铬胁迫下氮施用对玉米苗期生理特性和铬含量的影响

2018-09-04文雅李俞昕李国军李华

山西大学学报（自然科学版） 2018年3期

文雅,李俞昕,李国军,李华*

(1.山西财经大学体育学院,山西太原 030006;2.山西大学环境与资源学院,山西太原 030006)

0 引言

六价铬(Cr)是环境中毒性很强的重金属之一,当其积累到一定程度时,植物会受到明显的胁迫作用,对人类健康和生态系统安全也产生一定威胁[1]。

施肥不仅可以提高作物产量和质量,还能够改变土壤中重金属的形态,进而影响植物对重金属的吸收,但不同元素组成的肥料对重金属的影响不尽相同[2]。氮(N)作为植物合成氨基酸、蛋白质和核酸等的重要成分,在其生长、代谢和遗传等方面具有不可替代的作用。近年来,国内外学者就N对土壤重金属的影响做了大量研究，结果表明N肥的施用可以促进植物生长,缓解重金属对植物的毒害作用[3-4];不同N处理水平和N形态对植物吸收和富集重金属的影响不一致[5-6]；N施用量和N形态对种植植物土壤中的重金属含量和形态影响不显著[6-7]。但目前有关N与重金属Cr之间的相互作用对玉米幼苗生理特性和Cr含量影响的研究还鲜见报道 ,本研究采用溶液培养法,以玉米幼苗为实验对象,研究Cr胁迫下不同N施用量对玉米苗期生理特性的影响,确定不同Cr污染浓度下的最佳N施用量,为采用施肥措施降低重金属的环境危害提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验设计

采用溶液培养法,营养液配方如表1所示,以玉米幼苗为实验对象。种子(玉糯二号)经质量分数为10%的过氧化氢溶液消毒10 min后蒸馏水洗净,置于培养箱(25～30℃)中催芽。当胚根长度为3～4 cm时,将其转移至1/2营养液的培养器中(3 L塑料桶),待长出真叶后采用完全营养液培养。营养液的pH为6～6.5,更换周期为3 d,期间不间断缓慢鼓入空气[8]。采用双因素完全随机区组设计方法,在完全营养液中设置不同水平的Cr6+(0,20,40,100 μmol/L)和N(4 000,8 000,16 000 μmol/L)处理,共12个处理,每个处理重复3次。每个培养器定植3株玉米幼苗,在培养室中培养,其环境条件见表2。培养30 d后收获玉米幼苗的地上部和地下部。一部分洗净后测定玉米幼苗的叶绿素、丙二醛(MDA)含量和根系活力；另一部分于105℃下杀青30 min,75℃烘干至恒重,测定玉米幼苗根部和地上部Cr含量。

表1 营养液组成

表2 玉米幼苗培养环境条件

1.2 测定方法

玉米幼苗叶绿素含量丙二醛(MDA)含量和根系活力分别采用乙醇丙酮混合液比色法、硫代巴比妥酸比色法和TTC比色法测定[9];植株Cr含量采用HNO3和H2O2消解,火焰分光光度计测定[10]。

1.3 数据分析

采用SPSS 17.0软件进行数据处理和统计分析,并对数据进行单因素方差分析(One-Way ANOVA),Doncan法进行显著性差异分析。

2 结果与讨论

2.1 不同处理对玉米幼苗叶绿素含量的影响

在玉米幼苗生长期,叶绿素含量一定程度上反映了植物光合器官的生理状况和光合作用水平。由图1可见,当N处理水平为4 000 μmol/L时,叶绿素含量随着营养液中Cr浓度的升高而显著降低(P<0.05)。N处理水平为8 000和16 000 μmol/L,Cr浓度为20 μmol/L时,与对照相比,叶绿素含量没有显著性差异(P>0.05)。当Cr浓度>20 μmol/L时,叶绿素含量随着Cr浓度的升高显著降低(P<0.05)。随着N处理水平的升高玉米幼苗叶绿素含量显著升高(P<0.05),在N处理水平为16 000 μmol/L时叶绿素含量达到最大。

Fig. 1 Effect of different treatments on the chlorophyll contents of maize seedings注:小写字母不同表示同一Cr处理组间有显著性差异,P<0.05,下同。图1 不同处理对玉米幼苗叶绿素含量的影响

Cr胁迫下植物体内叶绿素含量降低是因为Cr使植物细胞内结构发生了变化,叶绿素酸酯还原酶活性或氨基-γ-酮戊酸的合成被抑制,进而影响了玉米幼苗叶绿素含量[11]。而N的施用促进了玉米幼苗叶片叶绿素的合成和发育,缓解Cr对细胞的毒害作用,增强光合作用效率。有研究表明,N对植物叶绿体的影响主要是通过调控叶绿体发育、叶绿素合成、电子传递系统以及光合作用酶活性来实现[12]。黄成能等[13]研究也发现,N在一定程度的增加促使了叶绿素的合成。

2.2 不同处理对玉米幼苗MDA含量的影响

植物受Cr胁迫时体内会积累大量活性氧,增大细胞膜脂的氧化作用,使得MDA含量升高,所以植物体内MDA含量可以表征植物受Cr的氧化毒害程度[14]。由图2可知,玉米幼苗体内MDA含量随Cr处理浓度的升高呈现出低抑高促的趋势,分别在Cr处理浓度为20、20和40 μmol/L时含量达到最低。之后随着Cr处理浓度的升高MDA含量增加,在100 μmol/L时达到显著性差异(P<0.05)。无Cr处理组中玉米幼苗叶片MDA含量随溶液中N浓度的升高而显著降低(P<0.05)。当Cr处理浓度为20和100 μmol/L时,随着N处理水平的升高,玉米幼苗MDA含量在N处理浓度16 000 μmol/L时达到显著性差异(P<0.05)。当Cr处理浓度为40 μmol/L时,叶片MDA含量在中N处理组达到最大(P<0.05),低N处理和高N处理MDA含量没有显著变化(P>0.05)。

Fig.2 Effect of different treatments on the MDA contents of maize seedings图2 不同处理对玉米幼苗丙二醛含量的影响

高浓度Cr胁迫下MDA增加可能是玉米幼苗组织细胞损伤,活性氧代谢平衡受到破坏,膜脂过氧化水平高[15]。冯旭等[16]研究也发现Cr胁迫对葎草雌雄幼苗MDA含量的影响总体变化趋势是低抑高促。适量N的施用可与Cr形成协同作用,促进Cr在玉米幼苗体内的积累和转运,破坏了其活性氧代谢平衡,提高了膜脂过氧化水平,导致了叶片MDA含量升高,加重了Cr对玉米幼苗的胁迫程度。而在低N和高N处理组中N和Cr形成了拮抗作用,N的加入缓解了Cr对玉米幼苗的毒害作用。

2.3 不同处理对玉米根系活力的影响

张宇虹等[17]指出,植物不同部位对Cr的敏感程度不同,而根是植物吸收营养和水分的主要器官,也是最先接触重金属Cr的部分,因此最容易受到Cr的毒害。根系活力可以反映根系生命活动的强弱,是衡量根的生长和代谢的主要指标之一[18]。

如表3所示,玉米幼苗根系活力随Cr处理浓度的升高而显著降低(P<0.05)。当Cr浓度为100 μmol/L时,玉米幼苗的根系活力分别降低了49.23%、42.47%和30.0%。不同N处理组中,玉米幼苗根系活力的变化趋势与叶绿素相似,随着N处理水平的升高而升高,且差异达到显著性水平(P<0.05)。

表3 不同处理对玉米幼苗根系活力的影响

当植物根部与Cr接触后,根细胞络合Cr产生逆境乙烯,而逆境乙烯对细胞有很强的毒害作用;同时,Cr也会影响根细胞的形态和结构,从而降低玉米幼苗的根系活力[17]。董冰冰等[19]研究也发现,受Cr胁迫时黑麦草和牵牛花的根系活力显著降低。本研究中N的加入提高了玉米幼苗的根系活力,提高N处理水平促进了根系的生长；另外，由于施N量的提高,地上部分碳氮代谢得到增强;在本研究中表现为叶绿素含量的增加,合成的物质向下运输,提高了根部的营养水平,进而提高了玉米幼苗的根系活力。

2.4 不同处理对玉米幼苗铬含量的影响

植物所需物质一般通过根部吸收,由于Cr不是植物的必需元素,因此植物体内缺乏针对Cr的运输机制,导致Cr在植物体中的移动性一般较低[20]。由表4可见,玉米幼苗根部Cr含量均远高于地上部含量,且随溶液中Cr浓度的升高而增加(P<0.05)。由表5可知,溶液Cr浓度升高,玉米幼苗根部的富集系数显著降低(P<0.05),地上部的富集系数变化不一致,而其转运系数升高,在Cr浓度100 μmol/L时达到显著性差异(P<0.05)。随着N处理水平的升高,玉米幼苗根部的Cr含量和富集系数显著降低(P<0.05),地上部Cr含量显著升高(P<0.05),玉米幼苗对Cr的富集系数和转运系数在N处理水平16 000 μmol/L时达到显著性差异(P<0.05),说明N的加入促进了Cr从根部向地上部的转运。

有关植物根部对Cr的高积累量,有报道指出,Cr可与环境体系中的硫酸盐结合,利用植物体内硫酸盐的运输系统渗透进入根部细胞[21]。本研究表明Cr主要积累在玉米幼苗的根部,很少向地上部分转运,这一结果与陈永林[22]的报道一致。

表4 不同处理对玉米幼苗铬含量的影响

表5 不同处理下玉米幼苗对Cr的转运系数(TF)和富集系数(BCF)

N的施加一方面降低了Cr的有效性,减少玉米幼苗对其的吸收和积累;另一方面促进植物生长,造成了玉米幼苗对Cr的稀释效应,降低了Cr在玉米幼苗根部的积累[23]。N的加入同时促进了植物蛋白酶的合成,进而促进Cr在玉米幼苗体内的转运；除此之外,N也促使植物体内一些氨基酸的合成和积累,在一定程度上促进Cr的转运和分配[24]。因此,在实际的生产中要根据植物的可利用部分选择不同的施N量。