硫代脯氨酸对绿豆幼苗生长及生理特性的影响

姚飞虹 谭小丽 赵丽萍 谭红娇 邓胜军 文君 张辉

(湘南学院，湖南郴州 423003)お

摘要

［目的］研究不同浓度硫代脯氨酸（0、0.10、0.25、0.75、1.25、2.25 mmol/L）对绿豆幼苗生长、生理特性的影响。［方法］通过水培试验，测定不同浓度硫代脯氨酸处理的绿豆幼苗主根长、株高、鲜重等生长指标以及叶内叶绿素、丙二醛（MDA）、游离脯氨酸含量和超氧化物歧化酶（SOD）活性等生理指标。［结果］在各浓度硫代脯氨酸处理下，绿豆幼苗主根长、鲜重先上升后下降，在高浓度（2.25 ﹎mol/L）处理下各生长指标均小于对照组；随着硫代脯氨酸浓度的升高，叶绿素、游离脯氨酸含量上升，SOD活性均高于对照组，叶内MDA含量在较低浓度时下降，小于对照组，在浓度为0.75、2.25 mmol/L时显著上升，高于对照组。［结论］硫代脯氨酸对绿豆幼苗生长有低浓度（0.10 mmol/L）促进、高浓度抑制的作用，游离脯氨酸和SOD是绿豆幼苗抗硫代脯氨酸胁迫的物质基础。

关键词 硫代脯氨酸；MDA；SOD；游离脯氨酸

中图分类号 SB188文献标识码 A文章编号 0517-6611（2014）19-06136-03

お

Effects of Thioproline Stress on Physiological and Biochemical Characteristics of Mung Bean Seedlings

YAO Fei瞙ong, ZHANG Hui et al

(Xiangnan University, Chenzhou, Hunan 423003)

Abstract ［Objective］ The effects of different concentration thioproline stress(0, 0.1, 0.25, 0.75, 1.25, 2.25 mmol/L) on growth and physiological characteristics of mung bean seedlings were studied. ［Method］ Though solution culture experiment, the height, main root length, fresh weight, and the physiological characteristics such as the contents of chlorophyll, malonaldehyde (MDA), free proline and the activity of superoxide dismutase (SOD) of mung bean seedlings treated by different thioproline concentrations were determined. ［Result］ The main root length and fresh weight of these seedlings reached to the highest point firstly, then decreased to the valley. Each of the growth characteristics was less than that of the control group in high thioproline concentration (2.25 mmol/L). With the increasing of thioproline concentrations, the contents of chlorophyll and free proline increased, all the activity of SOD more than that of the control group. The contents of MDA were less than that in relatively low concentrations, but it obviously increased more than that of the control in the two concentrations(0.75, 2.25 mmol/L). ［Conclusion］ Thioproline has promoted the growth of mung bean seedings in low concentration (0.10 mmol/L); And it had growth inhibition to mung bean seedings in higher concentration. The contents of free proline and the activity change of SOD were the foundation of the tolerance to thioproline stress.

Key wordsThioproline; MDA; SOD; Free proline

お

基金项目 湘南学院大学生研究性学习与创新性实验计划项目(2013-55号)。

作者简介

姚飞虹(1982-)，女，湖南武冈人，助教，硕士，从事植物生理生化方面的研究。*通讯作者，教授，博士，从事分子药理与毒理学方面的研究。

收稿日期 20140606

随着我国工业的发展，尤其是采矿业的迅猛发展，废渣、废气、废水排放量增加，土壤重金属污染日益严重。硫代脯氨酸属于抗癌药物中的诱导分化类药物，以保护为主，能使异常细胞转化为正常细胞，其特点是低剂量无细胞毒性，易吸收，副作用少［1-3］。至今为止，众多对硫代脯氨酸的研究只集中在其作用于人和动物临床应用方面及它的热化学性质、以其为配体形成稀土配合物的研究方面［4-6］，而几乎没有关于其对植物方面的研究报道。

绿豆为豆科类草本植物，在我国栽培历史悠久，品种资源丰富，是我国传统豆类食物。其生育期短，播种适期长，适应性广，抗逆性强，在我国南方种植较多。为此，笔者尝试通过测定硫代脯氨酸对绿豆幼苗生长和生理特性方面的影响，为硫代脯氨酸在农业方面的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1供试材料

供试材料为普通绿豆，来源为郴州市罗家井菜市场。

1.2 试验方法

1.2.1

水培方法。挑选健康饱满、大小均一的绿豆种子，消毒萌发。萌发后，加入预先配置好的不同浓度硫代脯氨酸营养液约20 ml。试验共设5个处理（0.10、0.25、0.75、1.25、2.25 mmol/L）和1个对照，并且设置3组重复，置于人工气候培养箱中适宜条件（温度(25±2)℃，光强2 000 lx，相对湿度70%～80%，每天光照11 h）下培养［7］，每隔12 h添加相应营养液以补充营养，每次加入量使纱布保持湿润且无明水即可，连续培养8 h后取样测定［8］。

1.2.2

生长指标的测定方法。分别采用尺寸测量法和天平法测量其主根长、株高与鲜重［9］。重复测定3次，计算平┚值。

1.2.3

生理生化指标的测定方法。叶绿素含量的测定采用分光光度法［10］；丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸比色法［11］；超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用NBT法［12］；游离脯氨酸含量的测定采用磺基水杨酸法［12］。重复3次，计算平均值。

1.2.4

数据统计方法。试验数据用Mircrosoft Excel 2003软件处理后，采用SPSS 17.0单因素方差分析进行样品的方差显著性检验，并且使用LDS方法进行多重比较检验。

2 结果与分析

2.1 硫代脯氨酸对绿豆幼苗生长的影响

2.1.1

硫代脯氨酸对绿豆幼苗主根长的影响。根系是植物重要的吸收器官，其形态和长势直接影响植物对营养的吸收，进而影响植物的生长和生理。豆类作物的根系为主根系，其主根长度是反映根系发育状况的一个指标［13］。从图1、表1可以看出，0.10 mmol/L处理组的主根比对照组长，差异显著（玃﹤0.05）；浓度为0.75、1.25、2.25 mmol/L处理组主根均比对照组短，差异极显著（玃﹤0.01），说明根的生长受到抑制。

注：0、1、2、3、4、5分别表示硫代脯氨酸处理浓度为0、0.10、0.25、0.75、1.25、2.25 mmol/L。

图1连续培养8 d后绿豆幼苗长势

表1硫代脯氨酸对绿豆幼苗生长的影响

硫代脯氨酸づǘ取蝝mol/L 主根长cm 株高cm 鲜重g

0 9.878±0.30914.764±0.221 0.450±0.013

0.10 10.673±0.588* 16.060±0.332** 0.474±0.012*

0.25 9.232±0.418 15.183±0.184 0.447±0.008

0.75 8.386±0.478** 14.605±0.405 0.415±0.007**

1.25 6.789±0.450** 15.284±0.206* 0.390±0.013**

2.25 4.911±0.385** 13.605±0.356** 0.341±0.005**

注：*、**分别表示差异在0.05、0.01水平显著。

2.1.2

硫代脯氨酸对绿豆幼苗株高的影响。株高可直接反映植物的生长长势。从图1、表1可以看出，当硫代脯氨酸浓度为0.25和0.75 mmol/L时，绿豆幼苗株高与对照组基本相同；当浓度为0.10和1.25 mmol/L时，高于对照组，且在0.10 mmol/L时差异极显著（玃﹤0.01）；而2.25 mmol/L处理组明显低于对照组，差异极显著（玃﹤0.01）。

2.1.3

硫代脯氨酸对绿豆幼苗鲜重的影响。鲜重反映植物生长生物量的积累状况。从图1、表1可以看出，0.10 ﹎mol/L处理组的鲜重高于对照组，差异显著（玃﹤0.05）；当硫代脯氨酸浓度为0.75、1.25、2.25 mmol/L时，随着浓度的升高而降低，与对照组相比，差异极显著（玃﹤0.01）。这说明当硫代脯氨酸浓度为0.10 mmol/L时，对绿豆幼苗鲜重增长有促进作用，在浓度为0.75、1.25和2.25 mmol/L时有抑制作用，并且随浓度的升高而抑制加强。

2.2 硫代脯氨酸对绿豆幼苗生理特性的影响

2.2.1

硫代脯氨酸对绿豆幼苗叶绿素含量的影响。叶绿素是植物进行光合作用的色素，其含量高低可以在一定程度上反映光合作用水平［14］。从表2可以看出，在硫代脯氨酸浓度为0～0.75 mmol/L范围内，叶绿素总量基本一致，当硫代脯氨酸浓度为1.25和2.25 mmol/L时，叶绿素比对照组增加，差异显著（玃﹤0.05）。

2.2.2

硫代脯氨酸对绿豆幼苗MDA含量的影响。MDA是植物器官衰老时或在逆境条件下发生膜脂做氧化作用的产物之一。MDA含量可以反映膜脂过氧化的程度，是植物膜系统受伤害的一个重要指标［12］。从表2可以看出，当硫代脯氨酸浓度为0.10、0.25和1.25 mmol/L时，MDA含量与对照组相比无明显差异；当浓度为0.75和2.25 mmol/L时，差异极显著（玃﹤0.01）。这些结果说明在0.75和2.25 mmol/L硫代脯氨酸处理下，绿豆幼苗细胞膜发生过氧化而受到破坏。

2.2.3

硫代脯氨酸对绿豆幼苗SOD活性的影响。SOD是生物体内一种重要的活性氧自由基清除剂，在清除超氧阴离

表2 硫代脯氨酸对绿豆幼苗生理生化指标的影响

硫代脯氨酸浓度∥mmol/L 叶绿素含量∥mg/gMAD含量∥nmol/g SOD总活性∥U/g 脯氨酸含量∥μg/g

0 1.855±0.744 8.708±0.531 313.124±6.305 29.153±3.814

0.10 1.839±0.584 8.292±0.333322.906±2.536** 29.944±3.218

0.25 1.870±0.704 8.250±0.789325.686±0.768** 32.166±3.842

0.75 1.958±0.875 10.400±0.433**327.133±4.651** 29.379±4.232

1.252.115±0.070* 9.358±0.411323.326±1.178** 68.768±6.715*

2.252.221±0.875* 10.975±0.908**330.312±4.627** 125.177±10.010**

注：*、**分别表示差异在0.05、0.01水平显著。

子自由基、抑制膜脂过氧化、保护细胞免遭伤害等方面起着重要的作用［15］。从表2可以看出，经不同浓度硫代脯氨酸处理后，绿豆幼苗SOD活性均比对照组高差异极显著（玃﹤0.01），但是处理组SOD活性之间无明显差异。

2.2.4

硫代脯氨酸对绿豆幼苗游离脯氨酸含量的影响。

游离脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质之一。脯氨酸具有调节渗透平衡、增强细胞结构的稳定性和清除活性氧的作用。它与植物体内氧自由基的清除以及膜脂过氧化作用的减轻有十分密切的关系［16］。植物体内游离脯氨酸含量在一定程度上反映植物的抗逆性。从表2可以看出，在硫代脯氨酸浓度0～0.75 mmol/L的范围内，绿豆幼苗中脯氨酸含量与对照组基本相同；当硫代脯氨酸浓度提高到1.25 mmol/L时，绿豆幼苗体内游离脯氨酸含量急剧上升，达显著水平（玃﹤0.05），在2.25 mmol/L时差异极显著（玃﹤0.01）。

3 结论与讨论

根系在植物的生长发育、生理功能和物质代谢中发挥重要作用。它感受环境信号，并且在形态和生理上产生一系列反应，并且它作为植物与环境接触的重要界面，相对于茎叶等部位对环境更敏感，更易对环境作出反应［17］。植物根系受到伤害，造成根系生理代谢失调，导致植物营养亏缺，进而影响植物地上部分生长和细胞内各种生理活性物质的积累或活性。研究表明，在硫代脯氨酸浓度为0～2.25 mmol/L时，各生长指标的变化总体上呈先上升后下降，浓度为0.10 mmol/L时出现最大值，硫代脯氨酸0.75 mmol/L时主根长、鲜重下降，差异极显著（玃﹤0.01）；硫代脯氨酸2.25 mmol/L时各生长指标值均比对照组小。其中，株高的变化规律稍有不同，在硫代脯氨酸浓度为1.25 mmol/L时植株比相邻浓度组高，且高于对照组，差异显著（玃﹤0.05），并且可观察到该浓度下植株纤细、脆弱。硫代脯氨酸对绿豆幼苗主根长的影响最为显著，绿豆幼苗的主根长度在0.10 mmol/L时最长，随着浓度的加大出现抑制，并且观察到高浓度下根系有腐烂现象，浓度越高腐烂现象越高。

叶绿素是植物进行光合作用的一种重要色素，其含量影响植物的光合作用，进而影响植物的生长。研究表明，在硫代脯氨酸浓度为1.25和2.25 mmol/L时，叶绿素含量高于对照组，差异显著（玃﹤0.05），说明硫代脯氨酸处理对叶绿素没有破坏作用，且浓度为1.25和2.25 mmol/L时可能促进叶绿素的合成。

活性氧（如O2-、·OH、H2O2等）是植物正常代谢的产物。在正常情况下，植物在生命活动中产生的活性氧自由基存在着产生和消除的动态平衡。在逆境条件下，产生的活性氧增加，平衡被破坏，植物体内活性氧大量生成，首先受影响的是生物膜，活性氧的升高会启动膜脂过氧化，从而破坏膜结构［18］，质膜系统受到伤害，其选择性受到破坏，导致细胞内电解质外渗量增加。MDA是膜脂过氧化产物之一，因而MDA含量反映膜脂过氧化的程度［19］。SOD是体内清除活性氧的一种重要酶，能够歧化O2-为H2O2和O2，使得植物体内活性氧自由基维持在较低水平，防御植物细胞膜的过氧化，降低植物的受伤害程度，使得植物进行正常的生长和代谢。植物为了适应逆境环境也会主动积累游离脯氨酸等物质，以适应外界环境的变化。脯氨酸是对细胞进行渗透调节、稳定细胞结构、降低氧化的重要物质。游离脯氨酸具有很大的亲水性。它的增加有助于细胞或组织的保水，同时作为碳水化合物来源、酶和细胞结构的保护剂，可以防止活性氧对膜脂和蛋白质的过氧化作用［20］。

经硫代脯氨酸作用的绿豆幼苗，含量在浓度为0.75和2.25 mmol/L时高于对照组，差异极显著（玃﹤0.01），2.25 mmol/L时达到最大值。活性均比对照组增加较大，差异极显著（玃﹤0.01），而各处理组之间没有明显差异。由于绿豆幼苗经过硫代脯氨酸处理，产生的活性氧增多，植株中活性升高对植物体内氧自由基的清除起关键作用，使得硫代脯氨酸浓度在0~0.25 mmol/L范围内和1.25 mmol/L时绿豆幼苗细胞过氧化程度降低，趋向正常水平。游离脯氨酸含量在1.25 mmol/L时显著高于对照组（玃﹤0.05），2.25 mmol/L时达到最大值，差异极显著（玃﹤0.01）。这是绿豆幼苗对外界不利环境的一种适应。植株体内和游离脯氨酸等的综合作用降低了绿豆幼苗的过氧化程度，使植株的受伤害程度降到最低。

综上所述，硫代脯氨酸可能通过对绿豆幼苗根的影响和过氧化作用影响绿豆幼苗的生长和生理特性。硫代脯氨酸使得绿豆幼苗发生过氧化，并且影响植株根系的形态与生理功能。在0～0.25 mmol/L的浓度范围内，植株在SOD歧化作用下过氧化程度趋于正常，且主根长于对照组，绿豆幼苗的生长表现出一定的促进作用；随着硫代脯氨酸浓度的增大，总活性与低浓度处理组相比无明显差别，过氧化程度加深，在浓度2.25 mmol/L时达到最大值，且根系较短出现腐烂现象，绿豆幼苗表现出生长抑制效果；浓度为1.25 mmol/L的处理组在SOD歧化作用以及游离脯氨酸保护下的过氧化程度较低，但由于根系受损害较大，植株纤细脆弱。另外，硫代脯氨酸浓度为1.25和2.25 mmol/L时，绿豆幼苗叶绿素含量较高，说明该浓度有利于叶绿素合成。

该试验首次研究了植物经硫代脯氨酸处理所发生的生长、生理特性的变化，但其有利或有害的作用范围、作用机理及其硫代脯氨酸是否能减轻绿豆幼苗在重金属胁迫下产生的效应等还需进一步研究。

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