硒对铬胁迫下番茄幼苗叶绿素合成代谢的影响

赵肖琼，赵润柱，罗杰，梁明月，王宇，董志宏，秦志兵

（太原工业学院环境与安全工程系，山西太原 030008）

番茄（Lycopersicon esculentum Miller），又名番柿、西红柿等，其果实富含类黄酮、番茄红素等营养物质且生食熟食皆宜，是我国居民日常生活需求量最大的设施蔬菜作物之一[1]。铬（Cr）是土壤环境中具有较强毒性的致畸、致突变的重金属元素之一，易被植物吸收并通过食物链危害人类健康[2]。近几年随着制革、电镀等工业的快速发展，大量含Cr“三废”的不合理排放导致土壤Cr 污染问题日趋加重，Cr 严重污染的土壤达1 250 多万t，Cr 污染已成为我国设施蔬菜发展面临的重大环境污染问题[3]。

叶绿素是植物细胞内参与光合作用的重要色素，其合成途径（图1）中的前体物质含量及关键酶活性易受逆境条件的影响[4]。硒（Se）是植物生长发育有益但非必需的微量元素，且作为抗氧化剂在植物抵抗重金属胁迫中的作用越来越受到人们的关注[5]。但目前关于外源Se 对Cr胁迫下番茄幼苗叶绿素合成代谢的影响尚不清楚。因此，该试验以番茄品种中杂9 号为研究对象，探究叶面喷施Se 对Cr 胁迫下番茄幼苗叶绿素含量及其合成途径中前体物质含量和关键酶活性的影响，旨在明确外源Se 提高植物Cr 耐受性的生理机制。

图1 叶绿素合成途径

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用番茄品种中杂9 号为材料，种子购于中蔬种业科技（北京）有限公司。挑取健康饱满且大小一致的番茄种子经1% NaClO 消毒、清水洗净后备用。

1.2 试验设计

将种子播于以蛭石为栽培基质的32 孔育苗穴盘中，育苗期间白天光照时间为12 h，光合有效辐射为200 μmol/（m2·s），温度为25℃，相对湿度为60%；夜晚时间为12 h，温度为20℃，相对湿度为60%。挑选整齐一致的3 叶1 心幼苗移栽到以蛭石为基质的塑料花盆中，移栽3 d后的幼苗进行以下处理：①对照（CK），浇灌Hoagland 营养液+叶面喷施蒸馏水；②Se 处理，浇灌Hoagland 营养液+叶面喷施1 mg/L Na2SeO3溶液；③Cr 处理，浇灌含有10 mg/L K2Cr2O4的Hoagland 营养液+ 叶面喷施蒸馏水；④Cr+Se 处理，浇灌含有10 mg/L K2Cr2O4的Hoagland 营养液+叶面喷施1 mg/L Na2SeO3溶液，每处理10 株，3 次重复，处理7 d 后采收叶片测定相关指标。

1.3 试验项目测定及方法

叶绿素a 和叶绿素b 含量的测定按照高俊凤[6]的方法；δ-氨基酮戊酸、胆色素原、尿卟啉原Ⅲ、原卟啉Ⅳ、镁-原卟啉Ⅳ、原叶绿素酸酯含量及胆色素原脱氨酶（PBGD）和尿卟啉原合酶（UROS）活性的测定参照向丽霞等[7]的方法。

1.4 数据分析

利用Excel 2010 软件进行试验数据分析计算，SPSS 17.0 软件进行方差分析。

2 结果和分析

2.1 Se 对Cr 胁迫下番茄幼苗叶绿素含量的影响

从表1 可知，相比于CK，单一喷施Se 处理下叶绿素含量及叶绿素a/b 比值变化均不显著；单一Cr 胁迫处理下叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量和叶绿素a/b 比值分别显著降低了39.72%、26.53%、35.55%和17.95%。而与单一Cr 胁迫处理相比，Cr+Se 处理下叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量和叶绿素a/b 比值分别显著增加了45.43%、29.86%、39.81%和11.92%。

表1 Se 对Cr 胁迫下番茄幼苗叶绿素含量的影响

2.2 Se 对Cr 胁迫下番茄幼苗叶片叶绿素合成前体物质含量的影响

从表2 可以看出，相比于CK，单一喷施Se 处理下δ-氨基酮戊酸等叶绿素合成前体物质含量变化均不显著；单一Cr 胁迫处理下δ-氨基酮戊酸和胆色素原含量分别显著增加了30.85%和39.14%，而尿卟啉原Ⅲ、原卟啉Ⅳ、镁-原卟啉Ⅳ和原叶绿素酸酯分别显著降低了29.72%、38.90%、51.86%和30.60%。与单一Cr 胁迫处理相比，Cr+Se 处理下δ-氨基酮戊酸和胆色素原含量分别显著降低了15.40%和15.31%，而尿卟啉原Ⅲ、原卟啉Ⅳ、镁-原卟啉Ⅳ和原叶绿素酸酯分别显著增加了28.09%、43.15%、36.74%和29.85%。

表2 Se 对Cr 胁迫下番茄幼苗叶片叶绿素合成前体物质含量的影响 μg/g

2.3 Se 对Cr 胁迫下番茄幼苗叶片PBGD 和UROS 活性的影响

由表3 可知，相比于CK，单一喷施Se 处理下UROS活性显著增加了6.48%，PBGD 活性变化不显著；而单一Cr 胁迫处理下PBGD 和UROS 活性分别显著降低了32.75%和27.71%。与单一Cr 胁迫处理相比，Cr+Se 处理下PBGD 和UROS 活性分别显著增加了30.54%和27.08%。

表3 Se 对Cr 胁迫下番茄幼苗叶片PBGD 和UROS 活性的影响 %

3 结论与讨论

高等植物中叶绿素的合成是一个复杂、涉及一系列酶学催化的生化反应过程，任何一个酶活性出现异常都会影响该位点的催化反应及受阻位点前后的中间产物含量，且受阻位点与试验作物的种类和所处的逆境条件相关[8]。朱瑞婷等[8]研究发现镉胁迫导致草地早熟禾叶片的原卟啉Ⅳ、镁-原卟啉Ⅳ和原叶绿素酸酯含量以及PBGD编码基因表达水平显著降低，说明镉胁迫下草地早熟禾叶绿素的合成受阻位点可能发生在胆色素原向尿卟啉原Ⅲ的转化阶段。张丽等[9]研究表明盐碱胁迫下番茄叶片的尿卟啉原Ⅲ及其之前的叶绿素合成前体物质含量显著增加，而其之后的前体物质含量显著降低，说明盐碱胁迫降低了番茄叶绿素合成途径中尿卟啉原Ⅲ向原卟啉Ⅳ的转化。周珩[10]认为高温胁迫下黄瓜幼苗叶片胆色素原含量显著降低，而其之后的叶绿素合成前体物质含量、PBGD 和UROS 活性及其编码基因表达水平均显著升高，表明高温胁迫加快了PBG 向UROIII 转化。该试验发现，Cr 胁迫下番茄幼苗叶片δ-氨基酮戊酸和胆色素原的含量较CK 显著提高，而尿卟啉原Ⅲ及其之后叶绿素合成前体物质的含量及PBGD、UROS 活性均显著降低，表明Cr 胁迫可能导致番茄幼苗叶片叶绿素合成途径中胆色素原向尿卟啉原Ⅲ的转化阶段受到阻碍效应。叶面喷施Se 可有效改善Cr 胁迫对番茄幼苗叶绿素合成途径的阻碍，并增加叶绿素含量，主要表现为降低δ-氨基酮戊酸和胆色素原含量增加的幅度，提高尿卟啉原Ⅲ及其之后叶绿素合成前体物质的含量及PBGD、UROS 活性。

综上，叶面喷施Se 能够通过提高PBGD 和UROS 活性来减轻Cr 胁迫对番茄幼苗叶绿素合成途径中胆色素原向尿卟啉原Ⅲ转化的阻碍作用，促进尿卟啉原Ⅲ及其之后叶绿素合成前体物质的合成，显著增加叶绿素含量，保持叶绿素合成途径的高效运行。