模拟水环境离子液体污染对小麦幼苗生长及生理特性的影响

代磊, 薛醒, 李晓亮, 项伍杰, 付朵朵, 朱佳琦, 欧行奇

模拟水环境离子液体污染对小麦幼苗生长及生理特性的影响

代磊, 薛醒, 李晓亮, 项伍杰, 付朵朵, 朱佳琦, 欧行奇*

河南科技学院生命科技学院, 河南新乡, 453003

通为了研究离子液体对小麦的毒害, 以周麦18、百农207和百旱207三种小麦为实验材料, 研究了不同质量浓度(0、100、300、500、700 mg·L-1)的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑溴化盐对三种小麦幼苗生长及生理特性的影响。结果表明, 随着离子液体浓度的增加, 三种小麦的株高、根长、光合色素、净光合速率和鲜质量都随之降低, 而MDA含量和POD活性则随之增加。在离子液体低浓度100 mg·L-1处理下, 三种小麦相比, 百农207的株高、根长、净光合速率、光合色素含量都没有显著下降, MDA和POD活性也没有显著上升, 表明该品种在此浓度下未引起胁迫响应, 表明其耐逆性高于其他两个品种。当质量浓度为300 mg·L-1—700 mg·L-1时, 三种小麦的各项指标与对照相比都有显著性差异。因此说明离子液体对三种小麦都有一定的毒害作用, 且随着离子液体质量浓度增加毒害作用逐渐增大; 三种小麦对离子液体的耐受性也不同, 相对而言, 百农207抗性最强。

离子液体; 小麦; 幼苗生长; 生理特性; 毒害

0 前言

离子液体 (ionic liquids, ILs)是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐, 也称为室温熔融盐或低温熔融盐[1,2]。它具有极低的蒸汽压、不易燃、导电性强、性质稳定、对许多无机盐和有机物有良好溶解性等诸多优点, 在分离过程、有机合成、生物催化、电化学、生物质溶解和转化等领域具有广阔的应用前景, 被认为替代传统挥发性有机溶剂的新型绿色溶剂[3]。在ILs广泛应用的同时, 它的化学和热力学稳定性导致其在环境中难以降解, 加上其较好的水溶性, 在实际使用中大量ILs被释放到水环境中, 其在水中的积累和污染对环境存在潜在威胁[4]。

近年来, 国内外人们对离子液体的关注也是越来越多, 关于离子液体对生物的毒性研究也屡见报道。离子液体对生物的影响与离子液体的种类、浓度、作用时间和动植物品种有关。关于离子液体种类方面, 刘芳等[5]以青海弧菌Q67为指示生物, 测定了12种ILs对发光菌的发光抑制毒性。结果表明, 4种ILs具有较高的抑制毒(pEC50> 4.5), 而另外8种ILs的毒性相对较小(pEC50<3.5)。关于离子液体的浓度和作用时间方面, 牧辉等[6]的研究显示, [C8mirn]PF6浓度越高对普通小球藻的生长和叶绿素a的产生的抑制作用越明显, 毒性均随时间延长而增强, 且对叶绿素a含量的影响比对其生长的影响更显著。Landry等[7]研究了离子液体对Fischer 344大鼠的急性毒性效应, 发现一定浓度的离子液体对大鼠体重、运动和健康均产生影响; 关于动植物品种方面, 李效宇等[8]研究了早期胚胎发育期暴露1-辛基-3-甲基咪唑离子液体后对金鱼仔鱼的氧化损伤; Zhang等[9]对水生植物浮萍()的研究表明, 离子液体[C8mim]Br处理会对浮萍产生毒性作用, 主要表现在光合色素含量显著下降, 抗氧化系统受到影响, 细胞发生了脂质过氧化作用; 杨芬芬等[10]研究了5种离子液体对3种农作物(白菜、黄瓜和玉米)发芽及生长状况的影响, 结果表明, 在一定浓度下离子液体对3种农作物均具有一定的毒害作用, 不同作物对离子液体毒性的敏感程度不同。随着2020年新型冠状病毒肺炎疫情的影响, 粮食安全问题已经是当前人们面临的重大问题, 关于离子液体对粮食作物的毒害研究还很少, 本试验就模拟离子液体１-乙基-3-甲基咪唑溴化盐污染灌溉水源后对三种小麦的幼苗生长和生理特性的影响, 通过测定小麦幼苗生长和生理生化的相关指标, 以期探索离子液体对小麦毒性效应, 为选育抗性较强的小麦品种以及离子液体对农业生态环境和粮食安全的潜在风险评估提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小麦材料为: 周麦18(ZM18)、百农207(BN207)和百旱207(BH207)三种小麦均来自河南科技学院欧行奇老师的小麦育种团队。离子液体采用的是1-乙基-3-甲基咪唑溴化盐, 来自该校化工学院, 用于有机合成反应。

1.2 试验方法

选取颗粒饱满形态相似的小麦种子, 用2%次氯酸钠的溶液浸泡小麦种子6分钟后, 再用蒸馏水冲洗3次。在规格大小一致的培养皿内加入10 mL不同质量浓度的离子液体, 根据预试验, 离子液体的质量浓度分别设定为0(CK)、100、300、500 mg·L-1和700 mg·L-1, CK组加10 mL蒸馏水, 每个培养皿放种子10粒, 每个处理设置三个重复。每隔两天添加相同适量的离子液体, 对照加等量的蒸馏水。培养室为恒温25 ℃, 光强4000-4500 lx, 光暗比为13:11。播种后, 每天统计发芽情况, 直至10天。15天后测定株高、根长、叶片叶绿素含量和鲜重等指标。

1.3 指标测定

1.3.1 生长指标的测定

播种15天后, 从每个处理的培养皿中随机选取10株幼苗, 用直尺测量株高, 即从茎基部到形态学最高点的长度; 根长是用直尺测量上述幼苗的最长根长; 鲜重测量是把上述幼苗洗干净, 立即吸干水后, 称重[11]。

1.3.2 光合色素含量的测定

取小麦叶片, 用去离子水清洗表面灰尘将其剪碎, 混匀。称取0.2 g放入试管中, 加10 mL95%乙醇, 然后放在暗处浸提48 h, 期间摇动3次。提取液倒入比色杯内, 以95%乙醇为空白, 在波长665 nm、649 nm和470 nm下测定吸光度。(叶绿素见光分解, 操作时应在弱光下快速进行。)计算叶绿素a(Ca)、叶绿素b(Cb)和类胡萝卜素(Cc)的质量浓度(mg·L-1)[12]。

Ca=13.95A665 nm-6.88A649 nm

Cb=24.96A649 nm-7.32A665 nm

Cc=(1000A470 nm-2.05Ca-114.8Cb)/245

叶片中色素含量计算公式:

叶绿素含量(mg·g-1)=(叶绿素的质量浓度×提取液总体积×稀释倍数)／样品鲜重。

1.3.3 净光合速率的测定

采用Li6400便携式光合仪(Li-Cor, USA)测定三种小麦同一叶位的叶片的净光合速率, 每次测定时间为晴天的上午9:00-11:30, 测定时使用内置红蓝光源, 设定光量子通量密度为1200 μmol·m-2·s-1, 叶室二氧化碳浓度为400 μmol·mol-1, 叶室内温度为25 ℃。每个处理重复三次。

1.3.4 丙二醛(MDA)含量和过氧化物酶(POD)活性的测定

丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸法; 过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚比色法[13]。

1.4 数据分析

采用Excel2010软件进行作图, 用SPSS19.0统计软件进行方差分析。所有数据统计前进行方差齐性检验, 如果, 方差齐性检验显著, 则利用开平方或对数进行数据转换。不同处理间采用LSD法进行多重比较, 显著水平(为<0.05)。

2 结果与分析

2.1 对小麦株高的影响

由图1可知, 不同质量浓度的离子液体对三种小麦幼苗的株高都有抑制效应, 且随着离子液体质量浓度的增加, 对三种小麦株高的抑制作用越来越明显。在离子液体质量浓度为100 mg·L-1时, 周麦18和百旱207两种小麦的株高与对照相比都达到的显著性差异(<0.05), 百农207与对照相比, 虽有下降, 但未达到显著性差异。当质量浓度为300 mg·L-1时, 三种小麦的株高下降幅度很大, 与对照相比都有了显著性降低(<0.05)。当质量浓度为700 mg·L-1时, 三种小麦在发芽后, 几乎都停止了生长, 周麦18、百农207和百旱207的株高比对照分别减少了97%、95%和98%。

2.2 对小麦根长的影响

由图2可知, 不同质量浓度的离子液体对三种小麦的根长都有抑制作用, 且随着质量浓度的增加, 根长越来越短。当离子液体质量浓度为100 mg·L-1时, 三种小麦的根长都有明显缩短, 周麦18和百旱207两种小麦的根长与对照相比都达到的显著性差异(<0.05), 百农207的根长虽有下降, 但与对照相比并未达到显著性差异。当质量浓度为300 mg·L-1时, 三种小麦的根长与对照相比都有了显著性降低(<0.05)。当质量浓度为700 mg·L-1时, 三种小麦的根长分别降到最低。

注: ZM18: 周麦18, BN207: 百农207, BH207: 百旱207; CK、100、300、500、700是指不同处理的离子液体的质量浓度, 单位为mg·L-1; 不同的小写字母表示同一品种时不同处理之间存在显著性差异(P<0.05), 下同。

Figure 1 The effect of different concentrations of ionic liquid on the plant height of three wheat varieties

2.3 不同浓度的离子液体对小麦鲜质量的影响

由图3可知, 在不同质量浓度的离子液体处理下, 三种小麦的鲜重都收到了影响, 且随着离子液体质量浓度的增加, 鲜质量逐渐减小。在离子液体质量浓度为100 mg·L-1时, 周麦18、百农207和百旱207与对照相比都达到的显著性差异(<0.05), 当离子液体质量浓度为700 mg·L-1时, 周麦18、百农207和百旱207三种小麦的鲜重都在0.1 g以下, 分别比对照减少了75%、69%、71%。整体来看, 抑制较轻的为百农207。

图2 不同质量浓度的离子液体对三种小麦根长的影响

Figure 2 The effect of different concentrations of ionic liquid on the root length of three wheat varieties

图3 不同质量浓度的离子液体对三种小麦鲜质量的影响

Figure 3 The effect of different concentrations of ionic liquid on the fresh weight of three wheat varieties

2.4 对小麦叶片净光合速率的影响

由图4可知, 不同质量浓度的离子液体对三种小麦叶片的净光合速率均有抑制作用, 且随着离子质量浓度的增加, 三种小麦的净光合速率都逐渐降低。在离子液体质量浓度为100 mg·L-1时, 周麦18的净光合速率与对照相比已经达到显著性差异(<0.05), 百农207和百旱207的净光合速率与对照相比均有降低, 但并未达到显著性水平。当离子液体质量浓度为300-700 mg·L-1时, 三种小麦的净光合速率与对照相比, 都有了显著性降低(<0.05), 其中700 mg·L-1时, 都分别降到最低值。三者比较, 百农207的净光合速率整体降幅较小。

2.5 对小麦叶片光合色素含量的影响

由表1可知, 在不同质量浓度的离子液体处理下三种小麦叶片的光合色素含量均明显降低, 且随着质量浓度的增加, 叶绿素含量逐渐降低。在离子液体质量浓度为100 mg·L-1时, 周麦18的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素三种色素含量和百旱207的叶绿素a、叶绿素b两种色素含量与对照相比都达到显著性差异(<0.05), 而百农207的三种色素均有降低, 但与对照相比都没有达到显著性差异。当离子液体质量浓度为300-700 mg·L-1时, 三种小麦的三种色素与对照相比都达到了显著性差异(<0.05), 当离子液体质量浓度为700 mg·L-1时, 三种小麦的三种色素含量都分别下降到最低值。说明离子液体对小麦叶片的光合色素的影响很大, 进而影响小麦的生长和发育。

图4 不同质量浓度的离子液体对小麦叶片净光合速率的影响

Figure 4 The effect of different concentrations of ionic liquid on the net photosynthetic rate of wheat leaves

2.6 对小麦叶片MDA含量的影响

如图5所示, 离子液体对三种小麦叶片的MDA含量都有很大影响, 随着离子液体质量浓度的增加, 三种小麦叶片的MDA含量也随之升高。当离子液体质量浓度为100 mg·L-1时, 三种小麦叶片的MDA含量与对照相比都有所升高, 但并未达到显著性水平。当质量浓度在300-700 mg·L-1时, 三种小麦叶片的MDA含量与对照相比都达到了显著性水平, 其中当质量浓度为700 mg·L-1时, ZM18、BN207和BH207三种小麦叶片的MDA含量都达到最大值, 分别是各自对照的3.9倍、3.6倍、3.8倍。

表1 不同质量浓度的离子液体对小麦叶片的光合色素含量的影响

注: 不同小写字母表示差异达到显著水平(<0.05)。

图5 不同质量浓度的离子液体对小麦叶片MDA含量的影响

Figure 5 The effect of different concentrations of ionic liquid on MDA content of wheat leaves

2.7 对小麦叶片POD活性的影响

如图6所示, 随着离子液体质量浓度的升高, 三种小麦叶片的POD活性随之增大。当离子液体质量浓度为100 mg·L-1时, 三种小麦叶片的POD活性与对照相比都有明显升高, 其中ZM18、BH207两种小麦叶片的POD活性与对照相比达到了显著性水平, 但BN207小麦叶片的POD活性与对照相比并没有显著性差异。随着离子液体质量浓度, 三种小麦叶片的POD活性与对照相比都有了显著性差异, 当质量浓度为700 mg·L-1时, ZM18、BN207和BH207三种小麦叶片的POD活性都达到最大值, 与各自的对照相比分别增加了2.3倍、2.0倍、2.2倍。

图6 不同质量浓度的离子液体对小麦叶片POD活性的影响

Figure 6 The effect of different concentrations of ionic liquid on POD activity of wheat leaves

3 讨论

本实验研究了离子液体１-乙基-3-甲基咪唑溴化盐对三种小麦周麦18、百农207和百旱207的株高、根长、叶片叶绿素含量和鲜质量等指标, 结果表明, 离子液体对三种小麦的这些指标均有不同程度的抑制作用, 由此可知, 离子液体对三种小麦都有一定的毒害作用, 且三种小麦对对离子液体毒性的耐受程度不同, 相对来说, 百农207抗性最强。这与杨芬芬等[10]对三种农作物的研究结果相似, 不同受体对离子液体的胁迫响应是不一样的。

离子液体对小麦幼苗生长方面的影响, 本试验表明, 离子液体对三种小麦的株高、根长和鲜质量都有显著性抑制作用。这与郭瑾[14]研究的离子液体对拟南芥种子萌发及根系发育的影响有相似的地方, 可能离子液体影响了植物根尖细胞的活性, 进而影响了根尖细胞的分裂和伸长。还有研究离子液体(1-己基-3-甲基咪唑溴化盐)对玉米幼苗生长与生理生化特性的影响, 当该离子液体质量浓度≥10 mg·L-1时, 玉米幼苗的株高、根长均显著减少, 根系受到的伤害更大, 可能是根系直接可以接触到离子液体[15]。杨苗等[16]研究得出, 三种不同烃链长度咪唑类的离子液体对玉米幼苗根、茎干重均有显著抑制作用, 原因可能是因为离子液体在分子结构上与某种除草剂或抗生素相似, 从而产生类似的毒性效应。

离子液体对小麦幼苗生理方面的影响, 光合作用是物质积累最重要的代谢过程, 光合色素在光合作用中承担着光能的吸收、传递和转换, 其含量高低与光合作用密切相关[17]。本试验还研究了该离子液体对三种小麦叶片的光合色素和净光合速率的影响, 结果表明, 三种小麦的光合色素含量和净光合速率都随着离子液体质量浓度的增加而逐渐降低。Wang等[18]研究了不同浓度[C4mim]BF4对小麦幼苗的影响, 结果表明, 随着[C4mim]BF4浓度的增加, 小麦生长受到明显的抑制, 叶绿素含量急剧下降。还有人研究了咪唑离子液体对四尾栅藻的毒性, 得出了在0-200 mg·L-1范围内, 离子液体[C4mim]Cl和[C4mim]BF4对四尾栅藻生长的抑制作用随浓度的增加而增强, 叶绿素含量也随之下降。可能是因为离子液体透过植物的细胞壁, 结合在磷脂双分子膜结构表面, 破坏了膜蛋白的结构和叶绿体结构的完整性, 导致叶绿体片层结构断裂, 从而影响了叶绿素的合成[19]。

在逆境条件下, 植物体内会有活性氧的积累, 从而导致细胞膜膜脂过氧化, MDA是膜脂过氧化的重要产物, 因此MDA含量是衡量膜脂过氧化程度的重要指标[20]。为了适应外界环境的胁迫, 植物常通过自身的保护酶(如POD)来清除体内的活性氧, 维持正常的新陈代谢[21]。本研究结果表明, 随着离子液体的质量浓度的增加, 三种小麦的叶片的MDA含量和POD活性都随之增加。说明离子液体的质量浓度越大, 对三种小麦的伤害程度越大, 随着小麦体内MDA的大量产生, 小麦会通过提高自身体内POD的活性来减轻外界胁迫对它带来的伤害, 这趋势与胡铁柱[21]、张倩等[22]在小麦逆境条件下的研究是相近的。

4 结论

随着模拟水环境离子液体质量浓度的增加, 周麦18、百农207和百旱207三种小麦的株高、根长、光合色素、净光合速率和鲜质量都随之降低, 而MDA含量和POD活性则随之增加。在离子液体低浓度100 mg·L-1处理下, 三种小麦相比, 百农207的株高、根长、净光合速率、光合色素含量都没有显著下降, MDA和POD活性也没有显著上升, 表明该品种在此浓度下未引起胁迫响应, 说明其耐逆性高于其他两个品种。当质量浓度为300 mg·L-1-700 mg·L-1时, 三种小麦的各项指标与对照相比都有显著性差异。因此可知, 离子液体对三种小麦都有一定的毒害作用, 且随着离子液体质量浓度增加毒害作用逐渐增大; 三种小麦对离子液体的耐受性不同, 相对而言, 百农207抗性最强。随着离子液体的广泛应用, 离子液体对农业生态环境存在巨大的潜在威胁, 为了良好的生态环境和粮食安全, 需要人们及相关部门的高度重视。

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Effects of simulated water environment polluted by ionic liquid on growth and physiological characteristics of wheat seedlings

DAI Lei, XUE Xing, LI Xiaoliang, XIANG Wujie, FU Duoduo, ZHU Jiaqi, OU Xingqi*

College of Life Science and Technology, Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China

In order to study the toxicity of ionic liquid on wheat, the effects of ionic liquid 1-ethyl-3- methylimidazolium bromide with different concentrations (0, 100, 300, 500 and 700 mg·L-1) on growth and physiological characteristics of three wheat seedlings(Zhoumai18, Bainong207 and Baihan207) were studied in the paper. The results showed that with the increase of ionic liquid concentration, the plant height, root length, photosynthetic pigment, net photosynthetic rate and fresh weight of the three wheat varieties decreased, while MDA content and POD activity increased. When the low concentration of ionic liquid was 100 mg·L-1, the plant height, root length, net photosynthetic rate, and photosynthetic pigment content of Bainong207 did not decrease significantly, and the MDA content and POD activity of Bainong207 did not increase significantly, indicating that this variety did not cause a stress response at this concentration, and its stress tolerance was higher than that of the other two varieties. When the concentration was 300 mg·L-1-700 mg·L-1, the indexes of the three wheat varieties had significant differences compared with those of the control group. Therefore, the ionic liquid had toxic effect on three kinds of wheat, and the toxic effect increased with the increase of ionic liquid concentration. The tolerance of three kinds of wheat to ionic liquid was also different. In comparison, Bainong207 had the strongest resistance.

ionic liquid; wheat; seedling growth; physiological characteristics; poison

代磊, 薛醒, 李晓亮, 等. 模拟水环境离子液体污染对小麦幼苗生长及生理特性的影响[J]. 生态科学, 2022, 41(3): 166–171.

DAI Lei, XUE Xing, LI Xiaoliang, et al. Effects of simulated water environment polluted by ionic liquid on growth and physiological characteristics of wheat seedlings[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 166–171.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.019

948.1

A

1008-8873(2022)03-166-06

2020-07-02;

2020-09-03

河南省重大科技专项(151100110700); 大学生创新训练重点项目(201910467017); 博士科研启动基金项目(201010613003)

代磊(1982—), 男, 河南扶沟人, 博士, 主要从事植物生理生态学研究, E-mail: daileinihao@126.com

欧行奇, 教授, 主要从事小麦育种研究, E-mail: ouyangxq@163.com