外源Se、VC對水稻鋅錳復(fù)合脅迫的緩解效應(yīng)

侯玨，梁旻昊，姚鵬程

(上海市格致中學(xué)，上海 奉賢 201499)

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。鋅錳干電池是日常生活中使用范圍最廣的干電池，干電池隨意丟棄會使土壤鋅錳元素過量，對植物產(chǎn)生毒害，從而表現(xiàn)出一系列形態(tài)及生理生化反應(yīng)[1-2]。Se雖然不是高等植物生長所必需的營養(yǎng)元素，但適量Se能有效提高植物對各種逆境脅迫的抵抗能力[3]，近年來不斷有研究報道Se在植物體內(nèi)能與重金屬元素發(fā)生拮抗效應(yīng)[3]，但很少涉及到鋅、錳元素。VC是一種抗氧化劑，能幫助植物抵抗干旱、臭氧和紫外線，保護植物免受光合作用中有害副作用的侵害[4]。但對緩解植物重金屬脅迫的報道較少。

水稻作為一種糧食植物，國內(nèi)外研究其對重金屬污染響應(yīng)的文獻較多[5-7]。已有研究表明，水稻在200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫時，抗氧化系統(tǒng)有很強的響應(yīng)[1-2]。因此，研究Se和VC對鋅錳復(fù)合脅迫的緩解效應(yīng)對于實現(xiàn)重金屬污染土壤的修復(fù)以及土地資源的可持續(xù)利用具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 方法

實驗于2019年在上海市格致中學(xué)奉賢校區(qū)植物逆境生理學(xué)實驗室進行。供試材料為取自上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的龍?zhí)馗水稻種子。選取大小一致的水稻種子，經(jīng)75%乙醇消毒20 min，用自來水沖洗20 min，蒸餾水沖洗后用蒸餾水浸種24 h，黑暗催芽24 h，之后播種于含Hoagland營養(yǎng)液的塑料培養(yǎng)盒中，于溫室中12 h光照/12 h黑暗、(28±2)℃下培養(yǎng)。營養(yǎng)液成分如下：(NH4)2SO448.2 mg·L-1，MgSO465.9 mg·L-1，K2SO415.9 mg·L-1，KNO318.5 mg·L-1，Ca(NO3)259.9 mg·L-1，KH2PO424.8 mg·L-1，F(xiàn)e-citrate 5 mg·L-1，MnCl2·4H2O 0.9 mg·L-1，ZnSO4·7H2O 0.11 mg·L-1，CuSO4·5H2O 0.04 mg·L-1，HBO32.9 mg·L-1，H2MoO40.01 mg·L-1。播種之前鋅以ZnSO4·7H2O形式，錳以MnSO4形式加入到營養(yǎng)液中，Se以Na2SeO3形式加入，VC以粉末的形式加入。共設(shè)置7個實驗組，1個空白對照組CK。除CK外，T1～7處理組均加入200 mg·L-1鋅錳復(fù)合溶液以模擬鋅錳復(fù)合脅迫，T2～4處理組分別加入100、150和200 mg·L-1Se溶液，T5～7處理組分別加入50、100和150 mg·L-1VC溶液。

CK與所有處理組均設(shè)置3次重復(fù)，pH值控制在6.5～7.0，每12 h用1 mol·L-1的HCl或NaOH調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH。每5 d更換營養(yǎng)液1次，處理20 d。

1.2 測定項目與方法

每個處理取3株材料測定株高和根長。用排水法測定根系體積。取水稻新鮮葉片，參考Sims等[8]的方法進行葉綠素含量的測定，參考Demiral等[9]的方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[10]測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用比色法[10]測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用SPSS 20.0軟件進行ANVOA方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株表型特征

相對于CK，T1組200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫對水稻幼苗產(chǎn)生了顯著的抑制作用。施加Se或VC后，水稻幼苗的株高、根長、根系體積數(shù)值均增大，植株長勢變好。添加同種外源抗氧化劑的情況下，隨著添加濃度的升高，株高、根長、根系體積增大越明顯。在相同濃度下，VC的抗脅迫效果明顯優(yōu)于Se，處理組中，以T7添加150 mg·L-1VC組效果最好(表1)。

表1 Se與VC對鋅錳復(fù)合脅迫下水稻生長情況的影響

2.2 葉綠素含量

相對于CK，T1組200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫對水稻幼苗產(chǎn)生了顯著的抑制作用，導(dǎo)致葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均下降，葉綠素a/b的值上升。施加Se或VC后葉綠素a、葉綠素b的含量均增加。添加同種外源抗氧化劑的情況下，隨著添加濃度升高，葉綠素恢復(fù)得越多，葉綠素a/b的值均下降，且添加任意一種抗氧化劑，隨著濃度升高，下降的幅度越大。在相同濃度下，VC處理的水稻的葉綠素含量高于Se處理的水稻，VC處理的水稻的葉綠素a/b的值低于Se處理的水稻。所有處理組中，以T7添加150 mg·L-1VC組效果最好(表2)。

表2 Se與VC對鋅錳復(fù)合脅迫下水稻葉綠素含量的影響

2.3 MDA含量和SOD活性

相對于CK，T1組200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫對水稻幼苗產(chǎn)生了顯著的毒害作用，導(dǎo)致MDA含量上升，SOD活性下降。添加Se和VC后，MDA含量下降，SOD活性上升。且任意一種抗氧化劑濃度越高，MDA含量越少，SOD活性越大。在相同濃度下，VC處理水稻的抗氧化損傷能力高于Se處理的水稻(表3)。所有處理組中，以T7添加150 mg·L-1VC組抗氧化損傷能力最強。

表3 Se與VC對鋅錳復(fù)合脅迫下水稻MDA含量及SOD活性的影響

2.4 游離脯氨酸含量

相對于CK，T1組200 mg·L-1鋅錳復(fù)合脅迫使水稻幼苗游離脯氨酸含量上升。添加Se和VC后，脯氨酸含量呈下降趨勢，且任意一種抗氧化劑濃度越高，游離脯氨酸含量越低。在相同濃度下，VC處理水稻的游離脯氨酸含量低于Se處理的水稻。所有處理組中，以T7添加150 mg·L-1VC組游離脯氨酸含量下降的最多(表4)。

表4 Se與VC對鋅錳復(fù)合脅迫下水稻中脯氨酸含量的影響

3 討論

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，可知在一定濃度下，Se或VC的濃度越高，對鋅錳復(fù)合脅迫的緩解效應(yīng)越好；在相同濃度下，VC的效果更好。且在已進行的實驗中，以150 mg·L-1VC的效果最好。

重金屬對植物的脅迫主要體現(xiàn)在重金屬能夠使蛋白質(zhì)變性，同時也伴有活性氧的過量產(chǎn)生，超氧化物積累，細胞膜結(jié)構(gòu)破壞等[11]。最終會導(dǎo)致植株的生長受到抑制，如長勢劣于對照組，葉綠素含量低于對照組等。這可能是因為植物對某種離子的積累引起了植物細胞膜滲透壓的改變，進而導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生大量的自由基、活性氧，引起氧化損傷[12]。外源添加Se或VC均可以顯著緩解這種效應(yīng)，使得生長抑制受到緩解，由此可見，Se和VC均能夠緩解離子積累。

植物受到逆境脅迫時，會啟動抗氧化系統(tǒng)，SOD即為抗氧化系統(tǒng)中一種重要的酶。本研究發(fā)現(xiàn)鋅錳脅迫SOD活性的下降，因此可以看出，植物抗氧化能力的下降，當外源添加Se或VC后，SOD活性回升，可能是因為Se和VC作為抗氧化劑，植物吸收后可增強SOD酶活性。而MDA的含量上升，則代表細胞過氧化程度高，這是氧化損傷的直接證據(jù)，外源添加的Se和VC同樣可以緩解MDA含量的上升。因此，進一步證實了外源添加Se或VC可以緩解植物的逆境脅迫。

除以上響應(yīng)外，植物自身也有抗逆反應(yīng)，例如脯氨酸等含量升高，本研究中當植株受到鋅錳復(fù)合脅迫時，脯氨酸含量顯著上升，外源施加Se或VC使得脯氨酸含量顯著下降。因此，也可以通過關(guān)注脯氨酸含量的變化來判定外源Se或VC對植物逆境脅迫的緩解效應(yīng)。

有研究表明，Se能激活谷胱甘肽過氧化酶，具有較強的抗氧化能力[3]。重金屬離子使巰基酶的巰基受損，而VC能保護巰基不受損害，VC還具有其他抗氧化作用[11]。因此，推測Se和VC能夠通過提升植物的抗氧化能力來減少植物受到的氧化損傷，從而有效緩解過量鋅錳的毒害作用。而本研究所有實驗數(shù)據(jù)均表明，添加外源的Se或VC后植物所受鋅錳脅迫得到緩解。