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    苯達(dá)松對(duì)輪葉黑藻生理特性的影響

    2018-06-23 11:22王燕李蒙英曲軍輝倪騰飛謝立群
    天津農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年5期
    關(guān)鍵詞:脅迫生理特性

    王燕 李蒙英 曲軍輝 倪騰飛 謝立群

    摘 要:隨著水體污染的日趨嚴(yán)重,水生植被特別是沉水植被的衰退和消失是世界范圍內(nèi)的普遍現(xiàn)象,為探究其退化與除草劑的相關(guān)性,采用水培試驗(yàn)方法,研究不同濃度苯達(dá)松對(duì)輪葉黑藻植株葉綠素含量和2種抗氧化酶活性,以及丙二醛(MDA)、可溶性蛋白(SP)及脯氨酸(Pro)含量的影響。結(jié)果表明,苯達(dá)松可以抑制輪葉黑藻葉綠素a的合成,促進(jìn)葉綠素b的合成(除4.0 mg·L-1處理外),葉綠素總量隨苯達(dá)松濃度增加而下降,降低了植物體光合能力;在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi),過(guò)氧化物酶(POD)活性先升高后降低,超氧化物歧化酶(SOD)活性在0.1,0.2,1.0 mg·L-1處理呈先升后降的趨勢(shì),而在0.5,2.0,4.0 mg·L-1處理及CK呈降低-升高-降低的趨勢(shì);處理后第10天,隨著苯達(dá)松濃度的增加,輪葉黑藻體內(nèi)丙二醛(MDA)含量先升后降,至0.5 mg·L-1達(dá)到最高,可溶性蛋白(SP)含量顯著下降,而脯氨酸(Pro)含量顯著升高。上述結(jié)果均說(shuō)明苯達(dá)松影響了輪葉黑藻正常的生理代謝活動(dòng)。

    關(guān)鍵詞:輪葉黑藻;苯達(dá)松;脅迫;生理特性

    中圖分類號(hào):S963.22+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A DOI 編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2018.05.003

    Abstract: As the pollution of water has becoming more and more serious, the decline and disappearance of aquatic vegetation especially submerged vegetation was a worldwide phenomenon. In order to explore the correlation between aquatic vegetation degradation and herbicide, the hydroponics method was used in this experiment, and the effects of different concentrations of bentazon on physiological characteristics of Hydrilla verticillatai were studied, including chlorophyll content, two kinds of antioxidant enzyme activities, and the content of malondialdehyde (MDA), soluble protein (SP) proline (Pro) in the plant. The results showed that the biosynthesis of chlorophyll a were inhibited, while the synthesis of chlorophyll b (except 4.0 mg·L-1treatment) were promoted by bentazon. Following with the increasing of bentazon concentration, the total chlorophyll content decreased, indicating the photosynthetic capacity was reduced. In the experiment, the activity of peroxidase (POD) at all the treatments, and the activity of superoxide dismutase (SOD) at 0.1, 0.2 mg·L-1 treatments were showing the same trend that first increased and then decreased, while the activity of superoxide dismutase (SOD) at 0.5, 2, 4 mg·L-1 treatment and CK showed a trend of decreasing - increasing - decreasing. Following with the increasing of bentazon concentration, the content of malondialdehyde increased first and then decreased, the soluble protein content decreased significantly, while the proline content increased significantly.

    Key words: Hydrilla verticillatai; bentazon; stress; physiological characteristics

    苯達(dá)松作為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用很廣的一種除草劑,進(jìn)入我國(guó)農(nóng)藥市場(chǎng)達(dá)30多年,其銷量穩(wěn)中有升。全球范圍內(nèi),苯達(dá)松殘留不僅存在于土壤和農(nóng)作物中,也隨著地表徑流進(jìn)入湖泊、河流等水域中[1-2],給水環(huán)境帶來(lái)了一定的污染。在世界水稻種植地區(qū)進(jìn)行的研究中提到,由于苯達(dá)松對(duì)土壤極低的吸附能力和較高的流動(dòng)性,其在地表和地下水中的含量最為常見(jiàn)。沉水植物的生活周期主要在水層下方,生理上極端依賴水環(huán)境,因而對(duì)環(huán)境脅迫的反應(yīng)極為敏感[3],目前,由于水生態(tài)環(huán)境的惡化,造成沉水植物退化加劇,對(duì)其退化原因的研究主要集中在水體的富營(yíng)養(yǎng)化及重金屬[4-5]等方面,但與除草劑污染的相關(guān)性研究較少。輪葉黑藻為多年生沉水植物,在水體景觀應(yīng)用廣泛,且常用于水體凈化。本試驗(yàn)以輪葉黑藻為試驗(yàn)材料,研究它對(duì)苯達(dá)松脅迫的耐受性,以期為除草劑殘留情況下沉水植物的退化原因提供理論依據(jù)。

    1 材料和方法

    1.1 試驗(yàn)材料

    供試藥品,苯達(dá)松,純度99.5%標(biāo)準(zhǔn)品,由上海市農(nóng)科院植保所提供。用乙醇配制1 000 mg·L-1苯達(dá)松溶液,儲(chǔ)存于冰箱中備用。沉水植物輪葉黑藻采自蘇州大學(xué)獨(dú)墅湖校區(qū)池塘,將采集的植物材料置于含有1/10的霍格蘭氏改良液塑料容器中,在實(shí)驗(yàn)室適應(yīng)性培養(yǎng)2周;選擇一定量生長(zhǎng)良好、生長(zhǎng)狀況一致的植物個(gè)體,分成14等份,清水洗凈后植于含有培養(yǎng)液500 mL的三角瓶中,置于光照培養(yǎng)箱中馴化1周。

    1.2 處理方法

    采用室內(nèi)水培試驗(yàn),將馴化好的植物分別置于14個(gè)500 mL盛有培養(yǎng)液的三角瓶中,其中苯達(dá)松濃度分別為0(CK),0.1(A),0.2(B),0.5 (C),1.0(D),2.0(E),4.0 mg·L-1(F),每個(gè)處理設(shè)2個(gè)平行,培養(yǎng)箱溫度為22~26 ℃,光暗比為14/10,定期添加蒸餾水以補(bǔ)充揮發(fā)的水分。試驗(yàn)周期為10 d,分別在處理的第3,6天測(cè)定不同處理組植株葉綠素含量;在處理的第0,2,4,6,8,10天測(cè)定丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量以及過(guò)氧化物酶(Peroxidase,POD)活性、超氧化物歧化酶(Superoxide Dismutase,SOD)活性;在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定可溶性蛋白(Soluble protein,SP)及脯氨酸(Proline,Pro)含量。

    1.3 試驗(yàn)方法

    葉綠素含量的測(cè)定采用丙酮乙醇混合液法,丙二醛(MDA)含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸顯色法,過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定,超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定,可溶性蛋白含量的測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法,脯氨酸的測(cè)定采用酸性茚三酮顯色法[6]。每次測(cè)定重復(fù)3次,取平均值。

    1.4 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

    數(shù)據(jù)處理及繪圖采用Microsoft Excel 2016,數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 17.0軟件,多重比較采用LSD最小顯著差數(shù)法[7]。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 不同濃度苯達(dá)松對(duì)葉綠素含量的影響

    從表1可知,處理后第3天,各處理輪葉黑藻葉綠素總量均顯著低于CK,且隨著苯達(dá)松濃度的增加,葉綠素總量呈先升后降的趨勢(shì),處理A、B、C、D、E、F分別為CK的96.73%,98.94%,99.38%,99.04%,96.97%,87.89%,至0.5 mg·L-1(C處理)達(dá)到最大值。處理后第6天,各處理輪葉黑藻葉綠素總量亦顯著低于CK,且隨著苯達(dá)松濃度增加,葉綠素總量呈持續(xù)下降的趨勢(shì),處理A、B、C、D、E、F分別為CK的95.86%,95.20%,94.79%,93.97%,84.67%,38.22%。說(shuō)明隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),苯達(dá)松對(duì)輪葉黑藻葉綠素總量產(chǎn)生持續(xù)的影響。無(wú)論是處理3 d還是6 d,各處理組輪葉黑藻葉綠素a含量均隨處理濃度增加呈現(xiàn)逐漸下降趨勢(shì),而葉綠素b含量則呈逐漸增加趨勢(shì),至4.0 mg·L-1(F處理)急劇下降。表明營(yíng)養(yǎng)液中苯達(dá)松濃度的加大抑制輪葉黑藻葉綠素a的合成,卻促進(jìn)葉綠素b的合成,當(dāng)濃度達(dá)到4.0 mg·L-1時(shí), 葉綠素a和b的合成均受到抑制,因此各處理葉綠素a/b在第6天時(shí)均低于CK,而在第3天時(shí)4.0 mg·L-1(F處理)高于CK,其他處理均低于CK。

    2.2 不同濃度苯達(dá)松對(duì)丙二醛(MDA)含量的影響

    從圖1可知,輪葉黑藻的MDA含量隨苯達(dá)松濃度的增加均有不同程度增加,且都高于對(duì)照,表明,苯達(dá)松脅迫刺激輪葉黑藻MDA含量的升高。當(dāng)苯達(dá)松濃度≤0.5 mg·L-1時(shí),各處理MDA含量在同一測(cè)定時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系,即濃度越高,MDA含量也越高;隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),MDA含量逐漸增加至第10天時(shí)達(dá)到最大值,處理A、B、C組MDA含量分別是CK的1.18,1.22,1.26倍,各處理間及其與CK之間差異均達(dá)顯著水平。當(dāng)苯達(dá)松濃度≥1.0 mg·L-1時(shí),隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng),輪葉黑藻MDA含量呈先升后降趨勢(shì),處理D、E、 F分別于第2,6,6天達(dá)到最大值,其最大值分別為CK的1.14,1.23, 1.14倍。

    2.3 不同濃度苯達(dá)松對(duì)SOD和POD活性的影響

    2.3.1 不同濃度苯達(dá)松對(duì)SOD活性的影響 從圖2可知,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),A、B、D處理SOD活性呈先升后降的趨勢(shì),而C、E、F處理及CK呈降低-升高-降低的趨勢(shì)。第2天時(shí),各處理組輪葉黑藻SOD活性均顯著低于對(duì)照CK,且隨著苯達(dá)松濃度增加,SOD活性呈先降后升的趨勢(shì),至D處理達(dá)到最低值;第4天 時(shí),A、B處理顯著高于CK,C、E、F處理顯著低于CK,D處理與CK差異不顯著;第6,8天,A、B、E、F處理均顯著高于CK,而C、D處理與CK差異不顯著;第10天,E、F處理顯著高于CK,其他處理與CK之間差異不顯著。

    2.3.2 不同濃度苯達(dá)松對(duì)POD活性的影響 從圖3可知,在各處理時(shí)間,隨著苯達(dá)松濃度的增加,輪葉黑藻POD活性呈先升后降趨勢(shì),其中第2天和第4天至0.5 mg·L-1(C處理)達(dá)到最大值,而第6,8,10天則于0.2 mg·L-1(B處理)達(dá)到最大值;第2,4,6天時(shí),各處理組POD活性均顯著高于CK,第8天時(shí),除E和F組外其他處理POD活性均顯著高于CK,第10天時(shí),D、E和F組顯著低于CK而其他3組顯著高于CK。隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),各處理組輪葉黑藻POD活性均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),A、B、C、D、E、F組分別于第2,6,4,4,2,2天達(dá)到最大值。試驗(yàn)結(jié)束時(shí),處理A、B、C、D、E、F組POD活性分別為CK的1.41,1.66,1.09,0.66,0.51,0.24倍,可能有害物引起輪葉黑藻植物體一定程度的損傷,從而導(dǎo)致POD活性降低。

    2.4 不同濃度苯達(dá)松對(duì)可溶性蛋白含量(SP)的影響

    從圖4可知,各處理組輪葉黑藻植株SP含量均顯著低于CK,且隨著苯達(dá)松濃度的增加,SP含量逐漸下降,處理A、B、C、D、E和F組分別為CK的90.17%,93.61%,60.78%,57.75%,52.51%,50.54%,其中處理A和B、E和F差異均不顯著,其他各組間差異均達(dá)顯著水平。

    2.5 不同濃度苯達(dá)松對(duì)脯氨酸(Pro)含量的影響

    從圖5可知,各處理輪葉黑藻植株P(guān)ro含量均顯著高于CK,且隨著苯達(dá)松濃度增加, Pro含量逐漸上升。處理A、B、C、D、E和F組分別為CK的1.14,1.11,1.25,1.54,1.58,1.77倍,其中處理A和B、D和E之間差異均不顯著,其他各處理間差異均達(dá)顯著水平。

    3 討論和結(jié)論

    葉綠素是植物體進(jìn)行光合作用的主要色素,其含量高低在一定程度上反映了光合作用水平。葉綠素含量低,光合作用弱,使植物不能正常代謝,從而導(dǎo)致植物鮮質(zhì)量降低[8]。高等植物參與光合作用的主要色素包括葉綠素a和葉綠素b,葉綠素a/b值的變化,能反映葉片光合活性的強(qiáng)弱[9]。許多研究表明,逆境脅迫都能引起葉綠素破壞,光合性能下降[10]。Wu C M等[11]研究表明,苯達(dá)松對(duì)植物影響的作用機(jī)理主要是抑制其光合作用。本試驗(yàn)中,隨著苯達(dá)松處理濃度的增加,輪葉黑藻葉綠素總量逐漸降低(表1),其中葉綠素a含量降低,而葉綠素b含量增加(除4.0 mg·L-1之外),導(dǎo)致最終除第3天時(shí)4.0 mg·L-1(F處理)外,其他各處理輪葉黑藻葉綠素a/b均顯著低于對(duì)照,說(shuō)明其光合作用受到抑制,表現(xiàn)出明顯的毒害癥狀。

    植物器官衰老或在逆境條件下,會(huì)發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用,MDA是膜脂過(guò)氧化的最終分解產(chǎn)物,能與細(xì)胞內(nèi)的各種物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng),引起對(duì)酶和膜的嚴(yán)重?fù)p傷,其含量水平通??煞从持仓暝馐苎趸{迫的程度[12]。本試驗(yàn)中,隨苯達(dá)松脅迫濃度的增加,輪葉黑藻的MDA含量均有不同程度增加,推測(cè)在苯達(dá)松脅迫過(guò)程中,可能產(chǎn)生大量活性氧、自由基引發(fā)膜質(zhì)過(guò)氧化作用,使植株膜的正常結(jié)構(gòu)和功能受損,這與吳永波等[13]的研究結(jié)果一致;當(dāng)苯達(dá)松濃度≤0.5 mg·L-1時(shí),隨著濃度增加和脅迫時(shí)間延長(zhǎng),輪葉黑藻MDA含量呈增加趨勢(shì),說(shuō)明培養(yǎng)液中苯達(dá)松可能對(duì)輪葉黑藻的細(xì)胞質(zhì)膜造成了一定的損傷,且隨著時(shí)間延長(zhǎng)損傷程度加劇;而當(dāng)濃度≥1 mg·L-1時(shí),隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng),輪葉黑藻MDA含量先揚(yáng)后抑,可能是對(duì)輪葉黑藻植株造成不可逆的損傷,從而使MDA含量含量降低。

    在逆境脅迫條件下,SOD和POD活性的變化可以反映細(xì)胞清除活性氧的能力,二者在植物的抗逆性研究中頗受重視,在許多植物研究中均有報(bào)道[12,14]。SOD是一種典型的誘導(dǎo)酶,能催化超氧陰離子自由基的歧化反應(yīng)而形成O2和H2O2,從而減輕O2-對(duì)植物的毒害[15],其活性變化在一定程度上反映了植株受脅迫程度。本試驗(yàn)中,第2天各處理以及第4天的C、E、F處理輪葉黑藻SOD活性均被顯著抑制,可能是因?yàn)檩喨~黑藻植物體在受到苯達(dá)松脅迫時(shí),對(duì)有害脅迫產(chǎn)生一定的適應(yīng)階段;第4天的A、B、D處理以及第6天和第8天各處理,輪葉黑藻對(duì)有害物產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng),SOD活性被誘導(dǎo),表現(xiàn)為各處理SOD活性增加;第10天當(dāng)苯達(dá)松濃度≤1.0 mg·L-1時(shí),輪葉黑藻SOD活性與CK差異不顯著,而濃度≥2 mg·L-1時(shí)SOD活性仍顯著高于CK,可能是輪葉黑藻SOD對(duì)一定濃度的苯達(dá)松脅迫產(chǎn)生一定的耐受性,而超過(guò)耐受范圍則造成輪葉黑藻活性氧過(guò)高。POD是抗氧化系統(tǒng)中的重要保護(hù)酶,可有效地清除各種環(huán)境脅迫下植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧,從而阻止膜脂過(guò)氧化的進(jìn)程,以降低脅迫對(duì)植物的毒害,維持質(zhì)膜透性及自由基之間的動(dòng)態(tài)平衡,保證植物進(jìn)行正常的新陳代謝功能[16]。正常情況下,植物體內(nèi)POD活性維持一定水平,以去除不斷產(chǎn)生的活性氧,使植物體內(nèi)POD活性和活性氧含量達(dá)成一定平衡關(guān)系[17]。許多研究[18-19]都表明,植物體內(nèi)POD活性變化存在先揚(yáng)后抑的過(guò)程,即在輕度脅迫下,植物體本身能提高等保護(hù)酶活性,以清除有害物質(zhì),但隨著脅迫的加強(qiáng),最終導(dǎo)致活性下降。在本試驗(yàn)中, 輪葉黑藻中POD活性亦表現(xiàn)為存在先揚(yáng)后抑,也證明了上述結(jié)論。

    生物體在正常代謝過(guò)程中,可通過(guò)有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累和分解來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透平衡,從而緩解鹽脅迫對(duì)植物的傷害。脯氨酸和可溶性蛋白以作為細(xì)胞質(zhì)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和防脫水劑參與維持細(xì)胞的含水量和膨壓;此外脯氨酸可以改善細(xì)胞膜和其他高分子物質(zhì)的水環(huán)境,增強(qiáng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[20]。本試驗(yàn)中,隨著苯達(dá)松濃度的增加,輪葉黑藻SP含量顯著下降,可能是因?yàn)楸竭_(dá)松對(duì)植物細(xì)胞的核糖體造成損傷,影響蛋白質(zhì)合成;而Pro含量呈逐漸升高的趨勢(shì),表明在一定濃度范圍內(nèi),輪葉黑藻可以通過(guò)細(xì)胞內(nèi)Pro的積累來(lái)抵御脅迫,這與高青海等[21]在外源褪黑素對(duì)甜瓜幼苗影響中的研究結(jié)果類似,說(shuō)明輪葉黑藻可以通過(guò)提高脯氨酸的含量提高細(xì)胞的滲透勢(shì),維持細(xì)胞代謝,從而提高其抗逆性。

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