铅胁迫对马铃薯幼苗生长形态及内源激素的影响

宋 洁，郭华春，李 俊，张光海，思玲超

(云南农业大学 农学与生物技术学院， 昆明 650201)

重金属对生态系统有潜在的不利影响[1]。土壤重金属污染造成的农作物减产的问题一直受到世界许多国家的关注[2]。在中国，由于采矿、冶炼、三废排放、过量施用化肥农药等人为因素影响，导致污染土地生产出来的粮食重金属含量超过国家食用标准[3]。铅(Pb)作为土壤中富含的非必需元素，是关注度较高的重金属之一，对环境和人类健康的影响也受到广泛关注[4-6]。由于Pb毒性较大，在土壤中存在的普遍性和长期性，是中国重点监测和控制排放的元素[7]。Pb对植物生命进程的不同影响是多因素共同作用的结果，有研究表明，植物形态特征与重金属含量间存在正比例关系[8]。大剂量Pb可能会导致多数植物的代谢紊乱，生长抑制，甚至死亡[9]。已有的研究表明，高水平的重金属可导致植物早期死亡，并可加速叶片的衰老速度[10-11]。也有研究表明，重金属可延迟或减少开花而使叶片更新速度减慢，进而影响植物生命进程[12]。植物内源激素在调节植物生长发育方面起重要作用，生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯、水杨酸等，参与植物的重金属胁迫信号传导[13-16]。研究显示，在Pb胁迫下，除了形态特征、生理指标发生变化外，其激素水平也会产生明显响应[17-18]。

马铃薯是中国的重要作物之一，随着中国马铃薯主粮化战略的推进，将利用南方的冬闲田扩大马铃薯的种植面积。但中国南方地区矿藏资源集中，重金属污染严重[19-20]。目前，对马铃薯受Pb胁迫的形态学响应机制和激素变化尚不清楚。本研究基于前期研究，选用2个Pb富集差异显著的马铃薯品种‘青薯9号’和‘丽薯6号’，对其幼苗进行不同质量浓度Pb处理，通过分析Pb处理下马铃薯生长特征和内源激素变化，明确其在不同Pb质量浓度下的形态学响应及激素变化规律，为进一步揭示Pb对马铃薯生理特性的影响提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

以高富集品种‘青薯9号’和低富集品种‘丽薯6号’马铃薯脱毒苗为试材，由云南农业大学薯类研究所提供，将脱毒苗在无菌条件下剪成单叶节段，插入含20 mL固体MS培养基(w=3%蔗糖，pH 5.8)的组培瓶，每瓶7节茎段，以24 h为1个周期，光照16 h(光照度3 000 lx)，黑暗8 h，温度(21±2)℃的条件下培养30 d。选取长势一致的脱毒试管苗移栽至带有基质土(w=80%细碎泥炭、w=20%蛭石)的漂浮盘上(规格：18×9孔)，每个漂浮盘移栽162株，基质土购买于昆明呈贡斗南园艺资材经营部。

1.2 试验设计

将带有脱毒苗的漂浮盘放置于含有6 L Hoadland营养液的塑料框内进行Pb(CH3COO)2·3H2O处理，设置5个质量浓度，分别为0、50、250、500、1 000 mg/L，以0 mg/L为对照(CK)，温度23 ℃的条件下培养30 d后进行幼苗形态学参数测量及内源激素测定。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 幼苗形态学参数 每个处理随机选取5株幼苗，将整株幼苗清洗干净，用吸水纸擦干，通过EPSON V700扫描仪将完整幼苗图像扫描存入计算机，采用WinRHIZO PRO 2012根系分析系统软件(Regent Instruments，Canada Inc.)分析总根长、表面积、体积和叶面积，分析天平称取生物量(鲜样)质量，用卷尺和游标卡尺分别测定株高和茎粗。单株形态学参数重复测定3次。

1.3.2 叶片内源激素质量分数 称取马铃薯组培苗叶片1.000 g，每处理重复3次，液氮冷冻后迅速放入-80 ℃保存，均采用酶联免疫吸附法(ELISA)，委托上海笃玛生物科技有限公司测定赤霉素(GA3)、脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)、乙烯(ETH)、生长素(IAA)和玉米素(ZT)的质量分数。

1.4 数据处理

试验设置5个生物学重复，每个重复进行3次测量，采用Excel 2013进行统计、制图，采用SPSS 21.0软件进行方差分析和逐步回归。

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度Pb处理对马铃薯幼苗生长的影响

随着Pb处理质量浓度的增加，供试2个品种马铃薯幼苗的单株生物量、株高、茎粗、叶片数和叶面积(表1)呈先增后降趋势，与未添加Pb相比，Pb质量浓度为50 mg/L时生物量和株高最大，‘青薯9号’和丽薯6号’生物量显著增加 11.51%和7.69%；Pb质量浓度为250 mg/L时2个品种马铃薯幼苗生物量和株高均开始降低，当质量浓度为1 000 mg/L时2种生物量和株高降至最低。表明低Pb质量浓度对这2个品种马铃薯幼苗的生长有促进作用，高Pb质量浓度对生长有抑制作用。

Pb质量浓度为50 mg/L时，2个品种马铃薯幼苗茎粗、叶片数和叶面积显著高于对照。Pb质量浓度为50、250 mg/L时，‘丽薯6号’茎粗显著高于‘青薯9号’，与CK相比，‘丽薯6号’增长 73.68%，‘青薯9号’增长22.73%，其余质量浓度下‘青薯9号’显著高于‘丽薯6号’。说明不同Pb质量浓度处理下这2个品种茎粗、叶片数和叶面积也存在浓度效应。Pb质量浓度为50、250 mg/L时对‘丽薯6号’茎粗有促进作用。Pb质量浓度为50 mg/L时，‘青薯9号’和‘丽薯6号’总根长是CK的3.06倍和2.31倍，1 000 mg/L时开始降低，比CK处理分别降低13.44%和 43.00%；Pb质量浓度为50 mg/L时，‘青薯9号’和‘丽薯6号’根表面积分别是CK的4.92倍和 5.55倍，1 000 mg/L质量浓度下达到最小值；不同质量浓度处理后的2个品种马铃薯幼苗根体积较CK均有增加，Pb质量浓度为50 mg/L时增量最大，‘青薯9号’和‘丽薯6号’分别是CK的2.67倍和3.00倍；以上结果说明这2个品种马铃薯地下部根系的生长受Pb胁迫与地上部分规律大致一致，随Pb处理质量浓度的增加呈先增后降趋势。

2.2 不同质量浓度Pb处理对马铃薯幼苗内源激素的影响

2.2.1 马铃薯幼苗ABA和SA质量分数 由表2可知，随Pb质量浓度的增加，‘青薯9号’和‘丽薯6号’的ABA质量分数均呈上升趋势，当Pb质量浓度为1 000 mg/L时达最大值，与CK相比，‘青薯9号’ABA质量分数增加29.03%，‘丽薯6号’增加36.91%。且在任一Pb质量浓度下，‘丽薯6号’ABA质量分数均高于‘青薯9号’。不同Pb质量浓度下，2个品种马铃薯SA质量分数均低于CK。Pb质量浓度为50 mg/L时，2种马铃薯SA质量分数均降到最低，与CK相比，‘青薯9号’降幅为20.17%，‘丽薯6号’降幅为42.46%。表明不同程度Pb处理对重金属低富集型‘丽薯6号’ABA和SA质量分数的影响强于高富集型‘青薯9号’。

2.2.2 马铃薯幼苗ETH和ZT质量分数 随Pb质量浓度的增加，‘青薯9号’和‘丽薯6号’ETH变化趋势不同。‘丽薯6号’呈现先升高后下降的变化规律，在Pb浓度为250 mg/L时，‘丽薯6号’ETH质量分数达到高峰，是CK的2.02倍，‘青薯9号’变化不大。 ZT与细胞分裂有关，2个品种马铃薯随Pb处理质量浓度的增加ZT质量分数变化趋势一致，均呈现降-升-降的趋势。Pb质量浓度为250 mg/L时2个品种ZT质量分数降到最低，与CK相比，‘青薯9号’与‘丽薯6号’分别降低9.39%和12.47%。Pb质量浓度为500 mg/L时2个品种ZT质量分数升到最高，‘青薯9号’与‘丽薯6号’较CK分别上升8.01%和 14.93%。以上结果说明，Pb胁迫对马铃薯幼苗分裂生长有影响；胁迫初期重金属低富集型马铃薯较高富集型马铃薯ETH质量分数更高。

2.2.3 马铃薯幼苗IAA和GA3质量分数 生长素对植物的生长调节具有双重性，10-10mol/L是促进根系生长的最适浓度[21]。经数据转换，本研究2个品种的IAA为26.47～38.29 pmol/L,处于促进根系生长的最适浓度。表明Pb胁迫对2个品种IAA质量分数影响不大，均处于最适宜根系生长的浓度范围。

随Pb质量浓度的增加，2个品种GA3质量分数均呈现下降-上升-下降-上升的波动性变化。在处理质量浓度为50 mg/L时，2个品种GA3质量分数均降到最低，与CK相比，‘青薯9号’和‘丽薯6号’降幅为12.90%和27.27%。处理质量浓度为250 mg/L时达到最大值，较CK‘青薯9号’增幅为25.81%，丽薯6号增幅为24.24%。

表1 不同质量浓度Pb处理下马铃薯幼苗生长状况Table 1 Growth characteristics of potato seedings under different mass concentration of Pb treatments

注：不同大写字母表示同一胁迫下不同品种间的差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示同一品种在不同胁迫下的差异显著(P<0.05)。

Notes： Different capital letters indicate significant difference at 0.05 level between two varieties in each treatment;different small letters indicate significant difference at 0.05 level between different treatments within the same variety.

表2 不同质量浓度Pb处理下马铃薯幼苗内源激素的质量分数Table 2 Endogenous hormone mass fraction of potato seedings mass concentration of Pb treatments ng/g

3 讨 论

3.1 不同质量浓度Pb处理对马铃薯幼苗生长的影响

植物在重金属影响下会产生一系列形态学响应，但也存在浓度效应，武倩倩[21]研究表明：低剂量的土壤Pb对红薯生长有一定的促进作用，但土壤Pb质量分数超过350 mg/kg后开始表现出抑制作用。本试验中，低质量浓度Pb对供试马铃薯幼苗的生长有促进作用，高质量浓度Pb对供试马铃薯幼苗的生长有抑制作用。一般认为，根系生长情况可作为评判重金属对植物生长发育的指标[22]。本试验发现，地下部分根长、根表面积和体积与地上部分规律大致一致，随Pb处理质量浓度的增加均呈现先增后降的趋势，该结果与Larbi 等[13]研究结果一致。表明Pb破坏了根系细胞膜的稳定性，幼苗通过根长、表面积和体积的响应，从而提高对Pb的耐受性，但对Pb 胁迫耐性有一定的范围[23-24]。有研究发现同一Pb浓度对同一植物不同类型的地上、地下生长特征影响不同[25]。本试验中对Pb胁迫的‘青薯9 号’和‘丽薯6号’的形态特征变化趋势基本一致，但具体指标的变化量仍存在品种差异，质量浓度为50 mg/L时，‘丽薯6号’根表面积、根体积较CK的变化量比‘青薯9号’更明显。这可能与‘丽薯6号’和‘青薯9号’对Pb积累量不同有关，但具体的调控机制还需结合马铃薯对Pb的分配、转移途径做进一步研究。

3.2 不同质量浓度Pb处理对马铃薯幼苗内源激素的影响

ABA通常被认为是信号转导物质，在植物受到非生物胁迫时发挥重要作用[26]。ABA可作为拟南芥响应重金属胁迫的潜在调节者，其浓度随重金属胁迫浓度的增加而增加[27]。SA是第一个被证明在重金属毒性生物应激反应中发挥作用的内源性植物生长调节剂[28]。本试验中，Pb处理会导致马铃薯幼苗中内源激素ABA增加，不同程度Pb处理对重金属低富集型‘丽薯6号’ABA和SA质量分数的影响强于重金属高富集型‘青薯9号’，这一结果可能与ABA可诱导气孔关闭从而抑制蒸腾流，阻碍金属离子的向上运输，从而使‘丽薯6号’重金属积累量较低有关[29]。乙烯可促进茎的横向生长，重金属胁迫下也会出现茎的增粗[30]。本试验重金属低富集型‘丽薯6号’中ETH质量分数为250 mg/L时达到最大，且高于‘青薯9号’，此质量浓度下的‘丽薯6号’的茎粗大于‘青薯9号’，说明‘丽薯6号’通过ETH质量分数的增加导致茎粗增加，以应对重金属胁迫。IAA对植物的根、芽、茎的生长有其最适浓度范围[21]，本研究中任意Pb质量浓度下2个品种IAA质量分数均处于促进根系生长的最适浓度。GA3可促进植物生长，打破休眠，提高抗逆性等，在植物应对非生物胁迫的作用越来越明显[31-32]。本研究中，不同Pb质量浓度下GA3质量分数的变化趋势表现为下降-上升-下降-上升的波动性变化，反映了植物激素GA3在应对重金属胁迫时与其他激素共同作用有关。有研究表明赤霉素在调节激素动态平衡的基础上对植株进行调控[33-34]。这一结果与朱珍[35]的研究结果相似，该推断是否合理还需进一步验证。

4 结 论

不同胁迫程度下，重金属富集特性不同的品种会启动相应的形态以应对Pb胁迫，使马铃薯形态特征发生变化，低质量浓度Pb对马铃薯幼苗生长有促进作用，高质量浓度Pb对马铃薯幼苗生长有抑制作用。

不同质量浓度Pb处理下马铃薯幼苗内源激素变化是一个比较复杂的过程, ABA、SA、ETH、IAA、ZT、GA3共同参与了马铃薯在重金属胁迫下的协调机制。不同程度Pb处理对重金属低富集型‘丽薯6号’ABA和SA质量分数的影响强于重金属高富集型‘青薯9号’。Pb胁迫对2个品种IAA质量分数影响不大，均处于最适宜根系生长的浓度范围。