鑭對(duì)酸雨影響下水稻活性分析研究
中國(guó)污水處理工程網(wǎng) 時(shí)間:2016-5-14 9:20:47
污水處理技術(shù) | 匯聚全球環(huán)保力量,降低企業(yè)治污成本
1 引言
酸雨是全球性三大主要環(huán)境污染之一,不僅能直接傷害農(nóng)作物,如抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育,降低產(chǎn)量與品質(zhì),還能間接通過改變土壤性質(zhì)及影響土壤微生物活性并影響農(nóng)作物,已成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素.面對(duì)我國(guó)酸雨區(qū)面積不斷擴(kuò)大的嚴(yán)峻現(xiàn)實(shí),減輕酸雨對(duì)植物的傷害已成為保障糧食安全的重要論題.有關(guān)稀土農(nóng)用的研究顯示,稀土可增強(qiáng)植物對(duì)冷凍、干旱、重金屬、紫外輻射、酸雨等脅迫因子的耐受能力,這與稀土增強(qiáng)植物光合作用,促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)吸收,穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu),以及提高抗氧化能力等有關(guān).質(zhì)膜H+-ATPase被譽(yù)為植物的主宰酶,參與轉(zhuǎn)運(yùn)胞內(nèi)H+和植物對(duì)逆境脅迫的響應(yīng).課題組前期研究顯示,酸雨脅迫會(huì)引起水稻葉片中質(zhì)膜H+-ATPase活性變化,在一定范圍能調(diào)節(jié)胞內(nèi)pH,維持胞內(nèi)物質(zhì)穩(wěn)定,從而增強(qiáng)植物對(duì)酸雨脅迫的耐受性.那么稀土增強(qiáng)植物耐酸性是否與質(zhì)膜H+-ATPase活性變化有關(guān)?既然稀土能通過穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)來緩解非生物脅迫的傷害,且質(zhì)膜H+-ATPase活性又與質(zhì)膜環(huán)境密切相關(guān),那么稀土對(duì)酸雨脅迫下質(zhì)膜H+-ATPase活性的調(diào)節(jié)是否也與質(zhì)膜環(huán)境有關(guān)?明晰這些問題,不僅對(duì)揭示質(zhì)膜H+-ATPase在植物對(duì)酸雨適應(yīng)性機(jī)制中的作用至關(guān)重要,也可為形成化控減災(zāi)的有效途徑提供理論依據(jù).鑒于此,本文選取重要糧食作物水稻作為研究對(duì)象,以相對(duì)生長(zhǎng)速率、質(zhì)膜H+-ATPase水解活性與胞內(nèi)H+熒光強(qiáng)度、CAT活性、H2O2、MDA含量和質(zhì)膜脂肪酸組成為研究?jī)?nèi)容,探討鑭對(duì)酸雨脅迫下水稻葉片質(zhì)膜H+-ATPase活性的影響機(jī)制,以期為豐富稀土增強(qiáng)植物耐酸性機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也為尋求化控減災(zāi)的有效措施提供新的思考方向.
2 材料與方法
2.1 試材培養(yǎng)
供試水稻(Oryza sativa)品種為淮稻8號(hào).挑選籽粒飽滿的種子用0.1%HgCl2消毒10 min,去離子水浸泡后于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中催芽2 d,待幼苗長(zhǎng)至2葉1心時(shí)移入6.88 L周轉(zhuǎn)箱中水培,營(yíng)養(yǎng)液采用國(guó)際水稻研究所(IRRI)常規(guī)營(yíng)養(yǎng)液配方,并略作修改.Fe以Fe-EDTA形式加入,保持營(yíng)養(yǎng)液中Fe濃度為2.0 mg · L-1,并加入NaSiO3 · 9H2O保持營(yíng)養(yǎng)液中SiO2濃度為120 mg · L-1,NH+4-N中加入5.89 mg · L-1雙氰胺作為硝化抑制劑.每次用H2SO4或NaOH將營(yíng)養(yǎng)液pH調(diào)至5.5,營(yíng)養(yǎng)液每隔3 d更換1次.培養(yǎng)光照強(qiáng)度為300 μmol · m-2 · s-1,光照12 h,晝/夜溫度為30 ℃/24 ℃,相對(duì)濕度為60%.待幼苗長(zhǎng)至3葉1心時(shí),選長(zhǎng)勢(shì)相近的幼苗進(jìn)行處理.
2.2 試材處理
配制LaCl3溶液(15 mg · L-1).配制pH=1.0的模擬酸雨母液(SO42-/NO3-,3 ∶ 1,V/V),用母液配制成pH=3.5、2.5的模擬酸雨溶液.用噴霧器先將LaCl3溶液均勻噴施于葉片,滴液為限,待葉面干涸后,將酸雨用同樣的方法噴施于葉片,對(duì)照(CK)噴施等量蒸餾水,連續(xù)處理5 d.處理結(jié)束后,取每株從上到下數(shù)第二葉位的葉片進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定.實(shí)驗(yàn)處理設(shè)置:CK、pH=3.5 AR、pH=2.5 AR、La(15 mg · L-1)、La+pH 3.5 AR、La+pH 2.5 AR處理組.
2.3 指標(biāo)測(cè)定方法
相對(duì)生長(zhǎng)速率測(cè)定參考文獻(xiàn)方法;質(zhì)膜H+-ATPase活性參照文獻(xiàn)方法;用酶解法提取水稻葉片原生質(zhì)體,用BCECF-AM熒光探針染料標(biāo)記細(xì)胞,通過流式細(xì)胞儀測(cè)定胞內(nèi)H+熒光強(qiáng)度來表示胞內(nèi)H+濃度;采用高錳酸鉀滴定法測(cè)CAT活性和采用硫酸鈦法測(cè)H2O2含量;采用硫代巴比妥酸法測(cè)MDA含量;采用氣相色譜測(cè)定質(zhì)膜脂肪酸組成.
2.4 數(shù)據(jù)處理與分析
所有數(shù)據(jù)均為3次獨(dú)立試驗(yàn)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差(Mean±SD),所有原始數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差和差異顯著性用 SPSS16.0軟件分析.數(shù)據(jù)制圖在Origin8.0軟件中完成.
3 結(jié)果與分析
3.1 鑭對(duì)酸雨脅迫下水稻相對(duì)生長(zhǎng)速率的影響
植物相對(duì)生長(zhǎng)速率常用來表征植物的抗逆能力,即脅迫下植物生長(zhǎng)的快慢.由圖 1可知:?jiǎn)我籄R組水稻相對(duì)生長(zhǎng)速率較CK分別降低24.7%(pH=3.5)和45.89%(pH=2.5);單一La組水稻相對(duì)生長(zhǎng)速率較CK升高19.86%.La+pH 3.5組水稻相對(duì)生長(zhǎng)速率與CK無顯著差異,較單一pH=3.5組升高18.03%,表明La緩解了pH=3.5 AR對(duì)水稻造成的傷害,這與周青的研究結(jié)果一致.La+pH 2.5組水稻相對(duì)生長(zhǎng)速率較CK降低42.47%,與單一pH=2.5 AR組無顯著差異,表明La對(duì)pH=2.5 AR組造成的傷害未能起到緩解作用,推測(cè)可能是pH=2.5 AR嚴(yán)重破壞了水稻葉片光合系統(tǒng),而此傷害已經(jīng)超出了La對(duì)光合系統(tǒng)的調(diào)控范圍,從而使水稻生長(zhǎng)受到抑制.
圖1 鑭對(duì)酸雨脅迫下水稻相對(duì)生長(zhǎng)速率的影響(圖中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差,不同字母表示各處理間差異顯著(p<0.05),下同)
3.2 鑭對(duì)酸雨脅迫下水稻葉片質(zhì)膜H+-ATPase活性和胞內(nèi)H+熒光強(qiáng)度的影響
質(zhì)膜H+-ATPase 能利用 ATP 水解釋放的能量調(diào)控細(xì)胞內(nèi)H+的平衡,以維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定.由圖 2a可知,單一AR組水稻葉片質(zhì)膜H+-ATPase活性較CK分別升高8.22%(pH=3.5)和降低27.40%(pH=2.5).單一La組質(zhì)膜H+-ATPase活性較CK升高13.01%.La+pH 3.5 AR組水稻葉片質(zhì)膜H+-ATPase活性較CK與單一pH=3.5 AR組分別升高26.03%和16.46%,推測(cè)可能是La作為一種效應(yīng)物與質(zhì)子泵C末端結(jié)合,解除其自抑制功能,從而增強(qiáng)了質(zhì)膜H+-ATPase活力表達(dá).La+pH 2.5 AR組水稻葉片質(zhì)膜H+-ATPase活性較CK降低19.86%,與單一pH=2.5 AR組無顯著差異.質(zhì)膜H+-ATPase活性受轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)節(jié),pH=2.5 AR下調(diào)了質(zhì)膜H+-ATPase的轉(zhuǎn)錄水平,盡管La對(duì)質(zhì)膜H+-ATPase的轉(zhuǎn)錄水平有上調(diào)作用,但最終La+pH 2.5 AR組H+-ATPase活性降低,表明La對(duì)AR脅迫下質(zhì)膜H+-ATPase活性的調(diào)節(jié)受AR強(qiáng)度的制約.
圖2 鑭對(duì)酸雨脅迫下水稻葉片質(zhì)膜H+-ATPase活性(a)和胞內(nèi)H+熒光強(qiáng)度(b)的影響
胞內(nèi)H+熒光強(qiáng)度增強(qiáng)表明胞內(nèi)H+增多.由圖 2b可知,單一AR組水稻葉片胞內(nèi)H+熒光強(qiáng)度較CK分別升高34.12%(pH=3.5)、69.88%(pH=2.5).單一La組胞內(nèi)H+熒光強(qiáng)度較CK降低12.04%.La+pH 3.5 AR組水稻葉片胞內(nèi)H+熒光強(qiáng)度較CK和單一pH=3.5 AR組分別降低21.69%和41.96%,結(jié)合質(zhì)膜H+-ATPase活性變化可知,可能是由于質(zhì)膜H+-ATPase活性升高,胞內(nèi)過多的H+被泵至胞外,維持了細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定,使水稻恢復(fù)生長(zhǎng).La+pH 2.5 AR組水稻葉片胞內(nèi)H+較CK升高38.52%,而與單一pH=2.5 AR組無顯著差異,分析可能是由于質(zhì)膜H+-ATPase活性受抑制,大量H+在胞內(nèi)積累,使水稻的生長(zhǎng)受到抑制.表明La調(diào)節(jié)植物耐酸性與調(diào)控質(zhì)膜H+-ATPase活性有關(guān),調(diào)控效果受AR強(qiáng)度限制.
3.3 鑭對(duì)酸雨脅迫下水稻葉片膜脂過氧化與質(zhì)膜脂肪酸組成的影響
CAT是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶,可以分解植物體內(nèi)代謝過程中產(chǎn)生的H2O2.MDA是細(xì)胞膜脂過氧化的產(chǎn)物之一,其含量升高表示細(xì)胞膜脂過氧化程度加重.由表 1可知:?jiǎn)我籶H=3.5 AR組CAT活性、H2O2和MDA含量和較CK分別升高7.99%、12.24%和34.25%.單一pH=2.5 AR組CAT活性較CK降低40.57%,H2O2和MDA含量較CK升高44.90%和70.92%.單一La組水稻葉片CAT活性較CK升高26.43%,H2O2和MDA含量較CK分別降低32.65%和28.30%.La+ pH 3.5 AR組水稻葉片CAT活性較CK升高32.38%,H2O2和MDA含量較CK無顯著變化,且與單一pH=3.5 AR組相比,CAT活性升高22.58%,H2O2和MDA含量分別降低19.57%和28.99%,推測(cè)可能是由于La改變了CAT的空間折疊態(tài)和卟啉活性中心的易變性,使CAT活性增強(qiáng)并清除體內(nèi)過多的H2O2,降低了膜脂過氧化程度.La+ pH 2.5 AR組水稻葉片CAT活性較CK降低37.91%,H2O2和MDA含量較CK升高38.78%和61.51%,但與單一pH=2.5 AR組相比,3個(gè)指標(biāo)均無顯著變化.嚴(yán)重玲等研究顯示,酸雨強(qiáng)度越大,作物對(duì)稀土的吸收和利用越少.本研究結(jié)果顯示:在pH=2.5 AR脅迫下,水稻葉片對(duì)La的吸收和利用量減少,La未能提高CAT活性,過多的H2O2造成了膜脂過氧化,產(chǎn)生過量的MDA,而MDA可能抑制膜上蛋白的合成,進(jìn)而導(dǎo)致質(zhì)膜H+-ATPase活性的降低.pH=3.5 AR脅迫下,La能促進(jìn)CAT活性升高,清除過多的H2O2積累,減輕質(zhì)膜過氧化.pH=2.5 AR引起的H2O2積累不僅抑制了CAT活性,也超出了La的清除能力.
表1 鑭對(duì)酸雨脅迫水稻葉片中CAT活性、H2O2和MDA含量的影響
脂肪酸不飽和度指數(shù)可用來表征脂肪酸的不飽和程度,IUFA升高表示脂肪酸不飽和程度增加.由表 2可知,單一AR組水稻葉片質(zhì)膜IUFA較CK分別降低5.32%(pH=3.5)和9.03%(pH=2.5);單一La組水稻葉片質(zhì)膜IUFA較CK升高3.77%.La+pH 3.5 AR組水稻葉片質(zhì)膜IUFA較CK無顯著差異,但較單一pH=3.5 AR組升高3.32%,結(jié)合MDA含量變化可知,La減輕了pH=3.5 AR誘發(fā)的膜脂過氧化,質(zhì)膜流動(dòng)性增強(qiáng),使質(zhì)膜的功能增強(qiáng),質(zhì)膜H+-ATPase活性增強(qiáng).La+pH 2.5 AR組較CK降低10.08%,與單一pH=2.5 AR組無顯著差異,推測(cè)可能是La未能減輕pH=2.5 AR誘發(fā)的膜脂過氧化,膜通透性增大,導(dǎo)致質(zhì)膜的功能降低甚至喪失,質(zhì)膜H+-ATPase活性降低.表明La減輕pH=3.5 AR誘發(fā)的質(zhì)膜過氧化,進(jìn)而維持質(zhì)膜的流動(dòng)性,使質(zhì)膜H+-ATPase保持較高活性;La未能減輕pH=2.5 AR誘發(fā)的質(zhì)膜過氧化,質(zhì)膜的流動(dòng)性降低,質(zhì)膜H+-ATPase活性受抑未能緩解.
表2 鑭對(duì)酸雨脅迫下水稻葉片質(zhì)膜脂肪酸組成的影響
4 結(jié)論
1)La能緩解pH=3.5 AR對(duì)水稻生長(zhǎng)的傷害,對(duì)pH=2.5 AR的防護(hù)效果不明顯,顯示La對(duì)AR脅迫下水稻生長(zhǎng)的調(diào)節(jié)作用受AR強(qiáng)度限制.
2)La促進(jìn)pH=3.5 AR脅迫下質(zhì)膜H+-ATPase活性升高,減少胞內(nèi)H+,緩解AR傷害;而在pH=2.5 AR脅迫下,La對(duì)質(zhì)膜H+-ATPase調(diào)控效果不明顯,大量H+在胞內(nèi)積累,表明La調(diào)節(jié)植物耐酸性與調(diào)控質(zhì)膜H+-ATPase活性有關(guān),調(diào)控效果受AR強(qiáng)度限制.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3)La能通過促進(jìn)CAT活性來減輕pH=3.5 AR誘發(fā)的質(zhì)膜過氧化,進(jìn)而維持了質(zhì)膜的流動(dòng)性,有助于質(zhì)膜H+-ATPase保持較高活性;pH=2.5 AR造成的活性氧積累超出了La的調(diào)控與清除能力,膜脂過氧化發(fā)生,質(zhì)膜的流動(dòng)性降低,致使質(zhì)膜H+-ATPase活性受抑.研究發(fā)現(xiàn),La能改善AR脅迫對(duì)質(zhì)膜環(huán)境的影響,進(jìn)而調(diào)節(jié)質(zhì)膜H+-ATPase活性.