镉胁迫对番茄幼苗形态及生理指标的影响_付珊.pdf

第 卷湖北师范大学学报 自然科学版 第 期 镉胁迫对番茄幼苗形态及生理指标的影响 付 珊 李 影 刘 霏 田松洲 刘甜甜 孙雨欣 卢春艳 郭平安 陈 亮 食用野生植物保育与利用湖北省重点实验室 湖北师范大学 湖北黄石 湖北师范大学生命科学学院 湖北黄石 湖泊生物多样性与环境保护黄石市重点实验室 湖北师范大学 湖北黄石 特色野菜良种繁育与综合利用技术湖北省工程研究中心 湖北黄石 摘要 镉是对农作物及果蔬的产量和品质具有严重危害的重金属之一 为探究镉胁迫对番茄形态及生理 生化特性的影响 以黄贵妃樱桃番茄为试验材料 采用水培法 研究其在 的镉胁迫处理下番 茄幼苗的表型 株高 活性 含量 可溶性糖含量 脯氨酸含量 叶绿素含量等生理指标以及镉胁 迫相关基因的表达水平的变化 结果显示 经镉处理后 番茄根和地上部的长度与对照组相比受到极显著 抑制 活性 含量 可溶性糖含量和脯氨酸含量极显著升高 而叶绿素含量极显著降低 叶绿素合 成相关基因 的表达水平显著下降 叶绿素降解相关基因 的表达水平显著上升 植 物螯合肽合成酶相关基因 和 转运蛋白相关基因 的表达水平均显著上升 这表明镉胁 迫会破坏黄贵妃樱桃番茄中的叶绿素 以及导致番茄幼苗发生细胞膜脂过氧化作用 对植株造成伤害 影 响其生长发育 此外 番茄可以通过提高 和 的表达水平 以及提高 活性 可溶 性糖含量 脯氨酸含量来抵御镉胁迫带来的损伤 关键词 镉胁迫 番茄 生长发育 生理指标 中图分类号 文献标志码 文章编号 随着工农业的发展加快导致重金属元素在土壤 水和大气层中积累沉积 严重影响了农作物的栽 培和安全生产 镉作为土壤污染中的主要重金属元素之一 具有范围大 分布广 不可降解和毒害 作用强的特点 当植物体内吸收的镉积累超过植物自身的安全阈值时 会使得植物从形态 生理 和分子水平上产生不同程度的毒害效应 镉毒性响应在植物形态上主要表现为生长的抑制和异 常 根系受损 叶片卷曲和黄化甚至脱落 刘茵等 通过检测番茄萌发过程中的发芽率 发芽势活力 指数等发现不同金属胁迫会抑制番茄种子的萌发 在植物生理上 镉通过主要抑制植物光合作 用 影响抗氧化酶活性和蛋白质合成酶活性 等方面影响农作物的正常生长 在分子水平上 镉 胁迫还会诱导一系列基因的表达 如植物螯合素合成基因 重金属 酶合成基因 转运蛋白合 成基因 转运蛋白合成基因 抗氧化系统活性和氧化应激响应基因 叶绿素合成或降解基因 番茄属于茄科一年生或多年生草本植物 含有丰富的茄红素 维生素和多酚类化合物 是全球广 泛栽培的果蔬之一 目前 有关番茄抗逆性的研究多集中在抗旱性 耐盐性以及高温胁迫对番茄的影 响 王新军等 研究发现番茄在具有一定抗旱能力的同时 干旱胁迫导致番茄的生长发育和有机物 的积累受到显著抑制 顾少涵等 研究发现随着盐浓度的升高 不同番茄品种的种子发芽率和胚根 长度呈下降趋势 陈军等 研究发现番茄种子中的不同形态多胺含量 可溶性糖含量和可溶性蛋白 的积累可以提高萌发种子的抗氧化和渗透调节能力 从而对盐胁迫产生一定的抗性 吴月莹等 收稿日期 基金项目 食用野生植物保育与利用湖北省重点实验室开放基金资助 湖北省自然科学基金 湖北省教 育厅科学研究计划指导性项目 大学生创新创业训练计划项目 作者简介 付珊 女 湖北襄阳人 博士 讲师 研究方向为植物逆境胁迫 王天楚等 燕辉等 偶春等 分别研究玉米 紫花苜蓿 大豆 香椿幼苗的镉胁迫响应机制 但 鲜有学者研究重金属对番茄幼苗生长发育的影响 因此研究金属离子镉对番茄的生长指标与其生理 生化指标的影响具有一定的现实意义 本研究采用水培法 以商用华煜牌黄贵妃樱桃番茄为材料 利 用 处理番茄幼苗 探讨了 对番茄植株的生理生化反应机理 为进一步研究镉胁迫对番 茄的影响机制提供理论依据 材料与方法 试验材料 供试材料品种选择颗粒饱满 大小适中的华煜牌黄贵妃樱桃番茄 方法 镉胁迫下生长指标的测定 将消毒后的种子平铺于置有四层纱布和两层滤纸的玻璃培养皿 中 以适量蒸馏水浸湿上层滤纸 盖上培养皿 放置人工气候箱光照培养 温度设定为 湿度设 定为 光照 每个平板 颗种子 待番茄幼苗的两片子叶完全舒展开时 用蒸馏 水洗净幼苗根部并擦净根部水分移入 塑料盆 每盆 颗 于光照培养箱 温度 光照 中使用 营养液进行培养 每 换一次水培营养液 待幼苗生长到 片叶 后 选用长势一致的植株使用 和 进行处理 镉胁迫结束后 以黑布为背景 直尺 为测量工具 分别测量番茄幼苗的根与地上部的长度 测定结果精确至小数点后一位 活性测定 采用愈创木酚法 测定 活性 每组重复三次 挑选长势一致的新鲜番 茄植株 取 组织剪碎 分量加入 研磨至匀浆 离心 留上清 加入 重悬 离心后合并上清定容至 为酶提取液 校零对 照组加入 和 反应混合液 试验组加入 酶提取液和 反应混合液迅速混匀 同时开启秒表计时 在波长 处测定吸光值 每 读取一次 读取 内的吸光值 根据公式计算出 活性 式中 为过氧化物酶活性 为反应时间内吸光值的变化 为酶提取 液总体积 为参与反应酶液体积 为样品鲜重 为反应时间 含量测定 采用硫代巴比妥酸比色法 测定丙二醛 含量 结合试验稍作调整 每组重复三次 步骤如下 取 组织剪碎 分量加入 研磨至匀浆 将匀浆转移至 离心管中 离心 取上清定容至 为提取液 校零对照组加入 和 试验组加入 和 提取液 摇匀 沸水浴 迅速冷却 后 离心 取上清 在波长 和 处测定吸光值 根据公式计算出 含量 式中 为 的浓度 为在目的波长下的吸光值 为 含量 为样品提取液总体积 为参与反应提取液体积 为样品鲜重 可溶性糖含量测定 根据 的测定方法可测定出可溶性糖含量 步骤同 含量测定 方法 根据公式计算出可溶性糖的含量 式中 为可溶性糖的浓度 为在目的波长下的吸光值 为可溶性糖含量 为提取液总体积 为参与反应提取液体积 为样品鲜重 脯氨酸含量测定 采用磺基水杨酸提取植物体内游离脯氨酸的方法简便且不受样品鲜样和 干样影响 在酸性条件下脯氨酸能与茚三酮反应生成红色缩合物 此缩合物可用甲苯萃取得到 步骤如下 取 组织剪碎于试管中 向其中加入 磺基水杨酸 管口加塞 沸水浴浸提 骤冷至室温 过滤 取 上清于另一试管中 向其中加入 冰乙酸和 酸性茚 三酮显色液 管口加塞 沸水浴 骤冷后向其中加入 甲苯 充分混匀 静置分层 吸取上层 测定波长在 处的吸光值 根据标曲算得脯氨酸的量 结合公式计算出脯氨酸的含量 式中 为脯氨酸含量 为从标曲中求得的脯氨酸的量 为提取液总体 积 为测定时吸取的体积 为样品鲜重 叶绿素含量测定 根据朗伯 比尔定律和吸光度的加和性 可利用紫外分光光度计在 和 所测得的吸光度并根据叶绿体色素在该波长下的比吸光系数计算出叶绿体色素的含 量 步骤如下 取 叶片剪碎 分量加入 乙醇研磨至匀浆 过滤 用 乙醇冲 洗滤纸和研钵上的叶绿素至离心管中 定容至 即叶绿素提取液 取 提取液加入 乙醇 摇匀 以 乙醇为校零对照 分别测定波长在 和 处的吸光值 根据公式 计算出叶绿素含量 式中 为叶绿素 浓度 为叶绿素 浓度 为叶绿素浓度 为叶绿素含量 为提取液总体积 为稀释倍数 为样品鲜重 镉胁迫相关基因表达处理 对 和 处理的 后的六叶期番茄叶进行取 样 并使用全式金生物公司 提取试剂盒提取总 使用反转录试剂盒 将提取得到的 的反转录得到其 进行 测定镉处理下番茄叶片镉胁迫相关基因的表达量 引物序列见表 表 引物序列 引物名称引物序列 数据处理 运用 数据分析软件 并对试验数据进行统计分析及绘制图表 结果与分析 镉胁迫对番茄形态指标的影响 对长势一致的番茄幼苗进行镉胁迫之后观察其表型变化 随着胁迫天数增加番茄叶片逐渐萎蔫 卷曲 颜色发暗 黄化程度逐渐加深 叶片增添缓慢并伴随老叶脱落 茎粗增加缓慢 图 测量对 照组和试验组的番茄相对根长和地上部高度 结果如图 所示 镉胁迫会对番茄的地上部和根 长的生长起极显著抑制作用 图 镉胁迫对番茄形态指标的影响 注 星号代表与未处理番茄 比较的显著性差异 代表 代表 标尺 下图同 镉胁迫对番茄生理指标的影响 活性 过氧化物酶 是一族能够利用 来氧化供氢体从而消除植物 体内活性氧的氧化还原酶 镉胁迫后番茄幼苗的 活性如图 所示 处理下 番茄幼苗的 活性增强达到 相较于对照组有显著性差异 含量 是植物在遭遇逆境胁迫时细胞膜脂过氧化作用的产物 因此可以根据镉 胁迫后植物体内 含量的变化衡量其是否具备抗重金属胁迫能力 图 结果表明 处理下番茄幼苗的 含量升高达到 相较于对照组有显著性差异 可溶性糖含量 可溶性糖可参与渗透调节 为植物提供营养物质抵御逆境胁迫 图 结果 表明 处理下番茄幼苗的可溶性糖含量升高达到 相较于对 照组有显著性差异 图 镉胁迫对酶活性的影响 脯氨酸含量 脯氨酸是植物体内重要的渗透调节剂之一 在植物遭受逆境胁迫时可反应植物 细胞受伤程度同时抵御逆境胁迫 图 结果表明 处理下番茄幼苗的脯氨酸含 量升高达到 相较于对照组有极显著性差异 叶绿素含量 镉胁迫能够影响植物光合系统中叶绿素的含量 抑制叶绿素的合成从而导致叶 片黄化 图 结果表明 处理下番茄幼苗的总叶绿素含量降低达到 其中叶绿素 浓度降低到 相较于对照组具有显著性差异 图 镉胁迫对番茄叶绿素含量的影响 镉胁迫相关基因表达水平分析 对六叶期番茄进行 处理 后提取叶片总 通过荧光定量 对 进行表达水平分析 结果如图 所示 在镉胁迫下 叶绿素合成相关基因 的表达水平显著性下调 而叶绿素降解相关基因 的表达水平显著上升 植物 螯合肽合成酶相关基因 和 转运蛋白相关基因 的表达水平均显著性上调 图 镉胁迫下番茄 基因的相对表达量 讨论与结论 重金属污染是制约农作物生长发育的重要因素之一 镉污染是重金属污染中的关键因素 镉具有 高毒性 主要表现在影响植物的形态特征 当植物受到胁迫时 植物根系是最先接触到逆境胁迫的器 官 植物幼苗的形态指标包括根长和苗长等可以反映植株对重金属毒害的响应指标 张琼 以黄瓜 为材料 研究不同镉浓度对黄瓜幼苗的生长影响 结果发现镉对黄瓜幼苗根的生长和苗长均呈现为低 促高抑 在本研究试验结果中 在 处理下 番茄的地上部和根长的生长均受到极 显著抑制作用 同时伴随叶片萎蔫 边缘卷曲 颜色发暗 黄化 新生叶片增添缓慢 老叶脱落的现象 重金属的毒害作用还表现在破坏植物叶片的光合作用 叶绿体是植物进行光合作用的重要场所 叶绿素作为重要的光合色素在植物生物量的积累过程中起着决定性作用 在金研铭 等人对石竹 进行不同浓度的镉胁迫下叶绿素含量的研究表明镉胁迫使叶绿素含量减少 马健宇 和张帆 等 人曾报道镉积累会破坏植物体的叶绿体结构甚至导致叶绿体解体 从而降低光合速率 在镉胁迫 天后 番茄幼苗中的叶绿素 浓度和叶绿素 浓度均产生下降 总叶绿素含量达到 相较于对照显著下降 说明镉胁迫会破坏番茄幼苗中的叶绿素 对叶绿素的合成存在抑制作用 研究表明 当植物受到镉胁迫时 为降低镉对细胞器的毒害 植物螯合素 可以与其 形成螯合物 被位于液泡膜上的转运蛋白运输至液泡中隔离 或通过调控转运蛋白的表达来将镉离子 排出 在本研究的试验结果中 对黄贵妃番茄在 处理下的 进行表达量测定 发现在镉胁迫 下 的表达水平显著下降 的表达水平均显著上升 说明镉胁迫诱导叶绿素降解过程的负调 节因子 植物螯合肽合成酶相关基因 转运蛋白相关基因 的表达来抵御 镉胁迫带来的损伤 同时镉胁迫也会造成叶绿体损伤导致叶绿素合成相关基因 的下调和叶 绿素降解基因 的上调 最终导致叶绿素含量降低 这与叶绿素含量的测定结果一致 当植物经历盐碱 干旱 低温 重金属离子等非生物胁迫时 植物体内游离的脯氨酸会开始大量积 累 脯氨酸是水溶性极大的氨基酸 因为其疏水端与蛋白质结合 亲水端结合水分子 所以蛋白质可 以束缚更多的水参与渗透调节过程 从而防止胁迫下蛋白质的脱水变性 同时 可溶性糖也可作为参 与渗透调节的物质以维持植物体细胞较好的细胞渗透势 从而抵御逆境胁迫带来的伤害 正常情况 下 植物体内的游离脯氨酸含量和可溶性糖含量很低 脯氨酸与可溶性糖的积累可作为植物细胞功能 和结构受伤的生物指标 是植物适应逆境并对逆境作出防护的反应之一 王琳瑀 通过研究镉胁迫 对禾叶慈姑的影响发现游离脯氨酸含量和可溶性糖在镉胁迫中呈现出先升高再下降的趋势 高浓度 的镉抑制了植物的渗透调节作用 本研究的结果显示 的条件下 番茄幼苗的脯 氨酸水平达到 可溶性糖含量达到 与对照组相比均有极 显著性差异 脯氨酸含量和可溶性糖含量的提高是番茄在重金属镉胁迫下的一种适应性反应 通过降 低细胞膜脂过氧化 减轻膜损伤 对番茄具有保护作用 正常物理代谢中的植物会产生活性氧 但其生成和清除处于动态平衡 一旦植物遭受逆境胁迫 其动态平衡状态就会被破坏导致活性氧的积累 从而引发膜脂过氧化破坏细胞膜结构 丙二醛是膜 脂过氧化的产物之一 常被用来作为胁迫引起的活性氧积累毒害作用的生理指标 但在植物进化过 程中 植物体内具备一套防止活性氧对细胞产生损伤的保护酶系 如 和 等保护酶 其 中 属于氧化还原酶可以通过催化过氧化氢分解有效消除活性氧对细胞的损伤作用 与此同时 拥有 氧化酶的特性 可通过降低 的氧化促进植物生长发育 金琎 等人对镉胁迫下 番茄的保护酶活性变化进行动态分析 过氧化物酶活性随着镉胁迫浓度的升高和胁迫时间的延长升 高 在本研究中 处理会引起番茄叶片积累 的同时引发 活性的升高 且 与对照组相比均具有极显著性差异 说明番茄抗镉毒性的能力有限 本研究通过水培的方式对番茄幼苗进行重金属镉离子胁迫 并对其生长形态指标测量分析 发现 重金属镉离子胁迫对商用华煜牌黄贵妃樱桃番茄幼苗具有生长抑制 极显著地抑制了番茄幼苗根和 地上部分的伸长生长 同时导致番茄叶片黄化脱落 根据对其叶绿素含量 可溶性糖含量 脯氨酸含 量 活性和 含量等生理生化指标测定和镉胁迫相关基因表达水平分析 发现重金属镉离子 胁迫会极显著降低番茄叶片中的叶绿素含量 极显著提高番茄植株中可溶性糖含量 脯氨酸含量 活性和 含量 叶绿素合成相关基因 的表达水平显著下降 叶绿素降解相关基因 的表达水平显著上升 植物螯合肽合成酶相关基因 和 转运蛋白相关基 因 的表达水平均显著上升 综上所述 镉胁迫会导致番茄幼苗发生细胞膜脂过氧化作用 以及导致叶绿素合成相关基因 的下调和叶绿素降解基因 的上调从而破坏黄贵妃番 茄中的叶绿素 对植株造成伤害 影响其生长发育 此外 番茄可以通过提高 和 的表达水平来抵御镉胁迫带来的损伤 以及提高 活性 可溶性糖含量 脯氨酸含量来保 护自身免遭损伤 本文初步探讨了黄贵妃番茄在镉胁迫下的反应机理 但其抗重金属毒害机理是多 系统协同作用的复杂过程 因此黄贵妃番茄抗镉的作用机理尚需进一步探讨 参考文献 黄 卫 庄荣浩 刘 辉 等 农田土壤镉污染现状与治理方法研究进展 湖南师范大学自然科学学报 刘 茵 梁 峰 不同重金属离子影响下番茄种子的萌发及幼苗生长研究 安徽农学通报 偶 春 王泽璐 沈钟媛 等 镉胁迫对香椿幼苗生理特性的影响 山东农业工程学院学报 张星雨 叶志彪 张余洋 植物响应镉胁迫的生理与分子机制研究进展 植物生理学报 王新军 阎世江 干旱胁迫对番茄幼苗生理特性的影响 中国瓜菜 顾少涵 盐胁迫对番茄种子萌发及胚根生长的影响 甘肃农业科技 陈 军 关欣 范翠枝 等 盐胁迫对番茄种子萌发中多胺形态变化和抗氧化的影响 土壤学报 吴月莹 邓思情 刘松芹 等 镉胁迫对不同品种玉米幼苗生长及生理特性的影响 湖南农业大学学报 自然科 学版 王天楚 段士鑫 吴怀欣 等 基于相关分析和主成分分析的紫花苜蓿抗镉胁迫研究 南方农业学报 燕 辉 王雪芹 代智光 镉胁迫对大豆幼苗生理特性的影响 中国土壤与肥料 李小方 张志良 植物生理学实验指导 第 版 北京 高等教育出版社 张 琼 镉对黄瓜幼苗生长的影响 漳州师范学院学报 自然科学版 金研铭 葛冬梅 赵国禹 等 镉胁迫对石竹种子萌发 叶片叶绿素及同工酶的影响 安徽农业科学 马健宇 番茄 基因在镉胁迫下的响应及功能研究 哈尔滨 哈尔滨师 范大学 张 帆 万雪琴 翟 晶 镉处理下增施氮对杨树叶绿素合成和叶绿体超微结构的影响 核农学报 张妍茹 佟少明 侯和胜 植物螯合肽合成酶的催化机制研究进展 天津农业科学 王琳瑀 禾叶慈姑 对镉胁迫的响应 沈阳 沈阳农业大学 金 琎 叶亚新 王梅娟 镉胁迫下番茄保护酶系统的动态分析 江苏农业科学