镉胁迫下的桑树幼苗叶片丙二醛含量动态分析
2012-09-02覃勇荣冯济梅梁文忠李秋明刘旭辉
覃勇荣,冯济梅,梁文忠,李秋明,刘旭辉
(河池学院化学与生命科学系,广西宜州546300)
镉胁迫下的桑树幼苗叶片丙二醛含量动态分析
覃勇荣,冯济梅,梁文忠,李秋明,刘旭辉
(河池学院化学与生命科学系,广西宜州546300)
采用水培试验方法,分别研究了不同浓度重金属镉胁迫背景下,添加或不添加EDTA处理的桑苗叶片丙二醛含量45 d的动态变化。实验结果表明:(1)桑苗叶片的丙二醛含量与镉浓度有关,在21 d~27 d内,丙二醛含量呈波动上升趋势,之后呈波动下降趋势;(2)与不添加EDTA的对照组比较,加入EDTA处理的桑苗叶片丙二醛含量波动比较平缓,随镉胁迫时间的增加,其叶片中的丙二醛含量缓慢增加;(3)低浓度的镉离子对桑苗生长有一定的促进作用,但浓度较高时会对其造成一定的伤害,使其生长受到抑制,叶片变黄,萎蔫,甚至死亡;(4) EDTA能适当缓解镉离子对桑苗的伤害。
桑树幼苗;重金属;镉胁迫;丙二醛含量
广西矿产资源丰富,享有“有色金属之乡”的美誉。过去,由于资金缺乏或者技术落后,矿业开发不可避免地对周边环境造成一定的影响。近年来,随着东桑西移及农业产业结构的调整,广西已成为我国重要的桑蚕种养基地。但是,矿区及其周边环境重金属污染的风险依然存在。残留于土壤中的重金属元素可参与到水体—土壤—生物的系统循环,也可以通过植物的吸收或动物的取食进入食物链,从而影响农业生产和生态系统的安全[1-3]。所以,筛选抗性强、适应性广的高产优质桑树品种,对广西桑蚕产业的可持续发展具有重要意义[4]。
镉是一种有毒的重金属,也是自然界的一种主要污染源,镉胁迫严重影响植物的生长发育,降低作物的产量和质量[5]。研究表明,高浓度的镉能诱导过量活性氧的产生,破坏细胞的氧化还原状态和细胞膜的稳定性,干扰细胞的正常代谢[6],镉在土壤中的高毒性更令人担忧[7]。
螯合剂对金属离子有很强的螯合能力,能增大土壤中重金属的溶解度,促进重金属在植物地上部的积累。近年来,利用螯合剂辅助植物提取的技术(Chelate-assistedphyto-extraction)备受青睐。陈亚华等人研究发现,游离态的Pb或EDTA对幼苗具有毒害作用,而螯合态的Pb-EDTA基本不具有生物毒性[8,9]。可见,在适当浓度的EDTA作用下,重金属对植物的生理胁迫可能会有一定程度的缓解。因为植物对重金属胁迫有一定的耐性,同时也会产生一定的抗逆性。所以,了解植物对重金属胁迫的抗逆机理、耐受重金属的浓度范围及产生适应性所需时间,可以在重金属污染的土壤筛选合适的修复植物,或者种植耐性较强、经济价值较高的作物,充分利用有限的土地资源,发挥最大的生态经济效益。
关于重金属污染对植物影响的相关研究,大多集中在探讨植物对重金属的吸收、转运、累积,以及重金属对植物光合作用和呼吸作用的影响等方面。关于镉对小麦、玉米等作物生长发育及其生理生化影响的研究相对较多[10-12],而关于重金属对桑蚕的生长、产量及毒性机理等方面的研究报道甚少,关于镉等重金属对广西桑蚕产业影响的研究亦鲜有报道[13]。以桑树幼苗为实验材料,采用水培方法,模拟不同浓度的重金属镉胁迫,采取添加或者不添加螯合剂EDTA两种不同的处理方式,分析不同浓度重金属镉胁迫背景下,桑树幼苗叶片MDA含量随时间动态变化的特征,可以了解桑树幼苗的受害过程及机理,为减轻镉等重金属对桑树的危害,提高桑蚕及相关产业的经济效益提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 实验材料
本研究的实验材料——桑树幼苗品种为特优二号,苗龄45d,由广西宜州市城南广场桑苗批发部提供,均未受到有害物质的污染。
1.2 仪器与试剂
实验仪器:AL204型电子分析天平(梅特勒—托科多仪器上海有限公司);80-2型台式电动离心机(常州国华电器有限公司);CFA-160型微电脑光波电热炉(茂名市恒声电器有限公司);722N型可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司);101-2-BS型台式恒温干燥箱(上海跃进医疗器械厂);UV-1800型紫外-可见分光光度计(上海:岛津国际贸易有限公司);艾柯DZG-303A型纯水仪(台湾艾柯成都康宁试验专用纯水设备厂);华烨HYP-1040型四十孔消化炉﹙上海纤检仪器有限公司﹚;pHS-3C型pH计(上海精密科学仪器有限公司);FZ-102型微型植物样品粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)。
主要试剂:Cd(NO3)2、EDTA、Ca(NO3)2、ZnSO4、KNO3、(NH4)3PO4、MgSO4、Fe3+、微量元素。镉标准液、二甲酚橙、六亚甲基四胺、无水乙醇、乳化剂OP、磷酸二氢钠、硼砂、三氯乙酸(trichloroacetic acid,TCA)、2-硫代巴比妥酸(2-thiobarbituric acid,TBA)。
以上试剂除2-硫代巴比妥酸(C4H4N2O2S)为生化试剂(BR)外,均为分析纯(AR),实验用水为去离子水。
1.3 实验方案
1.3.1 材料处理
选择外观大小、规格基本一致的健壮桑苗,先用清水把根部的泥沙洗涤干净,然后用KMnO4溶液浸泡10min,再用去离子水清洗干净,备用。
1.3.2 水培试验
用盆栽模拟法[14],以4L/盆Hoagland营养液作为培养液,设不同Cd2+浓度处理,以不添加EDTA的桑树幼苗水培试验作对照。因为高浓度的重金属离子胁迫很快会使桑苗死亡,所以,根据笔者前期进行的预备实验结果并参考有关文献,水培液中的Cd2+浓度分别设为0、2.5、5.0、10.0、25.0、50.0、100.0、150.0、200.0、250.0mg/L,EDTA的浓度均为0.55mmol/L。重金属Cd2+用Cd(NO3)2配制,Cd2+浓度以纯金属离子计算[15,16]。加入重金属Cd2+后,以3d为一个时间间隔,分别取样测定桑树幼苗基部叶片的丙二醛含量。培养幼苗时,每种不同的实验处理均设三个重复,以保证样品测试时材料的供应和数据的可靠性。
1.3.3 丙二醛及镉含量的测定
(1)丙二醛含量的测定用硫代巴比妥酸法[17]。
(2)镉含量的测定用HNO4-HClO4消化,二甲酚橙分光光度法[18],实验材料为培养45d的桑树幼苗。
1.3.4 数据处理
数据处理用Microsoft Excel 2003和SPSS18.0软件进行,每个样品均做三个平行测定,结果取平均值。利用单因子方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD),对不同样品的测定数据进行比较和差异显著性检验。
2 结果与分析
2.1 不同浓度的Cd2+对桑树幼苗叶片丙二醛含量的影响
图1为水培液中不添加EDTA时,桑树幼苗在各种不同浓度Cd2+胁迫的情况下,其叶片丙二醛含量的测定结果。由图1可看出,随着Cd2+浓度的升高,丙二醛含量呈上升趋势。加重金属镉6d后,丙二醛含量明显低于3d后的含量,可能是桑树幼苗对重金属镉胁迫产生生理抗逆性的结果。在加入Cd2+后的21~27d时间内,大部分桑树幼苗叶片的丙二醛含量呈逐渐上升趋势,之后变化较平缓,说明桑苗在经历重金属镉胁迫一段时间后,有了一定的有适应性。加入Cd2+浓度为250、200、150、100、50mg/L胁迫处理的桑苗,分别在第12d、30d、30d、30d、36d摘不到叶子,说明随着重金属离子浓度的增高,镉对桑树幼苗的生长产生了明显的抑制作用。通过每天的观察记录得知:随着Cd2+浓度提高和时间的推移,桑树幼苗叶片褪绿、变黄、枯槁及萎蔫的现象越明显,因此也越难长成叶子,甚至一些幼苗逐渐出现死亡症状。从桑树幼苗丙二醛含量的分析结果来推断,低浓度的Cd2+可能对桑树幼苗的生长有一定的促进作用,但高浓度的Cd2+对桑树幼苗生长却能产生明显的毒害作用。
图1 不同浓度的Cd2+对桑树幼苗叶片丙二醛含量的影响
2.2 EDTA对镉胁迫下的桑树幼苗叶片丙二醛含量的影响
图2为水培液中添加EDTA时,桑树幼苗在各种不同浓度Cd2+胁迫下,其叶片丙二醛含量的测定结果。由图2可看出,加入EDTA的桑树幼苗在重金属Cd2+的胁迫下,随着时间的推移,其叶片中的丙二醛含量稍有上升。通过对图1和图2的比较可知,前者丙二醛含量大多为0.015μmol/g左右,而后者的丙二醛含量则大多在0.015μmol/g之下。空白对照组与单独加EDTA的实验处理组相比,加EDTA处理组的丙二醛含量明显高于空白对照组。
图2 EDTA对镉胁迫下的桑树幼苗叶片丙二醛含量的影响
2.3 桑树幼苗叶片丙二醛含量与其体内Cd2+含量的关系分析
图3为不添加EDTA水培45d,桑苗叶片丙二醛含量与桑苗中镉含量的比较。可见,桑树幼苗的镉含量随着培养液中的Cd2+浓度增大而逐渐升高,丙二醛含量与桑树幼苗吸收的镉成正相关(r=0.83,p<0.01)。当培养液中Cd2+为250mg/L时,随着桑树幼苗对镉离子吸收的增加,MDA含量却明显下降,其原因有待研究。
图3 桑苗叶片丙二醛含量与桑苗吸收Cd2+的情况比较
2.4 EDTA处理对桑苗叶片丙二醛含量及其体内Cd2+含量的关系分析
图4为添加EDTA水培45d,桑苗叶片丙二醛含量与桑树幼苗中镉含量的比较。值得注意的是,在培养液中的Cd2+浓度为200mg/L时,桑苗对镉离子吸收量最大(此时其桑苗叶片中的丙二醛的含量也达到一个峰值),说明桑树幼苗对重金属镉的吸收是一个十分复杂的过程,许多问题尚有待进一步研究。
图4 添加EDTA处理对桑苗叶片丙二醛含量及其体内吸收Cd2+的影响
3 讨论
植物生理生化研究结果表明,植物细胞损伤过程中,生物膜的破坏是由细胞产生的超氧自由基诱导脂质中的不饱和脂肪酸发生过氧化作用造成的[19]。丙二醛的积累来自不饱和脂肪酸的降解,它的生成是植物体内自由基引发而产生的,丙二醛的积累能够反映植物体内自由基的活动状态[20]。因此,在植物逆境生理研究中,丙二醛被普遍地作为一种表示伤害的指标。在本试验中,在重金属镉胁迫下,随着水培液中的Cd2+浓度升高,桑树幼苗叶片细胞损伤程度增加,丙二醛含量增多。高浓度的Cd2+胁迫,桑苗受害严重,甚至死亡。本实验的结果与郑世英、郑爱珍等相关研究的结果相一致[21,22]。由本试验结果可知,单独加EDTA对植物细胞也有一定损害。在重金属离子存在的情况下,加入EDTA能促进了桑苗对镉的吸收,镉与EDTA螯合,可降低其对桑树幼苗的毒害作用,这与陈亚华等对螯合态的Pb-EDTA作用于油菜幼苗的结果相似[8,24]。一般情况下,植物吸收的重金属主要积累在根部,然而这种现状也会受到重金属浓度的限制,随着重金属处理浓度的升高,重金属离子在其体内积累量逐渐增加,从而对植物的毒害作用加剧,重金属胁迫使植物细胞内产生活性氧自由基超过保护酶系统的清除能力时,就会导致自由基在叶细胞内的大量积累,从而诱导对植物细胞的过氧化伤害[23]。这也表明重金属胁迫条件下,植物体内活性氧清除系统对植物细胞的保护作用是有限度的。本研究发现,桑树幼苗对重金属Cd2+具有一定的耐性,在桑苗培养的过程中,在一定的浓度范围内,桑树幼苗能够耐受胁迫,生长良好,很少死苗现象。至于桑树幼苗对其他重金属离子胁迫的抗逆机理,以及EDTA对其他重金属毒害是否也有降解作用,目前还不甚明了,有待进一步研究。
4 结论
根据实验研究结果及以上分析讨论,可以初步得到以下结论:
(1)桑树幼苗对重金属镉具有一定的耐性。但是,在Cd2+的胁迫下,桑树幼苗细胞膜受损,丙二醛含量升高。(2)低浓度的Cd2+对桑树幼苗生长有一定的促进作用,但Cd2+浓度大于50mg/L时,对桑苗生长有毒害作用。(3)桑树幼苗对Cd2+的吸收是一个复杂的过程,其叶片中的丙二醛含量及体内的Cd含量并非与水培液中的Cd2+浓度成正相关,但是,其叶片中的丙二醛含量与茎叶中的镉含量成正相关。(4)EDTA促进了桑苗对Cd2+的吸收,对缓解重金属镉的毒害具有一定的作用。
[1]BRZOSKAMM.MONIUSZKO JJ.Interactions between cadmium and zinc in the brgansim[J].Food and chemical Toxicalogy,2001,39:967-980.
[2]杨世勇,王方,谢建春.重金属对植物的毒害及植物的耐性机制[J].安徽师范大学学报(自然科学版),2004,27(1):71-74.
[3]夏建国,兰海霞.镉胁迫对蒙山茶树生长及叶片生理指标的影响[J].茶叶科学,2008,28(1):56-61.
[4]岑忠用,苏江,覃勇荣,等.宜州市不同桑树品种生理生化性状研究[J].中国农学通报,2009,25(23):254-257.
[5]Nada E,Ferjani B A,Ali R,etal.Cadmium-induced growth inhibition and alteration of biochemical parameters in almond seedlings grown in solution culture[J].Acta Physiol Plant,2007,29(1):57-62.
[6]Dixit V,Pandey V,Shyam R.Differential antioxidative responses to cadmium in roots and leaves of pea(Pisum sativum L.cv.Azad)[J].J Exp Bot,2001,52(358):1 101-1 109.
[7]程旺大,姚海根,张国平,等.镉胁迫对水稻生长和营养代谢的影响[J].中国农业科学,2005,38(3):528-537.
[8]陈亚华,沈振国,宗良纲,等.EDTA对2种芥菜型油菜幼苗富集Pb的效应[J].环境科学研究,2005,18(1):67-70.
[9]程杰,高压军.镉毒害对小麦生理生态效应的研究进展[J].水土保持研究,2006,13(6):219-221.
[10]高建兰,刘玲,张洪林.镉胁迫对玉米生理特性的影响[J].浙江科技学院学报,2004,16(2):105-108.
[11]曾路生,廖敏,黄昌勇,等.镉污染对水稻土微生物量、酶活性及水稻生理指标的影响[J].应用生态学报,2005,16(1):212-216.
[12]上海植物生理学会.植物生理学实验手册[M].上海:上海科学技术出版社,1985,(1):60-61.
[13]谭勇壁.矿区周边重金属污染农田发展桑树种植产业的可行性研究[D].南宁:广西大学,2008.
[14]李向科,张义贤.重金属Cd2+Pb2+Cu2+在大麦幼苗体内积累与分布的研究[J].农业环境科学学报,2007,26(增刊):484-488.
[15]鲍士旦.土壤农化分析[M].北京:中国农业出版社,2000,370-380.
[16]郑世英,张秀玲,王丽燕,等.Pb2+,Cd2+胁迫对棉花保护酶及丙二醛含量的影响[J].河南农业科学,2007,(8):43-46.
[17]王学奎.植物生理生化实验原理和技术[M].北京:高等教育出版社,2006,280-281.
[18]王丽芳,商艳芳.海产品中微量元素镉的测定[J].吕梁教育学院学报,2004,21(47):45-48.
[19]杨秀清,闫海冰,李国明.铜锌元素与仁用杏丙二醛含量关系的研究[J].山西林业科技,2005,(4):4-6.
[20]杨淑缜,高俊凤.活性氧、自由基与植物的衰老[J].西北植物学报,2001,21(2):215-220.
[21]郑世英.Cd2+胁迫对玉米抗氧化酶活性及丙二醛含量的影响[J].江苏农业科学,2007,(1):36-37.
[22]郑爱珍,刘传平,沈振国,等.镉处理下青菜和白菜MDA含量、POD和SOD活性的变化[J].湖北农业科学,2005,(1):67-69.
[23]黄玉山,罗广华,关启文.镉诱导植物的自由基过氧化损伤[J].植物学报,1997,39(6):522-526.
[24]陈亚华,李向东,刘红云,等.EDTA辅助下油菜修复铅污染土壤的潜力[J].南京农业大学学报,2002,25(4):15-18.
[责任编辑刘景平]
Dynam ic Analysis of Malondialdehyde Content inMorus AlbaSeed ling Leaves Under Cd2+Stress
QIN Yong-rong,FENG Ji-mei,LIANG W en-zhong,LIQiu-m ing,LIU Xu-hui
(Department of Chem istry and Life Science,Hechi University,Yizhou,Guangxi546300,China)
By water-implantation experiment,different concentrations of Cd2+are added to the nutrient solution respectively.In each solution of one group,treatmentwith 0.55 mmol/L EDTA is compared to the other groups untreated with EDTA.The dynamic changes ofmalondialdehyde(MDA)content in theMorusalbaleaves for 45 days are investigated.The results show that:(1)there are some relationship between MDA contents inMorusalbaleaves and Cd2+concentration in the solution.During the period of21 to 27days,MDA contentof the leaves has a rising trend of fluctuation at first,and then declines in a fluctuating state;(2)Compared with the groups untreated with EDTA,MDA content in the leaves not only remains at a relative stable level,but also increases gradually with time prolonging;(3)When Cd2+concentration is ata lower level,itwill promote the growth ofMorus albaseedling,butwhen Cd2+concentration is at a higher level,such poisonous effects will happen,that is,the growth of the seeding will be inhibited,and the leaves of seedingswill turn yellow or wither;(4)EDTA can alleviate Cd2+poisonous effects onMorusalbaseedlings.
Morusalbaseedling;heavymetal;Cd2+stress;malondialdehyde content
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X53
A
1672-9021(2012)02-0017-06
覃勇荣(1963-),男,广西平南人,河池学院化学与生命科学系教授,主要研究方向:高校生物学教学,岩溶地区生态修复。
广西高校重点建设学科基金资助项目(桂教科研〔2007〕20号);广西高校重点实验室基金资助项目(桂教科研〔2010〕6号);广西高等学校特色课程及专业一体化建设基金资助项目(桂教高教〔2011〕102号)。
2012-03-11