钙对铅胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响.docx
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钙对铅胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响
本科毕业论文
题目钙对铅胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响
学院农学院
专业种子科学与工程
毕业届别2014届
姓名马原忠
指导教师王芳
职称讲师
甘肃农业大学教务处制
二〇一四年五月
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Keywords1
前言1
1材料与方法3
1.1材料处理3
1.2测定方法4
1.3数据统计分析5
2结果与分析5
2.1不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗生物量的影响5
2.2不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗SOD活性的影响5
2.3不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗POD活性的影响6
2.4不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗CAT活性的影响7
2.5不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗蛋白质含量的影响7
2.6不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响8
2.7不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗脯氨酸含量的影响9
2.8不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗可溶性糖含量的影响9
2.9不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗丙二醛含量的影响10
2.10不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗细胞膜通透性的影响11
3讨论11
4结论13
参考文献13
致谢16
钙对铅胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响
马原忠
(甘肃农业大学农学院种子科学与工程专业,甘肃兰州,730070)
摘要:
为明晰钙对重金属铅胁迫下玉米幼苗生长的缓解作用,以提高玉米对重金属毒害耐性,探讨重金属胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响,选用玉米(Zeamays)品种郑单958为材料,研究了不同浓度Ca2+(0-25mmoL•L-1)对一定铅浓度(100mg•L-1)胁迫下玉米幼苗的生长及生理特性的影响。
结果表明:
一定浓度的Ca2+能够显著提高玉米幼苗叶片保护酶SOD、POD、CAT活性,增加蛋白质和可溶性糖的含量,促进了叶绿素和脯氨酸的积累;生物量(叶片干鲜重、根干鲜重)增加,丙二醛含量的下降,外源Ca2+对玉米幼苗铅胁迫的缓解具有剂量效应,以10mmoL·L-1Ca2+的效果最好,增强了玉米植株对重金属铅的抗性。
关键词:
玉米;铅胁迫;钙;生理指标
EffectofCalciumonGrowthandPhysiologicalCharacteristicsofMaizeSeedlingunderLeadStress
MaYuan-zhong
(GansuAgriculturalUniversityCollegeofagricultureseedscienceandengineering,GansuLanzhou,730070)
Abstract:
InordertoclearcalciumalleviatePbstressongrowthofunderMaizeSeedlings,andenhancethetoxicityofheavymetaltoleranceofMaize.ToinvestigatetheeffectofheavymetalstressongrowthandphysiologicalcharacteristicsofMaizeSeedlings.MaizevarietiesZhengdan958asmaterial,differentconcentrationsofCa2+(0-25mmoL•L-1)tolead(100mg•L-1)stresseffectsongrowthandphysiologicalcharacteristicsofunderMaizeSeedlings.TheresultsshowthatacertainconcentrationofCa2+cansignificantlyimprovethemaizeseedlingleafprotectiveenzymeactivityofCAT,POD,SOD.ToincreasethecontentofproteinandsolublesugarandPromotechlorophyllandprolineaccumulation,increasedBiomass(dryleaffreshweight,rootfreshanddryweight),decreasedMDAcontent.ExogenousCa2+inadoseeffecttorelievethestressofmaizeseedlingslead,10mmoL•L-1Ca2+isthebest,enhancetheresistanceofmaizeplantsonheavymetallead.
Keywords:
Corn;Leadstress;Calcium;Physiologicalindex
前言
玉米是我国最重要的粮食作物之一,适应性强、单产量高,是重要的粮食、饲料、工业原料作物,在粮食作物中增值是最高的。
甘肃省玉米种植属于西北灌溉玉米区,玉米种植主要分布于河西走廊灌溉区,属大陆性干燥气候,降水稀少,种植业完全依靠融化雪水或河流灌溉系统。
在甘肃河西走廊灌溉农业区,套种玉米大面积亩产500-600kg,随着农田灌溉面积的增加,自70年代以来玉米面积逐渐扩大,每年约66.67hm2,西北灌溉玉米区玉米种植占全国玉米面积的3%左右。
但一些重金属盐对玉米的生长有许多不利因素,严重影响了玉米的产量,特别是铅、镉等重金属盐类。
铅(Pb)并不是植物生长发育的所必需元素,当铅被动进入植物根、树皮或叶片后,积累在根、茎和叶片影响植物的生长发育,使植物受害。
铅(Pb)对玉米的萌发抑制明显,苗明升等[1]研究了铅(Pb)对玉米种子萌发的影响,几乎所有浓度的铅(Pb)对玉米的萌发都起抑制作用。
铅对植物根系的生长的影响尤为显著的,并且周鸿[2]通过对玉米的组织化学研究证明,玉米幼根对铅的吸收情况与植物对有益矿质元素的吸收很相似。
同时铅能减少根细胞的有丝分裂速度,这也是造成植物生长缓慢的原因。
在铅污染的条件下,铅在玉米体内分布的一般规律是根>下叶>茎>上叶>子粒[3]。
铅胁迫显著抑制了玉米地上部分和地下部分的生长、降低了叶片光合色素含量、并通过非气孔因素限制了光合作用、导致过剩激发能的增加;铅胁迫也显著抑制了超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸过氧化物酶(APX)的活性、伤害了PSII反应中心、PSII的受体侧和供体侧(放氧复合体)以及PSI光化学活性[4]。
曹莹[5]研究发现,重金属铅对玉米子粒的营养品质有影响,但不同指标受影响程度不同。
植物主要通过根系从土壤中吸收和积累铅,进入根部的少量铅经过了两条途径:
一是非代谢性的自由空间途径;二是代谢性的共质体途径,铅在所有活细胞中的沉积,特别是凯氏带对铅的吸收的阻碍。
Jarviso[6]运用透射电子显微技术进行研究发现,进入植物根部的铅主要分布在根细胞壁上,少部分存在于根细胞内和线粒体中。
而且植物上部分的铅含量远远低于根部,换句话说,植物根系向地上部分运输铅的能力极低。
Liu[7]等研究发现印度芥菜(Brassicajuncea)根部积累大量的铅只有极少部分运输到地上部。
有研究表明,铅在植物根部均以分子量较小的肤类复合物及游离态占据绝大比例,推测这些形态是铅自根部向地上部分运输的主要形式。
因此,植物吸收的大部分铅均积累在根部,只有少部分转移到地上部分,这可能是植物对铅的一种保护机制。
同时也说明了铅对植物的毒害主要对根部细胞起作用。
铅在植物体内积累不仅会影响植物生长,而且会通过食物链危机人体健康,改良土壤铅污染已日益受到重视。
钙(Ca)不仅是植物生长发育所必需的一种大量元素,而且是植物体内重要的信号传递物质,参与非生物胁迫信号的传递,与钙调素(CaM)一起调节植物体内许多生理生化过程,对植物的生长具有很重要的意义。
很多研究表明,钙在植物抗逆境过程中具有重要作用,它可以作为耦联胞外信号与胞内生理生化反应的第二信使[8-9]。
生理学研究发现,外施钙可以增强植物对许多非生物逆境的适应性,减轻逆境对植物所造成的伤害[10]。
如以玉米为材料,用钙处理后可以增强玉米幼苗的耐热性[11]。
关于外源钙在逆境胁迫下的作用机制,前人推测可能是因为钙在稳定细胞结构方面发挥了作用。
钙能提高植物抗逆性,其中一个重要的作用是抗重金属的毒害。
例如钙能减轻锅、锌、镍、铁、铜、铝等多种金属离子的毒害作用[12]。
Ca对玉米幼苗Pb的吸收和运输的抑制作用,通过增施钙镁磷肥,提高土壤PH值、降低重金属元素在土壤溶液中的溶解度,是减少重金属元素在植物体内含量的有效方法。
Andersson和Nilsson[13]认为Ca可以与Cd竞争植物根系上吸收位点。
也有人指出Ca2+参与了植物感受渗透胁迫合成ABA的过程[14],而且,ABA的转导也依赖Ca2+。
植物叶片中积累ABA,引起气孔关闭,水分散失降低,胞内钙水平的提高(即诱发植物产生钙信号)是保卫细胞应答ABA的最初反应之一。
虽然近年来对钙信号的研究有了一定的进展,但是钙信号转导机制极其复杂,还有很多问题亟待解决,如钙信号是否直接参与活性氧代谢与调控等。
根据Chen等[15]报道,水杨酸预处理能显著降低水稻根、茎和叶中Pb的含量,且对Pb胁迫造成的叶中叶绿素含量下降有明显的缓解作用。
但钙对减轻铅毒害的生理机理的研究鲜有报道。
为此,本试验拟用不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗的生长情况、叶绿素含量、脯氨酸含量、抗氧化酶活性测定、可溶性蛋白的测定、可溶性糖含量和丙二醛(MDA)含量的测定进行研究,从而了解其对铅胁迫下玉米幼苗生长生理的影响。
为从生理上探明植物体内钙减轻铅毒害机理提供依据,对玉米的抗性育种提供理论基础和技术指导。
1材料与方法
1.1材料处理
1.11玉米幼苗的培养
试验玉米品种为“郑单958”。
挑选饱满均一的玉米种子,用0.1%的次氯酸钠消毒10min后,漂洗干净,在25℃下,以蒸馏水浸种12h后播种到垫有两层清洗干净滤纸的直径为15cm的培养皿中,置于25℃培养箱中暗发芽玉米出苗后,选取生长一致的三叶一心期的幼苗转移到塑料花盆中,每盆植苗8株,于人工气候室内常规培养,每2d用1/5浓度的Hoaglands营养液浇灌,待第4片叶长出后,选取长势良好和长势一致的玉米幼苗进行铅胁迫试验。
1.12材料处理
长至三叶一心时挑选长势一致的幼苗分组进行处理,每组重复5次,每天更换1次处理液。
Pb供体Pb(NO3)2溶液,Ca的供体为CaCl2溶液。
试验处理有:
A=Hoagland,CK;
B=Hoagland+100mg·L-1Pb2+
C=Hoagland+100mg·L-1Pb2++5mmoL·L-1Ca2+
D=Hoagland+100mg·L-1Pb2++10mmoL·L-1Ca2+
E=Hoagland+100mg·L-1Pb2++15mmoL·L-1Ca2+
F=Hoagland+100mg·L-1Pb2++20mmoL·L-1Ca2+
G=Hoagland+100mg·L-1Pb2++25mmoL·L-1Ca2+
处理后一周取第2片叶的混合样品及根的样品分别用于指标测定。
1.2测定方法
鲜重和干重的测定:
处理7d后,取不同处理的植株各10株,先用自来水冲洗,再用蒸馏水冲洗3次,用滤纸吸干表面水分,立即称鲜重。
再将鲜样品材料置105℃烘箱中杀青10min,转至65℃烘干,称其干重。
粗酶液的提取:
取0.5g玉米叶片,加入5ml0.05mmoL·L-1(PH值为7)的磷酸缓冲液在冰浴下研磨至匀浆,转入到5ml的离心管中,再用PBS缓冲液洗涤研钵,将洗涤液全部转入离心管中,4℃下1200r/min离心20min,上清液为粗酶液,4℃保存备用[16]。
POD活性的测定采用愈创木酚法[17],以每min内A470值减少0.01为1个过氧化物酶活力单位(U),酶活性以U/(min·g)表示。
CAT和SOD活性的测定按《植物生理学实验指导》[18],以每分钟内A240减少0.1的酶量为1个酶活性单位(U)计算CAT活性,酶活性以U/(min·gFW)表示,SOD的测定用NBT法,以酶液用量(ul)为横坐标,以NBT光化还原的抑制率(%)为纵坐标绘制二者相关曲线,NBT光化还原被抑制50%的酶液量为1个酶活性单位,以U/gFW表示。
脯氨酸含量的测定采用茚三酮显色法[19],丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸法[14],可溶性糖的测定采用蒽酮比色法[19],可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝法,参照邹琦主编的《植物生理学实验指导》[20],质膜相对透性的测定采用DDS-11A电导仪法,以相对电导率表示[20]。
玉米幼苗叶绿素含量的测定采用冯双华[21]的方法。
1.3数据统计分析
数据采用MicrosoftOfficeExcel2003软件进行绘图,用SPSS16.0软件进行方差分析。
2结果与分析
2.1不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗生物量的影响
如表1所示,100mg·L-1Pb2+单独处理时(B),玉米幼苗叶片各生物量(叶鲜干重、根鲜干重)明显低于对照(A)。
与处理B相比,添加不同浓度Ca2+后各处理的生物量均呈先上升后下降的趋势,处理C、D的各生物量较处理B分别有一定的增高趋势,分别增加了0.28g、0.46g(地上鲜重);0.08g、0.19g(地上干重);0.01g、0.14g(地下鲜重);0.08g、0.11g(地下干重),且均显著高于处理B(P<0.05),其中10mmoL·L-1Ca2+处理生物量达到最高。
表明一定浓度的外源Ca2+可以缓解铅胁迫下造成的伤害作用。
表1不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗生长的影响
处理
地上鲜重
(g/株)
地上干重
(g/株)
地下鲜重
(g/株)
地下干重
(g/株)
CK
10.07±0.45a
0.77±0.03a
4.17±0.29a
0.27±0.02ab
Hoagland+100mg·L-1Pb2+
7.78±0.54b
0.46±0.02b
3.35±0.42c
0.14±0.04b
Hoagland+100mg·L-1Pb2++5mmoL·L-1Ca2+
8.06±1.28b
0.54±0.04b
3.36±0.02c
0.22±0.04ab
Hoagland+100mg·L-1Pb2++10mmoL·L-1Ca2+
8.24±0.68a
0.65±0.02b
3.49±0.06ac
0.25±0.03ab
Hoagland+100mg·L-1Pb2++15mmoL·L-1Ca2+
7.62±0.33c
0.58±0.05b
3.40±0.08b
0.22±0.02ab
Hoagland+100mg·L-1Pb2++20mmoL·L-1Ca2+
6.30±2.28c
0.46±0.15b
3.21±0.17c
0.16±0.04b
Hoagland+100mg·L-1Pb2++25mmoL·L-1Ca2+
6.17±0.03c
0.46±0.03b
3.16±0.51c
0.14±0.03b
注:
不同小写字母表示不同处理间0.05水平差异显著(下同)。
2.2不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗SOD活性的影响
如图1所示,100mg·L-1Pb2+单独处理时(B),玉米幼苗叶片及根的SOD酶活性明显低于对照(A),较对照苗降低了57.58%(叶)、58.92%(根);与处理B相比,处理C和D分别增高了15.12%、55.43%,均显著高于B(P<0.05),其中10mmoL·L-1Ca2+处理的SOD酶活性达到最高。
多重比较结果表明,铅胁迫下不同浓度的Ca2+处理,低浓度Ca2+使SOD活性上升,高浓度Ca2+使SOD活性下降,呈现明显的剂量效应。
说明随着Ca2+处理浓度的增大,外源Ca的保护作用逐渐降低或消失。
图1不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗SOD活性影响
2.3不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗POD活性的影响
由图2可见,100mg·L-1Pb2+处理条件下,外源Ca可以明显提高玉米幼苗叶片及根中POD活性。
100mg·L-1Pb2+单独处理(B)和未经Pb2+诱导处理(A)的玉米幼苗叶片POD活性相比,处理B的POD活性较对照苗(A)降低了54.32%(叶)、51.27%(根);经外源Ca处理后,各处理的POD活性先升高后降低。
与处理B相比,处理C、D、E叶片的POD活性分别升高了30.25%、36.01%、30.25%,多重比较结果表明,低浓度外源Ca使POD活性上升,高浓度外源Ca使POD性下降,呈现明显的剂量效应,以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。
说明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成的伤害作用。
图2不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗POD活性影响
2.4不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗CAT活性的影响
由图3可见,100mg·L-1Pb2+处理条件下,外源Ca可以明显提高玉米幼苗叶片及根中CAT活性。
100mg·L-1Pb2+单独处理(B)和未经Pb2+诱导处理(A)的玉米幼苗叶片CAT活性相比,处理B的CAT活性较对照苗(A)降低了了55.21%(叶)、84.36%(根);经外源Ca处理后,各处理的CAT活性先升高后降低。
与处理B相比,处理C、D、E叶片的CAT活性分别升高了46.04%、87.72%、3.45%,多重比较结果表明,铅胁迫下不同浓度的外源Ca处理,低浓度外源Ca使CAT活性上升,高浓度外源Ca使CAT性下降,呈现明显的剂量效应,以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。
说明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成的伤害作用。
图3不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗CAT活性影响
2.5不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗蛋白质含量的影响
如图4所示,100mg·L-1Pb2+单独处理时(B),玉米幼苗叶片及根蛋白质含量明显低于对照(A),较对照降低了61.15%(叶)、59.1%(根);与处理B相比,用不同浓度Ca2+处理后蛋白质含量均呈先上升后下降的趋势,其中处理C、D、E叶片的蛋白质含量较处理B分别增高了48.02%、55.58%、52.61%,均显著高于处理B(P<0.05),其中10mmoL·L-1Ca2+处里蛋白质的含量达到最高。
表明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成的伤害作用。
图4不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗蛋白质含量的影响
2.6不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响
如图5所示,100mg·L-1Pb2+单独处理时(B),玉米幼苗叶片及根的叶绿素含量明显低于对照(A),较对照苗降低了6.00%;与处理B相比,胁迫期间不同浓度Ca2+(叶片C、D)处理之间叶绿素有差别,分别增高了2.69%、4.20%,均显著高于B(P<0.05),其中10mmoL·L-1Ca2+处理的叶绿素含量达到最高。
多重比较结果表明,铅胁迫下不同浓度的Ca2+处理,低浓度Ca2+使叶绿素含量上升,高浓度Ca2+使叶绿素含量下降,呈现明显的剂量效应,以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。
说明随着Ca2+处理浓度的增大,外源Ca的保护作用逐渐降低或消失。
图5不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响
2.7不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗脯氨酸含量的影响
如图6所示,100mg·L-1Pb2+单独处理时(B),玉米幼苗叶片及根的脯氨酸含量明显低于对照(A),较对照降低了92.45%(叶)、77.97%(根);与处理B相比,胁迫期间不同浓度Ca2+(叶片C、D)处理之间脯氨酸含量有差别,分别增高了86.12%(叶)、39.86%(根);91.68%(叶)、69.40%(根),均显著高于处理B(P<0.05),其中10mmoL·L-1Ca2+处理的脯氨酸含量达到最高。
多重比较结果表明,铅胁迫下不同浓度的Ca2+处理,低浓度Ca2+使脯氨酸含量上升,高浓度Ca2+使脯氨酸含量下降,呈现明显的剂量效应,说明随着Ca2+处理浓度的增大,以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。
外源Ca的保护作用逐渐降低或消失。
图6不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗脯氨酸含量的影响
2.8不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗可溶性糖含量的影响
如图7所示,100mg·L-1Pb2+单独处理时(B),玉米幼苗叶片及根的可溶性糖含量明显低于对照(A),较对照苗降低了74.49%(叶)、31.95%(根);与处理B相比,胁迫期间不同浓度Ca2+(叶片C、D)处理之间可溶性糖含量有差别,分别增高了50.33%(叶)、74.86%(根);67.16%(叶)、89.19%(根),均显著高于B(P<0.05),其中10mmoL·L-1Ca2+处理的可溶性糖含量达到最高。
多重比较结果表明,铅胁迫下不同浓度的Ca2+处理,低浓度Ca2+使可溶性糖含量上升,高浓度Ca2+使可溶性糖含量下降,呈现明显的剂量效应,以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。
说明随着Ca2+处理浓度的增大,外源Ca的保护作用逐渐降低或消失。
图7不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗可溶性糖含量的影响
2.9不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗丙二醛含量的影响
如图8所示,100mg·L-1Pb2+单独处理时(B),玉米幼苗叶片细胞膜通透性明显高于对照(A),较对照苗增高了20.89%(叶)、30.61%(根);与处理B相比,用不同浓度Ca2+处理后丙二醛含量均呈先下降后上升的趋势,其中处理C、D叶片的质膜透性较处理B分别降低了26.58%(叶)、21.09%(根);62.03%(叶)、60.54%(根),均显著低于处理B,其中以10mmoL·L-1Ca2+处里丙二醛含量达到最低。
丙二醛含量的下降表明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成质膜受损的作用。
图8不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗丙二醛含量的影响
2.10不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗细胞膜通透性的影响
如图9所示,100mg·L-1Pb2+单独处理时(B),玉米幼苗叶片细胞膜通透性明显高于对照(A),较对照增加了32.36%;与处理B相比,用不同浓度Ca2+处理后蛋白质含量均呈先下降后上升的趋势,其中处理C、D叶片的质膜透性较处理B分别降低了14.91%、25.01%,均显著低于处理B,其中10mmoL·L-1Ca2+处理蛋白质的含量达到最低。
表明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成质膜透性增大的作用。
图9不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗细胞膜透性的影响
3讨论
铅(Pb)是危害植物生长发育的有害元素,植物生长在含Pb的土壤中,其很多代谢途径如光合作用、呼吸作用、色素合成、抗氧化酶活性等都会受到影响从而抑制植物的生长[22,23]。
钙(Ca)是植物生长发育必需的大量元素,外源Ca2+可以增强植物对许多非生物逆境的适应性,减轻逆境对植物所造成的伤害[24]。
本研究表明,100m