复合光合菌剂PS21对四环素胁迫下黄瓜幼苗生长及抗氧化酶活性的影响

葛红莲，郭 宁

(周口师范学院 生命科学与农学学院，河南 周口 466001)

复合光合菌剂PS21对四环素胁迫下黄瓜幼苗生长及抗氧化酶活性的影响

葛红莲，郭 宁

(周口师范学院 生命科学与农学学院，河南 周口 466001)

采用室内模拟试验法研究复合光合菌剂PS21与不同剂量四环素(10、20、40、60、80、100 mg/kg)协同处理对黄瓜幼苗生长及抗氧化酶活性的影响，初步探讨复合光合菌剂PS21缓解四环素对黄瓜幼苗生长和抗氧化酶活性的抑制效应。结果表明，单独四环素处理显著降低黄瓜幼苗的株高、根长、鲜质量、干质量和叶绿素含量，同时显著提高丙二醛(MDA) 的含量。低剂量四环素激活超氧化物歧化酶 (SOD)、过氧化氢酶 (CAT) 和过氧化物酶 (POD) 活性，高剂量四环素降低SOD、CAT 和POD活性。108cfu/mL的PS21能缓解不同剂量四环素对黄瓜幼苗的伤害，与四环素单独处理相比，黄瓜株高、根长、鲜质量、干质量、叶绿素含量和抗氧化酶活性提高，MDA含量下降。因此，复合光合菌剂PS21对黄瓜的四环素毒害具有较强的缓解作用。

复合光合菌剂； 四环素； 黄瓜； 幼苗生长； 叶绿素含量； 抗氧化酶系

四环素是人畜共用的广谱性抗生素，目前已成为生产量和使用量较大的抗生素之一[1-2]。四环素进入人及动物体后，大部分以原药或代谢产物的形式随生理代谢活动排出体外，造成水体和土壤的污染。目前，在土壤、水、动植物体中都能检测到四环素[2-5]。一些研究表明，四环素对植物表现出较高的毒性，对植物的光合作用、发芽率和根的生长有显著的抑制作用[2-3,5-6]。因此，近年来四环素对环境及植物的影响引起了人们的关注。但是，关于缓解四环素对植物伤害的报道较少。

光合细菌是一类能进行不产氧光合作用的原核微生物，由于它能降解有机物并产生抗病活性因子和生长激素而备受人们关注[7-9]。光合细菌能促进植物的生长，提高植物幼苗的抗逆性，缓解重金属、紫外线、盐等胁迫对植物生长的抑制作用[10-13]。马文丽等[11]研究表明，光合细菌能促进Cd2+胁迫下黑小麦幼苗生长，并提高植株的抗氧化酶活性。Kantha等[14]报道，光合细菌能缓解逆境胁迫对植物生长的抑制作用。但是光合细菌对作物的四环素类伤害是否有缓解作用，尚未见报道。为此，以黄瓜为材料，探索复合光合菌剂PS21对幼苗四环素伤害的缓解作用，为复合光合菌剂PS21的进一步开发应用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1试验材料

1.1.1 供试土壤及黄瓜 土壤采自河南省周口师范学院试验田，采集未经耕作和未被污染的上层土壤(0～20 cm)，保存于无菌塑料袋中带回实验室。供试黄瓜品种为津绿3号。

1.1.2 供试菌株、培养基及试剂 复合光合菌剂PS21是周口师范学院微生物学实验室经前期试验证明具有抗逆性和促生作用的光合细菌菌株AR12、AR13的复配菌剂。两菌株经初步鉴定分别为红假单胞菌(Rhodopseudomonassp.)、红螺菌 (Rhodospirilumsp.)。光合细菌培养基(PSB)采用MM培养基添加0.15%酵母膏[12]。盐酸四环素由上海紫一试剂厂生产。

1.2复合光合菌剂的制备

将光合细菌AR12、AR13分别接种在PSB液体培养基中，厌氧、28 ℃、100 μmol/(m2·s)光照条件下培养7 d，然后5 000×g离心15 min，采用分光光度计于660 nm波长下测定OD值，调整菌液OD值为1.013，此时菌液浓度为109cfu/mL。将2种光合细菌按1∶1的体积比配成复合光合细菌菌剂PS21，用无菌水调整菌液浓度为108cfu/mL。

1.3试验设计

将黄瓜种子用70%乙醇表面消毒1～2 min，0.05%次氯酸钠溶液浸泡10 min，无菌水反复冲洗。然后将种子放到铺有消毒滤纸的培养皿内，加少量蒸馏水，置于25 ℃光照培养箱在黑暗条件下催芽48 h。将风干土装入花盆中(盆高20 cm、直径25 cm)。试验分A、B 2组，每组分6小组。A组1～6小组：向装有风干土的花盆中加入四环素，使四环素的含量分别为10、20、40、60、80、100 mg/kg，然后将黄瓜种子播种在花盆中，每盆20粒种子；B组1～6小组：先采用与A组相同的处理方法，然后分别向上述不同含量四环素土壤中浇灌复合光合菌剂25 mL。每处理设3个重复，每个重复10盆苗。以未用四环素处理的黄瓜幼苗作为对照。将黄瓜幼苗置于人工气候室内培养，光照时间为12 h/d、昼夜温度30 ℃/22 ℃、相对湿度70%。在黄瓜幼苗期(培养第14天)测定黄瓜形态指标，并取黄瓜植株同位叶测定生理生化指标。

1.4黄瓜生理生化指标的测定

超氧化物歧化酶(SOD) 活性测定采用NBT光化还原法[15]；过氧化氢酶(CAT) 活性测定采用紫外吸收法[15]；过氧化物酶(POD) 活性测定采用愈创木酚法[15]；叶绿素含量测定采用丙酮和95%乙醇(V∶V=1∶1) 浸提—分光光度法[16]；丙二醛(MDA)含量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法[16]。

1.5数据处理

所有试验数据均为3次重复的平均值，数据均值及标准偏差用Microsoft Excel 2003进行计算。数据差异显著性用SPSS 16.0统计分析软件进行分析。

2 结果与分析

2.1复合光合菌剂PS21对四环素胁迫下黄瓜幼苗生长的影响

由图1可知，10～100 mg/kg四环素显著抑制黄瓜幼苗的生长，且随剂量的升高抑制作用加强。四环素剂量为100 mg/kg时，其对黄瓜生长的抑制作用最强，与对照相比，黄瓜幼苗株高、根长、鲜质量和干质量分别降低了62.07%、57.93%、67.95%和76.25%(P<0.05)。施用复合光合菌剂PS21后，黄瓜幼苗生长指标显著增加。PS21缓解了四环素对黄瓜生长指标的抑制作用(P<0.05)，但缓解效果与四环素剂量没有明显相关性。PS21对100 mg/kg四环素处理组黄瓜的株高、鲜质量和干质量的缓解效果最为明显，比100 mg/kg四环素单独处理组相应值分别增加158.92%、140.89%和169.57%；其对60 mg/kg四环素处理组黄瓜根长的缓解作用最为明显，比60 mg/kg四环素单独处理组提高了119.11%。

A组：四环素处理；B组：PS21+四环素处理。不同小写字母表示同种处理不同剂量间 差异显著(P<0.05)，*表示不同处理相同剂量间差异显著(P<0.05)，下同图1 复合光合菌剂PS21与不同剂量四环素复合处理对黄瓜幼苗株高、根长、鲜质量和干质量的影响

2.2复合光合菌剂PS21对四环素胁迫下黄瓜幼苗叶绿素含量的影响

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量反映了叶片的生理状态。与对照相比，10～100 mg/kg四环素单独处理组的黄瓜幼苗叶绿素含量显著下降，分别比对照降低了8.02%、18.18%、32.62%、50.278%、55.08%和70.05%(图2)。PS21处理四环素胁迫下黄瓜幼苗后，叶片叶绿素含量显著增加。PS21不同程度地提高了10～100 mg/kg四环素胁迫下黄瓜叶片的叶绿素含量，分别比四环素单独处理组相应值增加了13.37%、18.30%、24.60%、46.24%、36.90%和48.21%。

2.3复合光合菌剂PS21对四环素胁迫下黄瓜幼苗抗氧化酶活性的影响

图2 复合光合菌剂PS21与不同剂量四环素复合处理对黄瓜幼苗叶绿素含量的影响

SOD、CAT和POD是植物抗氧化酶系中的主要酶类，能清除植物体内活性氧自由基，使植物细胞免受伤害。由图3可知，低浓度的四环素能提高黄瓜幼苗SOD、CAT和POD活性。四环素剂量为40 mg/kg时，黄瓜幼苗SOD、POD活性达到最大值，比对照酶活性分别提高了167.27% 和169.83%(P<0.05)。CAT活性在四环素剂量为20 mg/kg时达到最高，比对照酶活性提高了32.20%。然而，随着四环素剂量进一步提高，SOD、CAT和POD活性降低，说明高浓度的四环素在一定程度上抑制了抗氧化酶活性。PS21处理黄瓜幼苗后，10～100 mg/kg四环素胁迫下黄瓜幼苗SOD、CAT和POD活性有不同程度的增加(P<0.05)。四环素剂量为100 mg/kg时，PS21对四环素抑制SOD活性的缓解效果最为明显，比四环素单独处理相应值增加50.60%。四环素剂量为80 mg/kg时，PS21对四环素抑制POD活性的缓解作用最强，与单独四环素处理相比，POD活性提高了129.16%。而PS21对10 mg/kg四环素抑制CAT活性的缓解效果最强，与单独四环素处理相比，CAT活性提高了98.43%。

图3 复合光合菌剂PS21与不同剂量四环素复合处理对黄瓜幼苗SOD、POD和CAT活性的影响

2.4复合光合菌剂PS21对四环素胁迫下黄瓜幼苗MDA含量的影响

MDA是膜脂过氧化的重要产物，其含量的高低是评定植物细胞膜受损害程度的指标之一。图4显示，随着四环素剂量的增加，黄瓜幼苗的MDA含量呈增加趋势。100 mg/kg四环素单独处理黄瓜幼苗的MDA含量达到最高，与对照相比，提高了131.58%。施用PS21后，10～100 mg/kg四环素各处理组黄瓜幼苗MDA含量下降，与四环素单独处理相比均有显著差异。四环素剂量为10 mg/kg时，PS21对四环素破坏细胞膜的缓解效果最为明显，MDA含量比四环素单独处理组相应值降低25.33%。由此表明，复合光合菌剂缓解了四环素对黄瓜幼苗的伤害。

图4 复合光合菌剂PS21与不同剂量四环素复合处理对黄瓜幼苗MDA含量的影响

3 结论与讨论

张浩等[5]和张乙涵等[6]研究证明，四环素抑制植物的发芽和根的生长，其机制是抑制叶绿体合成酶的活性。秦俊梅等[3]研究表明，四环素抑制光合作用，降低玉米的株高、根长、茎叶质量、根质量和叶绿素含量。本试验结果表明，10～100 mg/kg四环素显著降低黄瓜幼苗的株高、根长、鲜质量、干质量和叶绿素含量，且随四环素剂量的升高抑制作用加强。同时，四环素在低剂量时提高SOD、CAT和POD活性，自由基能被及时清除，提高了植物的抗性，而高剂量的四环素降低SOD、CAT和POD活性，自由基不能及时得到清除，导致MDA含量的大幅度升高，从而使植物细胞受到损伤，植物抗逆性下降,植物的生长受到抑制。

光合细菌能降解有机物，并产生各种B族维生素、5-氨基乙酰丙酸卟啉类化合物、植物激素和抗病毒因子等大量生物活性物质[7-13]。这些物质能激发植物细胞的活性，提高植物的光合作用效率和SOD、CAT、POD活性，从而使植物的抗逆性增强。Lee等[17]报道，红假单胞菌KL9和BL6菌株能产生吲哚乙酸(IAA)和5-氨基乙酰丙酸(ALA)，调节植物的代谢，促进植物的生长。Nunkaew等[13]报道，ALA能提高抗氧化酶活性，保护植物细胞免受破坏。本研究结果显示，复合光合菌剂PS21处理黄瓜幼苗后，缓解了四环素对黄瓜幼苗生长的抑制作用，促进了黄瓜幼苗的生长，并提高了抗氧化酶活性，黄瓜细胞内活性氧被及时清除，细胞受到了保护。这与一些学者的研究结果一致，光合细菌能提高逆境下植物抗氧化酶活性，促进幼苗的生长[11-14]。本试验采用复合光合菌剂PS21处理四环素胁迫下黄瓜幼苗，克服了单一菌剂需菌量大、效果差的缺点。PS21为两菌株复配，具有协同作用和功能互补特点，通过分泌多种生理活性物质，促进黄瓜幼苗的生长，增强黄瓜的抗逆性。本研究发现，复合光合菌剂PS21对四环素有较强的毒性缓解作用。分析其原因，可能是：(1)复合光合菌剂能降解及转化四环素为无毒物质，解除四环素对植物的毒害；(2)复合光合菌剂产生促生因子 (ALA、植物激素和抗病毒因子)，提高植物的抗逆性，促进植物生长。

[1] An J,Zhou Q X,Sun Y B,etal.Ecotoxicological effects of typical personal care produces on seed germination and seedling development of wheat (TriticumaestivumL.)[J].Chemosphere,2009,76(10):1428-1434.

[2] 詹杰，魏树和.四环素在土壤和水环境中的分布及其生态毒性与降解[J].生态学报，2015，35(9)：2819-2825.

[3] 秦俊梅，胡可，马祥爱，等.山西省典型土壤施入含四环素鸡粪对玉米生长的影响[J].山西农业大学学报，2013，33(1)：82-87.

[4] 金明焕，高舒榭，包盛，等.南阳市鸡肉中四环素族抗生素残留量的检测[J].中国动物检疫，2004，21(12)：31.

[5] 张浩，罗义，周启星.四环素类抗生素生态毒性研究进展[J].农业环境科学学报，2008，27(2)：407-413．

[6] 张乙涵，伍钧，陈莉，等.基于植物根生长终点测试四环素对植物的毒性阈值及其敏感性分布(SSD)[J].农业环境科学学报，2014，33(2)：243-249.

[7] Lee E,Song H.Plant growth promotion by isolated strains ofRhodopseudomonasfaecalis[J].Journal of Biotechnology,2010,150(1):S226.

[8] Kuo F S,Chien Y H,Chen C J.Effects of light sources on growth and carotenoid content of photosynthetic bacteriaRhodopseudomonaspalustris[J].Bioresource Technology,2012,113:315-318.

[9] Sasaki K,Watanabe M,Suda Y,etal.Applications of photosynthetic bacteria for medical fields[J].J Biosci Bioeng,2005,100:481-488.

[10] 郭旭耀,赵彩霞.光合细菌对水培番茄生长性状影响的研究[J].山西农业科学,2007,35(8):38-41.

[11] 马文丽，张荷玲，杨素萍.光合细菌对Cd2+胁迫下黑小麦幼苗生长及抗氧化酶的影响[J].农业环境科学学报，2005，24(6)：1059-1064.

[12] 戴建平，程菊娥，刘勇，等.光合细菌PSB07-15对辣椒及土壤中甲氰菊酯残留的生物修复[J]．生态环境学报，2010，19(10)：2441-2444．

[13] Nunkaew T,Kantachote D,Kanzaki H,etal.Effects of 5-aminolevulinic acid (ALA)-containing supernatants from selectedRhodopseudomonaspalustrisstrains on rice growth under NaCl stress,with mediating effects on chlorophyll,photosynthetic electron transport and antioxidative enzymes[J].Electronic Journal of Biotechnology,2014,17:19-26.

[14] Kantha T,Kantachote D,Klongdee N.Potential of biofertilizers from selectedRhodopseudomonaspalustrisstrains to assist rice (OryzasativaL.subsp.indica) growth under salt stress and to reduce greenhouse gas emissions [J].Annals of Microbiology,2015,65:2109-2118.

[15] 刘萍，李明军.植物生理学实验技术[M]．北京：科学出版社，2007.

[16] 李合生.植物生理生化实验原理和技术[M]．北京：高等教育出版社，2006．

[17] Lee E S,Song H G.Plant growth promotion by purple nonsulfurRhodopseudomonasfaecalisstrains [J].Korean Journal of Microbiology,2010,46:157-161.

Effects of Composite Photosynthetic Bacterial Inoculant PS21 on Seedling Growth and Antioxidant Enzymes Activities in Cucumber under Tetracycline Stress

GE Honglian,GUO Ning

(College of Life Science and Agronomy,Zhoukou Normal University,Zhoukou 466001,China)

The seedling growth and antioxidant enzyme activities in cucumber seedlings were analysed after laboratory simulation of co-treating seedlings with PS21 and 0,10,20,40,60,80,100 mg/kg tetracycline,respectively,in order to explore whether the composite photosynthetic bacterial inoculant PS21 could mitigate the inhibition of cucumber growth by various concentrations of tetracycline.The results showed that tetracycline treatment reduced the shoot height,root length,dry weight,fresh weight as well as the total chlorophyll content and increased the malondialdehyde(MDA) content significantly.Tetracycline treatment activated superoxide dismutase(SOD),catalase(CAT),and peroxidase(POD) at low concentrations,while it decreased the activities of SOD,CAT and POD at high concentrations.At the concentration of 108cfu/mL,PS21 could markedly relieve the toxicity of different concentrations of tetracycline to cucumber seedlings.Compared to the sole tetracycline treatment,PS21 could remarkably increase the shoot height,root length,dry weight,fresh weight,the total chlorophyll content and antioxidant enzyme activities,whereas it decreased MDA content of seedling leaves.These results demonstrated that PS21 alleviated tetracycline toxicity to cucumber plant significantly.

composite photosynthetic bacterial inoculant; tetracycline; cucumber; seedling growth; chlorophyll content; antioxidant enzymes

S642.2

A

1004-3268(2017)10-0071-05

2017-03-15

河南省科技厅科技攻关项目(162102310588)；周口师范学院校本项目(ZKNUB215210)

葛红莲(1976-)，女，河南扶沟人，副教授，主要从事微生物农药和微生物菌肥的开发与应用研究。E-mail:gehonglian2003@126.com