鑭對鎘脅迫下水稻幼苗生長及生理特性的影響

1、生態(tài)環(huán)境200716(3):835841EcologyEnvironmentEmail:edit@基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（30470270）；安徽師范大學(xué)校青年基金項目（2005xqn10）；安徽省重點實驗室專項基金項目作者簡介：張杰(1973－)，男，講師，碩士，主要從事植物生理生態(tài)學(xué)和環(huán)境污染生態(tài)學(xué)研究。Email：zhjie1211@收稿日期：20060919鑭對鎘脅迫下水稻幼苗生長及生理特性的影響張杰，黃永杰，劉雪云安徽

2、師范大學(xué)生物多樣性研究中心重要生物資源保護與利用研究安徽省重點實驗室，安徽蕪湖241000摘要：選擇10mg?L1La(N03)3作為生物調(diào)控因子，通過營養(yǎng)液培養(yǎng)實驗，研究了水稻(yzasativaL.)幼苗在遭受鎘脅迫（50mg?L1和100mg?L1兩種CdCl2處理）后，稀土元素鑭對抗氧化酶（SOD和CAT）活性、脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物MDA含量、質(zhì)膜透性、葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)、根系活力、幼苗生長及鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)等生理生長指標(biāo)的影響，以探討稀土在重

3、金屬脅迫下對作物的防護效應(yīng)。研究結(jié)果表明：水稻幼苗遭受鎘脅迫的初期，鑭對提高SOD和CAT的活性，降低MDA含量和質(zhì)膜透性，提高葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和根系活力有明顯的正效應(yīng)，但是隨著鎘脅迫程度的加重和脅迫時間的延長，這種作用開始下降，最后甚至與鎘發(fā)生協(xié)同作用，不僅不能緩解鎘對水稻幼苗的毒害，反而更加劇了鎘對水稻幼苗的毒害，這說明適量的稀土元素對重金屬脅迫下植物生長有一定的防護效應(yīng)，但是這種效應(yīng)與重金屬脅迫的濃度大小、脅迫的時間長短有著密切的關(guān)

4、系。此外，鎘在水稻幼苗體內(nèi)的富集規(guī)律是：根系＞地上部，鎘的富集與各處理組鎘濃度之間有比較明顯的劑量效應(yīng)關(guān)系，但是，鑭處理并未降低水稻幼苗地上部分及根系中鎘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。關(guān)鍵詞：鑭；鎘脅迫；水稻(yzasativaL.)幼苗；生理特性中圖分類號：X171.5；Q946.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16722175（2007）03083507鎘是一種生物非必需的重金屬元素，由于它具有高毒性及在水體中較為穩(wěn)定，因而被認(rèn)為是最重要的重金屬污染物之

5、一[1]。農(nóng)業(yè)、采礦業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)活動使大量的Cd進入環(huán)境中[2]，隨著污泥農(nóng)用及污灌的應(yīng)用，越來越多的Cd進入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。Cd不僅降低作物產(chǎn)量，而且通過食物鏈傳遞可能最終危害人體健康，因此如何降低Cd在作物中的富集，減少Cd對作物的傷害已經(jīng)受到廣泛的關(guān)注[3]。近年來稀土農(nóng)用研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)與適量的稀土，在促進作物優(yōu)質(zhì)增產(chǎn)的同時，還有誘導(dǎo)植物抗性的能力[45]，但是以主要的糧食作物——水稻(yzasativaL.)作為對象，研究稀土元素

6、對重金屬脅迫下作物生長的影響卻鮮見報道，另外筆者在此之前研究結(jié)果表明10mg?L1La(N03)3處理對水稻幼苗生長的促進作用最為顯著[6]，因此本文以水稻為試驗材料、10mg?L1La(N03)3作為調(diào)節(jié)因子，研究La對Cd脅迫下水稻幼苗生長的影響，以考察在實驗中應(yīng)用稀土元素作為植物抗重金屬脅迫的拮抗劑的可能性，為稀土對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中重金屬污染的防護研究提供一定的依據(jù)。1材料與方法1.1幼苗的培養(yǎng)水稻品種為“金優(yōu)63”，種子用w=2%

7、的NaClO溶液消毒30min，后用蒸餾水清洗干凈，置于27℃恒溫培養(yǎng)箱中用蒸餾水浸泡48h，然后將種子放入蓋有濕潤紗布的白瓷盤中，于27℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽，保持紗布濕潤。2d后水稻長出芽及根，轉(zhuǎn)移到改良的Hangl培養(yǎng)液中培養(yǎng)8d后備用，每天更換1次培養(yǎng)液，實驗在28℃光照培養(yǎng)箱中進行，光周期為10h∶14h（光∶暗比）。1.2幼苗的處理水稻在改良的Hangl培養(yǎng)液中生長8d后進行處理。向培養(yǎng)液中加入相應(yīng)濃度的La(N03)3或CdC

8、l2溶液（表1）。為避免形成LaPO4和Cd3(PO4)2沉淀，處理后培養(yǎng)液中不再加入NH4H2PO4，但是每天光照結(jié)束前向葉面定量噴施1mol?L1NH4H2PO4溶液，其它營養(yǎng)元素同處理前。每一塑料杯一次性澆入上述培養(yǎng)液200mL，6種處理，每一處理均20杯，每杯移植水稻幼苗10株。實驗在28℃光照培養(yǎng)箱中進行，光周期為10h∶14h（光∶暗比）。表1試驗處理Table1Treatmentoftest處理Treatment加入的溶液

9、Aquaofjoin質(zhì)量濃度(mgL1)ConcentrationCK——LaLa(N03)310Cd1CdCl250Cd2CdCl2100Cd1LaLa(N03)3和CdCl210，50Cd2LaLa(N03)3和CdCl210，100張杰等：鑭對鎘脅迫下水稻幼苗生長及生理特性的影響837常代謝中的產(chǎn)物，在植物的生長過程中活性氧的產(chǎn)生和清除處于低水平平衡狀態(tài)，這時不會對植物造成傷害。但是在逆境脅迫下，活性氧代謝系統(tǒng)的平衡會受到影響，植

10、物體內(nèi)的活性氧大量生成。活性氧的升高能啟動膜脂過氧化或膜脂脫脂作用，從而破壞膜結(jié)構(gòu)[1213]。因此，植物體內(nèi)的活性氧清除劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或活性水平的高低對植物的抗逆能力具有十分重要的意義。超氧化物歧化酶(SOD)是存在于植物細(xì)胞中最重要的清除自由基的酶類之一。SOD在C3和C4植物的葉綠體、線粒體和細(xì)胞質(zhì)中都有分布，它的主要功能是清除超氧化物自由基O2－。圖1和圖2表明，在Cd脅迫的早期(第3天)，加入La(N03)3能提高SOD的活性，

11、從而提高清除O2－的能力，緩解Cd脅迫對水稻幼苗的傷害；但是，隨著Cd脅迫時間的延長，La(N03)3逐漸失去提高幼苗SOD活性的作用，直至處理的最后(第9天)，甚至與Cd發(fā)生了協(xié)同作用，使加La(N03)3的處理SOD活性更低。此外，有研究表明，生物體合成SOD常受O2－濃度的影響，在O2－的誘導(dǎo)下，SOD的生物合成能力升高[14]。說明植物在逆境條件下能啟動自身的保護機制，來最大限度地減少傷害。這可能就是處理早期(第3天)SOD活性

12、大大提高的原因，但是植物的這種自我保護是有一定限度的，隨著脅迫的加重，保護機制可能會被破壞，因此，隨著Cd脅迫時間的延長，SOD活性又發(fā)生了急劇下降。2.2鑭對鎘脅迫下水稻幼苗地上部及根系CAT活性的影響過氧化氫酶(CAT)也是一種重要的保護酶，它可以清除H2O2，主要存在于細(xì)胞的過氧化體中。圖3反映了鎘脅迫時鑭對水稻幼苗地上部分CAT活性的影響。La處理組從一開始到試驗結(jié)束均比CK組的CAT活性要高，而且差異顯著(P＜0.05，說明鑭

13、有提高CAT活性的潛力。隨著處理時間的延長，Cd1，Cd2，Cd1La，Cd2La處理組的CAT活性始終在下降，而且，鎘脅迫越重，CAT活性下降的幅度也越大，這與龐欣等[15]的研究結(jié)果恰恰相反，可能是與Cd2的濃度有關(guān)，這一點有待于進一步研究。圖3還表明，從試驗開始到結(jié)束，Cd1La始終比Cd1的CAT活性要高，且差異顯著(P＜0.05)，Cd2La處理的CAT活性在第3天和第6天測定時均比Cd2處理要高，但差異不顯著(P＞0.05)

14、，在第9天測定時反而比Cd2處理要低，Cd2La只有Cd2的75.68%，達(dá)5%顯著水平。說明鑭有提高CAT活性的能力，但是這與鎘脅迫的濃度和時間長短有關(guān)，隨著鎘脅迫強度的增加，鑭不但會喪失保護作用，而且可能與鎘發(fā)生協(xié)同作用，從而降低CAT的活性。圖4是鎘脅迫時，鑭對水稻幼苗根系CAT活性的影響，其趨勢與對地上部分的影響基本一致，只是有一點不同，從試驗開始到結(jié)束，Cd1La始終比Cd1的CAT活性略高，差異不顯著(P＞0.05)。2.3

15、鑭對鎘脅迫下水稻幼苗地上部及根系MDA含量的影響丙二醛(MDA)是生物膜系統(tǒng)脂質(zhì)過氧化的產(chǎn)物之一，其濃度的高低可以用來表示脂質(zhì)過氧化強度和膜系統(tǒng)傷害程度，是一種重要的逆境生理指標(biāo)。圖5（下頁）是鎘脅迫下，鑭對水稻幼苗地上部分MDA含量變化的影響。鑭處理有降低植株體內(nèi)MDA含量的趨勢，在整個處理期間，La處理組幼苗地上部分MDA的含量均略低于CK組。Cd1，Cd2，Cd1La，Cd2La處理組地上部分的MDA含量隨著處理時間的延長呈顯著增

16、加的趨勢，并于對照的差異逐漸加大。從試驗開始到結(jié)束，Cd1La處理始終比Cd1處理的MDA含量要低，而Cd2La處理開始時比Cd2處理低，到試驗結(jié)束(第9天)時卻比Cd2處理高出9.40%，達(dá)5%顯著水平。051015200369tdCAT活性(mg?g1?min1)CKLaCd1Cd2Cd1LaCd2La圖3鑭對鎘脅迫下水稻幼苗地上部CAT活性的影響Fig.3EffectsofLaonCATactivityinshootsofrice