外源脯氨酸對鎳脅迫下小麥幼苗生長的影響

巴青松，張根生，張典典，李桂萍，宋運(yùn)賢，陶興魁，胡玉玲，傅兆麟

(1.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/資源植物生物學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮北 235000；2.宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，安徽宿州 234000)

外源脯氨酸對鎳脅迫下小麥幼苗生長的影響

巴青松1，張根生1，張典典1，李桂萍1，宋運(yùn)賢1，陶興魁2，胡玉玲1，傅兆麟1

(1.淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/資源植物生物學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽淮北 235000；2.宿州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，安徽宿州 234000)

脯氨酸；鎳脅迫；活性氧代謝；小麥

鎳是植物必需的一種微量元素，同時也是重金屬污染物[1]。過量的鎳進(jìn)入土壤后，會在土壤中富集，抑制植物生長；進(jìn)入植物體的鎳還可通過食物鏈直接或間接危害人體健康[2]。研究發(fā)現(xiàn)，植物的許多金屬毒害均與活性氧代謝平衡被破壞而引起的活性氧大量積累密切相關(guān)，從活性氧代謝角度研究鎳脅迫下植物的生理變化，可能有利于揭示植物鎳中毒的生理機(jī)制。脯氨酸(Pro)是有效的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可與重金屬形成絡(luò)合物，降低金屬離子的活性[3]；還可以清除細(xì)胞內(nèi)活性氧(Reactive oxygen species，ROS)以維持膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，緩解氯化鈉和鎘脅迫對植物的影響[4-5]。關(guān)于外源脯氨酸對鎳脅迫下小麥幼苗根系生長和活性氧代謝的影響還少見報道。因此，本試驗(yàn)抑研究鎳脅迫下，外源Pro對小麥幼苗根系生長和活性氧代謝的影響，為揭示植物鎳中毒生理機(jī)制、提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)計(jì)

供試材料為小麥品種輪選988。

取均勻、飽滿種子，0.1%HgCl2消毒后，清水浸泡24 h，平鋪在放有濾紙的培養(yǎng)皿上。于25 ℃、200 μmol·m-2·s-1光照強(qiáng)度、光暗比12/12的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天加入適量去離子水。水培一周后，用體積相同含有100 μmol·L-1NiSO4和不同濃度脯氨酸(0、1、2.5、5、7.5、10、15、12.5、15和20 mmol·L-1)的溶液分別培養(yǎng)，分別記作T0、T1、T2.5、T5、T7.5、T10、T12.5、T15和T20，以蒸餾水培養(yǎng)的為對照(CK)。每天更換一次處理液，每個處理30株幼苗，每個處理3次重復(fù)，處理7 d后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定。

1.2 測定項(xiàng)目與方法

1.2.1 小麥幼苗生長指標(biāo)的測定

處理7 d后，隨機(jī)取30株小麥幼苗，測定其株高、根長、根鮮重和根干重。

1.2.2 小麥幼苗根系生理指標(biāo)的測定

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPASS 19.0和 Sigma Plot 10.0軟件分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源Pro對鎳脅迫下小麥植株生長指標(biāo)的影響

由表1可以看出，外源Pro對Ni2+脅迫小麥幼苗的生長有顯著影響，隨外源Pro濃度的升高，小麥幼苗的形態(tài)指標(biāo)呈先上升后下降的趨勢，以T5處理效果最好。T5和T0處理相比較，根長、株高、鮮重和干重分別提高了24.8%、12.5%、16.0%、20.0%，均有顯著差異。說明5 mmol·L-1外源Pro對100 μmol·L-1NiSO4脅迫小麥幼苗的生長有明顯促進(jìn)作用，可有效緩解鎳對小麥幼苗生長的毒害程度。

2.2 外源Pro對鎳脅迫下小麥根系抗氧化酶活性的影響

由表2可知，T5處理下，小麥根系四種被測抗氧化酶的活性較單獨(dú)Ni2+處理均顯著提高。SOD、POD、APX和CAT酶活分別升高了54.30%、43.00%、13.08%和67.67%。由此可見，5 mmol·L-1外源Pro可以提高小麥幼苗中上述四種酶的活性，緩解鎳脅迫對小麥幼苗的毒害程度。

表1 外源Pro對鎳脅迫下小麥植株生長指標(biāo)的影響

同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different letters following data mean significant difference among different treatments at 0.05 level.The same below.

表2 外源Pro對鎳脅迫下小麥根系SOD、 POD 、CAT、APX活性的影響

圖柱上不同字母表示處理間差異顯著。下同。

Different letters above columns mean significant difference among different treatments at 0.05 level.The same below.

2.4 外源Pro對鎳脅迫下小麥根系可溶性糖、游離Pro含量的影響

由圖3、4可以看出，單獨(dú)Ni2+脅迫下，小麥幼苗根系可溶性糖和游離脯氨酸含量與對照相比，分別增加了34.18%和200.60%，差異顯著。T5處理后，與單獨(dú)Ni2+脅迫比較，小麥幼苗可溶性糖和游離脯氨酸的含量下降了36.86% 和42.38%，差異顯著。可溶性糖的含量基本恢復(fù)至對照水平。說明鎳脅迫下5 mmol·L-1外源Pro可有效調(diào)控根系滲透調(diào)節(jié)能力。

圖2 外源Pro對鎳脅迫下小麥幼苗H2O2含量的影響

2.5 外源Pro對鎳脅迫下小麥根系MDA含量的影響

由圖5知， Ni2+脅迫下，小麥幼苗MDA含量與CK相比上升了47.83%，差異顯著。說明過量的Ni2+可導(dǎo)致小麥根系過氧化損傷加重。5 mmol·L-1Pro處理后，與單獨(dú)Ni2+脅迫比較，小麥幼苗MDA的含量下降了32.35%，差異顯著，基本恢復(fù)至正常水平。由此可見，5 mmoL·L-1外源Pro處理，具有降低小麥根系細(xì)胞膜脂過氧化作用，可有效緩解根系Ni2+脅迫。

2.6 外源Pro對鎳脅迫下小麥幼苗根系活力的影響

圖6表明，與CK比較，Ni2+處理小麥根系活力下降了91.57%，差異顯著；外施5 mmol·L-1Pro后，小麥幼苗的根系活力升高了233.83%，差異顯著。

圖3 外源Pro對鎳脅迫下小麥幼苗可溶性糖含量的影響

圖4 外源Pro對鎳脅迫下小麥幼苗游離Pro含量的影響

3 討 論

高濃度Ni2+處理能夠降低小麥根系鮮重和根長度，抑制幼苗生長[16]。小麥中Pro以游離狀態(tài)存在，非生物脅迫下，植物體內(nèi)源Pro含量有明顯的變化[17-18]。研究發(fā)現(xiàn),外施Pro能夠提高鹽脅迫下植物的生長能力[19]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，5 mmol·L-1外源Pro可顯著提高小麥Ni2+脅迫下的根長、株高和根重，說明外源Pro可以緩解小麥Ni2+脅迫。

圖5 外源Pro對鎳脅迫下小麥幼苗MDA含量的影響

圖6 外源Pro對鎳脅迫下小麥根系活力的影響

可溶性糖是植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以增強(qiáng)植物細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定性，在逆境條件下可顯著積累，以調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓，增強(qiáng)植物適應(yīng)環(huán)境的能力[22]。外源Pro可提高Ni2+脅迫下小麥根系的可溶性糖含量，提高小麥的抗性。楊居榮等[23]研究發(fā)現(xiàn),抗性高的黑小麥和玉米在鎘脅迫下，可溶性糖含量變化較小。抗性相對較弱的黃瓜、大豆中的可溶性糖含量在鎘脅迫下顯著降低[24]。這些結(jié)果的差異可能與重金屬的種類、供試材料及測定的時期有關(guān)。

外源Pro對小麥Ni2+脅迫下抗逆能力增強(qiáng)、緩解Ni2+對小麥根系毒害作用的更多機(jī)理，還有待更進(jìn)一步的研究。

[1] 張玉秀,張 凱,李金梅,等.鎳在植物體中的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2008,16(3):778.

ZHANG Y X,ZHANG K,LI J M,etal.Absorption and transportation mechanism of nickel in plants [J].ChineseJournalofEco-Agriculture,2008,16(3):778.

[2] 王明華,王桂忠,李少菁.氮、磷對鎳在食物鏈上傳遞的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2007,27(7):2895.

WAND M H,WANG G Z，LI S Q.Influence of N,P additions on the transfer of nickel along the food-chain [J].ActaEcologicaSinica,2007,27(7):2895.

[3] ZOUARI M,BEN A C,ZORRIG W,etal.Exogenous proline mediates alleviation of cadmium stress by promoting photosynthetic activity,water status and antioxidative enzymes activities of young date palm(PhoenixdactyliferaL.) [J].CurrentScience,2016,108(6):1119.

[4] WANI A S,AHMAD A,HAYAT S,etal.Is foliar spray of proline sufficient for mitigation of salt stress inBrassicajunceacultivars [J].EnvironmentalScience&PollutionResearchInternational,2016,23(13):13413.

[5] ZOUARI M,BEN A C,ELLOUMI N,etal.Impact of proline application on cadmium accumulation,mineral nutrition and enzymatic antioxidant defense system ofOleaeuropaeaL.cv Chemlali exposed to cadmium stress [J].Ecotoxicology&EnvironmentalSafety,2016,128:195.

[6] DU B,HAI N,ZHANG Z,etal.Effects of aluminum on superoxide dismutase and peroxidase activities,and lipid peroxidation in the roots and calluses of soybeans differing in aluminum tolerance [J].ActaPhysiologiaePlantarum,2010,32(5):883.

[7] HUI F,QIANG Z,YONG H E.Detection of activity of POD in tomato leaves based on hyperspectral imaging technology [J].Spectroscopy&SpectralAnalysis,2012,32(8):2228.

[8] LUNA C M,PASTORI G M,DRISCOLL S,etal.Drought controls on H2O2accumulation,catalase(CAT) activity and CAT gene expression in wheat [J].JournalofExperimentalBotany,2005,56(411):417.

[9] MIYAKE C,SHINZAKI Y,NISHIOKA M,etal.Photoinactivation of ascorbate peroxidase in isolated tobacco chloroplasts:Galdieria partita APX maintains the electron flux through the water-water cycle in transplastomic tobacco plants [J].PlantandCellPhysiology,2006,47(2):200.

[10] LUKATKIN A S.Contribution of oxidative stress to the development of cold-induced damage to leaves of chilling-sensitive plants:1.Reactive oxygen species formation during plant chilling [J].RussianJournalofPlantPhysiology,2002,49(5):622.

[11] LIU X,WILLIAMS C E,NEMACHECK J A,etal.Reactive oxygen species are involved in plant defense against a gall midge [J].PlantPhysiology,2010,152(2):985.

[13] JI L,LI T X,ZHANG X Z,etal.Root morphological and activity characteristics of rice genotype with high nitrogen utilization efficiency [J].ScientiaAgriculturaSinica,2012,45(23):4770.

[14] 王 瓊,蘇智先,張素蘭,等.慈竹構(gòu)件和分株水平的可溶性糖含量研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2004,15(11):1994.

WANG Q,SU Z X,ZHANG S L,etal.Soluble sugar content of clonal plantNeosinocalamusaffinisat module and ramet levels [J].ChineseJournalofAppliedEcology,2004,15(11):1994.

[15] KHAN M R,NAZIR F,ASGHER M,etal.Selenium and sulfur influence ethylene formation and alleviate cadmium-induced oxidative stress by improving proline and glutathione production in wheat [J].JournalofPlantPhysiology,2015,173:9.

[16] 錢立生,王松華,何慶元.小麥幼苗根系抗氧化酶對鎳脅迫的響應(yīng)[J].核農(nóng)學(xué)報,2014,28(9):1708.

QIAN L S,WANG S H,HE Q Y.Nickel-induced oxidative stress and responses of the antioxidant enzymes in roots ofTriticumaestivumL.seedlings [J].JournalofNuclearAgriculturalSciences,2014,28(9):1708.

[17] AKCIN A,YALCIN E.Effect of salinity stress on chlorophyll,carotenoid content,and proline inSalicorniaprostrataPall. andSuaedaprostrataPall.subsp.prostrata(Amaranthaceae) [J].BrazilianJournalofBotany,2016,39(1):101.

[18] ABDULA S E,LEE H J,RYU H,etal.Overexpression of BrCIPK1 gene enhances abiotic stress tolerance by increasing proline biosynthesis in rice [J].PlantMolecularBiologyReporter,2016,34(2):501.

[19] RADY M M,TAHA R S,MAHDI A A.Proline enhances growth,productivity and anatomy of two varieties ofLupinustermisL.grown under salt stress [J].SouthAfricanJournalofBotany,2016,102:221.

[20] SHARMA S S,SCHAT H,VOOIJS R.In vitro alleviation of heavy metal-induced enzyme inhibition by proline [J].Phytochemistry,1998,49(6):1531.

[22] 劉家堯,衣艷君,張其德.鹽脅迫對不同抗鹽性小麥葉片熒光誘導(dǎo)動力學(xué)的影響[J].植物學(xué)報,1998,15(2):46.

LIU J Y,YI Y J,ZHANG Q D.Effects of salt stress on chlorophyll a fluorescence induction kinetics in wheat leaves with different salt tolerance [J].ChineseBulletinofBotany,1998,15(2):46.

[23] 楊居榮,賀建群,黃 翌,等.農(nóng)作物Cd耐性的種內(nèi)和種間差異Ⅱ.種內(nèi)差異[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,1995(S1):132.

YANG J R,HE J Q,HUANG Y,etal.Inter-and intraspecific differences of crops in cadmium tolerance Ⅱ.Intraspecific difference [J].ChineseJournalofAppliedEcology,1995(S1):132.

[24] 朱 芳,方 煒,楊中藝.番茄吸收和積累Cd能力的品種間差異[J].生態(tài)學(xué)報,2006,26(12):4071.

ZHU F,FANG W,YANG Z Y.Variations of Cd absorption and accumulation of 36Lycopersiconesculentumcultivars [J].ActaEcologicaSinica,2006,26(12):4071.

Effect of Exogenous Proline on the Growth of Wheat Seedling under Nickel Stress

BA Qingsong1,ZHANG Gensheng1,ZHANG Diandian1,LI Guiping1,SONG Yunxian1,TAO Xingkui2,HU Yulin1,FU Zhaolin1

(1.College of Life Science,Huaibei Normal University,Anhui Key Laboratory of Plant Resources and Biology，Huaibei,Anhui 235000,China; 2.College of Biological and Food Engineering，Suzhou University,Suzhou,Anhui 234000,China)

Proline; Nickel stress; Reactive oxygen metabolism; Wheat

時間：2017-05-12

2016-07-14

2016-09-01

安徽省高等學(xué)校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2014B19；KJ2016A624；KJ2013A232)；淮北師范大學(xué)博士科研啟動基金項(xiàng)目(15600971)；宿州學(xué)院特色種植業(yè)苗種生產(chǎn)工程技術(shù)研究中心開放課題(2014XKF19)；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1708085QC62)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目(201610373081)

E-mail：baqs1234@163.com

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)05-0700-05

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170512.2001.036.html