蠶豆幼苗期根系和葉片生理指標(biāo)對(duì)UV－B輻射、鉛鎘脅迫和復(fù)合脅迫的響應(yīng)

趙錦慧

（周口師范學(xué)院 生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)學(xué)院，河南 周口466001）

近年來(lái)，由于環(huán)境污染，臭氧層遭到破壞，導(dǎo)致到達(dá)地球表面UV－B輻射增加，過量的紫外線進(jìn)入生物圈勢(shì)必對(duì)動(dòng)植物產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，UV－B輻射增強(qiáng)對(duì)動(dòng)植物生理、生化和生長(zhǎng)發(fā)育影響的研究已有大量報(bào)道[1－4]，這為科學(xué)評(píng)價(jià) UV－B環(huán)境生物學(xué)效應(yīng)奠定了基礎(chǔ).另外，隨著工業(yè)、城市及農(nóng)業(yè)污染的加劇，土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，造成對(duì)農(nóng)作物及人類的危害，這已成為全球關(guān)注的環(huán)境污染問題[5－7].中國(guó)每年都有因鎘污染而引起的農(nóng)作物減產(chǎn)或污染事件[8].據(jù)研究[9]，重金屬鉛鎘等是一類主要的環(huán)境毒性因子，對(duì)植物有明顯的毒害與誘變作用，不同濃度鉛、鎘對(duì)小麥幼苗生長(zhǎng)代謝及小麥植株中過氧化氫酶和淀粉酶活性的影響不同.目前，有關(guān)重金屬單一及復(fù)合污染對(duì)植物影響的研究，多集中在一些大田作物、蔬菜和牧草上[9]，而有關(guān)重金屬對(duì)雜糧的影響研究[10－11]較少，特別是蠶豆對(duì)UV－B輻射和鉛鎘復(fù)合脅迫的響應(yīng)研究更是鮮有報(bào)道.筆者以蠶豆為材料，研究UV－B輻射脅迫、鉛鎘脅迫及UV－B輻射和鉛鎘復(fù)合脅迫處理下，蠶豆幼苗期根系和葉片生理指標(biāo)的變化，旨在探明UV－B輻射和鉛鎘重金屬脅迫對(duì)蠶豆的影響，為開展UV－B輻射和重金屬污染蠶豆的生物監(jiān)測(cè)及優(yōu)質(zhì)栽培等提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

普通蠶豆，購(gòu)于周口市農(nóng)貿(mào)市場(chǎng).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 鉛鎘脅迫液的制備

⑴ 稱取硝酸鉛（優(yōu)級(jí)純）803.50mg，加1.0 mol/L的硝酸10mL，全部溶解后移入1 000mL容量瓶中，加水至刻度，此溶液鉛濃度為500mg/L.

⑵ 稱取氯化鎘（優(yōu)級(jí)純）40.62mg于300mL燒杯中，加水溶解，全部溶解后移入1 000mL容量瓶中，加水至刻度，此溶液鎘濃度為20mg/L.

1.2.2 種子處理[12]

選取大小一致的蠶豆種子，氯化汞消毒15～20min后，用無(wú)菌水清洗4～5次，清洗結(jié)束后再用無(wú)菌水浸泡24h后等分為4組備用.

1.2.3 實(shí)驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

⑴ 種子處理:實(shí)驗(yàn)設(shè)置4個(gè)組，第1組設(shè)為對(duì)照組，將蠶豆種子放入盛有適量蒸餾水的培養(yǎng)皿中，每天換水；第2組等分為3份，同樣將蠶豆種子放入盛有適量蒸餾水的培養(yǎng)皿中，但分別進(jìn)行UV－B輻射1d、3d、5d，每天輻射時(shí)間為2h；第3組等分為3份，分別將蠶豆種子放入鉛鎘溶液中浸泡1d、3d、5d，每天浸泡時(shí)間為12h，浸泡結(jié)束后轉(zhuǎn)移至蒸餾水中恢復(fù)培養(yǎng)；第4組同樣等分為3份，分別在UV－B輻射和鉛鎘溶液復(fù)合脅迫下處理1d、3d、5d，UV－B輻射脅迫方法同第2組，鉛鎘脅迫方法同第3組.5d后，將4個(gè)組的蠶豆種子全部轉(zhuǎn)移到蒸餾水中培養(yǎng)，并記錄轉(zhuǎn)移時(shí)間，以此時(shí)間為起始點(diǎn)，分別于1d、3d、5d后進(jìn)行根長(zhǎng)及根系活力的測(cè)定.

⑵ 幼苗處理:分別選出能正常發(fā)芽的種子，水培，待幼苗長(zhǎng)出4～6片真葉時(shí)，用上述4個(gè)組的處理方法處理蠶豆幼苗，處理結(jié)束后使幼苗恢復(fù)生長(zhǎng)2d，然后進(jìn)行幼苗期各個(gè)生理指標(biāo)的測(cè)定.主要測(cè)定的生理指標(biāo)有:可溶性蛋白含量、葉綠素含量、丙二醛含量、過氧化物酶活性.

1.2.4 測(cè)定項(xiàng)目

⑴ 發(fā)芽率的測(cè)定:種子經(jīng)過處理后，進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，每天觀察1次發(fā)芽情況，統(tǒng)計(jì)各個(gè)處理萌發(fā)1d、3d、5d后的發(fā)芽率.

⑵ 根長(zhǎng)的測(cè)定:用軟尺測(cè)量根長(zhǎng)，每個(gè)處理調(diào)查10顆蠶豆，根長(zhǎng)取其平均值.

⑶ 根系活力的測(cè)定[13]:采用TTC法進(jìn)行根系活力的測(cè)定.

⑷ 可溶性蛋白含量的測(cè)定[14]:采用考馬斯亮藍(lán)G－250比色法測(cè)定.

⑸ 葉綠素含量的測(cè)定:采用蘇正淑[15]等的方法進(jìn)行測(cè)定.

⑹ 丙二醛含量的測(cè)定[16]:采用硫代巴比妥酸（TBA）法測(cè)定.

⑺ 過氧化物酶活性的測(cè)定[17]:采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定.

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛鎘脅迫、UV－B輻射脅迫及鉛鎘和 UV－B輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆種子萌發(fā)的影響

鉛鎘脅迫、UV－B輻射單一脅迫及鉛鎘和UVB輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆種子萌發(fā)率的影響結(jié)果見表1.由表1可知，與對(duì)照相比，相同處理時(shí)間下，無(wú)論在鉛鎘脅迫、UV－B輻射單一脅迫下，還是在鉛鎘和UV－B輻射復(fù)合脅迫下，蠶豆種子的發(fā)芽率均降低，復(fù)合脅迫下降得最明顯，其次是UV－B輻射脅迫下，最后是鉛鎘脅迫下.這說(shuō)明蠶豆種子的萌發(fā)受復(fù)合脅迫的影響最嚴(yán)重.

表1 各種處理下蠶豆種子的萌發(fā)率（%）

2.2 鉛鎘脅迫、UV－B輻射脅迫及鉛鎘和 UV－B輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆根系的影響

鉛鎘脅迫、UV－B輻射單一脅迫及鉛鎘和UVB輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆根系的影響結(jié)果見表2、表3.從表2根系生長(zhǎng)速度看，鉛鎘脅迫處理對(duì)蠶豆根系生長(zhǎng)抑制作用較輕，UV－B輻射脅迫處理的根系生長(zhǎng)抑制現(xiàn)象明顯，而復(fù)合脅迫處理下的根系最短，約為對(duì)照的50%.這說(shuō)明鉛鎘脅迫和UV－B輻射脅迫同時(shí)作用于蠶豆根系時(shí)，對(duì)蠶豆根系生長(zhǎng)的抑制具有疊加效應(yīng).從表3根系活力強(qiáng)弱看，與對(duì)照相比，相同處理時(shí)間下，鉛鎘脅迫處理時(shí)，蠶豆幼苗根系活力先增強(qiáng)后減弱.說(shuō)明在最初受到脅迫時(shí)，蠶豆調(diào)動(dòng)了自身防御體系，通過增強(qiáng)根系活力來(lái)抵抗鉛鎘脅迫的毒害，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生命力，但隨著鉛鎘脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，其防御體系受到損傷，導(dǎo)致根系活力降低；而在UV－B輻射脅迫及復(fù)合脅迫處理下，蠶豆幼苗根系活力一直呈現(xiàn)減弱趨勢(shì).這說(shuō)明UV－B輻射脅迫及復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆根系的影響更明顯.

表2 各種處理下蠶豆幼苗根長(zhǎng)（cm）

2.3 鉛鎘脅迫、UV－B輻射脅迫及鉛鎘和 UV－B輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉片中葉綠素含量的影響

鉛鎘脅迫、UV－B輻射單一脅迫及鉛鎘和UVB輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉片中葉綠素含量的影響結(jié)果見表4.從葉片的外觀看，鉛鎘脅迫處理下，蠶豆幼苗葉片在開始處理時(shí)，并未發(fā)生明顯變化，但處理結(jié)束恢復(fù)生長(zhǎng)后表現(xiàn)出一定的變化，說(shuō)明鉛鎘脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉片的毒害還是潛在的，毒害積累到一定程度就會(huì)在外觀上表現(xiàn)出來(lái)；UV－B輻射處理后，蠶豆幼苗葉片立即發(fā)生明顯的變化，可看到葉片邊緣變紫，處理時(shí)間越長(zhǎng)，紫黑現(xiàn)象越嚴(yán)重；復(fù)合脅迫處理下，蠶豆幼苗葉片長(zhǎng)勢(shì)較差，而且隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，少量葉片萎蔫、凋落.從葉片中葉綠素的含量看，蠶豆幼苗對(duì)3種脅迫處理的敏感程度為:復(fù)合脅迫﹥UV－B輻射脅迫﹥鉛鎘脅迫，復(fù)合脅迫處理1d后，蠶豆葉片中葉綠素含量就明顯下降，隨著復(fù)合脅迫天數(shù)的延長(zhǎng)，葉綠素含量仍然呈下降趨勢(shì)，復(fù)合脅迫處理5d后葉綠素含量降低為對(duì)照的44.13%，這說(shuō)明復(fù)合脅迫能明顯影響蠶豆幼苗葉片的光合作用.

表3 各種處理下蠶豆幼苗根系活力（mg·g－1·h－1）

表4 各種處理下蠶豆幼苗葉片中葉綠素含量（mg·g－1）

2.4 鉛鎘脅迫、UV－B輻射脅迫及鉛鎘和 UV－B輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉片中可溶性蛋白含量的影響

表5 各種處理下蠶豆幼苗葉片中可溶性蛋白含量（mg·g－1FW）

鉛鎘脅迫、UV－B輻射單一脅迫及鉛鎘和UVB輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉片中可溶性蛋白含量的影響結(jié)果見表5.由表5可知，與對(duì)照相比，3種脅迫處理下，蠶豆幼苗葉片中可溶性蛋白含量均呈下降趨勢(shì)，3種脅迫處理對(duì)蠶豆幼苗葉片中可溶性蛋白含量的影響程度為:復(fù)合脅迫﹥UV－B輻射脅迫﹥鉛鎘脅迫.

2.5 鉛鎘脅迫、UV－B輻射脅迫及鉛鎘和 UV－B輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉片中丙二醛含量的影響

鉛鎘脅迫、UV－B輻射單一脅迫及鉛鎘和UVB輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉片中丙二醛含量的影響結(jié)果見表6.由表6可知，與對(duì)照相比，鉛鎘脅迫處理下，蠶豆幼苗葉片中的丙二醛含量變化不明顯，可能因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)置的鉛鎘濃度對(duì)葉片細(xì)胞膜脂過氧化程度影響較小，UV－B輻射脅迫及復(fù)合脅迫下，蠶豆幼苗葉片中的丙二醛含量明顯升高，這說(shuō)明了葉片細(xì)胞膜脂過氧化程度明顯增強(qiáng)，植物自身通過提高保護(hù)酶活性來(lái)防止膜脂過氧化加劇的方式已受到限制，從而不能阻止UV－B輻射脅迫對(duì)細(xì)胞的傷害，無(wú)法再對(duì)細(xì)胞膜起一定的保護(hù)作用.

表6 各種處理下蠶豆幼苗葉片中丙二醛含量（μmol·g－1）

2.6 鉛鎘脅迫、UV－B輻射脅迫及鉛鎘和 UV－B輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉片中過氧化物酶活性的影響

鉛鎘脅迫、UV－B輻射單一脅迫及鉛鎘和UVB輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆幼苗葉片中過氧化物酶活性的影響結(jié)果見表7.由表7可知，3種脅迫處理下，蠶豆幼苗葉片中過氧化物酶活性均比對(duì)照增強(qiáng).復(fù)合脅迫處理下，過氧化物酶活性增強(qiáng)最明顯，其次是UV－B輻射脅迫處理，最后是鉛鎘脅迫處理.鉛鎘脅迫處理蠶豆幼苗后，過氧化物酶含量增加不明顯，說(shuō)明此濃度下的鉛鎘脅迫對(duì)蠶豆幼苗毒害不嚴(yán)重.UV－B輻射及復(fù)合脅迫處理后，過氧化物酶含量明顯增多，而且隨著處理天數(shù)的延長(zhǎng)，過氧化物酶含量一直呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明這2種脅迫處理下蠶豆幼苗受到的毒害較嚴(yán)重.

表7 各種處理下蠶豆幼苗葉片中過氧化物酶活性（U·mg－1·h－1）

3 討論

本研究結(jié)果表明，鉛鎘脅迫、UV－B輻射脅迫及鉛鎘和UV－B輻射復(fù)合脅迫對(duì)蠶豆種子萌發(fā)、蠶豆幼苗生長(zhǎng)及蠶豆幼苗葉片內(nèi)各種生理指標(biāo)含量均有不同程度地影響.3種脅迫處理下，與對(duì)照相比，蠶豆種子的發(fā)芽率、蠶豆幼苗根系生長(zhǎng)速度、根系活力、蠶豆幼苗葉片內(nèi)葉綠素含量、可溶性蛋白含量均呈降低趨勢(shì)；而蠶豆幼苗葉片內(nèi)丙二醛含量呈升高趨勢(shì)，過氧化物酶活性呈增強(qiáng)趨勢(shì).各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)3種脅迫的敏感程度為:復(fù)合脅迫﹥UV－B輻射脅迫﹥鉛鎘脅迫.

植物對(duì)鉛鎘的吸收是由根系完成的，根系受到毒害后會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)速度減慢、胚根數(shù)量減少、根系活力降低等現(xiàn)象.根部發(fā)育受到影響后，地上部幼苗的生長(zhǎng)也會(huì)受到抑制，幼苗會(huì)表現(xiàn)出植株矮小、葉片色澤變化、葉片內(nèi)各種生理活性物質(zhì)發(fā)生變化等癥狀[18－20].本實(shí)驗(yàn)研究也出現(xiàn)了上述類似結(jié)果.

植物通過葉片吸收UV－B，UV－B輻射劑量較大的情況下，葉片外形上首先會(huì)出現(xiàn)葉色變化，然后會(huì)凋謝；葉片內(nèi)部的生理生化過程也受到干擾，表現(xiàn)為葉綠素含量、可溶性蛋白含量降低，丙二醛含量和過氧化物酶含量升高[21－26].本實(shí)驗(yàn)與前人研究結(jié)果相似.葉綠素含量降低會(huì)影響植物的光合作用，使光合作用產(chǎn)物減少，不利于植物的生長(zhǎng).可溶性蛋白含量的變化間接反映了植物生長(zhǎng)情況的變化，逆境條件可能使蠶豆幼苗葉片內(nèi)蛋白質(zhì)、碳水化合物等分解加快，致使葉片內(nèi)可溶性蛋白合成量下降[23－26].丙二醛是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物之一，它的積累是活性氧毒害作用的標(biāo)志性表現(xiàn)，其含量可以表示脂質(zhì)過氧化的程度，因此丙二醛含量越高，說(shuō)明植物受到的傷害也越大[21－22].過氧化物酶是植物體內(nèi)的保護(hù)酶，植物處于逆境時(shí)，其含量會(huì)升高，過氧化物酶活性增強(qiáng)有利于保護(hù)細(xì)胞，使細(xì)胞在逆境下也能正常生長(zhǎng)[24－25].

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