外源钙对酸雨胁迫下花生幼苗生理特性的影响

张秀玲胡 冉孙 颖高凯悦孙淑芳王雨璐厉 洁

(1. 德州学院生命科学学院,山东 德州 253023;2. 山东省高校生物技术与生物资源利用重点实验室,山东 德州 253023)

酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪、雾、雹等大气降水[1]。当前,酸雨问题已成为当今世界面临的重大生态问题[2]。中国现已成为继欧洲和北美之后的世界第三大酸雨区,其面积已达国土面积的40%[3]。酸雨能使土壤酸化、盐基离子流失,导致作物根系发育受阻、活力下降,并影响营养物质的吸收与利用[4]。当酸雨酸度达到一定阈值时,会对植物的生长发育产生严重不利影响,表现为植物膜系统损伤[5],呼吸速率加快,降低蒸腾速率、酶活性、叶绿素含量和光合效率等,导致作物减产[6]。

钙可以维持细胞膜以及膜结合蛋白的稳定性,在多种酶活性中起重要作用,是一种良好的膜保护剂。外源Ca2+能提高水稻、小麦叶片叶绿素含量[7-8],提高抗氧化酶活性,缓解盐分、重金属、酸雨等各种胁迫造成的伤害[9-10]。

花生(ArachishypogaeaL.)是我国重要的油料作物和经济作物[11],山东是我国花生主产区之一,本文以花生幼苗为试材,研究外源钙对硫酸型酸雨胁迫下花生幼苗抗氧化酶活性以及膜脂过氧化的影响,探讨钙对植物逆境伤害的缓解机理,以期为植物代谢的化学调控,强化植物抵抗酸雨胁迫的能力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试花生品种为鲁花12号,由德州市种子公司提供。挑选均匀饱满的花生种子,用0.01%的高锰酸钾溶液消毒10 min,无菌水反复清洗干净后吸胀24 h,置于铺有湿润滤纸的培养皿中(直径为15 cm),在光照培养箱中培养。培养箱参数设置昼夜温度25/15,光照强度5700lx,光照周期14h/d,每日补充蒸发掉的水分。待种子萌发出真叶后,将长势一致的花生幼苗种植于上口直径26 cm、高28 cm的塑料盆中,每盆两株幼苗,蛭石和营养土混合比例为1∶1作为栽培土,于温室中自然生长,昼夜温度 28/22℃,相对湿度 85%,每2d浇灌一次1/4的hoagland营养液(不含Ca2+) 150mL。待幼苗长出4～5片真叶后,选取长势一致幼苗用作试验处理。

1.2 试验设计

根据山东省实测酸雨污染物成分[12],参照王艾平方法[7]以SO42-和NO3-质量浓度比为5∶1的比例配制模拟酸雨母液,使用精密酸度计将母液以蒸馏水稀释为pH值4.5的酸雨液。CaCl2浓度分别设为0、10、20、30、40和50mmol/L,对照无酸雨胁迫且无氯化钙处理,共7个处理,3次重复,随机排列。

用小型喷雾器将不同浓度CaCl2溶液依次均匀喷洒在花生幼苗全株,每日于9:00,21:00各喷施1次,处理4d,用量25 mL/盆·次。生长5d后以酸雨胁迫,24h一次,连续2次,方法、用量同前,酸雨胁迫6d后,采取同一部位的展开叶片,用于测定各项生理指标。

1.3 测定方法

过氧化物酶(POD)含量的测定采用愈创木酚法[13],过氧化氢酶(CAT)的测定按武贤莉等[14]的方法进行,超氧化物歧化酶(SOD)的测定参考王学奎[15]的方法。相对电导率的测定采用浸泡法[16],丙二醛(MDA)和可溶性糖的测定采用硫代巴比妥酸显色法[17]。

1.4 数据处理

数据分析采用SPSS和 Excel软件处理。用Excel 2010 进行数据整理和作图,用 SPSS 19.0数据分析软件进行数据分析,差异显著性分析采用LSD 法。

2 结果与分析

2.1 外源钙对酸雨胁迫下叶片SOD活性的影响

图1可知,与正常对照相比,酸雨对照SOD活性提高了30.4%,表明没有外源钙的情况下,花生幼苗启动自身的防御机制,增加了SOD活性。随CaCl2浓度增加,酸雨胁迫下SOD活性呈上升趋势,各CaCl2浓度下,分别比酸雨对照提高129%、151%、254%、272%、211%,与正常对照和酸雨对照差异显著。表明外源钙能有效提高SOD酶的活性,有效清除活性氧,降低植物细胞内活性氧自由基对植物的伤害。

图1 不同浓度Ca2+对酸雨胁迫下SOD活性的影响Fig.1 Effect of Ca2+ concentration on SOD activity in peanut seedlings under acid rain stress

2.2 外源钙对酸雨胁迫下叶片POD活性的影响

图2可知,与正常对照相比,酸雨对照POD活性提高了11.4%,表明酸雨胁迫下产生了大量的O2-,诱导了POD活性上升,来清除逆境中花生幼苗体内过多的O2-。随外源钙浓度升高,花生幼苗POD活性整体呈上升趋势,40 mmol/L的CaCl2处理下,较酸雨对照处理提高了85.6%,且差异显著,表明在该浓度下外源钙提高了酸雨胁迫下花生幼苗POD活性。50 mmol/L的CaCl2溶液处理下,酶活性迅速下降,外源钙浓度过高抑制了POD活性。

图2 不同浓度Ca2+对酸雨胁迫下POD活性的影响Fig.2 Effect of Ca2+ concentration on POD activity in peanut seedlings under acid rain stress

2.3 外源钙对酸雨胁迫下叶片CAT活性的影响

由图3看出,相比正常对照,酸雨胁迫使花生幼苗CAT活性提高了7.6%。随外源钙浓度升高,CAT活性呈先升后降趋势,10～50 mmol/L CaCl2均能提高花生幼苗的CAT活性,CaCl2浓度为30 mmol/L下,花生幼苗体内CAT活性达到最大值,较酸雨对照增加了39.9%,与酸雨对照差异显著。在40、50mmol/L的CaCl2处理浓度下,CAT活性呈下降趋势,但依然高于对照处理,与对照差异不显著。表明外源钙提高了酸雨胁迫下花生幼苗的CAT活性,提高了花生幼苗抵抗酸雨能力。

图3 不同浓度Ca2+对酸雨胁迫下CAT活性的影响Fig.3 Effect of Ca2+ concentration on CAT activity in peanut seedlings under acid rain stress

2.4 外源钙对酸雨胁迫下叶片MDA含量的影响

图4可见,和正常对照相比,酸雨对照显著增加了花生幼苗MDA含量,较对照增加了123.6%。随CaCl2浓度增加,MDA含量呈下降趋势,10、20、30、40、50 mmol/L各CaCl2浓度下,比酸雨对照分别下 降 了7.6%、21.5%、29.2%、41%、3.3%,40 mmol/L CaCl2下,与正常对照差异不显著。外源钙降低了酸雨胁迫下花生叶片MDA含量,阻止膜质过氧化。50 mmol/L CaCl2浓度下,MDA含量又上升,活性氧产生速度超过了清除能力,对幼苗产生了伤害,致使膜质过氧化产物增加。

图4 不同浓度Ca2+对酸雨胁迫下MDA含量的影响Fig.4 EffectofconcentrationofCa2+ onMDAcontent in peanut seedlings under acid rain stress

2.5 外源钙对酸雨胁迫下花生幼苗电导率的影响

植物受到胁迫时,质膜遭到破坏,膜透性增大,电导率上升。图5表明,花生幼苗在酸雨对照下,相对电导率比空白对照增大了42.8%,表明酸雨胁迫造成膜系统损害。在10、20、30、40mmol/L的CaCl2浓度处理下,相对电导率呈下降趋势,分别比酸雨对照下降了49.7%、50.2%、50.3%和38.9%,且均低于空白对照且差异显著,表明外源钙能有效缓解酸雨对花生幼苗细胞膜的损伤。50 mmol/L的CaCl2浓度处理下,相对电导率显著上升,本浓度下SOD、CAT活性下降,清除活性氧能力减弱,引起膜质过氧化,导致膜透性增高。

图5 不同浓度Ca2+对酸雨胁迫下花生幼苗电导率的影响Fig.5 Effect of concentration of Ca2+ on relative conductivity in peanut seedlings under acid rain stress

2.6 外源钙对酸雨胁迫下花生幼苗可溶性糖含量的影响

图6可知,与正常对照相比,酸雨对照花生幼苗体内可溶性糖的含量显著降低。花生幼苗可溶性糖在CaCl2浓度0～50 mmol/L范围内,可溶性糖含量呈先上升后下降的趋势,但各浓度处理下均高于酸雨对照,差异不显著,且均低于正常对照并差异显著。可溶性糖是调节渗透胁迫的小分子物质,也是合成其他有机溶质的碳架和能量来源[18]。酸雨胁迫下,会产生许多酸雨胁迫诱导蛋白,蛋白的合成会消耗糖的含量,所以糖的含量会降低。随CaCl2浓度增高,可溶性糖含量有下降趋势。

图6 不同浓度Ca2+对酸雨胁迫下花生幼苗可溶性糖含量影响Fig.6 Effect of concentration of Ca2+ on soluble sugar in peanut seedlings under acid rain stress

3 讨论与结论

逆境胁迫下植物产生自由基引起膜脂过氧化。SOD、CAT、POD是细胞内3种重要的保护酶,SOD 能清除O2-、·OH而形成 H2O2,POD和CAT则催化H2O2为H2O[19],从而能有效阻止O2-和H2O2的积累及抑制-OH 的产生,对膜系统起保护作用[20-21]。当植物受到酸雨胁迫时,活性氧代谢紊乱,清除活性能力降低,质膜结构遭到破坏,导致膜脂过氧化[24-25]。本实验结果表明,30mmol/L Ca2+处理有效地诱导了CAT活性的增强。40 mmol /L Ca2+处理POD、SOD活性达到最大值。表明Ca2+处理有效清除了逆境胁迫下积累的部分自由基,缓解了酸雨对花生幼苗的胁迫伤害。酸雨胁迫使花生幼苗MDA含量增加,40 mmol/L Ca2+处理明显降低了MDA含量,降低膜脂过氧化作用,减轻膜脂过氧化对植物细胞的伤害。

当植物受到逆境伤害时,容易出现细胞膜破裂,膜蛋白受损,电解质溶液外渗,从而导致相对电导率增大[26]。在外源钙处理下,相对电导率呈下降趋势。Ca2+可作为生物膜的稳定剂,在维持植物细胞膜结构稳定性与完整性方面起重要的作用[27]。实验结果显示,钙对酸雨胁迫下,花生幼苗细胞膜透性变化和MDA含量的变化趋势相似,Ca2+处理抑制了细胞电解质的渗漏。本研究结果显示,30 mmol/L Ca2+可稳定花生幼苗叶片的质膜结构,降低质膜透性,表现出对酸雨胁迫的良好防护作用。研究结果表明,酸雨胁迫下可溶性糖含量显著降低,可能是由于酸雨胁迫诱导了蛋白产生消耗了光合作用的产物。随着外源钙的加入,可溶性糖含量有所上升,说明钙缓解了酸雨胁迫对花生幼苗的伤害。但可溶性糖能否作为抗性鉴定指标还有待于进一步研究。