揚花蘿卜幼苗在Cr³⁺污染環境下生長情況的研究

摘要：采用砂培法，研究了揚花蘿卜幼苗受到Cr3+污染脅迫后， 植株的干質量、鮮質量，根冠比，葉綠素a、b和總蛋白質含量，以及超氧化物歧化酶（SOD）的活性的變化情況。結果表明，在Cr3+ (≤50 mg·L-1)脅迫下，植株的葉綠素含量、根長、株高、根冠比等均大于對照組；而高濃度Cr3+（100，200，400mg·L-1) 脅迫使葉綠素的含量減少，根長和株高生長受到抑制，根冠比呈下降趨勢。在Cr3+ (≤100 mg·L-1)脅迫下，植株干質量、鮮質量和總蛋白質的含量略有增加，而隨著Cr3+脅迫濃度增加，植株的干質量、鮮質量和總蛋白質的含量呈現下降趨勢。SOD 活性隨Cr3+ 濃度變化呈現規律性變化，先變高后變低，這表現出揚花蘿卜幼苗對低濃度Cr3+ 有一定抗性作用。

關鍵詞：揚花蘿卜； Cr3+脅迫； SOD；總蛋白質含量

中圖分類號：S637.1文獻標識碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2011.01.014

Study of Seedling Growth Situation from Cr3+ Pollution in Yanghua Radish

WANG Xiao-ping

(School of Biochemical and Environmental Engineering， Nanjing Xiaozhuang University， Nanjing， Jiangsu211171， China)

Abstract：Effects of Cr3+ with different concentration to Yanghua radish seedlings on dry weight， fresh weight， root top ratio， the chlorophyll a， b content， total protein content， SOD activeness， were studied by the method of sand-culture. The results indicated that in low concentration Cr3+ (≤50 mg·L-1) under the coercion， plant's chlorophyll content ， root length， plant height and root top ratio were higher than the control group; When with high concentration of Cr3 + (100，200，400 mg·L-1)stress ，chlorophyll content was reduced， root length and plant height growth were inhibited， root top ratio was decreased. Similarly， with Cr3+ (≤ 100 mg·L-1) stress， the plant's dry weight， fresh weight and total protein content were increased slightly， and as Cr3+ stress concentration， plant dry weight， fresh weight and total protein levels were declined. SOD activity changed with the Cr3+ concentration showed regular changes. The first went high ，then became to low. It was showed flowering radish seedlings has a certain resistance of Cr3 +.

Key words: yanghua radish; Cr3+ coercion; SOD; total protein content

鉻于自然環境中廣泛存在， 是重金屬污染源之一，也是一種毒性較大的致畸、致突變劑[1] ，對各種植物尤其是農作物會產生顯著影響。隨著工農業生產的發展，農作物受到重金屬的污染問題越來越突出，倍受關注。近年來，國內外有關Cr3+對水稻和玉米等農作物的種子萌發、生理生化的影響有不少報道[2-3]，但對根菜類蔬菜影響的研究少見報道。筆者以揚花蘿卜幼苗為試驗材料，研究Cr3+對揚花蘿卜幼苗生長生理特性的影響，以探討Cr3+對根菜類蔬菜毒害的機制，為蔬菜生產中早期預報和環境監測中評價重金屬Cr3+的污染以及消除其毒害提供一定的科學依據。

1材料和方法

1.1 試驗材料

揚花蘿卜(Raphanus sativus L．var．radculus Pers．)為早春長江流域普遍種植的一種小型蘿卜。生長周期短、營養豐富，對彌補長江流域蔬菜冬春淡季的供應具有非常重要的作用[4]。

1.2 試驗方法

1.2.1種子萌發揚花蘿卜種子經6% H2O2溶液消毒，清水沖洗，均勻撒種石英砂盆中。萌發后，用Hoagland培養液澆灌。待苗長至二葉一心時，選取長勢一致的植株移栽到含有石英砂的盆中，每盆植16株；8盆為1試驗組，其中7盆為處理組，編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ，另1盆為對照組，置智能人工氣候箱中培養，溫度25 ℃，光照12 h·d-1，光強100 μmol·m-2·s-1，相對濕度70%培養。開始用Hoagland培養液澆灌，每天澆灌2～3次，15 d后開始用Hoagland溶液作為母液配制Cr3+濃度為5，10，20，50，100，200，400 mg·L-1的新鮮培養液，并分別對應澆灌Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ盆中的植株，且用Hoagland溶液澆灌對照組，第7天開始進行生理生化指標的測定。各處理與測定均設3次重復。

1.2.2葉綠素含量的測定 參照張志良等[5]編寫的《植物生理學實驗指導》中的分光光度法，測定結果用mg·g-1表示。

1.2.3鮮質量 、干質量的測定迅速剪取植物材料，裝入已知重量的稱量紙上，在實驗室用分析天平稱取鮮質量（FW）。干質量的測定是把稱過鮮質量的植物材料裝入紙袋中，放入烘箱內，100～105 ℃殺青10 min，然后把烘箱的溫度降到70～80 ℃左右，烘至恒重。取出紙袋和材料，放入干燥器中冷卻至室溫，稱其干質量（DW）。

1.2.4根冠比的測定將蘿卜幼苗從石英砂盆中取出，用清水將蘿卜幼苗根部的石英砂洗凈，然后用剪刀將蘿卜幼苗的根部與莖部分離開，并用濾紙吸干表面水分，分別稱量每盆植株的根部總重量與地上部分的總重量，并計算出不同濃度下蘿卜幼苗的根冠比[6]。

1.2.5總蛋白質含量的測定稱取植物葉片1.0g，搗碎成勻漿，過濾，取濾液，4 000 r·min-1，4 ℃進行離心，取上清液，加入考馬斯亮藍，測其620 nm處的光密度，以標準牛血清蛋白繪制出光密度標準曲線，根據標準曲線查得蛋白質濃度[5]。

1.2.6SOD活性的測定采用南京建成生物工程公司SOD試劑盒測定，SOD抑制率達50%為1個亞硝酸鹽單位，以u·mL-1表示。

2結果與分析

2.1Cr3+對揚花蘿卜幼苗葉綠素a，b含量的影響

光合作用是植物賴以生長所必需的重要生理過程，葉綠素含量的多少直接影響植物的光合能力 [7]。

由圖1可知： 5～50 mg·L－1 的Cr3+脅迫時，幼苗葉綠素a、b含量均高于對照，表明植株受到低濃度的Cr3+刺激有利于葉綠素的合成；當 Cr3+濃度為50～100 mg·L－1時，揚花蘿卜幼苗葉綠素出現小幅下降，且葉綠素b下降的速度大于葉綠素a。這有可能因Cr3+抑制了葉綠素酸酪還原酶等， 從而影響了葉綠素的生物合成，同時使葉綠體膜系統在結構上受到逐漸破壞， 導致葉綠素總量下降 [8]；在200～400 mg·L－1的Cr3+濃度范圍內揚花蘿卜幼苗葉綠素a、b含量大幅度下降并低于對照，這是因為Cr3+脅迫濃度進一步加大以至于超過了揚花蘿卜幼苗的防御能力， 植物體內形成大量的活性氧自由基， 這些自由基直接把葉綠素等作為靶分子， 破壞葉綠素分子； 重金屬還可以對脂膜進行過氧化作用， 使葉綠體膜及光合膜等的選擇透性改變， 小分子外流， 致使葉綠素的生物合成速度下降， 葉綠素含量下降[9]。

2.2Cr3+對揚花蘿卜幼苗鮮質量、干質量的影響

圖2 表明Cr3+脅迫揚花蘿卜幼苗初期生長情況的影響。通過揚花蘿卜幼苗干質量、鮮質量，根據抑制率公式:抑制率=(1－處理值/對照值)×100%） [10]，可分別計算出各濃度Cr3+的脅迫下，重金屬對揚花蘿卜幼苗干質量、鮮質量的抑制情況，例如，5，100，400 mg·L-1鮮質量的抑制率分別為-0.4％、-9％、51％，5，100，400 mg·L-1干質量的抑制率分別為-2.5％、-35％、55％。從鮮質量的抑制率可以看出Cr3+濃度在≤100 mg·L-1范圍內鮮質量呈上升趨勢，這是因為Cr3+刺激了揚花蘿卜生長，使揚花蘿卜長的更加茂盛，而再隨濃度增加，Cr3+污染對幼苗的生長表現出抑制作用，因生物大分子的合成等代謝受到影響，阻礙了蘿卜的生長而導致鮮質量減小[11]。同樣從干質量的抑制率來看，在低Cr3+濃度范圍內干質量呈上升趨勢，而在高濃度如200，400 mg·L-1抑制作用明顯、較強。

2.3Cr3+對揚花蘿卜幼苗根長、株高、根冠比的影響

揚花蘿卜在澆灌1周Cr3+溶液后，將揚花蘿卜幼苗從石英砂盆中取出，用清水將揚花蘿卜幼苗根部的石英砂洗凈，然后分別測量幼苗的根長、株高。從圖3可以看出，Cr3+濃度在5～50 mg·L-1范圍內根長呈上升趨勢，且都高于對照組，表現出低濃度有輕微的刺激作用，而在200～400 mg·L-1范圍內根長卻呈下降趨勢且都低于對照組，400 mg·L-1 時根長的抑制率高達80％以上。株高在不同濃度的Cr3+作用下反應也不相同，與根類似，在低濃度下，株高呈上升趨勢，且都略高于對照組，而在200～400 mg·L-1范圍內株高卻呈下降趨勢且都低于對照組，400 mg·L-1 時株高的抑制率高達41％。

揚花蘿卜生長了20 d以后，從每個石英砂盆中取出10株揚花蘿卜幼苗，用清水將揚花蘿卜幼苗根部的石英砂洗凈，然后用剪刀將揚花蘿卜幼苗的根部與莖部分離開，并用濾紙吸干表面水分，分別稱量每棵植株的根部總質量與地上部分的總質量，并計算出不同濃度下揚花蘿卜幼苗的根冠比（如圖4）。由圖可知，Cr3+濃度在≤50 mg·L-1 時，根冠比呈上升趨勢且高于對照，但上升幅度與對照組相比不是很大，隨著Cr3+濃度增加達到50 mg·L-1 時，根冠比迅速上升并達到了最大，但是隨著Cr3+濃度進一步增大到200，400 mg·L-1時，根冠比的比值開始下降，下降幅度較大；且濃度達到400 mg·L-1時，其比值遠遠低于對照組，這與高濃度的Cr3+破壞了揚花蘿卜的營養生長有關。

2.4Cr3+對揚花蘿卜幼苗總蛋白質含量的影響

蛋白質不僅是酶的組成成分，參與植物細胞代謝；更重要的是，蛋白質對植物的繁衍和生長起控制作用。重金屬可影響蛋白質含量， 可能與干擾蛋白質合成系統的Mg2 + 和K+ 有關，也可能直接以DNA 為靶子，干擾基因表達，從而影響蛋白質合成[12]。

由圖4可知，當Cr3+ 濃度在≤100 mg·L-1時，揚花蘿卜幼苗葉中蛋白質含量逐漸上升，這是因為低濃度的Cr3+可誘導揚花蘿卜幼葉合成一部分蛋白質，這一部分蛋白質有可能是應激性酶，而當Cr3+上升到200，400 mg·L-1 時，蛋白質含量下降，這是由于高濃度的Cr3+使幼葉中蛋白質結構受到了不可逆的破壞，因為重金屬能夠使蛋白質的結構發生不可逆的改變，蛋白質的結構改變功能就會喪失，幼葉中的酶就不能夠催化化學反應，細胞膜表面的載體就不能運入營養物質、排出代謝廢物，使得細胞無法獲得營養、排除廢物，無法產生能量，細胞結構崩潰和功能喪失。

2.5Cr3+對揚花蘿卜幼苗SOD活性的影響

SOD是一種抗性酶， 它作為超氧自由基清除劑， 其活性高低與植物抗性大小有一定的相關性。當外來脅迫如重金屬導致大量活性氧產生時，它能及時有效清除自由基， 保護細胞免受氧化脅迫的傷害；但當活性氧的增加遠遠超過正常的歧化能力時， 細胞內多種功能酶及膜系統遭到破壞， 生理代謝紊亂，活性反而受到抑制而下降。

由圖6可以看出，當揚花蘿卜幼苗受到低濃度Cr3＋脅迫后，揚花蘿卜幼苗葉中的SOD活性呈上升趨勢，且在濃度為100 mg·L-1時達到最大值；這是因為SOD 是一種典型的誘導酶，揚花蘿卜體內產生了較多的超氧陰離子自由基， 超氧陰離子自由基可以誘導SOD 酶。隨著Cr3＋濃度的增加，揚花蘿卜幼苗SOD活性呈下降的趨勢，且400 mg·L-1Cr3＋處理的揚花蘿卜幼苗SOD的活性最低。隨著Cr3＋濃度的增大，活性氧的增加遠遠超過正常的歧化能力，過多的氧自由基使細胞內多種功能膜及酶系統遭到不同程度的破壞，生理代謝紊亂，SOD活性受抑制而下降即呈現抑制效應。

3討論

由于水體及土壤受到Cr3+嚴重污染后，可能使植物生長發育等農藝性狀發生改變，與此同時，一些生理生化活性也相應發生變化。該試驗模擬自然界中揚花蘿卜受到Cr3+污染時對其生長的影響。

試驗結果表明，低濃度有一定刺激效應，而高濃度則有抑制效應。表現為在5～50 mg·L-1的Cr3+脅迫下，葉綠素及葉綠素a、b含量均有所增加，根系發育也較好，根長大于對照組。這與植物生長情況是吻合的，如植株的株高、干質量、鮮質量、根冠比均高于對照。但隨著濃度的增加植物生長抑制效應就比較明顯，且抑制率隨著濃度的增加而上升。如濃度達到200，400 mg·L-1 時，葉綠素含量減少，根的生長受到影響，從而植株的鮮質量、干質量、總蛋白質的含量等都出現下降趨勢，株高也出現類似的變化。這些變化與植物體內保護性酶活性有關，如SOD酶在受到低濃度Cr3+誘導后，活性增強，分解了[O2·][-]等從而保護植株；但植物的保護性酶活性是有一定范圍的，超過一定范圍，酶的作用就減弱；故植株受到高濃度離子脅迫后，在植物體內產生的[O2·][-]等不能及時地消除，這些自由基直接把葉綠素等作為靶分子， 破壞葉綠素分子而使葉綠素a、b含量減少，使膜脂過氧化，影響蛋白質的合成等。

試驗表明，不同濃度的Cr3+ 對揚花蘿卜幼苗生長的影響是不同的，在較低濃度時，重金屬Cr3+對蘿卜幼苗的生長不僅沒有抑制作用，甚至有刺激作用，揚花蘿卜通過提高SOD的活性來降低氧化水平，去除超氧化自由基，減小對膜等結構的損傷，維持膜和大分子的穩定，但是到達幼苗承受的最大程度后，重金屬Cr3+會脅迫蘿卜幼苗的生長，抑制幼苗各種生長生理狀況，使幼苗的根冠比、葉綠素a、b含量，蛋白質含量，SOD的活性，植物體的干質量，鮮質量都有所下降。而且當SOD活性急劇下降時， 植物體內的自由基由于不能被及時清除而使葉綠體膜過氧化， 從而使葉綠素含量下降，而葉綠素含量降低，光合作用減弱，會導致植物生長受抑制，生物量下降從而株高、干質量、鮮質量都減小，因此各個因素之間也會相互影響[13]。

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