不同禾本科植物对锌锰复合胁迫的响应差异

方鑫 严涵 姚鹏程

摘  要：为筛选修复锌锰重金属污染土壤的作物，采用营养液培养，研究了100 mg/L，150 mg/L，200 mg/L锌、锰复合胁迫对水稻及小麦生长情况、叶绿素含量、游离脯氨酸含量、丙二醛含量以及超氧化物歧化酶活性的影响。结果显示，锌、锰复合胁迫均显著抑制2种作物的生长，导致其株高降低，根长减小，根系体积减小，叶绿素含量大幅下降，游离脯氨酸、丙二醛（MDA）含量显著上升（P<0.05），超氧化物歧化酶（SOD）活性显著下降（P<0.05），且随着胁迫浓度从100 mg/L上升到200 mg/L，2种作物的逆境响应不断加剧。相同浓度下，胁迫对水稻的生长抑制强于小麦，表现为株高降低比例、根长减小比例以及根系体积减小比例小麦小于水稻，总叶绿素含量下降比例、游离脯氨酸含量、丙二醛含量上升幅度、超氧化物歧化酶活性下降幅度小麦小于水稻。因此，修复锌锰重金属污染的土地，小麦比水稻更适合种植。

关键词：锌;锰;复合胁迫;水稻;小麦

中图分类号：S-3                                文献标识码：A                                             DOI：10.11974/nyyjs.20181131004

引言

锌、锰作为植物生长必需的微量元素，是某些酶不可缺少的組分，也可作为某些酶的激活剂，对植物的生长和新陈代谢都有重要影响[1]。当锌、锰离子过量则会对植物产生重金属毒害，从而影响植物的生长，促使其产生一系列生理生化反应。而目前锌锰干电池的随意丢弃使得土壤遭受严重的锌锰重金属污染。对这些污染的土壤进行修复是亟待解决的问题。种植能吸收土壤中的重金属且对污染物耐受性好的作物，是目前普遍应用的解决办法。有研究发现，不同作物对重金属离子的耐受程度不同，如水稻、小麦和萝卜等耐铬性较强，小白菜、黄瓜等对铬毒害较敏感[2]。而目前关于植物对重金属的耐受生理研究中，锌、锰复合胁迫的报道十分罕见。

水稻和小麦同属禾本科，是全球最主要的粮食作物，也是科学研究常用的模式植物，是在重金属污染土壤中种植的理想作物。本研究旨在通过锌、锰复合胁迫对水稻和小麦生长及生理生化特性的影响，筛选出更耐受锌、锰复合胁迫的作物，为修复土壤锌、锰重金属污染提供理论依据，且为评价土壤锌、锰重金属污染提供参考指标。

1     试验方法

试验于2018年在上海市格致中学奉贤校区植物逆境生理学实验室进行。供试材料为取自上海市农业科学研究院的龙特甫B水稻种子以及买自上海市种子公司的高优503小麦种子。选取大小一致的种子，经75% 乙醇消毒20min，用自来水冲洗20min，蒸馏水冲洗后再用蒸馏水浸种24h，黑暗催芽24h，随后播种于含Hoagland营养液的塑料培养盒中，于温室中12 h光照/12 h黑暗、（28±2）℃下培养。播种前锌以ZnSO4·7H2O形式，锰以MnSO4 形式加入至营养液中，形成6个实验组，分别水稻、小麦100mg/L Zn + 100mg/L Mn处理组各1个，150mg/L Zn + 150mg/L Mn处理组各1个，200mg/L Zn + 200mg/L Mn处理组各1个，1个水稻空白对照组，1个小麦空白对照组，对照组与所有实验组均3组重复，pH值控制在6.5，每12h用1 mol/L 的HCl或NaOH调节营养液pH。每5d更换营养液1次，处理20d。

1.1     测定项目与方法

取3株材料用常规方法测定株高，根长。用排水法测定根系体积，取平均值。取水稻新鲜叶片，参考Sims[3]等的方法进行叶绿素含量的测定，参考Demiral[4]等的方法测定游离脯氨酸含量，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸显色法[5]测定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用比色法[5]测定。

1.2     数据统计

实验数据均为3次重复的平均值，采用SPSS 20.0[6]软件进行ANVOA方差分析和多重比较。

2     结果与分析

2.1      水稻、小麦生长情况

锌、锰复合胁迫处理20d后2种作物的生长情况（株高、根长、根系体积）见表1，水稻与小麦在3个处理下的株高均显著低于对照组（P<0.05），根长均显著短于对照组（P<0.05），根系体积均显著小于对照组（P<0.05）。且随着胁迫浓度的升高，重金属对2种作物的抑制作用不断增强。相同浓度处理下，锌、锰复合胁迫对水稻的抑制作用强于小麦。其中，抑制作用最强均为200mg/L处理组，水稻在此处理下株高、根长、根系体积分别减小为对照组的59.1%、58.0%、39.1%，小麦在此处理下株高、根长、根系体积分别减小为对照组的72.5%、63.0%、54.2%。

2.2     叶绿素含量

由表2可见，各个处理均显著降低了2种作物的叶绿素含量（P<0.05）。同种作物随着胁迫浓度的升高，叶绿素a，叶绿素b，总叶绿素含量逐渐降低。相同浓度处理下，锌、锰复合胁迫对水稻叶绿素含量的影响大于小麦。2种作物均在200mg/L处理下叶绿素含量下降最多。水稻的叶绿素a，叶绿素b，总叶绿素含量分别下降为对照组的65.9%、45.8%、59.5%。小麦的叶绿素a，叶绿素b，总叶绿素含量分别下降为对照组的72.3%、81.8%、74.6%。由叶绿素a/b数据可知，水稻叶绿素a的降幅低于叶绿素b，小麦叶绿素a的降幅高于叶绿素b。

2.3     游离脯氨酸含量

3个浓度胁迫下，2种作物叶片中游离脯氨酸含量均上升（图1）。对于同种作物，随着胁迫浓度的升高，脯氨酸含量不断上升。相同浓度下，水稻脯氨酸含量上升的比例大于小麦。2种作物均在200mg/L处理下，脯氨酸含量达到最高，与对照组相比，水稻上升31.5%，小麦上升26.2%。

2.4     MDA含量和SOD活性

处理20d后，3个水稻处理组中的叶片均出现明显的坏死斑及黄化现象，而小麦仅在200mg/L处理组出现这种现象。此现象与叶片中丙二醛含量上升有直接关系。对于同种作物，胁迫浓度越高，叶片黄化现象越严重，与表3 MDA含量相对应。相同浓度下，水稻MDA上升的比例高于小麦，在200mg/L处理组，2种作物丙二醛积累量均最高。水稻达到对照组的1.57倍，小麦达到对照组的1.36倍。

各浓度的锌、锰复合胁迫均显著降低2种作物叶片中SOD的活性。对于同种作物，SOD活性随着胁迫浓度的升高而降低。相同浓度下，胁迫对作物叶片中SOD活性的影响水稻大于小麦。2种作物均在200mg/L处理组SOD活性下降最多，与对照组相比，分别下降32.3%、27.9%。

3     讨论

锌锰干电池的随意丢弃使土壤遭受严重的重金属污染。Zn、Mn是植物生长的必需元素，种植于污染土壤中的植物通过吸收土壤中的污染物达到修复土壤污染的目的。因此筛选在重金属污染土壤中能够较好生长的植物尤为必要。禾本科植物由于其高度进化的风媒传粉结构、高效的物质运输效率以及极高的水分利用率等使其在各种土壤中均能够适应生长。因此禾本科植物成为了在重金属污染土壤中种植的首选。

本研究所涉及的2种禾本科植物，小麦在100mg/L的低浓度处理组株高和根系体积分别下降为对照组的87.2%、71.6%，大于水稻的80.9%、55.6%。根长下降为对照组的85.4%，略小于水稻的87.0%。在200mg/L的高浓度处理组，小麦的株高、根长、根系体积分别下降为对照组的72.5%、63.0%、54.2%，均高于水稻的59.1%、58.0%、39.1%。表明在较高浓度的锌锰复合污染的土壤中，不同禾本科植物的适应性有较大差异，小麦的适应性更强于水稻。

碳酸酐酶是植物叶绿体中的重要成分，锌是碳酸酐酶的主要成分[7]。因此锌在植物体内具有重要的作用。但当锌过量时则显著提高了植物过氧化氢酶和愈创木酚过氧化物酶的活性，导致含氧自由基大量产生，叶绿体膜脂过氧化，叶绿体内膜结构遭到破坏，使叶绿素的氧化分解加快[8]。这是锌过量导致植物叶绿素含量降低的机理。本研究发现，无论是小麥还是水稻，在这3个浓度下均出现了叶绿素含量显著下降的现象，说明2种作物在这3个浓度下均受到了较强的胁迫。水稻叶绿素a下降的比例低于叶绿素b，小麦叶绿素a下降的比例高于叶绿素b，这可能与2种植物本身叶绿素a与b的含量差异有关。而不管在哪个胁迫浓度下，叶绿素a，叶绿素b，叶绿素a+b下降的比例均为水稻大于小麦，也说明小麦在较高浓度的锌、锰复合污染土壤中适应性好于水稻。

与叶绿素含量下降机制相似，MDA作为脂质过氧化的产物，在植物受胁迫时，在植物体内含量会上升[9]。直观表现为叶片出现坏死与黄化现象。在培养过程中发现，3个水稻处理组中的幼苗叶片均出现明显的坏死斑及黄化现象，而小麦仅在200mg/L处理组出现这种现象。从最宏观角度也可说明小麦更加适应于在锌、锰复合污染的土壤中生长。

随着逆境下脂质的过氧化，植物随即会启动抗氧化系统，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷胱甘肽还原酶（GR）等[10] 的含量变化。其中超氧化物歧化酶（SOD）即是植物抗氧化系统中一种重要的酶， Zn、Mn元素是植物体内Cu、Zn-SOD、Mn-SOD的组成成分。当其过量时，反而会抑制SOD的活性[11]，因此， 在胁迫环境下SOD活性下降少的植物更适合用于修复土壤污染。而本研究发现在100mg/L，150mg/L，200mg/L锌、锰复合胁迫条件下，小麦的SOD活性下降幅度均小于水稻。

作为细胞的一种渗透调节机制，环境胁迫会导致脯氨酸积累已被许多研究证实[12-14]。本研究中2种作物各个处理组游离脯氨酸均发生积累，且小麦的积累效应小于水稻，与其他指标的结果类似，因此，也可将游离脯氨酸的积累量作为胁迫指标进行修复作物的筛选。

参考文献

[1]黄建国.植物营养学[M].北京：中国林业出版社，2004： 200.

[2]邓波儿，刘同仇，周易勇，等.不同作物对铬毒害耐性的研究[J].植物营养与肥料学报，1991（1）：98-103.

[3]SimsD A，Gamon J A.Relationships between leaf pigment content and spectral reflectance across a wide range of species，leaf structures and developmental stages[J].Remote Sensing of Environment，2002（81）： 337-354.

[4]Demiral T，Turkan I.Comparative lipid peroxidation，antioxidant defense systems and proline content in roots of two rice cultivars differing in salt tolerance[J].Environmental and Experimental Botany，2005（53）：247-257.

[5]張志良，瞿伟菁.植物生理学实验指导（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2003.

[6]CORP I B M.IBM SPSS statistics for Windows，version 20.0.Armonk[M].NY： IBM Corp.Released 2011.

[7]Wood I G.Sibley P M.Carbonic anhydrase activity in plants in relation to zinc content[J].Australian Journal of Science Research，1952（B5）：244-255.

[8]蒋明义，杨文英，徐江，等.渗透胁迫下水稻幼苗中叶绿素降解的活性氧损伤作用[J].植物学报，1994，36（4）：289 -295.

[9]CHAOUI A，MAZHOUDI S，GHORBAL M H，et al.Cadmium and zinc induction of lipid peroxidation and effects on antioxidant enzyme activities in bean （Phaseol usulgaris L[J].Plant Science，1997（127）：139-147.

[10]郭天荣，姚鹏程，张子栋.铝毒和低磷胁迫下水稻幼苗抗氧化系统的响应[J].中国水稻科学，2013，27（6）：653-657.

[11]邵邻相，黄伯钟，丁淑静.锌、锰、铁和铜离子对水稻幼苗生长及SOD活性的影响[J].种子，2001（6）：16-17，19.

[12]WATANABE S，KOJIMA K，IDE Y，et al.Effects of saline and osmotic stress on proline and sugar accumulation in Populu seuphratica in vitro[J].Plant Cell Tissue and Organ Culture，2000（63）：199-206.

[13]ASHRAF M，HARRIS P J C.Potential biochemical indicators of salinity tolerance in plants[J].Plant Science，2004（166）：3-16.

[14]MANSOUR M M F，SALAMA K H A，ALI F Z M，et al.Cell and plant responses to NaCl in Zea mays L.cultivars differing in salt tolerance[J].General Applied Plant Physiology，2005（31）：29-41.