根施水楊酸對(duì)鉛脅迫下小麥根系生長發(fā)育的影響

巴青松，宋瑜龍，張?zhí)m蘭，李桂萍，劉 遠(yuǎn)，陳 楚，傅兆麟

(1.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，資源植物生物學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮北 235000；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

土壤重金屬污染與防治已經(jīng)成為國內(nèi)外普遍關(guān)注的環(huán)境問題之一，2014 年 4 月 17 日國家環(huán)境保護(hù)部和國土資源部聯(lián)合發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》[1]顯示，鉛是土壤污染最嚴(yán)重、對(duì)作物危害最大的重金屬元素之一。鉛離子(Pb2+)進(jìn)入土壤后直接被植物根系吸收，當(dāng)其在植物體內(nèi)累積到一定水平時(shí)，植物就會(huì)受到傷害。Pb2+脅迫導(dǎo)致內(nèi)源激素紊亂[2]，改變了很多代謝途徑[3]，限制了光合作用[4]，顯著抑制了植物地上和地下部的生長[5]。而且，Pb2+脅迫下植物在萌發(fā)期和出苗階段死亡率較高，苗期也是植物對(duì)Pb2+脅迫反應(yīng)的耐受性和敏感性的重要時(shí)期。因此，研究植物苗期對(duì)Pb2+脅迫的響應(yīng)機(jī)理以及如何緩解Pb2+脅迫對(duì)植物的影響具有重要意義。

通過添加外源物質(zhì)調(diào)控植物體內(nèi)代謝是應(yīng)對(duì)Pb2+脅迫對(duì)植物傷害的有效方法。水楊酸(SA)是信號(hào)傳遞分子,能夠誘導(dǎo)植物對(duì)非生物脅迫產(chǎn)生一定的抗性[6]，如提高植物的抗鹽性[7]、抗旱性[8]、抗寒性[9]和抗熱性[10];對(duì)重金屬的抗性研究主要集中在鎘[11]、鎳[12]和銅脅迫[13]，Pb2+脅迫下，根施SA對(duì)小麥幼苗根系生長發(fā)育的研究還少見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)研究根施SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥幼苗理化的生理影響，探究SA對(duì)提高小麥耐鉛的生理機(jī)理，為SA應(yīng)用于提高小麥耐鉛性提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取均勻、飽滿的小麥品種‘輪選988’種子，0.1% HgCl2消毒后，蒸餾水浸泡24 h，平鋪在放有濾紙的直徑90 mm培養(yǎng)皿上，每個(gè)培養(yǎng)皿上30株。培養(yǎng)皿置于200 μmol·m-2·s-1光照強(qiáng)度、晝夜交替時(shí)間12 h/12 h 、25℃的培養(yǎng)箱中，每天加入適量蒸餾水進(jìn)行培養(yǎng)。

培養(yǎng)7 d后進(jìn)行第一輪試驗(yàn)，用50 mg·L-1Pb2+(在預(yù)試驗(yàn)中，此處理濃度是與蒸餾水對(duì)照相比幼苗根系長度大約減少一半的濃度；Pb 離子由Pb(NO3)2提供)分別與不同濃度(1，5，10，20，40，80，120，160，200 mg·L-1)SA混合液共20 mL處理小麥幼苗，以蒸餾水處理作為對(duì)照(CK)，處理5 d后，每個(gè)重復(fù)選取30株測定小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，篩選出80 mg·L-1SA對(duì)50 mg·L-1Pb2+脅迫下小麥的生長恢復(fù)效果最好，被確定為最適的SA濃度。在第二輪實(shí)驗(yàn)中，分別以CK、Pb、SA和Pb+SA代表蒸餾水處理、50 mg·L-1Pb2+處理、80 mg·L-1SA和50 mg·L-1Pb2++80 mg·L-1SA，相同條件培養(yǎng)小麥幼苗，培養(yǎng)7 d后，設(shè)置CK、Pb、SA和Pb+SA處理，3次重復(fù)，處理9 d后，每個(gè)重復(fù)選取30株測定小麥幼苗形態(tài)與生理指標(biāo)。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 生長指標(biāo) 隨機(jī)取30株小麥幼苗，測定其株高、根長、單株根鮮重和單株根干重，重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPASS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的單因素方差分析(one-way ANOVA)和顯著性檢驗(yàn)，利用Sigmaplot 10.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 根施SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

在Pb2+脅迫下，小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)發(fā)生了明顯變化，植株和根系的生長受到了明顯的抑制；然而，根施SA后，其形態(tài)指標(biāo)得到了緩解，其株高，根長，株鮮重，株干重，根鮮重和根干重依次增加了17.67%，24.85%，23.46%，18.95%，18.69%和25.41%(表 1)。

表1 根施SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

注：不同字母表示處理間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)，下同。

Note: Different letters indicate significant differences between treatments atP<0.05. The same below.

2.2 根施SA對(duì) Pb2+脅迫下小麥根系保護(hù)酶SOD、POD、CAT和APX活性的影響

圖2表明，與對(duì)照組(CK)相比，Pb處理組的POD活性降低了31.74%，SA處理組POD活性增加了34.37%；與 Pb處理組相比，SA+Pb處理組小麥幼苗根系POD活性上升了98.92%。因此，根施SA增強(qiáng)了Pb2+脅迫下小麥幼苗根系分解H2O2的能力。

圖3表明, 與對(duì)照組(CK)相比，Pb處理組小麥根系的CAT活性降低了34.46%，而SA組小麥根系的CAT活性僅僅上升了0.34%；與 Pb處理組相比，SA+Pb處理組的小麥根系CAT活性上升了137.45%。

圖1 外源SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥根系SOD活性的影響 Fig.1 Effects of exogenous SA on SOD activities of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖3 根施SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥根系CAT活性的影響 Fig.3 Effects of root applying SA on CAT activities of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖4表明，與對(duì)照組(CK)相比， Pb處理組小麥根系A(chǔ)PX活性降低了29.07%，SA處理組小麥根系A(chǔ)PX活性上升了311.63%；與Pb處理組比，SA+Pb處理組小麥根系A(chǔ)PX活性提高了111.47%。

2.3 根施SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥根系脯氨酸和可溶性糖含量的影響

圖5表明，與對(duì)照組(CK)相比，Pb處理組Pro含量升高了31.25%，SA處理組小麥根系Pro含量升高了12.85%；與 Pb處理組相比，SA+Pb處理組Pro含量降低了40.11%。因此，根施SA通過增強(qiáng)小麥幼苗根系的滲透能力以緩解Pb2+脅迫的毒害。

植物細(xì)胞內(nèi)的可溶性糖用來降低植物的細(xì)胞液凝固點(diǎn)，防止細(xì)胞液凝結(jié)成冰晶對(duì)植物造成傷害，起到保水作用。圖6表明，與對(duì)照組(CK)相比Pb處理組可溶性糖含量降低了8.72%，而SA組可溶性糖含量卻升高了18.59%；而與Pb處理組相比，SA+Pb處理組小麥根系的可溶性糖含量提高了13.59%。因此，根施SA提高了 Pb2+脅迫下小麥根系中可溶性糖含量，增強(qiáng)了滲透勢，增加了保水能力，降低了Pb2+對(duì)小麥根系的毒害。

圖2 外源SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥根系POD活性的影響 Fig.2 Effects of exogenous SA on POD activities of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖4 根施SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥根系A(chǔ)PX活性的影響Fig.4 Effects of root applying SA on APX activities of wheat seedlings under Pb2+ stress

2.4 根施SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥根系和MDA 含量的影響

圖5 根施SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥根系游離脯氨酸(Pro)含量的影響Fig.5 Effects of root applying SA on the contents of proline of wheat seedlings roots under Pb2+ stress

圖6 根施SA對(duì) Pb2+脅迫下小麥根系可溶性糖含量的影響Fig.6 Effects of root applying SA on the contents of soluble sugar of wheat seedlings roots under Pb2+ stress

圖7 根施SA對(duì) Pb2+脅迫下小麥幼苗根系超氧根陰離子的影響Fig.7 Effects of root applying SA on the contents of in roots of wheat seedlings under Pb2+ stress

H2O2具有很強(qiáng)的氧化性，其含量過多，對(duì)植物細(xì)胞造成危害。與對(duì)照組(CK)相比，Pb處理組的過氧化氫含量增加了43.73%；與Pb處理組相比，SA+Pb處理組根系的過氧化氫含量降低了28.99%(圖 8)。

由圖9可知，與對(duì)照組(CK)相比，Pb處理組丙二醛含量提高了13.81%，而SA處理組的MDA含量卻降低了26.88%；與Pb處理組相比，SA+Pb處理組 MDA含量降低了16.78%。由此可見，根施SA降低了丙二醛含量，有效地緩解了 Pb2+脅迫造成的膜脂氧化作用。

2.5 根施SA對(duì) Pb2+脅迫下小麥根系活力的影響

圖10表明，與對(duì)照組(CK)相比，Pb處理組根系活力降低了53.63%，而SA處理組的根系活力卻上升了17.79%；與 Pb處理組相比，SA+Pb處理組的根系活力提高了694.52%。由此可見，根施SA對(duì) Pb2+脅迫的小麥根系具有促進(jìn)作用。

圖8 根施SA對(duì) Pb2+脅迫下小麥幼苗根系過氧化氫含量的影響Fig.8 Effects of root applying SA on the contents of H2O2 in roots of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖9 根施SA 對(duì)Pb2+ 脅迫下小麥根系丙二醛的影響Fig.9 Effects of root applying SA on the contents of MDA in roots of wheat seedlings under Pb2+ stress

圖10 根施SA對(duì)Pb2+脅迫下小麥幼苗根系活力的影響Fig.10 Effects of root applying SA on the root activity of wheat seedlings under Pb2+ stress

3 討 論

細(xì)胞內(nèi)脯氨酸變化是植物應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的一種適應(yīng)性機(jī)制，脯氨酸在植物組織中可以作為酶保護(hù)劑從而減輕逆境脅迫對(duì)植物的不利影響。施用外源物質(zhì)調(diào)控脯氨酸的生物合成, 能夠增強(qiáng)植物在不利環(huán)境中的生存能力；同時(shí)，植物不同的信號(hào)分子互相影響調(diào)控逆境脅迫下的脯氨酸合成[26]。外源Ca2+能夠誘導(dǎo)逆境脅迫植物組織脯氨酸積累[27]，而且，Ca2+信號(hào)和SA信號(hào)存在偶聯(lián)機(jī)制[28]，SA、Ca2+單獨(dú)作用或者共同作用都能明顯提高植物組織脯氨酸的含量[29]。因此， SA可以通過增加脯氨酸含量來提高植物抗逆境脅迫的能力。研究發(fā)現(xiàn), 外源 SA 能顯著提高高溫脅迫下葡萄幼苗脯氨酸的積累量，并降低丙二醛 MDA含量，提高葡萄的耐熱性[30]。SA增強(qiáng)了氮和硫的同化作用，并提高了脯氨酸合成酶活性，促進(jìn)了脯氨酸合成[31]。而且，外源SA增強(qiáng)了脯氨酸代謝中的Δ1-吡咯啉-5-羧酸還原酶(P5CR)活性及基因表達(dá), 并抑制了其脯氨酸脫氫酶(ProDH)的活性,來促進(jìn)脯氨酸的積累[32]。

可溶性糖也是植物細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)之一。當(dāng)植物處于逆境時(shí)，植物通過增加可溶性糖的含量，增大其滲透勢，增強(qiáng)其保水能力，保持酶分子的活性構(gòu)象，以便維持正常生理代謝，增強(qiáng)植物的抗逆能力[33]。本試驗(yàn)表明，根施SA提高了Pb2+脅迫下小麥幼苗根系的脯氨酸和可溶性糖含量，增強(qiáng)了小麥幼苗的抗逆能力。因此，外源SA會(huì)增加細(xì)胞可溶性糖和游離氨基酸含量，繼而發(fā)揮對(duì)植物細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)作用，通過這種方式，保持小麥幼苗在Pb2+逆境中的繼續(xù)生長。

綜上，Pb2+脅迫在一定程度上抑制了小麥幼苗根系的生長，而根施SA能在一定程度上緩解Pb2+脅迫，同時(shí)提高了抗氧化酶活性，有效地降低了活性氧水平，減少了膜脂過氧化程度，從而緩解了Pb2+脅迫對(duì)小麥幼苗的毒害，促進(jìn)小麥幼苗正常的生理代謝功能。