本试验探究了在Pb2+胁迫下,不同浓度的外源NO (nitric oxide)供体SNP (亚硝基铁氰化钠)溶液对桢楠(Phoebe zhennan)幼苗叶片生理特性的影响。结果表明,900 mg/L的Pb(NO3)2会使桢楠小苗叶片中MDA含量显著的升高(P < 0.05),可溶性蛋白质和叶绿素含量,POD和SOD活性显著的降低(P < 0.05),同时也使桢楠小苗叶片的光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)和胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)下降。施用0.25 mmol/L SNP溶液后,MDA含量和气孔限制值(Ls)发生了显著的降低(P < 0.05),可溶性蛋白和叶绿素含量,POD和SOD活性以及光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)和胞间CO2浓度(Ci)也发生了显著的提高(P < 0.05)。综合比较得出,0.25 mmol/L的SNP溶液是提高桢楠幼苗抗Pb2+胁迫能力的最佳处理。 This paper explored the influence of different concentrations of exogenous NO donor SNP on physiological characteristics of Phoebe zhennan on Pb2+ stress. The results showed that the contents of MDA in leaves of Phoebe zhennan increased significantly (P < 0.05); the activities of POD and SOD, soluble protein and relative chlorophyll contents decreased obviously (P < 0.05), while the net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr), water use efficiency (WUE), intercellular CO2 concentration (Ci) and stomatal limitation value(Ls) decreased under 900 mg/L Pb(NO3)2 at the same time.The contents of MDA and stomatal limitation value (Ls) of Phoebe zhennan seedlings were decreased significantly (P < 0.05) with adding 0.25 mmol/L sodium nitroprusside (SNP, nitric oxide donor), which stimulated greatly the contents of soluble protein, relative chlorophyll and the activities of POD, SOD at the same time, while raised the values of the net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), transpiration rate (Tr), water use efficiency (WUE), intercellular CO2 concentration (Ci) significantly (P < 0.05). In conclusion, the most pronounced treatment concentration of SNP was 0.25 mmol/L.
徐丹,孙兵,李金玲,费永俊*
长江大学楠木种质资源评价与创新中心,湖北 荆州
收稿日期:2017年1月28日;录用日期:2017年2月12日;发布日期:2017年2月23日
本试验探究了在Pb2+胁迫下,不同浓度的外源NO (nitric oxide)供体SNP (亚硝基铁氰化钠)溶液对桢楠(Phoebe zhennan)幼苗叶片生理特性的影响。结果表明,900 mg/L的Pb(NO3)2会使桢楠小苗叶片中MDA含量显著的升高(P < 0.05),可溶性蛋白质和叶绿素含量,POD和SOD活性显著的降低(P < 0.05),同时也使桢楠小苗叶片的光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)和胞间CO2浓度(Ci)和气孔限制值(Ls)下降。施用0.25 mmol/L SNP溶液后,MDA含量和气孔限制值(Ls)发生了显著的降低(P < 0.05),可溶性蛋白和叶绿素含量,POD和SOD活性以及光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)和胞间CO2浓度(Ci)也发生了显著的提高(P < 0.05)。综合比较得出,0.25 mmol/L的SNP溶液是提高桢楠幼苗抗Pb2+胁迫能力的最佳处理。
关键词 :桢楠(Phoebe zhennan),一氧化氮(NO),亚硝基铁氰化钠(SNP),Pb2+,生理特性
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随着人类工业的进步,地球环境的日益恶化已经成为人们急需解决的问题之一 [
试验于2016年4月20日开始,于2016年10月20日完成,总共持续约6个月。在长江大学园艺园林学院楠木苗圃地内选择长势相同且健壮的一年生桢楠小苗180棵。随机分成6组,每组均以园土为种植基质,移栽与花盆内,自然生长100天后进行药剂和胁迫处理。分别于8月9、11、13、15分四次选择在傍晚时分对每组小苗喷施浓度分别为0 (CK1)、0 (CK2)、0.1 mmol/L (N1)、0.25 mmol/L (N2)、0.5 mmol/L (N3)和0.75 mmol/L (N4)的SNP溶液,以喷施清水作对照(CK1, CK2)处理,每个重复10株,每个处理设置3个重复。于8月20日开始Pb2+胁迫处理,根据在刨花润楠上的研究 [
桢楠幼苗叶片的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)等光合生理指标均用光合指标测定:采用美国Li-6400便携式光合测定仪,在各处理的每个重复中均选取3~4片当年生新梢成熟功能叶片进行测定,每个叶片进行7~9次读数取平均值。测定时间为2016年10月20日上午10:00,天气晴朗,按CK1、CK2、N1、N2、N3、N4的顺序依次测定。依据得到的光合生理参数进行叶片气孔限制值(Ls)和水分利用效率(WUE)的计算。计算公式为:Ls = 1 − Ci/Ca;WUE = Pn/Tr。可溶性蛋白质、MDA和叶绿素含量,POD和SOD活性均依据邹琦的方法 [
数据处理均采用SAS 10.0统计软件及Excel 2016软件进行。并用方差分析法和Duncan多重比较法对处理后的桢楠一年生苗的生理指标进行比较和分析;采用基于模糊数学的隶属函数值法为SNP对Pb2+胁迫下桢楠小苗的抗性进行综合比较评估,隶属函数值按如下方式 [
若指标与抗逆性为负相关,计算方法为:
式中:Zij为i组别j指标的抗逆性隶属函数值;Xij为i组别j指标的测定值;Ximin和Ximax分别是所得的各处理指标数据的最小值和最大值。比较各处理指标的平均值,哪个处理的平均值越大,表明该处理对Pb2+胁迫的抗性的影响越强。
由图1可以看出,经过浓度为900 mg/L的Pb (NO3)2溶液处理后,CK2的可溶性蛋白质含量显著低于CK1、N1、N2、N3和N4,表明受到胁迫后桢楠叶片的可溶性蛋白质含量发生了显著的下降,相比于CK1下降了约47.70%;经过SNP处理后,N1、N2、N3、N4的光合速率均较CK2发生了显著性的提高,并且随SNP溶液浓度的上升呈先上升再下降的趋势。N1、N2、N3、N4相比于CK2分别提高了约53.71%、119.17%、71.01%和93.26%,显然以N2处理提高更为显著。结果表明:Pb2+胁迫能显著降低桢楠叶片可溶性蛋白质含量,在喷施SNP溶液后得到了显著提高,其中以SNP浓度为0.25 mmol/L时效果最好。
图2所示,由CK1和CK2比较后可知,Pb2+胁迫后,桢楠叶片的POD活性发生了显著的下降,相比于CK1下降了约64.27%。喷施SNP后,N1、N2、N3、N4处理的POD活性均显著高于CK2,随着
图1. 各浓度SNP对Pb2+胁迫下桢楠叶片可溶性蛋白质含量的影响
图2. 各浓度SNP对Pb2+胁迫下桢楠叶片POD活性的影响
处理浓度的增加大体上呈上升趋势,并且在CK2的基础上分别增加了约64.41%、166.80%、249.60%和248.41%。喷施SNP后,桢楠叶片的POD活性随着SNP浓度的上升大体上呈现为上升趋势,在N3时达到最高。结果表明:Pb2+胁迫能显著抑制桢楠叶片的POD活性,在施用SNP溶液后得到了明显的上升,以SNP浓度为0.5 mmol/L时效果为佳。
如图3所示,由CK1和CK2比较后可知,桢楠受到Pb2+胁迫后,桢楠叶片SOD活性发生了下降,
图3. 各浓度SNP对Pb2+胁迫下桢楠叶片SOD活性的影响
CK2相比于CK1下降了约26.76%。施用SNP溶液后,桢楠叶片的SOD活性呈现出的是先增加再下降的趋势,且均显著性的高于CK2处理。N2最高,且与其他组合间均有着显著性差别,N1、N3和N4间SOD活性都比较接近。N3处理的SOD活性最高,相比于CK2提高了约73.14%。结果表明:Pb2+胁迫显著的降低了桢楠叶片的SOD活性;在喷施SNP溶液后得到了显著的提高,以SNP浓度为0.25mmol/L时效果为佳。
如图4所示,由CK1和CK2比较后可知,在桢楠受到Pb2+胁迫后,桢楠叶片MDA含量发生了上升,与CK1相比上升了约41.88%。施用SNP溶液后,除N4处理外其他各个处理组桢楠叶片的MDA含量均得到了显著的减少。在N1处理时达到最低,在CK2的基础上减少了约32.14%。结果表明:Pb2+胁迫能够显著增加桢楠叶片的MDA含量;0.1mmol/L的SNP溶液处理能够使受Pb2+胁迫后桢楠叶片的MDA含量得到显著降低。
如图5所示,由CK1和CK2比较后可知,桢楠受到Pb2+胁迫后,桢楠叶片叶绿素含量发生了小幅的下降,下降不显著,相比于CK1下降了约16.18%。在施用SNP溶液后,桢楠叶片叶绿素含量随着处理浓度的提高,呈先上升后小幅减小的走势,且除N1外N2、N3、N4的叶绿素含量均较CK2均得到了显著的上升。其中N3处理叶绿素含量的增加最为明显,相比于CK2上涨了约66.23%。结果表明:900 mg/L的Pb (NO3)2溶液处理,降低了桢楠叶片的叶绿素含量,0.5 mmol/LSNP溶液是能够显著缓解这种因Pb2+胁迫而导致降低的最佳选择。
由表1可见,经过浓度为900 mg/L的Pb(NO3)2溶液处理后,CK2的光合速率(Pn)显著低于CK1,相比于CK1下降了约33.07%;桢楠叶片在气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、水分利用效率(WUE)和叶片气孔
限制值(Ls)等方面发生了下降,相比于CK1分别下降了约15.91%、20.18%、15.46%和19.1%,但是变化都不显著;桢楠叶片胞间CO2浓度(Ci)发生了上升,相比于CK1上升了约7.92%,上升也不显著。
施用SNP溶液后,N1、N2、N3、N4的Pn、Gs和Tr均较CK2发生了显著性的提高。由表1可知,N1处理时桢楠叶片的Pn值最高,相比于CK2提高了约61.58%;在N3处理时,桢楠叶片的Gs、Ci和Tr值达到最高,相比于CK2分别提高了约183.78%、12.52%和88.02%,与CK2处理均有显著性差异;在N3处理时,桢楠叶片Ls达到最低,相比于CK2下降了约45.06%,且与CK2有显著性差异;N1、
图4. 各浓度SNP对桢楠叶片MDA含量的影响
图5. 各浓度SNP对Pb2+胁迫下桢楠叶片叶绿素含量的影响
N2处理的WUE在CK2的基础上有小幅度的增加,分别约为5.85%和10.93%,但是都不显著。N3处理的WUE显著低于CK2,可能的原因是N3处理的SNP浓度过高,导致产生过多的NO毒害叶片所产生的。结果表明:Pb2+胁迫能显著降低桢楠叶片的Pn,能小幅降低桢楠叶片的Gs、Tr、WUE和Ls,小幅增加桢楠叶片的Ci;0.1 mmol/L的SNP处理能够显著提高受Pb2+胁迫后桢楠叶片的Pn,0.5 mmol/L的SNP溶液处理能够使受Pb2+胁迫后桢楠叶片的Gs、Ci和Tr得到显著提高,桢楠叶片的Ls得到显著降低;但是对桢楠叶片WUE的提高效果不显著。
在植物的正常生长离不开正常的光合作用,而光合效率的提高又在很大程度上受到植物叶片气体交换环境制约,表2统计了与植物光合相关的6个数据的相关性分析。表明:在浓度为900 mg/L的Pb (NO3)2溶液处理后,桢楠叶片的Pn与Gs、Tr和Ls为极显著正相关(r = 0.383, r = 0.538, r = 0.003; P < 0.01),其中与蒸腾速率相关度最高(r = 0.538);与WUE为显著相关(r = 0.302; 0.01 < P < 0.05);与Ci为极显著负相关(r = −0.074; P < 0.01)。桢楠叶片的Gs与Ci和Tr为极显著正相关(r = 0.889, r = 0.980; P < 0.01);与WUE为极显著负相关(r = −0.682; P < 0.01)。桢楠叶片的Ci与Tr为极显著正相关(r = 0.768; P < 0.01);与WUE和Ls为极显著负相关(r = −0.868, r = −0.996; P < 0.01)。桢楠叶片的Tr与WUE和Ls为极显著负相关(r = −0.595, r = −0.815; P < 0.01)。桢楠叶片的WUE和Ls为极显著正相关(r = 0.826; P < 0.01)。
如表3所示,不同浓度的SNP溶液处理受Pb2+胁迫的桢楠叶片的各项生理指标和光合指标的综合评
处理 | 桢楠叶片光合参数 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
光合速率(Pn) | 气孔导度(Gs) | 胞间CO2浓度(Ci) | 蒸腾速率(Tr) | 水分利用效率(WUE) | 气孔限制值(Ls) | |
CK1 | 5.923 ab | 0.088 cd | 304.802 c | 0.659 c | 9.018 a | 0.288 a |
CK2 | 3.964 c | 0.074 d | 328.947 bc | 0.526 c | 7.624 ab | 0.233 ab |
N1 | 6.405 a | 0.142 bc | 329.979 bc | 0.821 b | 8.070 ab | 0.220 abc |
N2 | 6.044 ab | 0.171 ab | 347.234 ab | 0.857 ab | 8.457 ab | 0.172 bcd |
N3 | 5.430 b | 0.210 a | 370.126 a | 0.989 a | 5.493 b | 0.128 d |
N4 | 5.389 b | 0.181 ab | 360.885 ab | 0.893 ab | 6.084 ab | 0.144 cd |
表1. SNP对Pb2+胁迫下桢楠叶片的光合参数的影响
注:表中不同小写字母表示为差异显著(P < 0.05)。
Pn | Gs | Ci | Tr | WUE | Ls | |
---|---|---|---|---|---|---|
Pn | 1.000 | |||||
Gs | 0.383** | 1.000 | ||||
Ci | −0.074** | 0.889** | 1.000 | |||
Tr | 0.538** | 0.980** | 0.786** | 1.000 | ||
WUE | 0.302* | −0.682** | −0.868** | −0.595** | 1.000 | |
Ls | 0.003** | −0.912 | −0.996** | −0.815** | 0.826** | 1.000 |
表2. Pb2+胁迫桢楠叶片光合生理指标的相关性分析
**和*分别表示相关显著性水平达到0.01和0.05。
隶属函数值 | 处理 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
CK1 | CK2 | N1 | N2 | N3 | N4 | |
叶绿素(mg∙g−1) | 0.292 | 0.000 | 0.252 | 0.863 | 1.000 | 0.932 |
SOD (U∙g−1) | 0.500 | 0.000 | 0.429 | 1.000 | 0.472 | 0.415 |
蛋白质(mg∙g−1) | 0.765 | 0.000 | 0.451 | 1.000 | 0.596 | 0.783 |
MDA (nmol∙g−1 FM) | 0.944 | 0.315 | 1.000 | 0.886 | 0.653 | 0.000 |
POD[U·(g∙min) −1] | 0.721 | 0.000 | 0.258 | 0.668 | 1.000 | 0.995 |
Pn (umol∙m2∙s−1) | 0.803 | 0.000 | 1.000 | 0.852 | 0.600 | 0.584 |
Ci (umol∙mol−1) | 0.000 | 0.370 | 0.385 | 0.650 | 1.000 | 0.859 |
Gs (mmol∙m−2∙s−1) | 0.104 | 0.000 | 0.503 | 0.710 | 1.000 | 0.785 |
Tr (mmol∙m−2∙s−1) | 0.287 | 0.000 | 0.637 | 0.714 | 1.000 | 0.793 |
WUE (umol∙mmol−1) | 1.000 | 0.604 | 0.731 | 0.841 | 0.000 | 0.168 |
Ls (mmol∙mol−1) | 0.000 | 0.342 | 0.426 | 0.723 | 1.000 | 0.901 |
平均值 | 0.492 | 0.148 | 0.552 | 0.810 | 0.756 | 0.656 |
排名 | 5 | 6 | 4 | 1 | 2 | 3 |
表3. SNP对Pb2+胁迫下桢楠叶片生理指标影响的综合评价
价可以知道,在施用900 mg/L的Pb (NO3)2溶液后,桢楠的各项生理指标的综合评价值为0.148明显低于CK1的0.492,900 mg/L的Pb (NO3)2使得其叶绿素和可溶性蛋白质含量,POD和SOD活性以及Pn、Gs、Tr、WUE和Ls也发生了下降,MDA含量和Ci显著的提高,表明胁迫对桢楠叶片功能和结构的正常产生了明显的伤害。在喷施SNP溶液后,N1、N2、N3、N4的桢楠叶片的各项生理指标综合评价分别为0.552、0.810、0.756和0.656,均得到了提高,其中以N2最高,表明:施用0.25 mmol/L的SNP溶液是增加桢楠叶片抗Pb2+胁迫能力为最佳选择。
Pb2+胁迫是现在已被发现的对植物伤害最大的重金属离子胁迫之一,通常具备非常强的可累积性和不可逆性等特性,极难得到根除。有研究人员发现Pb2+胁迫会导致植物幼苗叶片活性氧的大量聚集,这些活性氧对植物细胞器功能的正常发挥产生强烈阻碍,最终会严重制约植物正常的新陈代谢活动 [
在植物体整个的生长发育过程中,组织内部会因各种原因生成活性氧物质(如
游离于植物组织和细胞中的可溶性蛋白,大多数是由与植物各项生命活动密切相关的酶类组成,其含量的多少能够代表植物组织整体的代谢活跃程度 [
植物利用光能的效率的高低,无论对其正常的生长发育还是对其抗逆性的增强都存在着至关重要的意义,也是用来评价植物新陈代谢速度和抗性高低的关键标准之一 [
综上所述:施用900 mg/L的Pb (NO3)2后,桢楠叶片的生理指标和光合指标都发生了显著的下降,施用SNP溶液能显著而有效的缓解这种降低,其中0.25 mmol/L的SNP溶液处理增强桢楠叶片抗Pb2+胁迫能力的效果最佳。
湖北省科技支撑计划(2013BBB24)。
徐丹,孙兵,李金玲,费永俊. 外源NO对Pb2+胁迫下桢楠生理特性的影响 Effect of Exogenous NO on Physiological Characteristics of Phoebe zhennan on Pb2+ Stress[J]. 世界生态学, 2017, 06(01): 16-25. http://dx.doi.org/10.12677/IJE.2017.61003