錳脅迫下小白菜幼苗滲透調節物質的動態變化

曾小飚 許光德 周福穩 尹洪輝

摘要 通過水培試驗法研究錳脅迫下小白菜幼苗葉片內可溶性糖、可溶性蛋白質、游離脯氨酸等滲透調節物質含量的動態變化。結果顯示，隨著錳脅迫濃度的升高，小白菜可溶性糖含量先上升，然后慢慢趨于平穩；可溶性蛋白含量呈不斷下降的趨勢；游離脯氨酸含量呈先升高后下降的趨勢。綜合分析表明，在一定范圍內，小白菜可通過主動調節可溶性蛋白質、可溶性糖、游離脯氨酸等物質含量來適應錳脅迫引發的滲透失衡，以減輕重金屬的毒害作用。

關鍵詞 小白菜；錳脅迫；滲透調節物質

中圖分類號 S727.4? ?文獻標識碼 A

文章編號 1007-7731（2023）04-0065-03

重金屬作為有毒物質進入土壤后會通過食物鏈進入到人體內，威脅人類健康。重金屬對農作物生長造成的不利影響非常明顯，嚴重時會導致農作物死亡。因此，農作物如何抵御重金屬對自身的毒害已成為作物學家研究的熱點。錳是生物毒性比較強的重金屬之一。錳污染會抑制農作物對鈣離子、鎂離子等微量元素的吸收，影響農作物品質[1]。人體攝取過多的錳會引起慢性錳中毒，對免疫、生殖等系統產生一定程度的傷害，還傷害腦中樞神經系統，嚴重時表現為帕金森氏綜合征和中毒性神經病[2]。

小白菜（Brassica chinensis）也稱青菜、油菜，是我國老百姓喜食的主要蔬菜之一，種植面積大、范圍廣，主要栽培于長江中下游及其以南地區，近年來北方省份也有較大面積的引種栽培和推廣[3]。筆者通過水培試驗法研究錳脅迫下小白菜幼苗葉片內可溶性糖（SS）、可溶性蛋白質、游離脯氨酸（Pro）等滲透調節物質的動態變化，探討小白菜對錳毒害的生理響應機制，為生態毒理學研究提供一些基礎資料。

1 材料與方法

1.1 材料

小白菜品種為柳州牌黃秧四季甜小白菜，種子從百色人民市場種子店購得。

1.2 方法

先在沙盤內萌發種子，待芽長至5 cm后，移栽至1/2 Hoagland培養液進行無土培養。移栽7 d后，選擇長勢一致的小白菜幼苗分成6組，分別用含Mn2+濃度為0、30、60、120、240、300 mg/L的1/2 Hoagland培養液進行脅迫培養，以Mn2+濃度0為對照。每2 d更換1次脅迫液，Mn2+以MnCl2·4H2O提供，分別于脅迫4、8、12 d時取葉片進行生理指標測定。可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法；蛋白質含量測定采用考馬斯亮藍法；游離脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法[3]。試驗做3次重復，數據取平均值。

2 結果與分析

2.1 錳脅迫對小白菜葉片內可溶性糖（SS）含量的影響

可溶性糖包括絕大部分的單糖、寡糖，其含量的變化可以反映植物在逆境脅迫下的適應能力[4]。如圖1所示，隨著Mn脅迫濃度的增加，小白菜幼苗葉片中的可溶性糖含量總體上先上升然后趨于平穩。脅迫4 d的幼苗，Mn2+濃度在0～120 mg/L時，SS含量增幅比較明顯，但Mn2+濃度大于120 mg/L后，SS含量增幅不大，基本趨于平穩。脅迫8和12 d的幼苗，Mn2+濃度在0～60 mg/L時，SS含量增幅比較明顯；Mn2+濃度大于60 mg/L以后，SS含量上升幅度不大，趨于平穩。而脅迫濃度為300 mg/L的幼苗脅迫到12 d時，幼苗已枯萎死亡。

2.2 錳脅迫對小白菜幼苗葉片中可溶性蛋白含量的影響

植物體中的蛋白質是多個氨基酸通過核糖體縮合而成的多肽鏈，蛋白質含量增加說明細胞中核糖體增多，合成多肽鏈效率增高，植物生長旺盛。反之，生長受到抑制。通過測定植物葉片中蛋白質含量，有助于了解植物生長狀況和環境脅迫對植物生長的影響。如圖2所示，小白菜幼苗在受到錳脅迫時，其葉片中的可溶性蛋白含量均比對照組低，隨著Mn脅迫濃度的增加，呈不斷下降的趨勢。脅迫4與8 d的幼苗，可溶性蛋白含量下降幅度相似，呈緩慢下降的趨勢，而脅迫12 d的幼苗下降幅度非常大。在各脅迫處理中，Mn2+濃度為30 mg/L時，小白菜幼苗葉片中的蛋白質含量表現為脅迫12 d>脅迫8 d>脅迫4 d；Mn2+濃度為60 mg/L時，表現為脅迫8 d>脅迫12 d>脅迫4 d；Mn2+濃度大于120 mg/L時，表現為脅迫8 d>脅迫4 d>脅迫12 d。從圖2還可看出，脅迫濃度為300 mg/L的小白菜幼苗脅迫12 d后，小白菜幼苗葉片中的蛋白質幾乎為0，小白菜幼苗已經死亡，而其他處理的小白菜幼苗還能生長。

2.3 錳脅迫對小白菜幼苗葉片中游離脯氨酸含量的影響

脯氨酸（Pro）是植物蛋白質的組分之一，以游離狀態廣泛存在于植物體中。在逆境下，許多植物體內Pro大量積累。植物體內Pro含量在一定程度上反映了植物的抗逆性，抗逆性強的品種往往積累較多的Pro。如圖3所示，錳脅迫小白菜幼苗后，葉片中的脯氨酸含量隨著Mn脅迫濃度的增加，呈現出先上升后下降的趨勢，各處理組Pro含量都比對照組高。脅迫12、8、4 d的幼苗Pro含量均在脅迫濃度為240 mg/L時達到最大值，分別比對照組增高了154.34%、71.58%、117.63%。當Mn2+脅迫濃度超過240 mg/L后，小白菜幼苗葉片中的Pro含量開始下降，脅迫12 d的幼苗下降幅度明顯比脅迫8和4 d的大。

3 結論與討論

作物在受到逆境脅迫如重金屬脅迫時，會導致細胞內外滲透壓失衡而失水，但植物體可通過滲透調節物質來抵御逆境脅迫帶來的傷害。植物細胞內的滲透調節物質有可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸等，它們可調節細胞與外界的水勢平衡，保護質膜及代謝酶的活性，從而維持細胞正常的生理機能[5]。

可溶性糖在植物體內充當能量物質的存儲與轉移介質以及結構物質和功能分子。但植物處在逆境環境時，可溶性糖充當滲透調節物質，在細胞滲透平衡調控中起著重要的作用。可溶性糖的提高有助于維持細胞的新陳代謝，從而提高植物的抗逆境脅迫能力。該試驗中，隨著錳脅迫濃度的升高，小白菜SS含量先是上升，然后慢慢趨于平穩水平。推測是小白菜在錳脅迫逆境下，SS的運輸受到抑制，不能及時運走葉片中合成的碳水化合物，從而導致植物葉片中可溶性糖累積量增加。機體適量積累SS，可以降低自身細胞滲透勢，維持在高滲環境下的吸水能力，從而保持細胞代謝的穩定[6]。這說明小白菜在逆境下具備一定的自我調節及適應能力。隨著脅迫濃度的增加、脅迫時間的延長，Mn對小白菜的毒害作用也加強，超過機體的抵御能力，最終還是導致其受到毒害死亡。

可溶性蛋白是檢測植物代謝生理狀態的一項指標，也是機體抵抗逆境傷害的滲透調節物質之一。該試驗中，Mn脅迫處理小白菜后，其葉片中蛋白質含量均比對照組低，說明抑制了葉片中蛋白質的合成，可以推斷Mn2+的存在抑制了小白菜的生長發育。試驗中小白菜受Mn脅迫后，葉片內可溶性蛋白含量隨著錳脅迫濃度的升高呈下降趨勢，與熊韜等[6]研究鹽堿脅迫甜瓜幼苗的結果相似。不過小白菜脅迫4與8 d的幼苗下降幅度較小，而脅迫12 d的下降幅度非常大。研究認為逆境下植物體內參與蛋白質合成的相關酶活性會受到抑制，使得正常的蛋白合成過程受阻，同時會使蛋白質降解的速度加快，從而引發蛋白質含量的下降[6]。

脯氨酸是植物體內抵御逆境的氨基酸中最有效的滲透調節物質[7]。在錳脅迫下，脯氨酸含量的提高對植物適應逆境有著重大意義。該試驗中，Mn脅迫濃度從0 mg/L增加到240 mg/L過程中，小白菜葉片中的Pro含量逐漸升高，與Mn脅迫濃度呈正相關關系。這可能是由于錳離子的刺激抑制了蛋白質的合成，而促進了脯氨酸的合成，使得脯氨酸含量增加，也有可能是由于錳脅迫使細胞內脯氨酸氧化酶減少而導致脯氨酸氧化分解變慢，脯氨酸含量增加[8-9]?？傊?，在一定濃度的Mn2+刺激下，植物體能夠通過不斷累積滲透物質如提高脯氨酸含量來參與滲透調節，從而保持了細胞正常的水勢平衡，小白菜即以此抵御重金屬脅迫帶來的傷害。該試驗中，當Mn脅迫濃度超過240 mg/L后小白菜葉片中的Pro含量呈下降趨勢，且脅迫12 d的下降幅度比脅迫8和4 d的要大。Mn脅迫濃度為300 mg/L下的小白菜幼苗，脅迫12 d后中毒死亡。推測是因為植物體內脯氨酸含量的增長有一定限度，表明滲透調節能力有限，因此金屬錳濃度過高、脅迫時間過長時會對植物產生毒害致死作用。

綜上所述，在一定范圍內，小白菜可通過主動調節可溶性蛋白質、可溶性糖、游離脯氨酸等物質含量來適應錳脅迫引發的滲透失衡，以減輕重金屬的毒害作用。

4 參考文獻

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[3] 張志良，瞿偉菁.植物生理學實驗指導（第3版）[M].北京：高等教育出版社.2003.

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[5] 陳璐，張小麗，高柱，等.噴施硝酸鑭對臍橙葉片滲透調節物質的影響[J].中國農學通報，2021，37（29）：114-119.

[6] 熊韜，閆淼，王江濤，等.鹽堿脅迫對甜瓜幼苗滲透調節物質的影響[J].浙江農業科學，2021，62（12）：2430-2434.

[7] 王瑋，吳傳萬，王欣，等.外源脯氨酸對鹽脅迫下蘿卜幼苗生長、抗氧化酶活性及滲透調節物質積累的影響[J].江西農業學報，2019，31（3）：51-56.

[8] 費小紅，安保光，趙寶華，等.類胡蘿卜素參與水稻抗氧化脅迫的研究進展[J].現代農業科學，2009，1：22-23.

[9] 李玲.植物抗非生物逆境分子機理研究[J].湖南科技學院學報，2012，33（9）：173-175.

（責編：王慧晴）