鋅、錳單一及復合脅迫對水稻幼苗生理生化特性的影響

嚴涵，方鑫，朱賢豪，劉星宇，洪陽，劉駿，姚鵬程

(上海市格致中學，上海 奉賢 201499)

鋅錳干電池是目前市面上銷售量最大的干電池。耗盡電量的干電池隨意丟棄影響環境，使土壤遭受嚴重的重金屬污染。鋅、錳作為植物生長必需的微量元素，是某些酶不可缺少的組分，也可作為某些酶的激活劑，對植物的生長和新陳代謝都有重要影響[1]。其過量時會對植物產生重金屬毒害，從而表現出一系列形態及生理生化反應。一些物種可以通過一定的形式來避免重金屬毒害，其中，提高抗氧化系統的酶的活性是植物最重要的耐重金屬機理[2]。作為對植物生長有害的重金屬，目前關于鋁、鎘、鉛等單一及復合脅迫對植物生長、代謝的毒害及植物產生的抗性機制已有許多報道[3-5]。盡管如鋅、錳等植物營養元素過量對植物毒害的研究意義重大，但鮮見關于此方面的報道。本研究通過過量的植物營養元素鋅、錳單一及復合脅迫水稻，檢測水稻幼苗的生理生化特性，以期闡明鋅、錳單一及復合脅迫對水稻的毒害機制，并為評價土壤鋅錳重金屬污染提供植物生理學指標。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗于2018年在上海市格致中學奉賢校區植物逆境生理學實驗室進行。供試材料為取自上海市農業科學研究院的龍特甫B水稻種子。選取大小一致的種子，經75%乙醇消毒20 min，用自來水沖洗20 min，蒸餾水沖洗后再用蒸餾水浸種24 h，黑暗催芽24 h，隨后播種于含Hoagland營養液的塑料培養盒中，于溫室中光/黑各12 h、(28±2)℃下培養。播種前鋅以ZnSO4·7H2O形式，錳以MnSO4形式加入至營養液中，形成9個試驗組。設空白對照組為T1；處理T2～T4分別為100、150、200 mg·L-1的Zn處理組；T5～T7分別為100、150、200 mg·L-1的Mn處理組；T8～T10分別為100 mg·L-1Zn+100 mg·L-1Mn、150 mg·L-1Zn+150 mg·L-1Mn和200 mg·L-1Zn+200 mg·L-1Mn的復合處理組，對照組與所有試驗組均重復3次，pH值6.5，每12 h用1 mol·L-1的HCl或NaOH調節營養液pH。每5 d更換營養液1次，處理20 d。

1.2 測定項目與方法

取3株材料用常規方法測定株高，根長。用排水法測定根系體積，取平均值。取水稻新鮮葉片，采用丙酮法測定葉綠素含量，茚三酮顯色法測定游離脯氨酸含量，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸顯色法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用比色法測定。

1.3 數據統計

試驗數據均為3次重復的平均值，采用SPSS 20.0軟件進行ANVOA方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 水稻幼苗生長狀況

處理20 d后水稻幼苗的生長情況(株高、根長、根系體積)結果見表1。

表1 鋅錳不同處理下水稻幼苗生長情況

注：同列無相同小寫字母表示處理間在5%水平差異顯著。表2～3同。

從表1可見，鋅、錳單一及復合脅迫下水稻生長均受到抑制。同種重金屬脅迫下，抑制作用隨著濃度的升高而不斷加強。相同脅迫濃度下，單一鋅脅迫的抑制強于鋅、錳復合脅迫，強于單一錳脅迫。抑制作用最弱的為100 mg·L-1Mn處理組，株高、根長、根系體積分別下降為對照組的81.3%、95.8%、71.5%。200 mg·L-1Zn處理組抑制作用最強，株高、根長、根系體積分別下降為對照組的54.6%、37.2%、32.5%。

2.2 葉綠素含量

由表2可見，鋅、錳單一及復合脅迫均顯著降低了水稻幼苗葉片中葉綠素的含量。同種重金屬脅迫下，葉綠素含量的降幅隨著脅迫濃度的增大而增大。相同脅迫濃度下，葉綠素含量的降幅為單一鋅脅迫大于鋅錳復合脅迫，大于單一錳脅迫。在100 mg·L-1Mn處理組葉綠素含量下降最少，葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量分別為對照組的82.9%、70.1%、78.8%。在200 mg·L-1Zn處理組葉綠素含量下降最多，其中葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素分別為對照組的54.1%、35.4%、48.1%。由葉綠素a/b數據可知，葉綠素b的降幅高于葉綠素a。

2.3 游離脯氨酸含量

鋅、錳單一及復合脅迫均導致水稻幼苗葉片中游離脯氨酸含量上升(圖1)。同種重金屬脅迫下，隨著離子濃度的升高，水稻幼苗葉片中游離脯氨酸含量逐漸升高。相同脅迫濃度下，單一鋅脅迫對水稻幼苗游離脯氨酸含量上升幅度大于鋅錳復合脅迫，大于單一錳脅迫。200 mg·L-1Zn處理組，游離脯氨酸含量上升最多，100 mg·L-1Mn處理組，游離脯氨酸含量上升最少，相比對照組分別升高42.7%和7.2%。

圖1 鋅錳單一及復合脅迫對水稻幼葉中游離脯氨酸含量的影響

2.4 MDA含量和SOD活性

處理20 d后，水稻幼苗的葉片出現明顯的壞死斑及黃化現象。這與葉片中MDA含量上升有直接關系。同種重金屬脅迫下，離子濃度越高，葉片黃化現象越嚴重，與表3中MDA含量相對應。相同濃度下單一鋅處理組MDA積累量最大，單一錳處理組積累量最小。在200 mg·L-1處理組，單一鋅脅迫MDA積累量達到對照組的1.70倍，單一錳脅迫處理組為對照組的1.22倍，小于單一鋅脅迫100 mg·L-1處理組(1.44倍)。

鋅、錳單一及復合脅迫均顯著降低葉片中SOD的活性，且同種重金屬脅迫下，SOD活性隨著脅迫濃度的升高而降低，相同濃度下單一鋅脅迫對水稻幼苗葉片SOD影響最大，鋅錳復合脅迫其次，單一錳脅迫最小。200 mg·L-1Zn處理組SOD活性下降最多，100 mg·L-1Mn處理組SOD活性下降最少，與對照組相比，分別下降48.3%和10.3%。

表3 鋅錳單一及復合脅迫對水稻幼葉中MDA和SOD活性的影響

3 討論

Zn、Mn是植物生長的必需元素，其過量會對植物的生長產生毒害。在相同濃度下，單一鋅脅迫的毒害效應大于鋅錳復合脅迫，大于單一錳脅迫。可見，水稻對錳的耐受程度高于鋅。而相同濃度下鋅錳復合脅迫的毒害效應小于單一鋅的毒害，這可能和Mn2+的加入抑制了Zn2+對植物的毒害有關，因此兩者對水稻的脅迫存在一定的拮抗效應。

本研究顯示，單一錳脅迫對水稻葉綠素合成的影響顯著低于單一鋅脅迫。這可能是由于鋅是葉綠體中碳酸酐酶的主要成分[6]，但當鋅過量時則顯著提高了植物過氧化氫酶和愈創木酚過氧化物酶的活性，導致含氧自由基大量產生，葉綠體膜脂過氧化，葉綠體內膜結構遭到破壞，使葉綠素的氧化分解加快[7]。此外，當鋅局部積累時，會與葉綠體蛋白質中的-SH結合，或者取代其中的Fe2+、Mg2+，使得葉綠素含量降低[7]。當鋅、錳復合脅迫水稻幼苗時，Mn2+、Zn2+競爭與葉綠體蛋白質中的成分發生反應，從而降低了Zn2+對水稻的毒害。

作為細胞的一種滲透調節機制，環境脅迫會導致脯氨酸積累已被許多研究證實[8-10]。本研究的鋅、錳單一及復合脅迫條件下水稻幼苗葉片中脯氨酸都發生了積累，與之前的研究一致。脯氨酸的積累可能是由于水稻受到環境脅迫導致其合成量增大所致[11]。因為脯氨酸可以作為溶質保護生物大分子結構不被破壞，也可以減少由于環境脅迫引發的自由基積累[12]。本研究中各個處理組游離脯氨酸積累的趨勢與葉綠素含量降低的趨勢相同，因此，可將游離脯氨酸的積累量作為脅迫指標進行脅迫程度的判定。

脂質過氧化是植物在逆境脅迫下最典型的癥狀[13]。MDA是脂質過氧化的產物，可反映植物的受脅迫程度[14]。本研究中鋅、錳單一及復合脅迫水稻表現出葉片壞死及黃化，且濃度越高，葉片壞死與黃化現象越嚴重。葉片中MDA含量也相應的大幅上升，表明脅迫導致水稻脂質過氧化水平提高，產生了大量自由基，這與脅迫導致水稻葉綠素含量下降的機制類似。

為了抵御自由基產生的氧化脅迫，植物會啟動抗氧化系統，如SOD、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和谷胱甘肽還原酶(GR)等[14]的含量發生變化。其中SOD即是植物抗氧化系統中一種重要的酶，可催化O2-轉化成H2O2。Zn、Mn元素是植物體內Cu、Zn-SOD，Mn-SOD的組成成分。缺少這兩種元素，SOD活性會明顯下降[15]。本研究發現當這兩種元素過量時抑制了SOD的活性，這與邵鄰相等[16]的研究結論一致，表明脅迫處理的水稻并不能持續提高SOD活性以適應逆境。

目前，Zn-Mn干電池隨意丟棄導致的土壤重金屬污染問題已受到越來越多人的重視。在對干電池使用進行干預的同時，如何對已污染的土壤進行治理也是亟待解決的問題。筆者認為可依據本研究涉及到的指標進行Zn、Mn耐受水稻品種的篩選，種植于重金屬污染的土壤中用于緩解污染。