錳脅迫下小白菜幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的動態(tài)變化

曾小飚 許光德 周福穩(wěn) 尹洪輝

摘要 通過水培試驗法研究錳脅迫下小白菜幼苗葉片內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的動態(tài)變化。結(jié)果顯示，隨著錳脅迫濃度的升高，小白菜可溶性糖含量先上升，然后慢慢趨于平穩(wěn)；可溶性蛋白含量呈不斷下降的趨勢；游離脯氨酸含量呈先升高后下降的趨勢。綜合分析表明，在一定范圍內(nèi)，小白菜可通過主動調(diào)節(jié)可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、游離脯氨酸等物質(zhì)含量來適應(yīng)錳脅迫引發(fā)的滲透失衡，以減輕重金屬的毒害作用。

關(guān)鍵詞 小白菜；錳脅迫；滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

中圖分類號 S727.4? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）04-0065-03

重金屬作為有毒物質(zhì)進入土壤后會通過食物鏈進入到人體內(nèi)，威脅人類健康。重金屬對農(nóng)作物生長造成的不利影響非常明顯，嚴重時會導(dǎo)致農(nóng)作物死亡。因此，農(nóng)作物如何抵御重金屬對自身的毒害已成為作物學(xué)家研究的熱點。錳是生物毒性比較強的重金屬之一。錳污染會抑制農(nóng)作物對鈣離子、鎂離子等微量元素的吸收，影響農(nóng)作物品質(zhì)[1]。人體攝取過多的錳會引起慢性錳中毒，對免疫、生殖等系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的傷害，還傷害腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)，嚴重時表現(xiàn)為帕金森氏綜合征和中毒性神經(jīng)病[2]。

小白菜（Brassica chinensis）也稱青菜、油菜，是我國老百姓喜食的主要蔬菜之一，種植面積大、范圍廣，主要栽培于長江中下游及其以南地區(qū)，近年來北方省份也有較大面積的引種栽培和推廣[3]。筆者通過水培試驗法研究錳脅迫下小白菜幼苗葉片內(nèi)可溶性糖（SS）、可溶性蛋白質(zhì)、游離脯氨酸（Pro）等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的動態(tài)變化，探討小白菜對錳毒害的生理響應(yīng)機制，為生態(tài)毒理學(xué)研究提供一些基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法

1.1 材料

小白菜品種為柳州牌黃秧四季甜小白菜，種子從百色人民市場種子店購得。

1.2 方法

先在沙盤內(nèi)萌發(fā)種子，待芽長至5 cm后，移栽至1/2 Hoagland培養(yǎng)液進行無土培養(yǎng)。移栽7 d后，選擇長勢一致的小白菜幼苗分成6組，分別用含Mn2+濃度為0、30、60、120、240、300 mg/L的1/2 Hoagland培養(yǎng)液進行脅迫培養(yǎng)，以Mn2+濃度0為對照。每2 d更換1次脅迫液，Mn2+以MnCl2·4H2O提供，分別于脅迫4、8、12 d時取葉片進行生理指標測定?？扇苄蕴呛繙y定采用蒽酮比色法；蛋白質(zhì)含量測定采用考馬斯亮藍法；游離脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法[3]。試驗做3次重復(fù)，數(shù)據(jù)取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 錳脅迫對小白菜葉片內(nèi)可溶性糖（SS）含量的影響

可溶性糖包括絕大部分的單糖、寡糖，其含量的變化可以反映植物在逆境脅迫下的適應(yīng)能力[4]。如圖1所示，隨著Mn脅迫濃度的增加，小白菜幼苗葉片中的可溶性糖含量總體上先上升然后趨于平穩(wěn)。脅迫4 d的幼苗，Mn2+濃度在0～120 mg/L時，SS含量增幅比較明顯，但Mn2+濃度大于120 mg/L后，SS含量增幅不大，基本趨于平穩(wěn)。脅迫8和12 d的幼苗，Mn2+濃度在0～60 mg/L時，SS含量增幅比較明顯；Mn2+濃度大于60 mg/L以后，SS含量上升幅度不大，趨于平穩(wěn)。而脅迫濃度為300 mg/L的幼苗脅迫到12 d時，幼苗已枯萎死亡。

2.2 錳脅迫對小白菜幼苗葉片中可溶性蛋白含量的影響

植物體中的蛋白質(zhì)是多個氨基酸通過核糖體縮合而成的多肽鏈，蛋白質(zhì)含量增加說明細胞中核糖體增多，合成多肽鏈效率增高，植物生長旺盛。反之，生長受到抑制。通過測定植物葉片中蛋白質(zhì)含量，有助于了解植物生長狀況和環(huán)境脅迫對植物生長的影響。如圖2所示，小白菜幼苗在受到錳脅迫時，其葉片中的可溶性蛋白含量均比對照組低，隨著Mn脅迫濃度的增加，呈不斷下降的趨勢。脅迫4與8 d的幼苗，可溶性蛋白含量下降幅度相似，呈緩慢下降的趨勢，而脅迫12 d的幼苗下降幅度非常大。在各脅迫處理中，Mn2+濃度為30 mg/L時，小白菜幼苗葉片中的蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)為脅迫12 d>脅迫8 d>脅迫4 d；Mn2+濃度為60 mg/L時，表現(xiàn)為脅迫8 d>脅迫12 d>脅迫4 d；Mn2+濃度大于120 mg/L時，表現(xiàn)為脅迫8 d>脅迫4 d>脅迫12 d。從圖2還可看出，脅迫濃度為300 mg/L的小白菜幼苗脅迫12 d后，小白菜幼苗葉片中的蛋白質(zhì)幾乎為0，小白菜幼苗已經(jīng)死亡，而其他處理的小白菜幼苗還能生長。

2.3 錳脅迫對小白菜幼苗葉片中游離脯氨酸含量的影響

脯氨酸（Pro）是植物蛋白質(zhì)的組分之一，以游離狀態(tài)廣泛存在于植物體中。在逆境下，許多植物體內(nèi)Pro大量積累。植物體內(nèi)Pro含量在一定程度上反映了植物的抗逆性，抗逆性強的品種往往積累較多的Pro。如圖3所示，錳脅迫小白菜幼苗后，葉片中的脯氨酸含量隨著Mn脅迫濃度的增加，呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，各處理組Pro含量都比對照組高。脅迫12、8、4 d的幼苗Pro含量均在脅迫濃度為240 mg/L時達到最大值，分別比對照組增高了154.34%、71.58%、117.63%。當Mn2+脅迫濃度超過240 mg/L后，小白菜幼苗葉片中的Pro含量開始下降，脅迫12 d的幼苗下降幅度明顯比脅迫8和4 d的大。

3 結(jié)論與討論

作物在受到逆境脅迫如重金屬脅迫時，會導(dǎo)致細胞內(nèi)外滲透壓失衡而失水，但植物體可通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來抵御逆境脅迫帶來的傷害。植物細胞內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)有可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸等，它們可調(diào)節(jié)細胞與外界的水勢平衡，保護質(zhì)膜及代謝酶的活性，從而維持細胞正常的生理機能[5]。

可溶性糖在植物體內(nèi)充當能量物質(zhì)的存儲與轉(zhuǎn)移介質(zhì)以及結(jié)構(gòu)物質(zhì)和功能分子。但植物處在逆境環(huán)境時，可溶性糖充當滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在細胞滲透平衡調(diào)控中起著重要的作用?？扇苄蕴堑奶岣哂兄诰S持細胞的新陳代謝，從而提高植物的抗逆境脅迫能力。該試驗中，隨著錳脅迫濃度的升高，小白菜SS含量先是上升，然后慢慢趨于平穩(wěn)水平。推測是小白菜在錳脅迫逆境下，SS的運輸受到抑制，不能及時運走葉片中合成的碳水化合物，從而導(dǎo)致植物葉片中可溶性糖累積量增加。機體適量積累SS，可以降低自身細胞滲透勢，維持在高滲環(huán)境下的吸水能力，從而保持細胞代謝的穩(wěn)定[6]。這說明小白菜在逆境下具備一定的自我調(diào)節(jié)及適應(yīng)能力。隨著脅迫濃度的增加、脅迫時間的延長，Mn對小白菜的毒害作用也加強，超過機體的抵御能力，最終還是導(dǎo)致其受到毒害死亡。

可溶性蛋白是檢測植物代謝生理狀態(tài)的一項指標，也是機體抵抗逆境傷害的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一。該試驗中，Mn脅迫處理小白菜后，其葉片中蛋白質(zhì)含量均比對照組低，說明抑制了葉片中蛋白質(zhì)的合成，可以推斷Mn2+的存在抑制了小白菜的生長發(fā)育。試驗中小白菜受Mn脅迫后，葉片內(nèi)可溶性蛋白含量隨著錳脅迫濃度的升高呈下降趨勢，與熊韜等[6]研究鹽堿脅迫甜瓜幼苗的結(jié)果相似。不過小白菜脅迫4與8 d的幼苗下降幅度較小，而脅迫12 d的下降幅度非常大。研究認為逆境下植物體內(nèi)參與蛋白質(zhì)合成的相關(guān)酶活性會受到抑制，使得正常的蛋白合成過程受阻，同時會使蛋白質(zhì)降解的速度加快，從而引發(fā)蛋白質(zhì)含量的下降[6]。

脯氨酸是植物體內(nèi)抵御逆境的氨基酸中最有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[7]。在錳脅迫下，脯氨酸含量的提高對植物適應(yīng)逆境有著重大意義。該試驗中，Mn脅迫濃度從0 mg/L增加到240 mg/L過程中，小白菜葉片中的Pro含量逐漸升高，與Mn脅迫濃度呈正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于錳離子的刺激抑制了蛋白質(zhì)的合成，而促進了脯氨酸的合成，使得脯氨酸含量增加，也有可能是由于錳脅迫使細胞內(nèi)脯氨酸氧化酶減少而導(dǎo)致脯氨酸氧化分解變慢，脯氨酸含量增加[8-9]。總之，在一定濃度的Mn2+刺激下，植物體能夠通過不斷累積滲透物質(zhì)如提高脯氨酸含量來參與滲透調(diào)節(jié)，從而保持了細胞正常的水勢平衡，小白菜即以此抵御重金屬脅迫帶來的傷害。該試驗中，當Mn脅迫濃度超過240 mg/L后小白菜葉片中的Pro含量呈下降趨勢，且脅迫12 d的下降幅度比脅迫8和4 d的要大。Mn脅迫濃度為300 mg/L下的小白菜幼苗，脅迫12 d后中毒死亡。推測是因為植物體內(nèi)脯氨酸含量的增長有一定限度，表明滲透調(diào)節(jié)能力有限，因此金屬錳濃度過高、脅迫時間過長時會對植物產(chǎn)生毒害致死作用。

綜上所述，在一定范圍內(nèi)，小白菜可通過主動調(diào)節(jié)可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、游離脯氨酸等物質(zhì)含量來適應(yīng)錳脅迫引發(fā)的滲透失衡，以減輕重金屬的毒害作用。

4 參考文獻

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（責編：王慧晴）