外源Se、VC对水稻锌锰复合胁迫的缓解效应

侯珏，梁旻昊，姚鹏程

(上海市格致中学，上海 奉贤 201499)

锌、锰作为植物生长必需的微量元素，是某些酶不可缺少的组分。锌锰干电池是日常生活中使用范围最广的干电池，干电池随意丢弃会使土壤锌锰元素过量，对植物产生毒害，从而表现出一系列形态及生理生化反应[1-2]。Se虽然不是高等植物生长所必需的营养元素，但适量Se能有效提高植物对各种逆境胁迫的抵抗能力[3]，近年来不断有研究报道Se在植物体内能与重金属元素发生拮抗效应[3]，但很少涉及到锌、锰元素。VC是一种抗氧化剂，能帮助植物抵抗干旱、臭氧和紫外线，保护植物免受光合作用中有害副作用的侵害[4]。但对缓解植物重金属胁迫的报道较少。

水稻作为一种粮食植物，国内外研究其对重金属污染响应的文献较多[5-7]。已有研究表明，水稻在200 mg·L-1锌锰复合胁迫时，抗氧化系统有很强的响应[1-2]。因此，研究Se和VC对锌锰复合胁迫的缓解效应对于实现重金属污染土壤的修复以及土地资源的可持续利用具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 方法

实验于2019年在上海市格致中学奉贤校区植物逆境生理学实验室进行。供试材料为取自上海市农业科学研究院的龙特甫B水稻种子。选取大小一致的水稻种子，经75%乙醇消毒20 min，用自来水冲洗20 min，蒸馏水冲洗后用蒸馏水浸种24 h，黑暗催芽24 h，之后播种于含Hoagland营养液的塑料培养盒中，于温室中12 h光照/12 h黑暗、(28±2)℃下培养。营养液成分如下：(NH4)2SO448.2 mg·L-1，MgSO465.9 mg·L-1，K2SO415.9 mg·L-1，KNO318.5 mg·L-1，Ca(NO3)259.9 mg·L-1，KH2PO424.8 mg·L-1，Fe-citrate 5 mg·L-1，MnCl2·4H2O 0.9 mg·L-1，ZnSO4·7H2O 0.11 mg·L-1，CuSO4·5H2O 0.04 mg·L-1，HBO32.9 mg·L-1，H2MoO40.01 mg·L-1。播种之前锌以ZnSO4·7H2O形式，锰以MnSO4形式加入到营养液中，Se以Na2SeO3形式加入，VC以粉末的形式加入。共设置7个实验组，1个空白对照组CK。除CK外，T1～7处理组均加入200 mg·L-1锌锰复合溶液以模拟锌锰复合胁迫，T2～4处理组分别加入100、150和200 mg·L-1Se溶液，T5～7处理组分别加入50、100和150 mg·L-1VC溶液。

CK与所有处理组均设置3次重复，pH值控制在6.5～7.0，每12 h用1 mol·L-1的HCl或NaOH调节营养液pH。每5 d更换营养液1次，处理20 d。

1.2 测定项目与方法

每个处理取3株材料测定株高和根长。用排水法测定根系体积。取水稻新鲜叶片，参考Sims等[8]的方法进行叶绿素含量的测定，参考Demiral等[9]的方法测定游离脯氨酸含量，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸显色法[10]测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用比色法[10]测定。

1.3 数据统计

采用SPSS 20.0软件进行ANVOA方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 植株表型特征

相对于CK，T1组200 mg·L-1锌锰复合胁迫对水稻幼苗产生了显著的抑制作用。施加Se或VC后，水稻幼苗的株高、根长、根系体积数值均增大，植株长势变好。添加同种外源抗氧化剂的情况下，随着添加浓度的升高，株高、根长、根系体积增大越明显。在相同浓度下，VC的抗胁迫效果明显优于Se，处理组中，以T7添加150 mg·L-1VC组效果最好(表1)。

表1 Se与VC对锌锰复合胁迫下水稻生长情况的影响

2.2 叶绿素含量

相对于CK，T1组200 mg·L-1锌锰复合胁迫对水稻幼苗产生了显著的抑制作用，导致叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素含量均下降，叶绿素a/b的值上升。施加Se或VC后叶绿素a、叶绿素b的含量均增加。添加同种外源抗氧化剂的情况下，随着添加浓度升高，叶绿素恢复得越多，叶绿素a/b的值均下降，且添加任意一种抗氧化剂，随着浓度升高，下降的幅度越大。在相同浓度下，VC处理的水稻的叶绿素含量高于Se处理的水稻，VC处理的水稻的叶绿素a/b的值低于Se处理的水稻。所有处理组中，以T7添加150 mg·L-1VC组效果最好(表2)。

表2 Se与VC对锌锰复合胁迫下水稻叶绿素含量的影响

2.3 MDA含量和SOD活性

相对于CK，T1组200 mg·L-1锌锰复合胁迫对水稻幼苗产生了显著的毒害作用，导致MDA含量上升，SOD活性下降。添加Se和VC后，MDA含量下降，SOD活性上升。且任意一种抗氧化剂浓度越高，MDA含量越少，SOD活性越大。在相同浓度下，VC处理水稻的抗氧化损伤能力高于Se处理的水稻(表3)。所有处理组中，以T7添加150 mg·L-1VC组抗氧化损伤能力最强。

表3 Se与VC对锌锰复合胁迫下水稻MDA含量及SOD活性的影响

2.4 游离脯氨酸含量

相对于CK，T1组200 mg·L-1锌锰复合胁迫使水稻幼苗游离脯氨酸含量上升。添加Se和VC后，脯氨酸含量呈下降趋势，且任意一种抗氧化剂浓度越高，游离脯氨酸含量越低。在相同浓度下，VC处理水稻的游离脯氨酸含量低于Se处理的水稻。所有处理组中，以T7添加150 mg·L-1VC组游离脯氨酸含量下降的最多(表4)。

表4 Se与VC对锌锰复合胁迫下水稻中脯氨酸含量的影响

3 讨论

根据实验数据，可知在一定浓度下，Se或VC的浓度越高，对锌锰复合胁迫的缓解效应越好；在相同浓度下，VC的效果更好。且在已进行的实验中，以150 mg·L-1VC的效果最好。

重金属对植物的胁迫主要体现在重金属能够使蛋白质变性，同时也伴有活性氧的过量产生，超氧化物积累，细胞膜结构破坏等[11]。最终会导致植株的生长受到抑制，如长势劣于对照组，叶绿素含量低于对照组等。这可能是因为植物对某种离子的积累引起了植物细胞膜渗透压的改变，进而导致植物体内产生大量的自由基、活性氧，引起氧化损伤[12]。外源添加Se或VC均可以显著缓解这种效应，使得生长抑制受到缓解，由此可见，Se和VC均能够缓解离子积累。

植物受到逆境胁迫时，会启动抗氧化系统，SOD即为抗氧化系统中一种重要的酶。本研究发现锌锰胁迫SOD活性的下降，因此可以看出，植物抗氧化能力的下降，当外源添加Se或VC后，SOD活性回升，可能是因为Se和VC作为抗氧化剂，植物吸收后可增强SOD酶活性。而MDA的含量上升，则代表细胞过氧化程度高，这是氧化损伤的直接证据，外源添加的Se和VC同样可以缓解MDA含量的上升。因此，进一步证实了外源添加Se或VC可以缓解植物的逆境胁迫。

除以上响应外，植物自身也有抗逆反应，例如脯氨酸等含量升高，本研究中当植株受到锌锰复合胁迫时，脯氨酸含量显著上升，外源施加Se或VC使得脯氨酸含量显著下降。因此，也可以通过关注脯氨酸含量的变化来判定外源Se或VC对植物逆境胁迫的缓解效应。

有研究表明，Se能激活谷胱甘肽过氧化酶，具有较强的抗氧化能力[3]。重金属离子使巯基酶的巯基受损，而VC能保护巯基不受损害，VC还具有其他抗氧化作用[11]。因此，推测Se和VC能够通过提升植物的抗氧化能力来减少植物受到的氧化损伤，从而有效缓解过量锌锰的毒害作用。而本研究所有实验数据均表明，添加外源的Se或VC后植物所受锌锰胁迫得到缓解。