硒對紫花苜蓿葉片光合特性的影響

代惠萍,趙 樺,賈根良,李新生,徐 皓,裴金金,吳三橋，江 海

(1.陜西理工學院 陜西省資源生物重點實驗室,陜西漢中 723001; 2.陜西理工學院 生物科學與工程學院,陜西漢中 723001; 3.陜南秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西漢中 723001; 4.蘭州大學生命科學學院 甘肅省環(huán)境生物監(jiān)測與修復重點實驗室,甘肅蘭州 730000; 5.西北農(nóng)林科技大學理學院,陜西楊凌 712100)

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硒對紫花苜蓿葉片光合特性的影響

代惠萍1,2,3,4,趙 樺2,賈根良5,李新生1,徐 皓2,裴金金1,吳三橋2，江 海2

(1.陜西理工學院 陜西省資源生物重點實驗室,陜西漢中 723001; 2.陜西理工學院 生物科學與工程學院,陜西漢中 723001; 3.陜南秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心,陜西漢中 723001; 4.蘭州大學生命科學學院 甘肅省環(huán)境生物監(jiān)測與修復重點實驗室,甘肅蘭州 730000; 5.西北農(nóng)林科技大學理學院,陜西楊凌 712100)

以紫花苜蓿品種大葉苜蓿為試材,研究硒(Se)不同濃度(0、100、900 μmol/L)處理對新疆大葉苜蓿葉片生物量、硒含量和光合色素的影響。結果表明,隨著脅迫時間的延長,在第60 d時,硒脅迫組的紫花苜蓿葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量、類胡卜素含量、硒積累量和生物量均比對照增加。綜合表明,紫花苜蓿葉片具有較強的富Se能力。

硒脅迫,光合色素,紫花苜蓿

硒(Se)是人和動物必需的微量元素,而植物在自然界硒循環(huán)轉化、人類健康領域具有重要地位和作用,使得近年來植物硒研究領域也受到普遍關注[1]。同時,硒是人和動物體內谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-Px)的組成成分,且GSH-Px可以消除脂質過氧化物的毒性作用[2-4]。當環(huán)境中的硒過量可導致機體產(chǎn)生疾病、動物胚胎發(fā)育不正常甚至死亡[5]。且過量硒對植物產(chǎn)生毒害,植物出現(xiàn)中毒癥狀,生長及生理活動受到抑制,植物細胞對硒的毒性最敏感的部位是一些特殊的和基本反應中需要S的部位,低濃度的Se對植物吸收S的影響不大,反而會刺激作物的一些生理反應。但當大量的Se取代S進入植物組織中,一些酶的疏基(-GSH)就會失去作用,含硒的疏基干擾細胞的正常生化反應和酶的功能[6-7]。同時,Se能夠預防和抑制鎘、砷、汞、銀等有毒元素對機體的傷害[8-9]。在食物鏈中,由于Se主要來源于植物并最終來源于土壤,土壤中Se的含量、形態(tài)和作物對Se的吸收轉化等都直接影響著食物鏈中Se水平[9-10]。因此,土壤中的Se一直是研究熱點話題。

紫花苜蓿(MedicagosativaL)不僅是食品、飼料的重要來源,也在紡織、造紙等工業(yè)方面有著廣泛的用途[4]。代惠萍等[4]研究證實,紫花苜蓿對Se具有較高的富集能力,它生物量大,生長周期長,抗干旱和病蟲害能力強,是一種潛在的、應用前景較好的重金屬污染土壤修復植物。隨著紫花苜蓿深加工的發(fā)展,污染的土壤上種植紫花苜蓿,收割后作為工業(yè)用途,避免紫花苜蓿體內的重金屬進入食物鏈,對促進苜蓿產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展,保障環(huán)境安全具有重要的現(xiàn)實意義。

本研究通過添加外源Se,初步探討Se脅迫對紫花苜蓿葉片的生長特性、Se積累量和光合色素積累的影響,為富硒紫花苜蓿在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境和預防硒缺乏促進健康等綜合開發(fā)利用方面提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 材料與儀器

紫花苜蓿 品種“新疆大葉苜?！?種子來源于西北農(nóng)林科技大學動物科學學院。供試土壤 陜西理工學院生物工程學院實驗地的園田土,采用園田土、草炭、蛭石,按照(3∶1∶1)的體積比充分混勻,自然風干(土壤含水率在≤2%),過2 mm篩。然后取若干土樣做本底值測試,并將其余土分裝于塑料盆中。

Na2SeO3分析純 成都西亞化工股份有限公司；硒標準液(1.000 g/L),國家二級標準物，超純水(電阻率>18.25 MΩ·cm),鐵氰化鉀，65%濃硝酸(優(yōu)級純)，30%過氧化氫(分析純)，丙酮 國藥集團化學試劑公司。微波消解儀Mars6 美國CEM公司；PF6-2原子熒光分光光度計 北京普析通用儀器責任有限公司；UV2550分光光度計 日本島津；UPT-I-10超純水機 優(yōu)譜科技有限公司。

1.2 實驗設計

采用盆栽法,用25 cm×16 cm塑料盆,每盆土壤質量約2 kg。于2014年3月播種,選飽滿、無病蟲害苜蓿種子,用0.1%的HgCl2消毒10 min,每盆播種20粒,在自然光照條件下培養(yǎng),出芽15 d后間苗,每盆留15株長勢均勻的幼苗。植株生長期間用Hoagland營養(yǎng)液澆灌,苜蓿幼苗生長2個月后,在去離子水中分別加入亞硒酸鈉(Na2SeO3)母液配成不同質量濃度的處理液,施入土壤中,形成0(CK,硒虧缺)、100(低濃度硒)、900 μmol/L(高濃度硒),3個處理,每處理重復6次,共18盆。培養(yǎng)期間,采用稱重法,補充消耗的水分。在脅迫20、40、60 d時進行收獲,選擇生長基本一致的植株,每個處理收獲12株,將每株葉片分開,迅速用液氮速凍,保存于-80 ℃冰箱中,進行相關指標測定。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生物量 不同濃度Se脅迫后20、40、60 d時進行取樣,每個處理取12株,將每株的葉片分開,并用去離子水沖洗。然后烘箱內100 ℃殺青15 min,80 ℃下烘至恒質量。之后用萬分之一天平稱量地上部干質量。

1.3.2 Se含量 將1.3.1中測定過干質量的葉片樣品,粉碎成粉末,65%(w/v)HNO3消解,用原子吸收分光度計測定Se含量[6]。

1.3.3 光合色素含量的測定 將葉片剪碎混勻,80%(m/V)丙酮浸提法[11]。葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量參照Dai等[12]方法計算。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用統(tǒng)計軟件SPSS 12進行統(tǒng)計分析。One-Way ANOVA方差分析比較不同字母是表示相同時間,不同處理組的差異,通過LSD法進行差異顯著性(p<0.05)分析。

2 結果與分析

2.1 硒對紫花苜蓿葉片生物量的影響

圖1可見,Se脅迫條件下,在20 d時,隨著硒濃度的增加,苜蓿葉片生物量呈先增加后降低的變化趨勢,但不同濃度間差異不顯著(p>0.05),在40 d時,隨著脅迫濃度增加葉片生物量呈上升趨勢,且差異顯著(p<0.05),然而,在第60 d時,隨著脅迫濃度增加,葉片生物量呈先增加后降低變化趨勢,與對照相比分別增加了11.8%和7.0%,因而表明在適宜硒可促進紫花苜蓿的生長,當硒濃度過量抑制植物生物量積累。

圖1 硒對紫花苜蓿葉片生物量的影響Fig.1 Effects of Se stress on the accumulation of biomass in the leaves of Medicago sativa

2.2 硒對紫花苜蓿葉片硒含量的影響

圖2可見,Se脅迫條件下,隨著脅迫時間延長,參試紫花苜蓿葉片Se含量呈增加趨勢,在20 d和40 d時,大葉苜蓿葉片Se含量顯著高于相應對照,且差異顯著(p<0.05),在第60 d時,硒脅迫組紫花苜蓿葉片Se的含量分別比對照顯著提高了19.6倍和37.4倍(p<0.05)。

圖2 硒對紫花苜蓿葉片Se積累量的影響Fig.2 Effects of Se stress on the accumulation of Se in the leaves of Medicago sativa

2.3 硒對紫花苜蓿葉片葉綠素含量的影響

圖3 硒對紫花苜蓿葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素、類胡蘿卜素含量的影響Fig.3 Effects of Se stress on the contents of Chla, Chlb, Chla+b, Carotenoids in the leaves of Medicago sativa

圖3表明,在Se脅迫下,不同時間不同濃度Se脅迫的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量呈相似的變化趨勢,且與對照均達到顯著水平(p<0.05)。在20 d后,隨著硒含量的增加,參試苜蓿葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量呈先上升后降低的變化趨勢;在第40 d時,與20 d時Se脅迫葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量含量呈相似的變化趨勢,且不同處理組之間差異顯著(p<0.05)。而在900 μmol/L Se脅迫下,類胡蘿卜素含量與對照差異不顯著(p>0.05);在第60 d時,大葉苜蓿葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量均顯著高于對照35.2%和31.0%;52.1%和35.8%;40.1%和32.4%;55.3%和43.6%,且差異顯著(p<0.05)。隨著脅迫時間延長,說明在100 μmol/L Se濃度硒顯著提高了大葉苜蓿葉片葉綠素和類胡蘿卜素積累的量,進而有效地促進了硒脅迫對光合色素合成,當900 μmol/L Se脅迫時,苜蓿葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素含量開始下降,說明光合色素合成受到抑制。

3 討論與結論

關于硒對植物生長的影響,硒對植物生長發(fā)育的影響具有兩面性,低濃度硒處理可促進植物的生長與發(fā)育,而高濃度硒處理則會對植物產(chǎn)生毒害[13]。本實驗表明,在第40 d,不同濃度硒處理下紫花苜蓿生物量和硒含量顯著高于對照,在第60 d時,不同濃度Se脅迫下,生物量積累與對照相比增加了11.8%和7.0%。表明在低濃度硒脅迫對紫花苜蓿的生長具有一定的促進作用,由于硒累積產(chǎn)生毒害作用,導致生物量下降。

植物對硒的吸收量與植物種類有很大關系,隨土壤施硒量的增加,大蒜硒積累量呈下降趨勢[14],常琳琳[15]等研究表明,土壤施硒可以明顯提高鴨兒芹根莖葉中硒的含量。本實驗表明,通過土壤施硒可以使紫花苜蓿具有較高的富硒量,不同濃度Se脅迫在第60 d時,葉片硒含量分別為1.8～47.5 mg/kg,均與施硒量呈顯著的正相關,說明在高濃度Se脅迫下,紫花苜蓿葉片有較強的積累能力,且葉正是人們常食用的部位,這為紫花苜蓿富硒產(chǎn)品及其富硒農(nóng)畜產(chǎn)品的研制提供可靠的理論依據(jù)。

葉片葉綠素含量作為植物的重要功能性狀指標可以較好地反映其對非生物脅迫的生理響應[15]。高濃度Se抑制了PSⅡ的電子傳遞過程,減弱了光合作用強度,降低葉綠素的合成,其Se脅迫加速活性自由基的產(chǎn)生,導致葉綠素含量的降低,最終引起光合速率的下降[16]。薛瑞玲[17]等和Ramos[18]等研究表明,在小白菜和萵苣菜中發(fā)現(xiàn)適當濃度的外源Se(Ⅳ)和Se(Ⅵ)均提高其抗氧化作用,促進了葉綠素的合成和生長。本實驗證明,硒可以提高大葉苜蓿葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總和和類胡蘿卜素含量,這與夏永香[19]等研究結果一致,適量的硒可以顯著提高葉綠素含量,可促進葉綠素合成酶(如:膽色素原脫氨酶、原葉綠素酸酯還原酶、8-氨基乙酰丙酸合成酶)的-SH結合有關。Li[20]等研究指出,適當濃度硒可促進植物對Ca、Mg、Mn、Zn、P、K等元素的吸收,而這些元素大多數(shù)能促進或參與葉綠素的合成過程。因此,硒提高葉綠素含量可能是通過促進對葉綠素合成有益元素的吸收來實現(xiàn)的。

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Effects of Se stress on photosynthetic pigments in the leaves ofMedicagosativaL.

DAI Hui-ping1,2,3,4,ZHAO Hua2,JIA Gen-liang5,LI Xin-sheng1, XU Hao2,PEI Jin-jin1,WU San-qiao2,JIANG Hai2

(1.Shaanxi Province Key Laboratory of Bio-resources,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China; 2.College of Biological Science & Engineering,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,China; 3.Qinling-Bashan Mountains Bioresources Comprehensive Development, Collaborative Innovation Center,Hanzhong 723001,China; 4. Gansu Key Laboratory of Biomonitoring and Bioremediation for Environmental Pollution, School of Life Sciences,Lanzhou University,Lanzhou 730000; 5.College of Science,Northwest A&F University,Yangling 712100,China)

Potexperimentswasconductedtoinvestigatethebiomass,selenium(Se)accumulationandphotosyntheticpigmentsofMedicago sativaL.underseleniumstress(0,100,900μmol/L).After60daysofSeexposure,theresultswasindicatedthatthecontentsofchlorophylla,chlorophyllb,totalchlorophyll,carotenoids,seleniumaccumulationandbiomassweregraduallyincreasedwiththeadditionofSeintheleavesofMedicago sativaL.,comparedtothecontrol.Thus,itwasconcludedthatMedicago sativaL.hadhighseleniumresistance.

seleniumstress;photosyntheticpigments;Medicage sativaL.

2016-04-21

代惠萍(1972-)，女，博士，副教授，主要從事植物營養(yǎng)學研究，E-mail：daihp72@aliyun.com。

陜西省自然基金項目(2015JM3086)；陜西省教育廳重點實驗室項目(15JS019)；陜南秦巴山區(qū)生物資源綜合開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新項目(QBXT-Z(P)-15-7)；陜西省科技廳項目(2015SZS-15-05)。

TS201.4

A

1002-0306(2016)19-0363-04

10.13386/j.issn1002-0306.2016.19.062