外源硫化氫對(duì)鋁脅迫下水稻幼苗生長(zhǎng)及生理生化的影響

孟丹+劉玲+陳露+周思敏+安敏敏+羅玉明+楊立明

摘要：探究硫化氫（H2S）對(duì)鋁脅迫下水稻幼苗生長(zhǎng)的影響，以硫氫化鈉（NaHS）作為硫化氫的供體，分別采用0.2、0.4 mmol/L NaHS，75 μmol/L AlCl3，75 μmol/L AlCl3與0.2 mmol/L NaHS，75 μmol/L AlCl3與0.4 mmol/L NaHS處理水稻幼苗。結(jié)果表明，低濃度鋁離子對(duì)水稻幼苗根的生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯的抑制效果，株高、根長(zhǎng)、鮮重、干重和生物量均下降，葉片葉綠素含量，可溶性蛋白含量和SOD活性下降。而H2S供體NaHS能夠顯著緩解AlCl3的脅迫作用，其中 0.4 mmol/L NaHS緩解AICl3脅迫的效果最為顯著。

關(guān)鍵詞：水稻；鋁脅迫；硫化氫；生物量；生理生化指標(biāo)

中圖分類號(hào)： S511.01文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）06-0063-03

收稿日期：2013-09-11

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號(hào)：CX（12）3048]；淮陰師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（編號(hào)：201210323006）；國(guó)家級(jí)及江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（編號(hào)：2012JSSPITP2485）。

作者簡(jiǎn)介：孟丹（1992—），女，江蘇淮安人，研究方向?yàn)橹参镔Y源與生物技術(shù)。E-mail：chenlu1201@163.com。

通信作者：楊立明，博士，副教授，研究方向?yàn)橹参锷锛夹g(shù)。E-mail：yanglm@hytc.edu.cn。土壤中重金屬對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了嚴(yán)重的不良影響，而鋁對(duì)植株產(chǎn)生的毒害主要表現(xiàn)在根尖的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)受到明顯抑制[1-2]，根變得粗短而脆，根冠易于脫落，表皮脫落，側(cè)根變粗短，分枝根變少，根毛易脫落，根的生物量有一定程度的降低[3]。根尖受到鋁的毒害并被鋁富集，根系的生長(zhǎng)受抑制，影響水分和養(yǎng)料（鈣、鎂、磷等）的吸收、運(yùn)輸和利用[4-6]，最終影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

Jan等采用高濃度Al（560 pmol/L）處理敏感水稻品種時(shí)，不僅根相對(duì)較短，根尖易卷曲，短粗，而且葉子短小、卷曲、枯萎變黃[7]。鋁毒害最主要的癥狀就是快速抑制了根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)[8]，Yamamoto等研究發(fā)現(xiàn)富集在細(xì)胞中的鋁很快就抑制了線粒體的活性，線粒體功能紊亂，從而產(chǎn)生大量的活性氧（ROS）、顯著抑制細(xì)胞的呼吸作用以及ATP合成嚴(yán)重受阻[9]。何龍飛等也證明鋁脅迫造成花生根系細(xì)胞中線粒體膜發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化，導(dǎo)致氧自由基和丙二醛（MDA）的大量積累，SOD和POD活性的上升[10]。也有研究認(rèn)為鋁可直接造成膜脂的過(guò)氧化作用[11]。植物體內(nèi)存在著一套抗氧化系統(tǒng)，用來(lái)控制活性氧水平，它包括專性的抗氧化酶類，如超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）等，以及非專性的抗氧化物，如谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸（ASA）、維生素E等[12]。

硫化氫（H2S）作為植物體內(nèi)的一種氣體信號(hào)分子，在作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。相關(guān)研究表明，H2S參與調(diào)節(jié)種子萌發(fā)、根和葉片發(fā)育、氣孔運(yùn)動(dòng)、光合作用、物質(zhì)代謝、衰老等植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，并可以有效地緩解植物體應(yīng)答鹽、高溫、滲透、干旱等非生物脅迫的損傷[13]。

本研究擬采用信號(hào)分子硫化氫的供體硫氫化鈉處理鋁脅迫下的水稻幼苗，觀察幼苗表型、生理生化指標(biāo)的變化，以明確硫化氫對(duì)鋁脅迫下水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

1材料與方法

1.1材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用水稻品種為kasalath。挑選顆粒飽滿、大小一致的種子，洗凈后用水浸泡，然后在26～28 ℃溫箱中保溫催芽，挑出露白一致的種子播于紗網(wǎng)上，將催芽4～6 d的幼苗，即當(dāng)苗長(zhǎng)至1葉1心時(shí)，選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的幼苗，用海綿松松地包裹，嵌入打孔泡沫板（嵌入深度1.5 cm）中，移至盛有2 L的 1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液塑料箱中培養(yǎng)，在HP1000GS型智能人工氣候箱中培養(yǎng)。晝/夜溫度分別為28、26 ℃，RH為70%～80%。幼苗適應(yīng)生長(zhǎng)1 d后，進(jìn)行處理分別為CK（對(duì)照），A：0.2 mmol/L NaHS；B：0.4 mmol/L NaHS；C：75 μmol/L AlCl3；D：75 μmol/L AlCl3與0.2 mmol/L NaHS；E：75 μmol/L AlCl3與 0.4 mmol/L NaHS，共6個(gè)處理，每個(gè)處理60株苗，每處理3個(gè)重復(fù)，每2 d更換1次培養(yǎng)液，共處理3次。

1.2植株性狀

取不同處理的水稻幼苗各10株，測(cè)量株高及根長(zhǎng)，每隔1 d測(cè)量1次。處理后6 d取樣，用吸水紙吸干表面水分，分析天平稱鮮質(zhì)量。將稱完鮮質(zhì)量后的幼苗放在報(bào)紙中包好，在105 ℃條件下殺青15 min后于75 ℃烘干至恒重，稱干質(zhì)量。計(jì)算根冠比：

根冠比=地下部鮮質(zhì)量（g）/地上部鮮質(zhì)量（g）。

1.3生理指標(biāo)的測(cè)定

葉綠素含量的測(cè)定：采用乙醇丙酮浸提比色法[14]；可溶性蛋白含量的測(cè)定：考馬斯藍(lán)染色結(jié)合法[15]；超氧化物歧化酶 （SOD）活性測(cè)定：采用NBT還原法測(cè)定SOD活性[15-16]。

1.4數(shù)據(jù)處理

用SPSS 16.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1鋁脅迫條件下水稻幼苗形態(tài)對(duì)H2S的反應(yīng)

2.1.1H2S對(duì)鋁脅迫條件下水稻幼苗株高和根長(zhǎng)的影響在單獨(dú)NaHS處理時(shí)，均可促進(jìn)水稻幼苗株高和根長(zhǎng)的生長(zhǎng)，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理4 d后，株高分別增加20.94%、58.28%，根長(zhǎng)分別增加14.63%、31.25%，表明0.4 mmol/L NaHS可顯著促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)，尤其是地上部的生長(zhǎng)（圖1至圖3）。在鋁單獨(dú)處理下，幼苗生長(zhǎng)量與對(duì)照相比，株高下降3808%，根長(zhǎng)下降11.13%，表明鋁處理可嚴(yán)重影響地上部的生長(zhǎng)。當(dāng)用0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，與鋁單獨(dú)處理比較時(shí)，株高分別增加25.67%、881%，根長(zhǎng)分別增加2.95%、16.36%，表明0.4 mmol/L NaHS能夠顯著緩解鋁對(duì)水稻幼苗的毒害，使地上部的生長(zhǎng)接近正常值，恢復(fù)幼苗的生長(zhǎng)能力，但對(duì)根部的生長(zhǎng)緩解效果不顯著。

2.1.2H2S對(duì)鋁脅迫條件下水稻幼苗根冠比的影響在單獨(dú)NaHS處理幼苗時(shí)，NaHS能夠顯著提高根冠比，特別是 0.4 mmol/L NaHS處理的根冠比與對(duì)照比較，增加42.81%，表明0.4 mmol/L NaHS顯著促進(jìn)了根部生物量的積累。在鋁單獨(dú)處理下，幼苗的根冠比與對(duì)照比較，下降4114%，說(shuō)明鋁嚴(yán)重影響根系的生長(zhǎng)和生物量的積累，進(jìn)而影響地上部的生長(zhǎng)。0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下幼苗的根冠比比鋁單獨(dú)處理時(shí)，分別增加61.71%、93.72%，說(shuō)明 0.4 mmol/L NaHS可顯著緩解鋁對(duì)幼苗根系生長(zhǎng)的脅迫，幼苗生長(zhǎng)趨于正常值（圖4）。

2.1.3H2S對(duì)鋁脅迫條件下水稻幼苗生物量的影響從圖5可以看出，在單獨(dú)NaHS處理幼苗時(shí)，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理的生物量與對(duì)照比較，葉片的生物量分別增加10.80%，23.24%，根生物量分別增加17.56%、37.16%，表明 0.4 mmol/L NaHS對(duì)幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用更好。與對(duì)照比較，在鋁單獨(dú)處理下，水稻葉片幼苗的生物量下降9.00%，表明鋁對(duì)幼苗地上部的生長(zhǎng)產(chǎn)生毒害作用，影響水稻幼苗的生理代謝。用0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，與鋁單獨(dú)處理時(shí)比較，葉片生物量分別增加4.74%、1343%，表明 0.4 mmol/L NaHS可顯著緩解鋁對(duì)幼苗地上部生長(zhǎng)的脅迫。

2.2H2S緩解鋁條件脅迫條件下水稻幼苗生理指標(biāo)的效應(yīng)

2.2.1H2S對(duì)鋁脅迫條件下水稻葉片葉綠素含量的影響由圖6可知，在單獨(dú)NaHS處理時(shí)，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理葉綠素含量比對(duì)照分別增加24.37%、38.73%，方差分析表明前者差異不顯著，后者差異顯著，表明0.4 mmol/L NaHS可有效促進(jìn)水稻幼苗的光合作用，增加葉綠素含量。

在鋁單獨(dú)處理?xiàng)l件下，水稻幼苗葉綠素含量比對(duì)照下降41.25%，處理間差異極顯著，表明鋁處理導(dǎo)致葉綠素的合成嚴(yán)重受阻，使葉綠體內(nèi)的類囊體降解，大大降低了光合作用。

當(dāng)用0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，葉綠素含量比鋁單一處理時(shí)分別增加2.56%，65.35%，前者差異不顯著，后者差異顯著，表明0.4 mmol/L NaHS能夠顯著緩解鋁對(duì)水稻幼苗的毒害，葉綠素含量增加，增強(qiáng)了光合作用

的效率。

2.2.2H2S對(duì)鋁脅迫條件下水稻幼苗可溶性蛋白含量的影響在單一NaHS處理時(shí)，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理幼苗的可溶性蛋白含量比對(duì)照分別增加3.61%、15.84%，處理間差異不顯著，表明 NaHS能夠促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，但效果不顯著）。

在鋁單一處理下，水稻幼苗可溶性蛋白含量比對(duì)照下降30.79%，處理間差異顯著，表明在鋁脅迫下，蛋白質(zhì)的合成顯著受阻，分解加快，含量降低。

當(dāng)用0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，蛋白質(zhì)含量比鋁單一處理時(shí)分別增加2.89%、21.40%，處理間差異不顯著，表明NaHS能緩解鋁對(duì)幼苗的毒害，但效果不顯著。

2.2.3H2S對(duì)鋁脅迫條件下水稻幼苗SOD活性的影響由圖8可看出，在單一NaHS處理時(shí)，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理幼苗的SOD活性比對(duì)照分別增加52.92%、9.90%，前者差異顯著，后者差異不顯著，說(shuō)明0.4 mmol/L NaHS處理水稻幼苗比較合理，可有效提高植株生長(zhǎng)效率的同時(shí)對(duì)植株的拮抗作用最小。

在鋁單一處理下，水稻幼苗SOD活性比對(duì)照下降3564%，處理間差異不顯著，說(shuō)明在鋁脅迫下，植株體內(nèi)活性氧自由基產(chǎn)生的速度超出了植物清除自由基的能力，破壞了水稻體內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)，使SOD活性降低，最終使 O-2· 和H2O2活性氧在體內(nèi)積累，引起傷害，但效果不顯著，可能是鋁濃度低了。

用0.2、0.4mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，SOD活性比鋁單一處理時(shí)分別增加18.03%、59.02%，處理間差異不顯著，但是0.4 mmol/L NaHS緩解鋁脅迫下水稻幼苗的SOD活性效果顯著。

3結(jié)論

鋁脅迫對(duì)水稻幼苗的生長(zhǎng)具有顯著的毒害作用，表現(xiàn)為水稻植株矮小，葉片失綠，植株鮮重、干重下降，同時(shí)抗氧化酶活性下降，可溶性蛋白質(zhì)合成受阻，分解加快，降解為小分子化合物，含量降低。但NaHS處理后，可有效緩解鋁脅迫，特別是0.4 mmol/L NaHS處理，能有效提高植株生長(zhǎng)效率如株高、根長(zhǎng)、生物量；葉綠素、可溶性糖、蛋白含量增加，對(duì)植株的拮抗作用最小，能夠使鋁脅迫下的水稻生理生化指標(biāo)趨于正常值，幼苗生長(zhǎng)得到有效保護(hù)。

研究結(jié)果，我們推斷H2S在種子內(nèi)部應(yīng)該是作為一種重要的信號(hào)物質(zhì)來(lái)調(diào)控水稻幼苗的抗氧化過(guò)程，緩解鋁脅迫的作用機(jī)制可能是參與激活了1條以H2O2中間物質(zhì)的抗氧化信號(hào)途徑，從而提高幼苗在逆境的耐受性。

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