重金属Cu2+胁迫对绿豆生理生化指标的影响

作者:未知

  摘要 [目的]探究重金属Cu2+对绿豆幼苗生长发育的影响,以期为进一步研究重金属Cu2+对植物生长发育的毒害机制提供参考。[方法]绿豆在水培(1/2 Hoaglands营养液)条件下,外源添加0,100,200,400,600 mg/L的CuSO4进行胁迫处理,测定其对绿豆幼苗株高和鲜重,叶片叶绿素含量、丙二醛含量、可溶性糖含量以及抗氧化酶活性的影响。[结果]随着Cu2+浓度的增加,绿豆幼苗的平均株高和平均鲜重受抑制程度逐渐升高,其中最高抑制率分别为45.4%和53.8%;Cu2+胁迫下的绿豆叶片叶绿素含量均高于对照组,呈先上升后下降的趋势;丙二醛及可溶性糖含量随Cu2+浓度增加而升高,最高增长率分别为132%和80.9%;绿豆叶片受到Cu2+胁迫后,其抗氧化酶活性均有不同程度的升高,SOD、POD及 CAT活性最高增长分别为对照的2.36,2.29和2.53倍。[结论]绿豆幼苗在受到重金属Cu2+胁迫时,其生长被显著地抑制,叶片细胞膜系统受到损伤,但其叶绿素、可溶性糖含量及抗氧化酶活性升高,表现出一定的抗性。
  关键词 绿豆;Cu2+胁迫;生长发育;生理生化指标
  Abstract [Objective] Mung bean was used as material to explore the effects of heavy metal Cu2+ on its growth and development,so as to provide reference for further studying of the toxic mechanism of heavy metal Cu2+ on plant growth and development.[Method] Under the condition of water culture (1/2 Hoaglands nutrient solution),different concentrations of  CuSO4 (0,100,200,400,600 mg/L) were added for stress treatment,and the effects of CuSO4 on the plant height and fresh weight of mung bean,the content of chlorophyll,malondialdehyde and soluble sugar and the antioxidant enzyme activity of leaves were measured.[Result]With the increase of Cu2+ concentration,the inhibition degree of the average plant height and fresh weight of mung bean increased gradually,and the highest inhibition rate was 45.4% and 53.8% respectively.The chlorophyll content of mung bean leaves in the stress treatment group was higher than that in the control group,which showed a trend of increasing at first and decreasing later.The content of malondialdehyde and soluble sugar increased with the increase of Cu2+ concentration,with the highest growth rates of 132% and 80.9% respectively.Besides,the antioxidant enzyme activity of mung bean leaves increased when treated with Cu2+.The highest activity of SOD,POD and CAT rose 2.36,2.29 and 2.53 times,respectively.[Conclusion]Under the stress of heavy metal Cu2+,the growth of mung bean was significantly inhibited and the cell membrane system was damaged,but the contents of chlorophyll,soluble sugar and antioxidant enzyme activity increased,showing certain resistance.
  Key words Mung bean;Cu2+ stress;Growth and development;Physiologicalbiochemical characteristic
  隨着工业的迅猛发展,经济水平快速增长,人们的生活水平得到不断提高。但同时污水灌溉、大气沉降、农药及化肥的使用、矿产资源的开发等造成了严重的土壤重金属污染。据报道,我国受农药和重金属污染的耕地面积已达上千万公顷,主要集中在长三角、珠三角以及东北地区[1]。其中珠三角地区部分城市约有40%的农田土壤重金属污染超标[2]。重金属元素Cu是植物生长所必须的微量元素,低浓度的Cu有利于植物的生长,然而,当土壤中Cu污染严重时,高浓度的Cu会对植物的生长造成毒害。有研究表明,高浓度Cu抑制黑麦草的根系长度以及叶绿素合成[3]。蓖麻叶片中的MDA含量和细胞膜透性在高浓度Cu处理后显著升高[4]。一定浓度的Cu胁迫下,水稻和小麦种子的萌发、幼苗的生物量、根长及叶绿素含量均受到显著抑制,幼苗丙二醛含量显著升高[5]。   绿豆又名青小豆,在世界各热带、亚热带地区广泛栽培,是广受欢迎的药食两用作物,也是我国传统的豆类作物,在我国已经有2 000多年的栽培史。绿豆生长周期短、适应性强,籽粒蛋白质含量高、脂肪含量低,食用绿豆有降压、消暑
  等保健功能。近年来,随着人们生活质量的提高以及饮食健康观的转变,人们对绿豆的需求逐渐增加。绿豆的生长发育受到温度、水分等条件的影响,备受关注的重金属污染对绿豆的生长也有明显的影响[6]。有研究表明,Cd2+胁迫导致绿豆叶片净光合速率降低,DNA含量降低[7]。Hg2+和Pb2+污染能够抑制绿豆种子的萌发和幼苗的生长[8]。然而,重金属Cu2+对绿豆生长发育影响的相关研究较少。本研究以绿豆为研究对象,探讨不同浓度的CuSO4对绿豆幼苗生长,抗氧化酶活性以及幼苗伤害程度的影响,为进一步深入了解重金属对绿豆生长的毒害机制提供参考,也为重金属污染的综合治理提供依据。
  1 材料与方法
  1.1 试验材料 试验所用绿豆种子购自广东省农业科学研究院蔬菜所。
  1.2 试验方法
  选取籽粒饱满的绿豆种子,用5%次氯酸钠溶液消毒5 min,蒸馏水冲洗5次,待用。取干净的培养盒,内铺3层干净滤纸,分别加入15 mL 含有0、100、200、400、600 mg/L CuSO4的1/2Hoaglands 营养液,选取100粒大小一致的绿豆种子均匀摆在培养盒中,每个处理设置3个平行实验组。将培养盒放入温度25 ℃,濕度60%,光照度4 000 lx的光照恒温培养箱中连续培养7d,期间每天更换1次营养液。处理第8 d测量绿豆幼苗株高、鲜重,绿豆幼苗叶片的叶绿素、丙二醛、可溶性糖含量以及抗氧化酶活性。
  1.3 测定指标及方法
  植株株高的测量和鲜重的称量采用常规法,用直尺测量株高,用电子天平称植株鲜重。采用乙醇提取法测定叶绿素含量;采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量;采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量;采用氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性;采用愈创木酚比色法测定过氧化物酶 (POD)活性;采用紫外吸收法测定过氧化氢酶 (CAT)活性[9-10]。
  1.4 数据分析 采用 Excel 2003 整理数据并借助Graphpad 5 进行数据分析,多组间采用One Way ANOVA分析(P<0.05)。
  2 结果与分析
  2.1 不同浓度Cu2+胁迫对绿豆幼苗生长的影响
  株高和鲜重是衡量植物生长状态的重要指标。由图1可知,随着Cu2+浓度的增加,绿豆幼苗的生长逐渐受到抑制。100、200、400、600 mg/L Cu2+胁迫处理的绿豆平均株高均显著小于对照(CK),分别降低15.2%、22.0%、35.1%和45.4%。绿豆幼苗鲜重也随着Cu2+浓度的升高而显著降低,分别降低16.7%,26.9%,39.1%和53.8%。结果表明,重金属Cu2+对绿豆幼苗的生长具有抑制作用。试验组中最低浓度的Cu2+对绿豆生长也具有一定的抑制效果,说明绿豆生长所需要的Cu2+低于100 mg/L。
  2.2 不同浓度Cu2+胁迫对绿豆叶片叶绿素含量的影响
  植物的光合作用离不开叶绿素,光合作用的强弱关系到植物体内有机物合成的多少。由图2可知,处理组绿豆叶片叶绿素含量均高于对照,随着Cu2+浓度的增加,绿豆叶片叶绿素含量呈先增加后降低趋势,当Cu2+浓度达到400 mg/L时,处理组叶绿素含量达到最高,比对照组增加47.7%。由此可知,低浓度的Cu2+对绿豆叶片中叶绿素的积累具有促进作用。叶绿素含量的增加有利于合成更多的有机物来抵抗Cu2+带来的毒害,说明绿豆对重金属Cu2+带来的胁迫具有一定的抗逆性。当Cu2+浓度增加到600 mg/L时,叶绿体结构受到破坏,叶绿素含量下降,光合作用受阻。
  2.3 不同浓度Cu2+胁迫对绿豆叶片丙二醛含量的影响
  丙二醛(MDA)是细胞膜脂过氧化的产物之一,植物体内MDA积累的量越多,膜脂过氧化的程度就越大。由图3可知,随着Cu2+浓度的增加,MDA的含量呈逐渐增加趋势,与对照相比,不同Cu2+浓度处理的MDA含量分别增加29.8%、68.9%、91.3%和132%。低浓度Cu2+处理的MDA含量有所增加,但未达到显著水平,当Cu2+浓度达到200 mg/L时,丙二醛含量显著高于对照。由此可知,随着Cu2+胁迫增强,绿豆叶片MDA含量升高,叶片膜脂过氧化程度逐渐加大。
  2.4 不同浓度Cu2+胁迫对绿豆叶片可溶性糖含量的影响
  可溶性糖是植物体光合作用的产物,为植物的生命活动提供能量,也可作为渗透调节剂维持细胞内渗透平衡。可溶性糖含量增加可以降低重金属对机体的毒害,从而提高植物体的抗逆能力。由图4可知,随着Cu2+浓度的增加,绿豆叶片中可溶性糖含量逐渐增加。与对照相比,不同浓度Cu2+处理的绿豆叶片可溶性糖含量分别增加10.8%、30.3%、58.6%和80.9%。低浓度的Cu2+处理与对照无显著差异,当Cu2+浓度达到200 mg/L时,绿豆叶片可溶性糖含量显著增加。结果表明,随着Cu2+胁迫程度增大,绿豆叶片合成更多的可溶性糖来提供能量,维持细胞渗透平衡,抵抗Cu2+毒害。
  2.5 不同浓度Cu2+胁迫对绿豆叶片抗氧化酶活性的影响
  当植物受到逆境胁迫时,细胞内活性氧的含量增多,植物体内进化形成的抗氧化酶系统可以一定程度地清除活性氧,从而减轻对植物产生的伤害。SOD、POD和CAT是重要的抗氧化酶。其中,SOD可以将细胞内产生的超氧阴离子自由基,生成H2O2,POD和CAT再进一步催化H2O2分解为无毒的H2O和O2。由图5可知,与对照相比,当绿豆幼苗受到Cu2+胁迫时,随着Cu2+浓度的增加,绿豆叶片SOD、POD及CAT酶活性均呈上升趋势,在Cu2+浓度最高时3种酶的酶活性达到最高值,分别是对照的2.36、2.29和2.53倍。其中,低浓度Cu2+处理(100 mg/L)的CAT活性与对照无显著差异,高浓度的Cu2+处理与对照差异显著。由此可知,绿豆幼苗受到Cu2+胁迫时,细胞内SOD、POD和CAT活性升高,体内产生的活性氧得到较好地清除,减轻绿豆幼苗受到的伤害,说明绿豆对重金属Cu2+污染具有一定的抗性。   3 结论与讨论
  重金属污染对植物产生毒害,导致植物代谢紊乱、生长缓慢[11]。铜是植物正常生长发育必须的微量元素,是某些金属蛋白酶的结构元素,但过量的铜会导致植物生长发育迟缓[12]。张亚娟等[13]研究表明,在受到重金属Cu2+胁迫后,9个不同的大麻品种生长均受到显著抑制,鲜重均显著低于对照。齐文靖等[14]的研究表明,重金属Cu2+胁迫作用下的绿豆幼苗茎长和生物量均显著低于对照。该研究用不同浓度的Cu2+处理绿豆,绿豆幼苗的平均株高和鲜重都随着铜离子浓度的增加而降低,最高Cu2+浓度的处理中绿豆幼苗的平均株高和鲜重分别降低45.4%和53.8%,但绿豆幼苗未出现萎蔫死亡的现象,说明绿豆植株对重金属Cu2+有一定的耐受性。
  叶绿素是进行光合作用所必需的重要物质之一,叶绿素总量可以反映植物光合作用的强弱。该研究结果与牟祚民等[15]的研究类似,Cu2+胁迫下的绿豆幼苗叶片叶绿素含量均高于对照。随着Cu2+浓度的增加,绿豆幼苗叶绿素含量呈先升高后下降的趋势,这与郭锋等[16]的研究结果类似。分析其原因可能是绿豆幼苗受到重金属胁迫时,刺激了绿豆叶片叶绿素的合成,增强光合作用,积累更多的有机物质,而当Cu2+浓度逐渐增高达到600 mg/L时,叶绿体结构破坏加剧,叶绿体含量下降。
  MDA是植物受到逆境胁迫后脂膜过氧化的产物。MDA含量的高低能够反映细胞膜脂过氧化的程度和植物对逆境条件反应的强弱。研究显示,高浓度长时间的镉胁迫致使臭牡丹MDA含量显著升高,出现膜脂过氧化现象[17]。该研究结果显示,绿豆幼苗受到重金属Cu2+胁迫后,叶片MDA含量均显著升高,且随着Cu2+浓度的增加,MDA含量呈逐渐上升趋势,这与庄媛等[18]的結果类似,说明绿豆叶片细胞中活性氧产生与清除代谢在受到重金属Cu2+胁迫时失去平衡,导致膜脂过氧化,细胞膜结构和功能受到损害。植物在应对不利环境时,细胞会大量积累有机溶质,以提高细胞液浓度,增强吸水和持水能力,从而提高抗胁迫能力。可溶性糖是光合作用的产物,既是植物体的能量来源,也是渗透调节不可或缺的部分。已有研究表明,植物在受到重金属镍胁迫时,体内可溶性糖含量与对照相比显著升高[19]。在Cu2+胁迫下,绿豆幼苗可溶性糖含量随着Cu2+浓度的升高呈上升趋势,当Cu2+浓度达到300 mg/L时,绿豆幼苗的可溶性糖增加达到显著水平[14]。该研究结果显示,绿豆幼苗受到Cu2+胁迫时,体内可溶性糖含量随着Cu2+浓度的增加呈逐渐上升趋势,当浓度达到200 mg/L时,绿豆幼苗可溶性糖含量与对照相比达到显著水平(P<0.01),说明绿豆幼苗在高浓度Cu2+胁迫下,叶绿素含量升高,光合作用增强,呼吸作用加强,可溶性糖含量增加,以抵抗Cu2+胁迫对绿豆幼苗造成的伤害。
  当植物受到胁迫时,细胞内活性氧的产生及其清除体系会失去平衡,为保护自身减少植物受到的外界伤害,植物进化形成了自由基清除酶系统,清除植物体内因胁迫而产生的大量自由基,从而减轻自由基对生物膜系统所产生的伤害,保护生物膜不受破坏。SOD、 POD和CAT 的酶活性也能反映植物抗逆性的强弱。该研究结果显示,绿豆幼苗在受到重金属Cu2+的胁迫下,其体内SOD、POD及CAT酶活性均随着Cu2+浓度的升高呈上升趋势,这与马晓华等[20]的研究结果类似。说明绿豆幼苗在受到胁迫时,体内这3种抗氧化酶被激活,清除细胞内的自由基,使得植物在受到重金属Cu2+胁迫时,降低受伤害程度。
  综上所述,绿豆在受到重金属Cu2+胁迫时生长受到抑制,MDA含量升高,细胞膜脂过氧化,然而绿豆幼苗可以通过调节自身叶绿素的合成,渗透调节物可溶性糖的增多,保护酶系统的活性升高来抵抗Cu2+的毒害,说明绿豆在应对重金属Cu2+胁迫时具有一定的抗性。
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