Cr6+對3種玉米品種的生理特性影響

馬溪平，李鮮珠，沈玉冰，李萬龍，張宏亮，王 迪，徐成斌*

遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036

Cr6+對3種玉米品種的生理特性影響

馬溪平，李鮮珠，沈玉冰，李萬龍，張宏亮，王 迪，徐成斌*

遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036

為了研究不同劑量下Cr6+對于三種玉米（Zea mays L.）種子的毒害效應(yīng)，進(jìn)一步探究長期堆放鉻渣的土壤對周圍環(huán)境的污染程度以及對生態(tài)環(huán)境的潛在影響。選取三種不同品種的玉米，隨機(jī)分為對照組以及1×10-4、5×10-4、1×10-3mol·L-1，5×10-3、1×10-2mol·L-1實驗劑量組，探究Cr6+對三種不同品種玉米種子的毒害效應(yīng)。將種子于實驗室條件下常規(guī)培養(yǎng)后，分別測定不同Cr6+脅迫劑量下，三種玉米種子（鄭單958，強(qiáng)盛31，農(nóng)大108）的生長狀況，株高、根長、鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量以及脅迫前后超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）以及丙二醛（MDA）的含量變化。對不同劑量下Cr6+對三種玉米的生理特性影響進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明：5種不同濃度的Cr6+溶液對玉米種子進(jìn)行脅迫后，三種玉米的生長均受到了一定程度的抑制，玉米幼苗株高、根長、鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量均呈下降趨勢。在低劑量1×10-4mol·L-1時，即產(chǎn)生顯著影響（P＜0.05），且脅迫劑量越大，對玉米種子生長產(chǎn)生的抑制作用越強(qiáng)。三種不同的玉米種子體內(nèi)均產(chǎn)生了Cr6+富集現(xiàn)象，且隨著染毒劑量的增加，玉米體內(nèi)富集量增加，細(xì)胞葉綠素含量和葉綠素a/b比值降低，三種玉米品種幼苗POD活性、SOD活性以及MDA含量均隨暴露濃度增加而增加。在Cr6+暴露劑量為最大劑量1×10-2mol·L-1時，POD活性、SOD活性與MDA含量均增加至最大值。各劑量下，均有顯著性變化（P＜0.05）產(chǎn)生。由此可見，不同劑量的Cr6+對于三種玉米種子均會產(chǎn)生一定的毒害效應(yīng)，對玉米的生長產(chǎn)生不良影響。

Cr6+；玉米；SOD；MDA；POD

重金屬污染對植物生長發(fā)育具有較大的影響，重金屬離子被植物吸收、積累后會脅迫植物發(fā)生外在表型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、酶活性變化等方面的影響（Patricia，200；Nalini，2002）。鉻是污染環(huán)境的主要重金屬元素之一，它有多種價態(tài)，其中Cr3+和Cr6+較穩(wěn)定，在自然環(huán)境中常以Cr2O72-和CrO42-形式存在（Becquer等，2003；陳英旭等，1994）。Cr6+則相對于Cr3+鉻具有很強(qiáng)的活性、可隨水流自由移動、易被植物吸收，具有生物毒性持久穩(wěn)定等特點(diǎn)（Choudhury和Panda，2005；Sinha等，2007；Sharma等，2003）。鉻對植物有明顯的毒害作用，可以通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康造成嚴(yán)重的致癌致畸作用（徐衍忠等，2002；沈明珠等，1996）。鉻作為一種植物非必需元素，Cr6+通過運(yùn)輸必需元素的載體以主動運(yùn)輸形式被根部吸收并主要累積在根部（Shanker等，2004）。國內(nèi)一些學(xué)者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)了一些具有耐受鉻能力的植物，（鄭施雯等，2011；盧立晃等，2010），并且對Cr6+的生理特性方面也做了一些研究。Pandey等（2005）研究了Cr6+在植物體內(nèi)殘留對植物產(chǎn)生毒害作用。王愛云等（2011）研究了重金屬Cr對芥菜型油菜和四川黃籽的生理特性及富集影響，得出結(jié)論四川黃籽具有潛在的應(yīng)用價值。許多學(xué)者針對Cr6+對SOD、POD活性影響進(jìn)行了研究（徐成斌等，2008；鄭愛珍，2007；暢喜云等，2012）。玉米作為一種糧食作物，是我們?nèi)祟愂澄镦溨胁豢扇鄙俚谋匦杵罚钊肓私釩r6+脅迫下不同品種玉米幼苗的影響，有利于清楚地認(rèn)識到Cr對玉米生長的毒害作用，另一方面對含Cr廢物的處理提供一些實際參考，具有指導(dǎo)意義(丁佳紅等，2004；Scott和David等，1996)。為減少分析失誤，本實驗通過在種子萌發(fā)期直接脅迫來研究Cr6+對3種不同品種玉米幼苗生長及生理特性的影響，以期進(jìn)一步在重金屬對植物傷害的機(jī)理研究方面提供一些實際參考。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

供試材料：選取山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種苗公司的玉米種強(qiáng)盛31、河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所的玉米種鄭單958、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)許啟鳳教授成功選育的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)玉米品種農(nóng)大108作為實驗品種。

本實驗開始于2013年10月，實驗地點(diǎn)為遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院實驗室。每次選取54個培養(yǎng)皿進(jìn)行玉米培養(yǎng)。將大小、質(zhì)量、色澤、飽滿程度一致的3種玉米種子整齊地排列在鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中（總計54），每皿10粒，用不同濃度的Cr6+溶液（K2CrO7溶液）10 mL浸泡種子。使種子的暴露濃度分別為1×10-4(處理組I)、5×10-4(處理組II)、1×10-3mol·L-1(處理組III)，5×10-3(處理組IV)、1×10-2mol·L-1(處理組V)。對照組用去離子水同樣條件下培養(yǎng)，20～25 ℃條件下避光培養(yǎng)。每個處理組與對照組均設(shè)3個重復(fù)。以芽長超過0.1 cm為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，出芽培養(yǎng)7 d后進(jìn)行下一步處理。

稱取2.83 kg風(fēng)干土壤于花盆中，分別投加濃度為1×10-4(處理組I)、5×10-4(處理組II)、1×10-3mol·L-1(處理組III)，5×10-3(處理組IV)、1×10-2mol·L-1(處理組V)的鉻溶液，每個濃度組和對照組均設(shè)三次重復(fù)，使用保鮮膜將花盆口密封。室溫(20～25 ℃)條件下平衡15 d后，將10粒種子均勻播種于土壤中再加入離子水50 mL，密封，于室溫條件下，觀察發(fā)芽和生長，每組出土芽數(shù)大于60%時，打開密封袋，讓其自由生長，每天補(bǔ)充去離子水10～100 mL。

1.2 儀器與試劑

培養(yǎng)皿、花盆、溫度計、培養(yǎng)箱、燒杯、封口袋、研缽、玻璃棒、三角瓶、聚四氟乙烯坩堝、土壤粉碎機(jī)、植物粉碎機(jī)、濾紙、顯微鏡、格尺；乙醇等。

1.3 測定方法

取0.5 g葉片，加入5 mL提取液進(jìn)行冰浴研磨，混合液以12000 r·min-1，在4 ℃下離心15 min，上清液用于測定過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)及丙二醛(MDA)含量。

POD活性用愈創(chuàng)木酚法測定用?OD 470·g-1·min-1表示POD活性大小，用NBT光化還原法測定SOD活性，以抑制NBT光化還原50%為1個酶活性單位（黃輝等，2010）。

用硫代巴比妥酸比色法進(jìn)行MDA含量的測定，葉綠素的含量采用乙醇丙酮混合液法測定，細(xì)胞膜透性用DDS-11 A型電導(dǎo)率儀測定，Cr6+含量的測定采用石墨爐原子吸收光譜（劉祖祺和張石誠，1990）。

圖1 Cr6+脅迫對3種玉米幼苗生長的影響Fig.1 The effects of Cr6+on the growth of three species of young corns

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr6+對玉米種子幼苗生長的影響

脅迫培養(yǎng)6 d后，觀察測定幼苗的生長情況(圖1)。結(jié)果表明，隨Cr6+脅迫濃度的增加，玉米幼苗生長受抑制程度增強(qiáng)，不同玉米品種幼苗株高、根長、鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量等均明顯低于對照組。Cr6+處理濃度在1×10-2mol·L-1時，強(qiáng)盛31、農(nóng)大108、鄭單958的株高分別為對照的36.2%、50.8%、35.9%，各品種間株高差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。不同玉米品種幼苗根長在Cr6+濃度為0～5×10-4mol·L-1之間降幅明顯，隨后趨于平穩(wěn)，根的生長明顯受到抑制。在1×10-2mol·L-1Cr6+濃度處理下，不同玉米品種幼苗根長分別為對照組根長的11.6%、24.8%、13.9%，各品種間的差異顯著。隨Cr6+濃度增加，不同玉米幼苗鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量均呈下降趨勢。在1×10-2mol·L-1濃度Cr6+處理下農(nóng)大108的鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量最大。

2.2 Cr6+對不同品種玉米幼苗含鉻量的影響

隨著Cr6+濃度的增加，幼苗中Cr6+含量增高（表1）。由表1可知當(dāng)Cr6+處理濃度0.1×10-4mol·L-1時，幼苗吸收Cr6+的量較少，呈緩慢增長的趨勢。當(dāng)Cr6+處理濃度由1×10-4mol·L-1到1×10-2mol·L-1時各品種均出現(xiàn)了Cr6+富集現(xiàn)象，Cr6+的處理濃度達(dá)1×10-2mol·L-1時，幼苗含Cr6+量從大到小依次為鄭單958＞強(qiáng)盛31＞農(nóng)大108。品種間吸收Cr6+能力存在顯著性差異（P＜0.05），其中鄭單958吸收富集Cr6+能力較強(qiáng)。

2.3 Cr6+對葉片葉綠素含量的影響

圖2為Cr6+處理后葉綠素含量、葉綠素值a/b的變化情況。3種玉米幼苗葉片中葉綠素含量隨Cr6+脅迫劑量的增加而逐漸降低，在1×10-2mol·L-1時達(dá)到最小值。同對照組比較，3種玉米幼苗葉綠素的含量隨Cr6+濃度增加而逐漸減少，其中農(nóng)大108和鄭單958的下降幅度較大。葉綠素a/b的值也有一定的下降。作為衡量葉片衰老與否的生理指標(biāo)，葉綠素含量和葉綠素a/b的減少表明了Cr6+加速了植物葉片衰老。

2.4 Cr6+對葉片保護(hù)酶活性的影響

SOD、POD作為植物體內(nèi)的重要的保護(hù)酶。有相關(guān)的研究表明，提高SOD和POD的活性可以作為一種急性解毒有效措施，這樣可以使細(xì)胞避免受毒害的調(diào)節(jié)反應(yīng)，但是作為急性解毒辦法，它的這種調(diào)節(jié)能力是短暫、臨時有限的。長時間的脅迫細(xì)胞，會造成細(xì)胞內(nèi)的活性物質(zhì)（內(nèi)含酶）受到損傷，從而導(dǎo)致活性的下降。

由圖3可知，SOD、POD受Cr6+毒害變化顯著。當(dāng)Cr6脅迫濃度變大時，3種玉米種幼苗的SOD活性均變大。在Cr6+1×10-2mol·L-1濃度下處理農(nóng)大108、鄭單958和強(qiáng)盛31幼苗，前兩種玉米幼苗的SOD活性明顯高于后者。3種玉米幼苗的POD活性也隨Cr6+處理濃度的變大而變大，當(dāng)Cr6+處理濃度達(dá)到1×10-2mol·L-1時升至最高點(diǎn)。Cr6+處理的各品種間酶活性差異達(dá)到顯著水平。

表1 Cr6+脅迫對不同玉米品種幼苗含鉻量的影響Table 1 The amount of Chromium in different kindsof young corns under the pressure of Cr6+

圖2 Cr6+脅迫對3種玉米品種幼苗葉綠素含量、葉綠素值a/b的影響Fig.2 The effects of Cr6+on the amount of chlorophyll and chlorophyll (a/b) in three species of young corns

2.5 Cr6+對葉片膜脂過氧化及細(xì)胞膜透性的影響

有相關(guān)研究表明植物器官發(fā)生膜脂過氧化后的產(chǎn)物丙二醛會在植物器官處于衰老或逆境條件下時，嚴(yán)重?fù)p傷細(xì)胞膜系統(tǒng)。因此，膜脂過氧化的程度可以由丙二醛的含量得到反映。從圖4可以看出，3個玉米品種幼苗丙二醛的含量都隨著Cr6+脅迫濃度的增加而增加，其中以強(qiáng)盛31的增加速度最快，表明隨Cr6+濃度提高幼苗過氧化程度加劇，且存在基因型差異。由圖5可知，當(dāng)Cr6+脅迫濃度的增加時電導(dǎo)率也相應(yīng)變大。當(dāng)Cr6+濃度1×10-4mol·L-1處理時，電導(dǎo)率升高趨勢并未同MDA一樣明顯，但當(dāng)Cr6+處理濃度大于5×10-3mol·L-1時，電導(dǎo)率和MDA變化較相似，說明膜脂過氧化是影響膜透性的一個重要因素，但也可能還存在著其他的因素造成膜損傷。

圖3 Cr6+脅迫對3種玉米品種幼苗SOD、POD活性的影響Fig.3 The effects of Cr6+on the activity of SOD and POD in three species of young corns

圖4 Cr6+脅迫對3種玉米品種幼苗丙二醛含量的影響Fig.4 The effects of Cr6+on the amount of MDA in three species of young corns

圖5 Cr6+脅迫對3種玉米品種幼苗膜透性的影響Fig.5 The effects of Cr6+on the permeation of membrane in three species of young corns

3 結(jié)論

1）在被Cr6+污染的土地上種植3種不同品種的玉米，玉米幼苗的生長均會受到抑制，不同品種的玉米幼苗株高、根長、鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量等均有所下降。土壤中的Cr6+濃度越大，這種抑制作用就越強(qiáng)。

2）隨著土壤中Cr6+濃度的增加，3種玉米幼苗含Cr6+量相應(yīng)提高，均出現(xiàn)Cr6+富集現(xiàn)象。玉米種子內(nèi)Cr6+富集濃度越大，植株的葉綠素含量和葉綠素a/b比值越小，對玉米植物葉片衰老的作用越強(qiáng)。

3）土壤中Cr6+脅迫濃度的增加，3個玉米品種幼苗SOD活性、POD活性均隨Cr6+濃度增加而增強(qiáng)，不同劑量的Cr6+對于三種玉米種子均會產(chǎn)生一定的毒害效應(yīng)，對玉米的生長產(chǎn)生不良影響。

4）在一定劑量范圍內(nèi)，隨著Cr6+脅迫濃度的增加，玉米體內(nèi)丙二醛MDA的含量與細(xì)胞電導(dǎo)率均逐漸增加。且MDA含量越大，細(xì)胞膜透性影響越大，對玉米細(xì)胞膜的損傷作用越強(qiáng)。

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Effects of Cr6+on Physiological Characteristics of Three Species of Corns

MA Xiping, LI Xianzhu, SHEN Yubing, LI Wanlong, ZHANG Hongliang, WANG Di, XU Chengbin*
Environmental Institute, Liaoning University, Shenyang 110036, China

To study the toxicity effect of Cr and the long-term chromic slag dumps' impact on the surrounding ecological environment and the present status for chromic slag pollution. Three different kinds of maize seeds (Zhengdan 958, Qiangsheng 31, Nongda 108) were divided into the controls, 1×10-4, 5×10-4, 1×10-3mol·L-1, 5×10-3, 1×10-2mol·L-1Cr6+to determine the toxicity effect to the maize. The seeds were routine cultured in the laboratory, then the plant height, root height, plant dry weight, wet weight, the chlorophyll content and the changes of the activity of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and malondialdehyde (MDA) were measured. The results shown that compared with the controls, the plant height, root height, plant dry weight and wet weight decreased respectively in dose-effect manner following the rising Cr6+. The change tendency showed significant differences (P＜0.05) with 1×10-4mol·L-1Cr6+. As the content of Cr6+increased, the chlorophyll content was decerased and the activities of dismutase (SOD), peroxidase (POD) and malondialdehyde (MDA) were gradually increased. The statistically significant differences (P＜0.05) were observed at each dose of experimental group. The Cr6+could cause toxicity effect of maize seeds and do harm for the growth of the maize.

Cr6+; Corn; SOD; MDA; POD

X171.5

A

1674-5906（2014）09-1482-05

馬溪平，李鮮珠，沈玉冰，李萬龍，張宏亮，王迪，徐成斌. Cr6+對3種玉米品種的生理特性影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2014, 23(9): 1482-1486.

MA Xiping, LI Xianzhu, SHEN Yubing, LI Wanlong, ZHANG Hongliang, WANG Di, XU Chengbin. Effects of Cr6+on Physiological Characteristics of Three Species of Corns [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 23(9): 1482-1486.

2011年遼寧省科學(xué)技術(shù)計劃項目(2011230009)；遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院重點(diǎn)學(xué)科資助項目

馬溪平(1957年生)，女，教授，碩士，研究方向為流域生態(tài)學(xué)與生態(tài)修復(fù)。E-mail: maxiping@163.com *通信作者(責(zé)任作者)；E-mail: xuchengbin80@163.com

2014-07-13