外源钙对镉胁迫下小白菜生理指标的影响

外源钙对镉胁迫下小白菜生理指标的影响

由于工业“三废”排放、废水灌溉、农药、喷草和化肥的使用，土壤中氮和其他重金属的含量显著增加。钙的积累不仅会阻碍植物的生长，还会通过食物链影响人类健康。钙抑制植物对水的吸收和运输，抑制光合作用和呼吸，并抑制其他生理功能。钙是植物生长发育所必需的养分。此外，作为一种标志物质，它还调节了植物体内的许多生理生化过程，对植物的生长起着重要作用。根据许多研究，钙对植物的抗逆过程起着重要作用。作为连接细胞外反信号和细胞内生理生化反应的第二信使。根据生物化学研究，外部含钙量可以提高植物对许多非生物环境的适应性，从而减少对植物环境的限制。例如，用玉米作为材料，用钙处理后可以提高玉米幼苗的耐寒性。之前的假设是钙在稳定细胞结构方面的作用。王红等人的研究表明，溶液中的玉米偶尔添加钙，以缓解镉中毒，根钙对于缓解玉米中的镉毒作用重要。小白菜(BrassicachinensisL.)对重金属元素的富集以镉为首,且镉在小白菜的上部分布比例高于其他植物.相关研究表明,在镉胁迫下加入适量的钙、硅、镧、硒、硼等,可明显抑制植物体对镉的吸收累积,提高植物体抗氧化能力和对镉胁迫的耐受能力.但有关外源钙对镉胁迫下小白菜的生理性状的影响方面的报道尚不多见.1材料和方法1.1种子处理及幼苗生长实验于2009年6—9月于厦门大学生命科学学院温室内进行,培养期间温度在25～30℃,湿度在75%～80%,光照采用自然光,实验期间保持通风散热.实验用的品种为小白菜,生育期为40～50d.试材培养方法分两种:一种在光照培养箱中进行平皿培养,种子萌发5d后用于幼苗根系活力测定;另一种在温室中培养,种子消毒后播于以蛭石、珍珠岩(2∶1)为基质的育苗盘中,待苗长出二片真叶后移到营养钵中,用1/2Hoagland营养液(硝酸钙用硝酸铵代替)预培养.待苗长出4～5片真叶后选取大小一致、健壮且无病虫害的小苗移至4L的塑料盆中,塑料盆规格为:直径35cm,高15cm.每盆4个营养钵,每钵2株幼苗.培养第2周时向塑料盆中添加正常浓度的Hoagland营养液,使液面保持在营养钵1/4处,以保证小白菜生长正常的水肥供给.培养期间小白菜长势良好,水肥供给正常,无病虫害及缺素症状.培养第3周时进行镉胁迫处理,处理后小白菜茎部生长略微弯曲,叶片舒展受到轻微影响.第4周开始添加不同浓度外源钙.在全部实验过程中,每天傍晚补充蒸发所散失的水分.1周更换1次营养液,待植株生长第30天时取样进行分析.取样时间选在黎明,避免阳光对氮含量的影响.将各个处理组小白菜植株从营养钵中取出,用大量清水反复冲洗根部残留基质,然后用蒸馏水清洗植株,清洗过程中避免损伤植株.将洁净植株带回实验室,分别剪取根、叶部分编号进行进一步实验分析.1.2方法1.2.1钙处理质量浓度实验分别设置:空白组(Ca0+Cd0)、无钙组(Ca0+Cd1)、低钙组(Ca1+Cd1)、中钙组(Ca2+Cd1)、高钙组(Ca3+Cd1).其中钙处理质量浓度分别为0,200,400,800mg/L;镉处理质量浓度分别为0,20mg/L.钙与镉分别按设置浓度溶于营养液后加入到各处理组的栽培基质中,对照组只加营养液.每个处理设置3个重复,共15盆.1.2.2种子处理和幼苗活性测定根系活力采用TTC法.其中包括发芽5d后小白菜幼苗的根系活力测定和成熟期(培养4周后)小白菜根系活力的测定.幼苗培养的实验条件以及处理组设置均与温室中保持一致.具体方法如下:选饱满度一致的小白菜种子,经质量分数为0.4%的高锰酸钾消毒5min,去离子水反复冲洗,浸泡2h,浸种催芽后均匀播在铺有滤纸的直径12cm培养皿中,每皿30粒.将所有不同浓度钙处理的镉胁迫下小白菜种子置于恒温培养箱(25℃)暗处萌发24h.24h后将所有处理组置于光照培养箱进行培养,光强4000lx,每天12h光照,温度为25℃.期间保持培养皿中滤纸湿润,5d后取出种苗.洗去种皮和附着的滤纸后,取幼苗根系用于根系活力的测定.而成熟期根系活力测定则取材于温室培养的小白菜.温室培养取样的小白菜叶片,分别测定硝酸还原酶(NR)活性、硝态氮含量、光合色素含量.具体方法如下:NR活性采用离体萘胺比色法;硝态氮采用硝基水杨酸比色法;光合色素含量采用文献的方法.1.2.3数据处理和分析每组处理设3个重复,用Excel进行数据初步处理和制图,用软件SPSS13.0进行方差分析、多重比较分析(LSD法)和相关性分析(Pearson双尾检验法),其中p≥0.05、p<0.05和p<0.01分别表示无显著差异、有显著差异和极其显著差异.2结果与分析2.1镉对小鼠根系活力的影响,多因子分析,分布对小球物理中镉浓度对高钙组根系活力的影响,总结析反应物因子分析,中苏氏原螯虾幼苗根系活力的影响,中白根系活力直接影响植物个体的生长发育、营养水平和产量品质.图1所示,空白组根系活力达到89.05μg/(g·h),无钙组为35.87μg/(g·h),是空白组的40.28%.钙浓度不断增加,小白菜幼苗的根系活力有下降的趋势,介于62.63～41.76μg/(g·h)之间,低钙组根系活力是高钙组的1.49倍.统计分析显示,各处理组与空白组之间存在极显著差异,各个处理组之间也存在极显著差异(p<0.01).相关性分析表明,镉浓度与各个处理组根系活力之间存在极显著负相关(r=-0.851,p<0.01);钙浓度与根系活力存在负相关(r=-0.418,p<0.05).说明镉胁迫对小白菜幼苗根系活力有明显的抑制作用,外源钙的加入能有效缓解根系活力受到的影响.但是随着钙浓度不断升高,小白菜植株同样也会表现出与镉胁迫相类似的抑制效应,降低小白菜幼苗的根系活力.2.2中钙组和空白组根活各参数在4周后,小白菜进入成熟期.此时钙处理对镉胁迫下小白菜根系活力的影响如图2所示,空白组根系活力达到52.42μg/(g·h),无钙组为24.66μg/(g·h),随着钙浓度的增加,根系活力先上升后略有下降,但也明显高于无钙组,其中中钙组达到40.07μg/(g·h).在图2中,其中低钙组、中钙组、高钙组根活分别是无钙组的1.25,1.62,1.45倍,分别是空白组的59.05%,76.45%,68.46%.统计分析显示,空白组与各处理组之间差异极显著,各个处理组之间也存在极显著差异(p<0.01);镉浓度与各处理组的根系活力存在极显著负相关(r=-0.825,p<0.01).结果表明,小白菜成熟期的根系活力要小于幼苗期,幼苗时期根系生长旺盛,活力比较强.到成熟时期,根系进入衰老阶段,与外界进行物质与能量交换能力下降,因此根系活力也随之降低.但是不管在幼苗期还是在成熟期,小白菜在镉胁迫下根系活力均有下降,外源钙处理会缓解小白菜受到的胁迫.2.3镉胁迫对小鼠叶片nr活性的影响NR是植物氮素同化的限速酶,它催化植物体内的硝酸盐还原为亚硝酸盐.图3中显示,空白组的NR活性高达14.45μg/(g·h),而无钙组的NR活性仅为7.77μg/(g·h),明显低于空白组,是空白组的53.79%;低钙组、中钙组、高钙组的NR活性分别为11.48,11.80,10.17μg/(g·h),是空白组的79.39%,81.70%,70.44%.方差分析与多重比较表明,在镉胁迫下无钙组和高钙组的小白菜叶片NR活性与空白组之间存在极显著差异(p<0.01),低钙组、中钙组、高钙组与无钙组之间的NR活性存在极显著性差异(p<0.01).镉浓度与各处理组的NR活性存在极显著负相关(r=-0.674,p<0.01).表明镉胁迫会降低小白菜叶片的NR活性;施加外源钙能明显缓解镉胁迫造成的影响,有利于小白菜叶片NR活性的提高,然而钙浓度的变化对NR活性的影响却并不大.2.4各处理学生叶片硝态氮含量的比较硝态氮是植物的重要氮源,植物体内硝态氮含量可以反映土壤氮素供应的情况.硝酸盐含量高低是衡量蔬菜安全品质好坏的一个重要指标.图4显示,空白组的硝态氮含量为1469.14mg/kg,无钙组达到2258.03mg/kg,为空白组的153.69%;低钙组、中钙组、高钙组的硝态氮含量分别为1999.37,936.41,1183.98mg/kg,分别为空白组的136.09%,65.59%,80.59%.方差分析与多重比较表明,各处理组与空白组之间差异极显著,各处理组之间也存在极显著性差异(p<0.01).小白菜叶片硝态氮含量与钙浓度之间存在极显著负相关(r=-0.694,p<0.01);镉浓度与各处理组的硝态氮含量呈正相关(r=0.109,p<0.05);硝态氮含量与NR活性成负相关(r=-0.425,p<0.05).可见,无钙组的硝态氮含量为各处理组中最高,推断由于镉胁迫抑制硝酸还原酶活性,使硝态氮在植物体内累积.添加外源钙后小白菜叶片硝态氮含量明显下降.2.5重金属对叶绿体结构的影响叶绿素分别是高等植物光合作用的主要色素和辅助色素,其含量的高低在一定程度上反映了植物生长状况及光合能力的大小,也可以表征逆境胁迫下植物组织、器官的衰老状况.重金属破坏叶绿体结构,使植物叶片叶绿素含量降低,降低光合强度,这是重金属对植物毒害的普遍现象.2.5.1钙浓度对小高钙学生叶绿素a含量的影响图5(a)所示,无钙组的叶绿素a含量为0.9774mg/g,是空白组的89.38%,低钙组、中钙组、高钙组的叶绿素a含量分别为1.1083,0.9721,0.8503mg/g.无钙组由于受到高浓度镉胁迫,叶绿素a含量低于空白组.随着钙浓度的增高,小白菜叶绿素a含量有逐渐下降的趋势,高钙组含量是无钙组的86.99%.方差分析与多重比较显示,无钙组、低钙组、中钙组与空白组无显著差异(p>0.05),高钙组与空白组差异极显著(p<0.01).相关性分析显示,叶绿素a含量与钙浓度存在极显著负相关(r=-0.672,p<0.01);镉浓度与各处理组的叶绿素a含量存在显著负相关(r=-0.394,p<0.05).说明小白菜叶片在镉胁迫下叶绿素a的合成受到抑制,添加外源钙后叶绿素a含量相对于无钙组有所增加,但随着钙浓度的升高,叶绿素a含量呈下降趋势.钙的加入缓解了镉对叶绿素合成的抑制,但是外源钙浓度过高也不利于叶绿素a的合成.2.5.2对血清钙、中钙和白砂糖的影响钙处理对镉胁迫下小白菜叶绿素b含量的影响如图5(b)所示,无钙组叶绿素b含量低于空白组,添加钙后叶绿素b含量有所上升,但在高钙组小白菜叶绿素b含量接近无钙组;空白组的叶绿素b含量为0.776mg/g,无钙组含量为0.632mg/g,是空白组的81.49%;低钙组、中钙组、高钙组的含量分别为0.694,0.755,0.601mg/g.高钙组的叶绿素b含量为空白组的77.47%.统计分析显示,各处理组与空白组无显著差异,各处理组之间也无显著差异.相关性分析显示,叶绿素b含量与钙浓度存在显著负相关(r=-0.392,p<0.05);镉浓度与各处理组的叶绿素b含量存在负相关(r=-0.268,p<0.05).表明小白菜叶片叶绿素b的合成在镉胁迫下受到抑制,添加外源钙后叶绿素b含量相对于无钙组有所增加,但随着钙浓度的升高,叶绿素b含量呈先上升后下降趋势.2.5.3总叶绿素含量与钙浓度的关系如图5(c)显示,空白组的总叶绿素含量为1.848mg/g,比镉胁迫下其他处理组小白菜总叶绿素含量都要高,其中无钙组含量最低,为1.422mg/g,是空白组的76.91%;低钙组、中钙组、高钙组的含量介于空白组和无钙组之间,分别为1.753,1.633,1.529mg/g,为空白组的94.26%,88.37%,82.72%.根据统计分析显示,高钙组的总叶绿素含量与空白组以及中钙组存在极显著差异(p<0.01),其余各组之间无显著差异(p>0.05).相关性分析显示,总叶绿素含量与钙浓度存在显著负相关(r=-0.533,p<0.05);镉浓度与总叶绿素含量之间存在负相关(r=-0.30,p<0.05).表明,在镉胁迫下小白菜总叶绿素含量会受到影响,推测由于镉抑制相关光合作用的酶的活性,因此总叶绿素含量会有下降;在添加外源钙后,总叶绿素含量相对于无钙组有所增高.但是随钙浓度的增加,总叶绿素含量呈下降趋势,说明钙浓度过高也不利于小白菜叶片光合作用的正常进行.2.5.4含铜钙组、无钙组、中钙组对大鼠类胡萝卜素含量的影响在图5(d)中,在镉胁迫下无钙组类胡萝卜素含量为0.367mg/g,为空白组的83.15%.低钙组、中钙组、高钙组的类胡萝卜素含量分别为0.412,0.399,0.339mg/g.统计分析显示,低钙组的类胡萝卜素含量与空白组存在显著差异(p<0.05),空白组与无钙组、低钙组、中钙组之间均存在极显著差异(p<0.01);低钙组与高钙组差异极显著(p<0.01).相关性分析显示,钙浓度与各处理组类胡萝卜素含量之间存在极显著负相关(r=-0.705,p<0.01).说明在镉胁迫下,类胡萝卜素合成受到了一定影响,外源钙的添加能缓解镉胁迫造成的影响.3讨论3.1外源钙浓度对根系活力的影响植物的根系既是吸收养分和水分的主要器官,也是多种物质同化、转化、合成的器官.本研究中,镉胁迫对小白菜根系毒害作用较强,根系活力明显受到抑制.可见根系活力不但反映植物的生命状态,而且还与植物根系的抗逆性有关.随着外源钙浓度不断增加,小白菜幼苗的根系活力有逐渐下降的趋势.在成熟期小白菜的根系活力与幼苗期变化规律一致,随着钙浓度的增加,根系活力都呈先上升后略有下降的趋势.3.2钙对小球物胞nr活性的影响镉对植物氮素代谢的影响主要表现在降低氮素的吸收、降低NR活性及阻碍蛋白质合成.相关研究发现,高浓度的镉显著抑制了水稻、玉米、豌豆的NR活性,降低了硝酸盐还原成亚硝酸盐的效率,从而导致硝酸盐在植物体内的累积.不同浓度钙处理对镉胁迫下小白菜叶片NR活性的影响比较显著,外源钙的加入明显提高了小白菜NR活性.镉浓度与各处理组的NR活性存在极显著负相关,表明镉胁迫会降低小白菜叶片的NR活性;施加外源钙