松花菜对铜胁迫的响应及外源水杨酸和赤霉素对铜毒害的缓解效应

  为了研究铜胁迫对松花菜的毒害以及水杨酸和赤霉素对铜毒害的缓解效应,通过水培试验,用0.01、0.05、0.25、0.50 mmol/L的铜处理松花菜幼苗,并用不同浓度的水杨酸和赤霉素诱导0.50 mmol/L铜胁迫的幼苗,测定叶绿素、可溶性蛋白、可溶性糖、有机酸、硝酸盐等生理指标。结果表明,铜胁迫可引起这些生理指标的变化,对松花菜幼苗产生不同的毒害效应,水杨酸和赤霉素能够不同程度地缓解铜的毒害。 
  关键词松花菜;铜胁迫;水杨酸;赤霉素;生理指标 
  作者简介彭海涛(1984—),男,河南濮阳人,博士,中级农艺师,研究方向为蔬菜遗传育种与分子生物学。E-mailpenght2012@163.com。铜是高等植物生长发育过程中必需的一种微量元素,在植物生命活动中起着重的作用。但是在蔬菜种植过程中,大量的铜存在会对植株造成毒害,不但阻碍植株的生长,影响蔬菜的产量和品质,更为严重的是通过食物链危害人类健康。 
  目前,在一些蔬菜作物上已经进行了铜对植物毒害的研究。铜胁迫不仅能影响小白菜的硝酸盐、可溶性糖、可溶性蛋白、维生素C等品质指标1,以及叶绿素、根系活力、抗逆相关因子(SOD、POD、CAT)等生理指标2,而且能够破坏叶肉细胞的超微结构3,从而对植物产生危害。另外,铜胁迫对番茄4、黄瓜5、萝卜6、甘蓝7、芥菜8等蔬菜作物的生长发育也具有一定的影响,严重影响了蔬菜生产。外源激素在增强植物的抗逆性过程中发挥着重作用。水杨酸能够缓解盐胁迫对白菜9、黄瓜10、莴苣11、番茄12等蔬菜的种子萌发和幼苗生长的影响,赤霉素对盐胁迫下的番茄种子萌发和幼苗生长也具有缓解效应13。 
  松花菜是花椰菜中的一种,近年来在长江地区迅速推广。有关重金属对松花菜的毒害效应研究较少,铜对松花菜的毒害研究尚未见报道。本试验研究了重金属铜胁迫对松花菜幼苗的叶绿素、可溶性蛋白、可溶性糖、有机酸、硝酸盐等生理指标的影响,以及外源水杨酸和赤霉素对铜毒害的缓解效应,研究结果具有一定的理论和实践意义。 
  1材料与方法 
  1.1试验材料 
  松花菜种子雪丽购自浙江神良种业有限公司。将种子在净水中浸泡4 h,然后用55 ℃温水浸种15 min,再置于25 ℃的培养箱中催芽24 h,萌发的种子播种于装有相同基质的穴盘中。 
  1.2铜胁迫处理 
  待幼苗长至4叶真叶期,从穴盘中取出,用清水小心冲洗干净根部泥土,用1/2 Hoagland 完全营养液进行水培,培养 3 d 后,在营养液中分别加入不同浓度的铜SO4进行处理,使得营养液中铜的浓度分别为0.01、0.05、0.25、0.50 mmol/L,以不加入铜的处理作为对照(CK)。所有处理均在相同的环境条件下进行,每个处理设3个生物重复。处理5 d后,进行拍照和生理指标测定。 
  1.3水杨酸和赤霉素诱导铜胁迫下的松花菜生理指标 
  在0.5 mmol/L 铜处理的幼苗营养液中,分别加入水杨酸(01、0.5、1.0、2.0、3.0 mmol/L)和赤霉素(50、100、150 mmol/L)。所有处理均在相同的环境条件下进行,每个处理设3个生物重复。处理5 d后,进行生理指标测定。 
  1.4测定方法 
  采用丙酮乙醇混合液法测定叶绿素含量,考马斯亮蓝 G-250 染色法测定可溶性蛋白,蒽酮比色法测定可溶性糖,酸碱滴定法测定有机酸,紫外分光光度法测定硝酸盐含量。 
  2结果与分析 
  2.1铜胁迫对松花菜表型的影响 
  在胁迫处理5 d后,0.25 mmol/L 铜处理的松花菜叶片开始表现出明显的毒害症状,叶片变薄、失水、失绿,并有灰色圆斑,0.50 mmol/L 铜处理的松花菜受到的毒害更加严重,而001 mmol/L和0.05 mmol/L 铜处理的松花菜几乎没有毒害症状(图1),表明松花菜对铜的富集效应阈值在0.05~025 mmol/L 之间。 
  2.2铜胁迫对松花菜生理指标的影响 
  从铜处理后松花菜叶片的表型来看,叶片变薄、失绿,表明叶绿素的含量明显减少(图1)。测定的叶绿素含量变化趋势和叶片表型完全一致,在0.25、0.50 mmol/L 铜处理下,叶绿素含量显著降低(图2-A)。 
  和对照相比,低浓度铜处理几乎不影响可溶性蛋白的含量,当浓度升高到0.50 mmol/L时,可溶性蛋白含量明显增加(图2-B),这与镉、锌胁迫处理的小白菜中可溶性蛋白含量的变化趋势相同1,14。植物体内可溶性蛋白质含量的提高可以降低细胞渗透势,增加功能蛋白数量,有助于维持细胞正常代谢,从而提高植物抗逆性。结合铜胁迫下松花菜的表型变化,0.50 mmol/L 铜处理时可溶性蛋白含量的增加,可能是由于高浓度铜的毒害作用较强,严重影响到植物的生理代谢,植物自身的防御机制需通过增加功能蛋白数量来增强抗逆性。 
  铜胁迫对松花菜中可溶性糖含量的影响呈现“低浓度促进、高浓度抑制”的趋势,0.01 mmol/L 铜处理促进了可溶性糖含量的增加,随着浓度的增加,铜对可溶性糖积累的促进作用消失(图2-C)。可溶性糖是植物体内的一种主的渗透调节物质,在低胁迫条件下渗透调节物质含量增加,可以提高细胞液浓度,降低渗透势,是一种对外界胁迫的适应性调节。而高胁迫条件下可溶性糖含量减少,可能是由于高浓度铜 抑制了松花菜的生长,叶绿素减少,光合能力下降,光合产物减少,导致可溶性糖含量减少。从铜胁迫下叶片表型和叶绿素含量变化也可推断可溶性糖含量的变化。
  有机酸是蔬菜品质的重指标。0.05 mmol/L 铜处理下,有机酸含量减少,可能是由于低浓度铜的毒害作用减弱了植株的代谢活动,导致有机酸含量下降;而在高浓度(0.50 mmol/L) 铜胁迫下,生成了大量有机酸(图2-D)。据研究,植物在受到重金属胁迫时,自身会生成大量有机酸来增强抗逆性15,0.50 mmol/L 铜胁迫下有机酸含量的增加,可能是植物体生成有机酸来缓解铜的毒害。 
  和对照相比,铜处理抑制了植物体内硝酸盐的积累,而不同浓度处理下硝酸盐含量变化不明显(图2-E)。硝酸盐为植物体生命活动提供氮源,可能是铜胁迫抑制了植物体的生命活动,同时减少了硝酸盐的积累。 
  2.3外源水杨酸和赤霉素对铜胁迫下松花菜生理指标的影响 
  水杨酸和赤霉素在植物的抗逆性中发挥重作用,并且从表型来看,0.5 mmol/L 铜处理对松花菜产生了较强的毒害性,因此,选择研究外源水杨酸和赤霉素对0.5 mmol/L 铜胁迫下松花菜的影响。铜处理降低了叶片中叶绿素的含量,加入水杨酸或赤霉素均不能缓解铜的毒害作用,反而由于激素浓度的增加到一定程度,叶绿素含量有减少的趋势(图3-A)。这与水杨酸对小白菜抗铅胁迫的诱导研究结果相同,即1.5 mmol/L 水杨酸不能缓解0.3 mmol/L 铅胁迫对小白菜幼苗的毒害,反而更加减少了叶绿素含量16,表明铜对松花菜的毒害具有剂量效应,一旦铜的浓度高于阀值,对叶绿素的毒害将不可逆转,加入的水杨酸和赤霉素起到了加重毒害的作用。 
  水杨酸和赤霉素诱导铜胁迫下松花菜可溶性蛋白含量的变化趋势相同(图3-B),即随着水杨酸和赤霉素浓度的增 
  大,可溶性蛋白含量呈先减少后增加趋势。可能是由于高浓度激素与铜形成的复合伤害有关。对其他一些蔬菜作物如小白菜16、黄瓜17、菜豆18等的研究中,也有类似的结论。 
  可溶性糖是植物体内的能量物质,主由光合作用合成。水杨酸和赤霉素诱导并不能增加叶片内叶绿素的含量(图 3-A),却能够在一定范围内增加可溶性糖的含量(图 3-C),表明水杨酸和赤霉素诱导可增强其他糖代谢途径,同时也表明抗逆性的增强。 
  低浓度水杨酸处理能够使有机酸含量降低,处于和对照相同的水平,可能是水杨酸诱导缓解了铜的毒害作用;而高浓度水杨酸诱导下,有机酸含量水平与仅用0.5 mmol/L 铜胁迫下的水平相同,表明高浓度水杨酸可能对植株形成了毒害作用,导致植株生成有机酸来增强抗逆性。赤霉素的诱导作用与低浓度水杨酸诱导作用相同(图3-D)。 
  水杨酸诱导对硝酸盐含量的变化无明显作用,而赤霉素诱导下硝酸盐含量高于对照(图3-E),表明赤霉素能够诱导植物体内硝酸盐的生成。有研究表明,外源赤霉素能够抑制硝酸盐的生成19,与本试验结论相反,表明本试验中赤霉素与铜可能形成了复合型产物毒害植株,导致硝酸盐含量升高。 
  3讨论与结论 
  有研究表明,当土壤中重金属浓度超过植物富集所能达到的临界值,甚至高出几倍的情况下,植物表现出明显的重金属毒害症状;当重金属浓度低于植物富集所能达到的临界值时,受重金属胁迫的植物表现出与普通植物相同的特征20。本试验中,当铜 的浓度达到0.25 mmol/L以上时,松花菜才表现出明显的毒害症状(图1),表明0.25 mmol/L 铜超过了松花菜对铜的富集能力,富集阈值在0.05~0.25 mmol/L之间,铜胁迫对松花菜的毒害具有剂量效应。 
  铜胁迫导致松花菜叶片变黄(图1),表明铜促使叶绿素降解,叶绿素含量的测定结果也证明了这一结论(图2-A),外源水杨酸或赤霉素不能缓解铜对叶绿素的毒害效应(图3-A)。然而,水杨酸和赤霉素能诱导铜胁迫下可溶性糖含量增加(图3-C),表明它们可能是通过激发其他的糖代谢途径来促进糖的积累,而不是通过叶绿体的光合作用来实现的。 
  铜胁迫能够激发松花菜叶片中可溶性蛋白含量的增加(图2-B),可能是通过降低细胞渗透势和增加功能蛋白数量来增强植株的抗逆性。在一定范围内,低浓度水杨酸或赤霉素能够减少可溶性蛋白的含量,高浓度则促进可溶性蛋白含量的增加(图3-B),可能是由于低浓度激素处理减缓了铜的毒害效应,而高浓度激素本身具有毒害作用,通过促进可溶性蛋白的增加来增强抗逆性。植物体内的有机酸能够通过螯合作用与重金属形成螯合物,从而减缓重金属对植物的影响21。在低浓度(0.05 mmol/L)铜胁迫下,有机酸与铜形成了螯合物,导致有机酸的含量低于对照;随着铜浓度的增加,植物需产生大量的有机酸来螯合铜,从而增强抗逆性。低浓度的水杨酸和赤霉素能够缓解铜的毒害,从而使有机酸含量降低(图3-D)。铜胁迫能够抑制植物体内硝酸盐的生成(图2-E),而激素处理反而会在一定范围内增加硝酸盐含量(图3-E),表明激素处理缓解了铜的毒害效应。由于硝酸盐能够危害人体健康,因此生产中通过施用水杨酸或赤霉素来缓解铜的毒害时,需控制最适施用量。 
  总之,重金属铜胁迫能够对松花菜的叶绿素、可溶性蛋白、可溶性糖、有机酸和硝酸盐等生理指标产生影响,对植株产生毒害作用,通过外施一定浓度的水杨酸或赤霉素能够缓解铜的毒害。在外施水杨酸或赤霉素的过程中,需通过试验来确定最适的激素浓度,否则有可能加重毒害或者起不到缓解毒害的效果。 
  参考文献 
  1徐磊,林义章. 铜胁迫对小白菜品质相关指标的影响J. 中国农学通报,2009,25(14)161-163. 
  2徐磊. 铜胁迫对小白菜生理生化指标的毒害作用D. 福州福建农林大学,200317-28. 
  3林义章,张淑媛,朱海生. 铜胁迫对小白菜叶肉细胞超微结构的影响J. 中国生态农业学报,2008,16(4)948-951. 
  4崔秀敏,吴小宾,李晓云,等. 铜、镉毒害对番茄生长和膜功能蛋白酶活性的影响及外源NO的缓解效应J. 植物营养与肥料学报,2011,17(2)349-357.