硒對鉻脅迫下番茄幼苗葉綠素合成代謝的影響

趙肖瓊，趙潤柱，羅杰，梁明月，王宇，董志宏，秦志兵

（太原工業(yè)學院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008）

番茄（Lycopersicon esculentum Miller），又名番柿、西紅柿等，其果實富含類黃酮、番茄紅素等營養(yǎng)物質(zhì)且生食熟食皆宜，是我國居民日常生活需求量最大的設施蔬菜作物之一[1]。鉻（Cr）是土壤環(huán)境中具有較強毒性的致畸、致突變的重金屬元素之一，易被植物吸收并通過食物鏈危害人類健康[2]。近幾年隨著制革、電鍍等工業(yè)的快速發(fā)展，大量含Cr“三廢”的不合理排放導致土壤Cr 污染問題日趨加重，Cr 嚴重污染的土壤達1 250 多萬t，Cr 污染已成為我國設施蔬菜發(fā)展面臨的重大環(huán)境污染問題[3]。

葉綠素是植物細胞內(nèi)參與光合作用的重要色素，其合成途徑（圖1）中的前體物質(zhì)含量及關(guān)鍵酶活性易受逆境條件的影響[4]。硒（Se）是植物生長發(fā)育有益但非必需的微量元素，且作為抗氧化劑在植物抵抗重金屬脅迫中的作用越來越受到人們的關(guān)注[5]。但目前關(guān)于外源Se 對Cr脅迫下番茄幼苗葉綠素合成代謝的影響尚不清楚。因此，該試驗以番茄品種中雜9 號為研究對象，探究葉面噴施Se 對Cr 脅迫下番茄幼苗葉綠素含量及其合成途徑中前體物質(zhì)含量和關(guān)鍵酶活性的影響，旨在明確外源Se 提高植物Cr 耐受性的生理機制。

圖1 葉綠素合成途徑

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用番茄品種中雜9 號為材料，種子購于中蔬種業(yè)科技（北京）有限公司。挑取健康飽滿且大小一致的番茄種子經(jīng)1% NaClO 消毒、清水洗凈后備用。

1.2 試驗設計

將種子播于以蛭石為栽培基質(zhì)的32 孔育苗穴盤中，育苗期間白天光照時間為12 h，光合有效輻射為200 μmol/（m2·s），溫度為25℃，相對濕度為60%；夜晚時間為12 h，溫度為20℃，相對濕度為60%。挑選整齊一致的3 葉1 心幼苗移栽到以蛭石為基質(zhì)的塑料花盆中，移栽3 d后的幼苗進行以下處理：①對照（CK），澆灌Hoagland 營養(yǎng)液+葉面噴施蒸餾水；②Se 處理，澆灌Hoagland 營養(yǎng)液+葉面噴施1 mg/L Na2SeO3溶液；③Cr 處理，澆灌含有10 mg/L K2Cr2O4的Hoagland 營養(yǎng)液+ 葉面噴施蒸餾水；④Cr+Se 處理，澆灌含有10 mg/L K2Cr2O4的Hoagland 營養(yǎng)液+葉面噴施1 mg/L Na2SeO3溶液，每處理10 株，3 次重復，處理7 d 后采收葉片測定相關(guān)指標。

1.3 試驗項目測定及方法

葉綠素a 和葉綠素b 含量的測定按照高俊鳳[6]的方法；δ-氨基酮戊酸、膽色素原、尿卟啉原Ⅲ、原卟啉Ⅳ、鎂-原卟啉Ⅳ、原葉綠素酸酯含量及膽色素原脫氨酶（PBGD）和尿卟啉原合酶（UROS）活性的測定參照向麗霞等[7]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010 軟件進行試驗數(shù)據(jù)分析計算，SPSS 17.0 軟件進行方差分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 Se 對Cr 脅迫下番茄幼苗葉綠素含量的影響

從表1 可知，相比于CK，單一噴施Se 處理下葉綠素含量及葉綠素a/b 比值變化均不顯著；單一Cr 脅迫處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和葉綠素a/b 比值分別顯著降低了39.72%、26.53%、35.55%和17.95%。而與單一Cr 脅迫處理相比，Cr+Se 處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和葉綠素a/b 比值分別顯著增加了45.43%、29.86%、39.81%和11.92%。

表1 Se 對Cr 脅迫下番茄幼苗葉綠素含量的影響

2.2 Se 對Cr 脅迫下番茄幼苗葉片葉綠素合成前體物質(zhì)含量的影響

從表2 可以看出，相比于CK，單一噴施Se 處理下δ-氨基酮戊酸等葉綠素合成前體物質(zhì)含量變化均不顯著；單一Cr 脅迫處理下δ-氨基酮戊酸和膽色素原含量分別顯著增加了30.85%和39.14%，而尿卟啉原Ⅲ、原卟啉Ⅳ、鎂-原卟啉Ⅳ和原葉綠素酸酯分別顯著降低了29.72%、38.90%、51.86%和30.60%。與單一Cr 脅迫處理相比，Cr+Se 處理下δ-氨基酮戊酸和膽色素原含量分別顯著降低了15.40%和15.31%，而尿卟啉原Ⅲ、原卟啉Ⅳ、鎂-原卟啉Ⅳ和原葉綠素酸酯分別顯著增加了28.09%、43.15%、36.74%和29.85%。

表2 Se 對Cr 脅迫下番茄幼苗葉片葉綠素合成前體物質(zhì)含量的影響 μg/g

2.3 Se 對Cr 脅迫下番茄幼苗葉片PBGD 和UROS 活性的影響

由表3 可知，相比于CK，單一噴施Se 處理下UROS活性顯著增加了6.48%，PBGD 活性變化不顯著；而單一Cr 脅迫處理下PBGD 和UROS 活性分別顯著降低了32.75%和27.71%。與單一Cr 脅迫處理相比，Cr+Se 處理下PBGD 和UROS 活性分別顯著增加了30.54%和27.08%。

表3 Se 對Cr 脅迫下番茄幼苗葉片PBGD 和UROS 活性的影響 %

3 結(jié)論與討論

高等植物中葉綠素的合成是一個復雜、涉及一系列酶學催化的生化反應過程，任何一個酶活性出現(xiàn)異常都會影響該位點的催化反應及受阻位點前后的中間產(chǎn)物含量，且受阻位點與試驗作物的種類和所處的逆境條件相關(guān)[8]。朱瑞婷等[8]研究發(fā)現(xiàn)鎘脅迫導致草地早熟禾葉片的原卟啉Ⅳ、鎂-原卟啉Ⅳ和原葉綠素酸酯含量以及PBGD編碼基因表達水平顯著降低，說明鎘脅迫下草地早熟禾葉綠素的合成受阻位點可能發(fā)生在膽色素原向尿卟啉原Ⅲ的轉(zhuǎn)化階段。張麗等[9]研究表明鹽堿脅迫下番茄葉片的尿卟啉原Ⅲ及其之前的葉綠素合成前體物質(zhì)含量顯著增加，而其之后的前體物質(zhì)含量顯著降低，說明鹽堿脅迫降低了番茄葉綠素合成途徑中尿卟啉原Ⅲ向原卟啉Ⅳ的轉(zhuǎn)化。周珩[10]認為高溫脅迫下黃瓜幼苗葉片膽色素原含量顯著降低，而其之后的葉綠素合成前體物質(zhì)含量、PBGD 和UROS 活性及其編碼基因表達水平均顯著升高，表明高溫脅迫加快了PBG 向UROIII 轉(zhuǎn)化。該試驗發(fā)現(xiàn)，Cr 脅迫下番茄幼苗葉片δ-氨基酮戊酸和膽色素原的含量較CK 顯著提高，而尿卟啉原Ⅲ及其之后葉綠素合成前體物質(zhì)的含量及PBGD、UROS 活性均顯著降低，表明Cr 脅迫可能導致番茄幼苗葉片葉綠素合成途徑中膽色素原向尿卟啉原Ⅲ的轉(zhuǎn)化階段受到阻礙效應。葉面噴施Se 可有效改善Cr 脅迫對番茄幼苗葉綠素合成途徑的阻礙，并增加葉綠素含量，主要表現(xiàn)為降低δ-氨基酮戊酸和膽色素原含量增加的幅度，提高尿卟啉原Ⅲ及其之后葉綠素合成前體物質(zhì)的含量及PBGD、UROS 活性。

綜上，葉面噴施Se 能夠通過提高PBGD 和UROS 活性來減輕Cr 脅迫對番茄幼苗葉綠素合成途徑中膽色素原向尿卟啉原Ⅲ轉(zhuǎn)化的阻礙作用，促進尿卟啉原Ⅲ及其之后葉綠素合成前體物質(zhì)的合成，顯著增加葉綠素含量，保持葉綠素合成途徑的高效運行。