4], 在酸性土壤(pH < 5.5)中, 主要以Al3+或Al(H2O)63+的形式存在[5], 微摩爾水平的Al3+就能對植物產(chǎn)生嚴(yán)重的毒害效應(yīng)[6], 且隨著Al作用時間的增加, 植物根、莖的Al毒害癥狀更為明顯[7]。

硼(B)是高等植物生長和發(fā)育的必需元素, 植株缺B生長緩慢, 根系發(fā)育不良, 根莖膨大, 主側(cè)根均變粗變短[8]。Al毒使植物根系表現(xiàn)出典型的中毒癥狀, 根系生長明顯受阻, 根毛短小, 出現(xiàn)畸形卷曲, 脆弱易斷[9]。B和Al毒的作用位點都在根尖[10], Blevins等[11]研究發(fā)現(xiàn)Al對植物的毒害與B的含量和植物種類有關(guān)。Lenoble等[12]報道指出B可以減輕Al毒, 或許是B通過改善Al脅迫條件下Al和其他營養(yǎng)物的吸收模式, 減輕了Al對植物生長的毒害,但其具體作用機制并不很清楚。目前關(guān)于Al毒對油菜生理指標(biāo)的影響已有不少報道[13], 但關(guān)于Al毒的緩解機制還不明確。Yang等[14]研究發(fā)現(xiàn)B的添加可以明顯緩解Al毒從而促進大豆幼苗的生長。Yu等[15]在豌豆研究中也發(fā)現(xiàn)B具有緩解Al毒的作用。說明B不僅單純對植物起作用, 而且還與Al之間具有某種交互作用。前人研究B對Al毒的緩解重點僅僅集中于無機態(tài)硼酸, 而關(guān)于有機態(tài)B研究鮮有報道。徐建明等[16]在小麥研究中得出有機態(tài)山梨醇硼較無機態(tài)硼酸更能提高小麥幼苗根及葉片中B濃度。Duan等[17]探究發(fā)現(xiàn)有機態(tài)B相比無機態(tài)硼酸能夠提高油菜幼苗體內(nèi)B含量和促進油菜幼苗的生長發(fā)育。傅里葉紅外光譜(FTIR)技術(shù)可以更好地探測脂類、核酸、碳水化合物等分子的相對含量及其構(gòu)象變化等信息, 因此該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于包括植物生物學(xué)在內(nèi)的許多領(lǐng)域[18-19]。金婷婷等[20]利用 FTIR對外源檸檬酸協(xié)同Al脅迫下的大豆根組織干燥粉末直接測定發(fā)現(xiàn), Al處理下大豆根1057、1602、2927和3297 cm–1左右的吸收峰區(qū)別明顯, 反應(yīng)出蛋白質(zhì)、糖類以及核酸等有機物的含量變化。外源檸檬酸的加入使不同處理的紅外吸收峰形及峰強差異降低, 說明在某種程度上能夠反映外源檸檬酸對Al脅迫下大豆根的緩解效應(yīng), 此方法也為本研究提供了有益參考。

油菜種植在中性和微堿性土壤上含油量較高, 在酸性土壤上次之, 在堿性土壤上含油量最低[21]。目前, 我國油菜種植面積已突破720萬公頃, 大部分分布在我國南方酸性土壤區(qū)[22]。酸性土壤的Al毒害已成為我國油菜生產(chǎn)的重要限制因子。本研究借助FTIR技術(shù), 分析不同形態(tài)B對Al毒脅迫下油菜葉片內(nèi)部化學(xué)成分的變化, 探究其對油菜Al毒的緩解效應(yīng)及效應(yīng)差異, 旨在提高油菜抗Al毒能力, 為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中B肥施用及解決Al毒害提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用發(fā)芽率較高的油菜()品種Cao 221167, 該種子由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良國家重點實驗室提供。

1.2 試驗設(shè)計

于2016年7月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)光照培養(yǎng)室, 油菜種子經(jīng)1%次氯酸鈉消毒30 min, 用去離子水沖洗后浸種24 h, 挑選大小一致的種子置于紗網(wǎng)上以超純水催芽培養(yǎng)7 d。然后將幼苗移植到1.5 L含有Al營養(yǎng)液黑色塑料遮光盒中。Hoagland營養(yǎng)液配方為0.51gL–1KNO3; 0.14gL–1K2HPO4; 1.18 gL–1Ca(NO3)2·4H2O; 0.49 g L–1MgSO4·7H2O; 0.05 g L–1Fe-EDTA。采用Arnon (1950)微量元素配方, 即1.78 mg L–1MnCl2·4H2O; 0.0749 mg L–1CuSO4·5H2O; 0.230 mg L–1ZnSO4·7H2O; 0.242 mg L–1Na2MoO4·2H2O。設(shè)置Al3+(Al源用AlCl3· 6H2O)為0、100、200、500 μmol L–1(0.5 mmol L–1CaCl2, pH 4.5), 無機態(tài)硼酸(BA)和有機態(tài)山梨醇硼(Sorbitol與Boric acid物質(zhì)的量1∶1絡(luò)合反應(yīng)[17], 簡寫SB) 2種外源B類型, 缺B (0.25 μmol L–1)和正常B (25 μmol L–1)共16個處理, 以缺B (0.25 μmol L–1)處理為對照(CK), 各處理重復(fù)4次。試劑為分析純, 使用一級水(B含量< 0.5 μmol L–1)。每5 d更換一次營養(yǎng)液, 第1次使用1/4當(dāng)量, 第2次使用1/2當(dāng)量, 以后均用全量營養(yǎng)液, 每次更換營養(yǎng)液時將不同濃度Al3+和外源B單獨添加到不同處理的營養(yǎng)液中。幼苗培養(yǎng)溫度和光照條件為18~25°C、50 μmol m–2s–1, 光照16 h; 黑暗8 h。處理35 d出現(xiàn)嚴(yán)重Al毒癥狀時收獲。

1.3 樣品采集與測定

將幼苗從營養(yǎng)液中取出, 分為根系、地上部兩部分, 以重蒸水反復(fù)沖洗。用帶有刻度直尺精確測量幼苗株高和主根長。

用分光光度法測鮮樣葉片色素含量; 采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定丙二醛(MDA)含量[23]; 采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[23]; 依據(jù)SOD抑制NBT (氮藍四唑)在光下的還原程度來確定超氧化物歧化酶(SOD)活性。活性單位以抑制NBT光化還原的50%為1個酶活性單位(U)[23]。

其他樣品收獲后經(jīng)105°C烘箱殺青30 min, 75°C烘干至恒重, 粉碎過篩稱其干重。將粉碎樣品灰化后使用0.1 mol L–1的HCl溶液浸提, 取濾液用姜黃素比色法測B含量[24]。樣品經(jīng)馬弗爐中灰化, 氫氧化鈉熔融, 絡(luò)天青-S顯色, 于560 nm測吸光值檢測植物根系中Al含量[25]。

選取待測油菜幼苗葉片用溴化鉀壓片法, 以樣片和光譜純溴化鉀1/10的質(zhì)量比用瑪瑙研缽研磨均勻后, 采用美國布魯克公司生產(chǎn)的VERTEX70型傅里葉變換紅外光譜儀測定4000~700 cm–1區(qū)域, 掃描32次, 分辨率4 cm–1。樣品測定前對背景進行掃描, 得到紅外光譜氣氛補償, 排除CO2和H2O的干擾。重復(fù)6次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel軟件和Omnic 8.0軟件對不同樣品的FTIR譜圖進行數(shù)據(jù)處理, 以O(shè)rigin 8.6 (USA, Origin Lab Corp)作圖, 應(yīng)用統(tǒng)計分析軟件SAS 9.1.3對各處理試驗數(shù)據(jù)進行均值、標(biāo)準(zhǔn)差、差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗長勢的影響

由圖1可以看出, 缺B條件下, 植株長勢隨著Al3+的增加而逐漸降低。油菜幼苗在100 μmol L–1Al3+處理已達被毒害, 200 μmol L–1Al3+處理幾乎死亡, 500 μmol L–1Al3+處理已完全死亡。相比缺B處理, BA和SB的添加均明顯促進了油菜幼苗的生長。說明B對Al毒有一定的緩解作用。100、200 μmol L–1Al3+處理油菜幼苗并未遭受Al毒, 且200 μmol L–1Al3+處理植株長勢明顯優(yōu)于0、100 μmol L–1Al3+處理。500 μmol L–1Al3+處理油菜植株矮小, 葉片暗綠色甚至發(fā)黑, 根系伸長明顯受到抑制。

2.2 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗株高、根長以及總干鮮重的影響

缺B條件下, 油菜幼苗對Al毒更加敏感, 特別是根系生長首先受到抑制。低Al3+(100 μmol L–1)就能使植株受到Al毒害, 且植株株高、根長以及總干鮮重隨Al3+的增加逐漸降低(表1), BA和SB的添加可以顯著提高油菜幼苗株高、根長以及總干鮮重。100μmol L–1Al3+處理油菜幼苗株高、根長以及總干鮮重與Al-0相比并無明顯差異, 而200 μmol L–1Al3+處理的這3個參數(shù)明顯高于Al0處理, BA處理則分別增加19.51%、26.39%、63.54%和42.03%; SB處理分別增加21.83%、27.20%、49.56%和31.31%。500 μmol L–1Al3+處理油菜幼苗株高、根長以及總干鮮重相對于Al-0處理均顯著降低, 說明高Al毒脅迫下盡管加B對Al毒起到緩解作用, 但還是出現(xiàn)Al毒。0、100、200和500 μmol L–1Al3+脅迫下, 相比于缺B處理, 添加BA根長分別增加了52.15%、101.45%、366.70%和18.73%; 添加SB分別增加了46.80%、133.98%、261.36%和10.77%。

圖1 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗長勢的影響

BA: 無機態(tài)硼酸處理; SB: 有機態(tài)山梨醇硼處理。

BA: inorganic boric acid treatment; SB: organic sorbitol boron treatment.

表1 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗株高、根長以及總干鮮重的影響

同一列標(biāo)以不同小寫字母的值處理間在0.05的水平上差異顯著。–BA: 0.25 μmol L–1無機態(tài)硼酸處理; +BA: 25 μmol L–1無機態(tài)硼酸處理; –SB: 0.25 μmol L–1有機態(tài)山梨醇處理; +SB: 25 μmol L–1有機態(tài)山梨醇處理。

FW: fresh weight; DW: dry weight; TW: total weight; TFW: total fresh weight; TDW: total dry weight; Values followed by different letters are significantly different at<0.05 as determined by LSD. –BA: 0.25 μmol L–1inorganic boric acid treatment; +BA: 25 μmol L–1inorganic boric acid treatment; –SB: 0.25 μmol L–1organic sorbitol boron treatment; +SB: 25 μmol L–1organic sorbitol boron treatment.

2.3 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗根系中B和Al含量的影響

缺B條件下, 各處理之間根系B含量并無明顯差異。加BA和SB處理, 根系中B含量顯著高于缺B處理, 但兩種形態(tài)B處理之間B含量并無明顯差異(圖2)。另外可以明顯看出BA和SB處理B含量在200 μmol L–1Al3+處理下均明顯高于0、100和500 μmol L–1Al3+處理下, 但差異不顯著。無論有無B處理, 根系中Al含量都隨著Al3+的增加而逐漸升高, 但相比缺B處理, 加B處理均明顯降低Al含量。相對于缺B處理, BA處理根系中的Al含量在100、200和500 μmol L–1Al3+處理下分別降低了62.49%、43.18%和22.86%, SB處理根系中Al含量分別降低了64.74%、79.54%和31.35%。

2.4 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗葉片色素、MDA含量以及抗氧化酶活性的影響

表2表明, 缺B條件下, 100 μmol L–1Al3+處理葉綠素、葉綠素以及類胡蘿卜素含量較Al-0處理明顯減少。BA和SB處理下, 100 μmol L–1Al3+處理各色素含量相對于缺B處理均顯著增加, 200 μmol L–1Al3+處理葉綠素和葉綠素含量明顯高于其他Al3+處理, 500 μmol L–1Al3+處理各色素含量均明顯低于Al-0處理。

丙二醛(MDA)是植物抗逆性的常用指標(biāo)。缺B處理下, 100 μmol L–1Al3+處理相對于Al-0處理, 明顯引起細(xì)胞膜過氧化反應(yīng), 導(dǎo)致油菜幼苗葉片中的MDA含量顯著升高。Al脅迫對幼苗SOD活性的影響與POD相反, 缺B處理下, 100 μmol L–1Al3+處理相對于Al-0處理葉片中POD活性明顯提高而SOD活性顯著下降。BA和SB處理明顯降低葉片POD活性, 提高SOD活性。100 μmol L–1Al濃度下添加BA和SB較缺B處理MDA含量分別降低了37.69%和40.89%; POD活性分別降低了31.57%和35.03%; SOD活性分別提高了164.45%和193.60%。在0、100和200 μmol L–1Al3+處理之間葉片MDA含量、POD和SOD活性并無明顯差異, 但MDA含量及POD活性均顯著低于500 μmol L–1Al3+處理, SOD活性顯著高于500 μmol L–1Al3+處理。

圖2 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗根系中B和Al含量的影響

不同小寫字母表示缺B與加B以及不同形態(tài)B處理之間的差異在0.05水平上顯著。縮寫同圖1。

Values followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. Abbreviations are the same as those given in Fig. 1.

表2 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗葉片色素、MDA含量以及抗氧化酶活性的影響

同一列不同小寫字母表示處理之間差異顯著?？s寫同表1。

Values within a column followed by different letters are significantly different at< 0.05 as determined by LSD. Abbreviations are the same as those given in Table 1.

2.5 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗葉片的FTIR圖譜分析

圖3顯示, 不同Al3+濃度處理各特征峰并未出現(xiàn)位移且無新特征峰出現(xiàn), 只是在1076、1244、1384、1649、2918和3411 cm–1位置出現(xiàn)一定程度的峰強變化, 結(jié)合表3紅外光譜特征峰歸屬, 表明Al脅迫油菜幼苗葉片主要物質(zhì)成分無明顯改變, 只是在含量上發(fā)生了變化。缺B條件下, 各特征峰吸光度值隨Al3+的增加而增加。且1649、2918和3411 cm–1左右特征峰吸光度值在100 μmol L–1和200 μmol L–1Al3+處理下增加比較明顯。而在500 μmol L–1Al3+處理下, 1649 cm–1和2918 cm–1吸收峰的吸光度值無明顯升高甚至有稍微的下降。BA和SB處理下, 100 μmol L–1和200 μmol L–1Al3+處理的1076、1244、1649、2918和3411 cm–1左右特征峰吸光度值明顯低于缺B處理。

圖3 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗葉片的4000~700 cm–1FTIR圖譜分析

a: +BA Al-0; b: +BA Al-100; c: +BA Al-200; d: +BA Al-500; e: –BA Al-0; f: –BA Al-100; g: –BA Al-200; h: –BA Al-500;

i: +SB Al-0; j: +SB Al-100; k: +SB Al-200; l: + SB Al-500; m: –SB Al-0; n: –SB Al-100; o: –SB Al-200; p: –SB Al-500.

表3 紅外光譜特征峰歸屬表

吸光度值的高低側(cè)面反映此特征峰所代表官能團物質(zhì)含量的高低。從表4可知, 隨著Al3+增加, 各特征峰吸光度值呈上升趨勢。1076 cm–1左右特征峰吸光度主要是碳水化合物分子中C-O的伸縮振動, 反映Al毒脅迫下油菜幼苗葉片中可溶性糖等有機物含量的變化。相對于缺B處理, 外源B添加明顯降低了可溶性糖等有機物的含量, 100 μmol L–1和200 μmol L–1Al3+處理下, 添加BA吸光度值分別降低了37.80%和49.50%, 添加SB吸光度值分別降低了23.23%和34.17%; 1244 cm–1附近代表了Al毒脅迫下油菜幼苗葉片核酸含量的變化, 100和200 μmol L–1Al3+處理下, 相對于缺B處理, BA處理特征峰吸光度值分別降低了41.12%和52.57%, SB處理分別降低了5.33%和32.73%; 2918 cm–1附近是飽和C-H鍵的伸縮振動吸收, 主要代表蛋白質(zhì)、膳食纖維、油脂、磷脂、碳水化合物、維生素和各種膜及細(xì)胞壁的組織等成分, 外源B添加顯著降低各類物質(zhì)的含量, 100 μmol L–1和200 μmol L–1Al3+處理下, 相對于缺B處理, BA處理特征峰吸光度值分別降低了51.56%和48.95%, SB處理分別降低了23.99%和35.39%。加B處理下, 500 μmol L–1Al3+處理各特征峰吸光度值有所降低, 但均明顯高于100 μmol L–1和200 μmol L–1Al3+處理。

表4 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗葉片的4000~700 cm–1FTIR圖譜特征峰吸光度值

縮寫同表1。Abbreviations are the same as those given in Table 1.

3 討論

3.1 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗表型、生理特性及根系A(chǔ)l含量的影響

Al毒對植物的影響首先表現(xiàn)在最早與Al源接觸的根部, Al毒脅迫下根尖細(xì)胞透性增加、細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞, 并顯著降低根部生物量[26]。試驗結(jié)果表明, Al毒脅迫下油菜幼苗生物量、色素含量逐漸降低, MDA含量、POD活性明顯升高, 且由于保護酶對活性氧的清除能力降低, 已不能阻止自由基在細(xì)胞內(nèi)的積累, 導(dǎo)致膜系統(tǒng)的傷害, 這時細(xì)胞內(nèi)多種功能受到破壞, 造成生理代謝紊亂[27], 使得SOD活性明顯下降。BA和SB處理可以明顯緩解Al毒導(dǎo)致的油菜幼苗株高、根長、總干鮮重以及色素含量的降低, 同時BA和SB處理降低油菜幼苗細(xì)胞膜脂過氧化水平, 加強了清除O2–的能力, 通過調(diào)節(jié)活性氧代謝使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)維持穩(wěn)定, 有效減輕Al對油菜幼苗的毒害從而降低了MDA含量、POD活性, 增加了SOD活性。張芬琴等[28]研究表明, Al毒脅迫下外源B的添加不同程度提高小麥幼苗干物質(zhì)積累, 同時添加外源B之后可以降低因Al毒導(dǎo)致的小麥幼苗中MDA含量的升高, 對Al毒有一定的緩解作用[28]。

不同形態(tài)B (BA和SB)處理油菜幼苗在200 μmol L–1Al3+處理下長勢、生物量及色素含量均高于其他處理, 可能外源B的添加增加了植物體內(nèi)陽離子濃度而降低Al3+離子的活度, 并通過與Al3+離子直接競爭結(jié)合位點消除或緩解Al3+離子的毒害[20, 28]。同時200 μmol L–1Al3+處理下B含量明顯高于0、100和200 μmol L–1Al3+處理, 可能也是在200 μmol L–1Al濃度下油菜幼苗長勢最好的原因。Yang等[29]還發(fā)現(xiàn)在低Al (2 mmol L–1)脅迫下, B可明顯地提高包括根長在內(nèi)的生長特性而緩解Al毒, 但在5 mmol L–1Al毒脅迫下, 根長的抑制并沒有因為B的存在而緩解。本試驗結(jié)果也顯示, 加B條件下, 相對于0、100和200 μmol L–1Al3+處理, 500 μmol L–1Al3+處理油菜幼苗株高、根長、總干鮮重以及色素含量明顯降低, 并引起活性氧代謝紊亂, 油菜幼苗質(zhì)膜穩(wěn)定性產(chǎn)生了明顯的破壞, 使得油菜幼苗葉片MDA含量、POD活性明顯升高, SOD活性明顯下降。說明高濃度(500 μmol L–1) Al毒脅迫下加B能起到緩解作用, 但是由于Al濃度過高使植株受到Al毒害。另外, 相比缺B處理, 500 μmol L–1Al3+處理下BA處理油菜幼苗株高、根長、總干鮮重分別提高了300%、18.73%、1016.67%和577.14%; SB處理分別提高271.60%、10.77%、475.00%和324.39%, 說明高Al處理下, BA的添加對Al毒緩解效果優(yōu)于SB。

BA和SB處理明顯降低油菜幼苗根系中的Al含量, 且100、200和500 μmol L–1Al濃度脅迫下SB處理根系中Al含量降低趨勢優(yōu)于BA處理, 可能是有機態(tài)SB相比BA處理能提高植物中B含量[17], 而B與果膠RG-II交聯(lián)減小了細(xì)胞壁孔徑[30]或促進果膠二聚體形成, 屏蔽了Al在果膠上的結(jié)合位點以降低根系中Al3+含量[31]。

3.2 不同形態(tài)B對Al脅迫下油菜幼苗葉片的FTIR圖譜分析

FTIR技術(shù)可以幫助判斷分子中含有何種官能團, 更重要的是可比較不同處理的樣品的紅外光譜差異, 從而反映樣品在植物化學(xué)組成上的差異程度[32]。蛋白質(zhì)是研究逆境植物生理中的重要指標(biāo)之一, 在干旱、Al毒等脅迫下, 細(xì)胞內(nèi)可溶性糖含量就會隨之增加, 同時可誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)可溶性糖及核酸類物質(zhì)的產(chǎn)生[33]。本研究發(fā)現(xiàn), 缺B條件下, 1076 cm–1和1244 cm–1特征峰吸光度值隨Al3+增加而增加。1649、2918和3411 cm–1特征峰吸光度值在100 μmol L–1和200 μmol L–1Al3+處理下表現(xiàn)為明顯增加趨勢?？赡苁茿l刺激下, 細(xì)胞產(chǎn)生了大量的蛋白質(zhì)、多糖和脂類等物質(zhì)用于細(xì)胞壁和細(xì)胞膜, 以抵抗和適應(yīng)Al毒脅迫[33], 同時Al3+誘導(dǎo)了幾種基因的表達, 增加原始蛋白質(zhì)的合成, 或是高濃度Al3+誘導(dǎo)抗Al蛋白所致[34]。張亞楠等也指出蕎麥根、莖和葉的FTIR特征峰值隨著Al3+的升高而增加[33], 與本研究結(jié)果相似。Al毒脅迫對油菜幼苗葉片的物質(zhì)代謝產(chǎn)生了很大的影響, 需要產(chǎn)生更多的酶類、氨基酸、碳水化合物等來緩解Al脅迫[35]。BA和SB處理下, 100 μmol L–1和200 μmol L–1Al毒脅迫油菜幼苗葉片F(xiàn)TIR特征峰強度與Al0相比并無明顯差異, 但明顯低于缺B處理。原因是B對植物體內(nèi)可溶性糖的運輸必不可少, 同時B是合成含氮堿基的尿嘧啶必需之物, 而尿嘧啶二磷酸葡萄糖(UDPG)是蔗糖合成的前體, 所以B有利于蔗糖合成和糖的外運, 從而降低Al脅迫下油菜幼苗葉片中的可溶性糖含量[36]。

4 結(jié)論

Al毒脅迫下, 不同形態(tài)B (BA和SB)的添加顯著提高了油菜生物量、色素含量和SOD活性, 降低了根系A(chǔ)l含量、葉片MDA含量和POD活性, 緩解了Al毒脅迫。Al毒脅迫下油菜幼苗葉片中低聚糖、核酸和蛋白質(zhì)等含量明顯上升, 而外源添加BA和SB處理的幼苗葉片中低聚糖、核酸和蛋白質(zhì)含量均降低, 進一步說明BA和SB能明顯緩解Al毒, 且BA處理對Al毒的緩解效果優(yōu)于SB處理。因此農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中我們可以通過添加外源B以降低植株體內(nèi)Al含量以及糖類、核酸和蛋白質(zhì)含量從而緩解Al毒害, 促進植株的生長。

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Mitigative Effect of Different Forms of Boron on Aluminum Toxicity of Rape Seedlings and Its FTIR Characteristics

YAN Lei, JIANG Cun-Cang*, Muhammad Riaz, WU Xiu-Wen, LU Xiao-Pei, DU Chen-Qing, and WANG Yu-Han

Institute of Resource and Environmental Sciences, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China

An experiment was conducted in hydroponics using rape cultivar Cao 221167. Two treatment of Boron (B), inorganic borate (BA) and organic boron sorbitol (SB) along with different concentrations of Al3+(0, 100, 200, and 500 μmol L–1). The effects of different forms of B on activities of antioxidant enzyme of leaves in rape seedlings were studied, and the changes of leaf component were analyzed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) technique. Under Al toxicity, the addition of BA or SB could alleviate Al toxicity in plant, and significantly increase plant biomass and root length. The root length increased by 52.15%, 101.45%, 366.70%, and 18.73% in BA treatments and 46.80%, 133.98%, 261.36%, and 10.77% in SB treatments under 0, 100, 200, and 500 μmol L–1Al3+toxicity stress, respectively. B treatments increased pigment content and SOD activity and reduced contents of Al, MDA, and POD activity. Under the addition of boron (BA or SB), the growth, biomass and pigment content of rape seedlings were higher in 200 μmol L–1Al3+treatment than in other treatments. In the 500 μmol L–1Al3+treatment, biomass and pigment content of rape seedling were significantly lower than those without Al application. The results from FTIR indicated that the contents of protein and oligosaccharide in leaves of rape seedling significantly increased under Al toxicity, however, significantly decreased when was added boron (BA or SB). In conclusion, the addition of different forms of B (BA or SB) could alleviate Al toxicity and the effect of BA is better than that of SB. The information provided by this study will facilitate alleviating Al toxicity in plant through applying a kind of B fertilizer in agricultural production.

Rape; Different forms of boron; Aluminum toxicity stress; FTIR; Mitigation effect

10.3724/SP.J.1006.2017.01817

本研究由國家自然科學(xué)基金項目(41271320)資助。

This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41271320).

姜存?zhèn)}, E-mail: jcc2000@mail.hzau.edu.cn

E-mail: 421655346@qq.com

2017-03-06; Accepted(接受日期): 2017-07-19; Published online(網(wǎng)絡(luò)出版日期): 2017-08-07.

http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20170807.1816.004.html