不同pH处理对菹草Cr6+毒性效应的影响Word格式文档下载.docx
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Abstract:
SterileseedlingsofPotamogetoncrispuswereculturedbytissueculturetechniquewhichwasusedasexperimentalmaterial.Inthisstudy,weinvestigatedcontentsofelement,photosyntheticpigments,reactiveoxygenspecies(ROS),malondialdehyde(MDA)andproline,polyaminesaswellasactivitiesofantioxidantenzymesinCr6+-treatedP.crispusatdifferentpHlevelssoastoapproachthephysiologicalandbiochemicalmechanismsofpHvalueinaffectingCr6+toxicityofaquaticplants.Theresultsindicatedthat,
(1)Cr6+stresssignificantlyincreasedCrcontentandresultedinseriousimbalanceofnutrientelementsincludingtheenhancementofZnandBaswellastheinhibitoryofCa,P,andMg.AcidicconditionsenhancedtheaccumulationofCrwhilepH7.0treatmenthelpedP.crispusmaintainthebalanceofnutrientelements;
(2)UnderCr6+stress,contentsofreactiveoxygenspecies(ROS)andMDAincreasedwhilethecontentsofphotosyntheticpigmentsreduced.Moreover,pH6.0,pH7.0andpH8.0treatmentscouldretardthechlorosisandpromotedthebiosynthesisofphotosyntheticpigments;
(3)Activitiesofsuperoxidedismutase(SOD)andcatalase(CAT)wereimprovedandtheimprovementcouldbeenhancedwhenthepHvaluewas4.0,5.0,9.0;
However,activityofperoxides(POD)wasinhibitedunderCr6+stressandfutherdecreasedwiththeincreaseofpHvalue;
(4)InresponsetoCr6+stress,plantsshowedsharpincreaseinproinecontentespeciallywhenthepHwas6.0or7.0;
(5)ChangesofpolyaminecontentsindicatedthatCr6+stressdisturbedmetabolicbalanceofpolyaminesbypromotingthelevelsofputrescine(Put),spermidine(Spd),spermine(Spm)andfree(Spd+Spm)/Putratio.Inaddition,anenhancedlevelofPutwasnotedinpH4.0、pH5.0treatmentswhiletheincreaseofSpdandfree(Spd+Spm)/PutratiowereenhancedinpH6.0、pH7.0treatments;
ForSpmcontent,itgenerallyincreasedwithpHvalueanditwaslowerthanthecontrolgroupwhenthepHvaluewas4.0or5.0.OurresultsdemonstratedthatresistanceofP.crispustoCr6+stresscouldbeenhancedbyreducingtheexcessiveaccumulationofCr,promotingphotosyntheticpigments,removingROSefficiently,maintainingthebalanceofnutrientelementsandkeepinghighlevelsofproine,polyaminesaswellasfree(Spd+Spm)/PutratiowhenpHvaluewaswithintherangefrom6.0to7.0.
Keywords:
PotamogetonCrispusL.;
Cr6+stress;
pHvalues;
elementcontents;
proline;
polyamine
铬是发展国防、化工、农业等不可缺少的战略物资,被广泛应用于冶金、电镀、印染、印刷、农药化肥等领域[1]。
但它又是剧毒且迁移性大的重金属元素,易随工农业废弃物进入环境,造成严重的水体铬污染,据统计我国每年排放铬渣近60万吨[2]。
在较低水平下铬(VI)即对植物产生毒害作用,包括破坏营养和水分平衡[3]、干扰色素合成、诱导线粒体电子传递失活[4]、改变抗氧化酶活性、引起ROS代谢失调[5],破坏叶绿体和细胞膜的超微结构、对蛋白质及DNA等生物大分子造成损伤[6],且通过食物链而对人、畜健康构成巨大威胁[7]。
作为重要的环境因素,环境pH值会影响植物细胞内的多种代谢活动。
据有关报道,在正常生长发育的植物细胞内存在精确的pH调控,细胞的代谢活动、DNA复制、细胞分裂等均随pH变化而被激活或抑制[8]。
不适宜的pH值环境会造成植物营养元素缺乏,从而引起植株发育矮小,根系不发达等症状[9~11]。
目前关于植物pH变化调控及其生理学意义已受到关注,但不同pH值对植物重金属胁迫影响的研究相对较少,尤其是对水生植物而言。
研究表明,pH值能对生物体结合重金属的活性位点产生显著的影响,不同重金属离子所要求的最佳吸附pH也不同[12,13]。
马尾藻对cd吸附的最佳pH为4.5,而石莼对cd吸附的最佳pH为8.0[14]。
陈利等研究也发现Cd2+水稻幼苗的毒害直接受pH值影响,且在pH6.0时水稻所受毒害程度较弱[15]。
本文以沉水植物菹草无菌苗为实验材料,研究了不同pH条件下,Cr6+胁迫对菹草铬元素及矿质元素积累、光合色素、ROS水平及MDA、抗氧化酶系统、脯氨酸、多胺含量等生理指标的影响,分析了菹草体内各生理指标在铬毒害效应中的差异,以期为植物的抗性原理增添素材,同时为重金属污染水域的治理提供一定的理论参考。
1材料和方法
1.1供试材料
菹草(PotamogetoncrispusL.),眼子菜科(Potamogetonaceae)眼子菜属(Potamogeton),多年水生草本植物。
于2012年4月采自南京市琵琶湖水域。
以幼嫩菹草带节间的茎段培养的无菌苗为研究对象。
1.2实验方法
1.2.1菹草无菌苗的培养取生长旺盛的菹草去除根和叶,用清水冲洗干净。
依次经过5%的H2O215min、10%的NaClO30s消毒,然后用无菌水清洗6遍后,将其剪成1cm左右。
辨认形态学上端后,插入到添加6-BA(2.0mg/L)和IBA(0.5mg/L)MS培养基中诱导芽分化。
待茎间侧芽长至2cm之时,转入添加6-BA(1.0mg/L)的继代培养基中培养。
在继代培养基中培养一个月后,转入灭菌的1/10Hongland培养液中生根培养。
生长期均在培养室中完成,光照周期为16h:
8h(L:
D),光照强度为240-300μmolm-2s-1,光暗温度为25℃:
18℃(L:
D)。
1.2.2菹草无菌苗Cr6+处理选取大小相似,生长状况一致的菹草无菌苗,将挑选好的植株分成3组进行处理。
CK对照组:
用1/10Hoagland营养液培养;
Cr6+胁迫组:
用含0.05mmol/LCr6+的1/10Hoagland营养液培养;
pH处理组:
用含0.05mmol/LCr6+的1/10Hoagland营养液培养,且将pH分别调为pH4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0共6个pH水平(使用0.1mmol/LHCl或0.1mmol/LNaOH溶液)。
实验条件与培养菹草无菌苗时的条件一致,试验过程中每1d调一次pH,每2d换一次培养液。
实验处理8d后,进行生理指标测定,实验重复三次。
Cr6+供试药品为重铬酸钾(K2Cr207)。
1.2.3元素含量的测定称取0.6g鲜重,硝酸和高氯酸消化后,用电感耦合等离子原子发射光谱仪(ICP-AES)(美国Leeman公司)进行测定。
1.2.4叶绿素和类胡萝卜素含量测定称取0.2g叶片,用80%的丙酮冰浴研磨,离心,用分光光度计(ThermoGENESYS10)测定470nm,647nm和663nm吸收值,按Lichtenthaler[16]的公式计算。
1.2.5O2.-产生速率、H2O2和MDA含量的测定O2.-产生速率用王爱国等[17]的方法测定;
H2O2的含量采用分光光度法,用南京建成生物工程H2O2试剂盒测定;
MDA含量按李合生等[18]的方法测定。
1.2.6SOD、POD和CAT活性的测定SOD活性测定采用NBT光化还原法,以抑制NBT光还原50%所需的酶量为1个酶活性单位(U);
POD活性测定采用愈创木酚方法,以每分钟OD470的变化为1个酶活性单位(U);
CAT活性测定采用钼酸盐方法,以每分钟分解1μmolH2O2所需的酶量为一个酶活性单位(U)。
1.2.7脯氨酸及多胺含量的测定脯氨酸含量用酸性茚三酮法[19];
多胺含量(PAs)采用Aziz和Larther等的方法[20,21]。
1.3统计分析
每个处理重复3次,实验结果为其平均值±
标准差。
运用Excel进行各项指标的相关性分析并完成制图;
P<0.05,表示显著相关;
P<0.01,表示极显著相关。
由SPSS17.0统计软件对各数据均值进行“单因素方差分析”完成数值间的差异性分析;
P<0.05,表示差异显著;
P<0.01,表示差异极显著,本文图表中不同小写字母表示数值之间差异显著(P<0.05),相同字母之间差异不显著。
2结果与分析
2.1不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草元素含量的影响
当Cr6+浓度为0.05mmol/L时,菹草铬积累随pH值的增大呈下降趋势,尤其是pH7.0之后,铬含量急剧下降。
相对于Cr6+胁迫组而言,pH4.0、pH5.0处理加剧了菹草铬积累。
pH4.0处理时,菹草对铬的吸收达到77.66μg•g-1,是Cr6+胁迫组的1.23倍;
pH6.0处理组时,菹草铬含量仅为Cr6+胁迫组的0.34倍。
统计分析表明,菹草中铬含量与pH值之间呈极显著负相关(r=0.9778,P<
0.01)。
从表中可以看出,Cr6+处理促进菹草对Zn、B的吸收,抑制Ca、P、Mg元素的吸收。
另外,Cr6+胁迫下不同矿质元素受pH值的影响不同。
随着pH值的升高,Ca、P、Mg、Zn含量均呈现先升后降趋势。
B含量的变化较特殊,它是随着pH值的增大而升高,呈极显著正相关(r=0.9659,P<
相对于Cr6+胁迫组,pH7.0处理组的Ca、P、Mg、Zn含量均升高,pH6.0处理组各营养元素含量变化不大,而其他pH均加重了铬毒害造成的Ca、P、Mg营养元素损失,尤其是pH4.0、pH9.0处理组。
表1不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草元素含量的影响
Tab.1EffectsofpHvalueonelementcontentsinP.crispusunderCr6+stress(mean±
SD)
实验处理
Elementcontent(μg/gFW)
Treatments
Cr
Ca
P
Mg
Zn
B
CK
0.17±
0.001f
1249.59±
34.30a
1296.71±
37.57a
245.07±
8.17a
17.31±
0.90d
2.05±
0.36f
63.35±
3.15bc
1004.79±
30.32cd
1043.64±
32.90c
187.95±
9.80cd
22.35±
0.58b
8.26±
0.38d
Cr(pH=4.0)
77.66±
4.19a
660.03±
40.82f
711.63±
32.74f
128.34±
10.78f
19.34±
0.69c
6.73±
0.49e
Cr(pH=5.0)
68.81±
3.31b
884.24±
35.93e
915.83±
53.09d
174.05±
8.17d
23.17±
0.65b
8.10±
0.37d
Cr(pH=6.0)
58.67±
3.57cd
1016.19±
53.89c
1040.21±
32.66c
202.91±
9.26bc
23.90±
1.06b
8.82±
0.40d
Cr(pH=7.0)
52.92±
3.16d
1110.98±
40.01b
1130.93±
49.01b
219.70±
12.66b
26.90±
0.90a
10.63±
0.52c
Cr(pH=8.0)
27.13±
2.40e
922.40±
24.09de
850.47±
31.85de
173.22±
9.80d
19.94±
0.86c
13.82±
0.98b
Cr(pH=9.0)
21.46±
2.92e
899.11±
56.34e
784.68±
31.04e
151.41±
9.00e
18.40±
0.98cd
17.13±
1.06a
2.2不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草光合色素含量的影响
Cr6+胁迫下,菹草叶片中叶绿素a(Chla)、叶绿素b(Chlb),胡萝卜素(Car)含量均低于CK对照组,且随着pH值增高呈先升后降趋势。
Chla在pH6.0、pH7.0、pH8.0时含量较高,在pH7.0时达最大值,为CK对照组的87.46%;
最小值出现在pH4.0时,仅为CK对照组的54.40%。
对于Chlb而言,在pH6.0、pH7.0时含量较高,在pH9.0时达最小值,仅为CK对照组的59.54%。
Car含量在pH7.0、pH8.0时含量升高,且中性或弱碱性处理的铬毒害菹草中,Car含量高于酸性处理组,在pH4.0时达最小值,为CK对照组的62.81%。
统计分析表明,Cr6+胁迫菹草的叶绿素a、胡萝卜含量,与CK对照组均有显著差异性(P<
0.05)。
在pH4.0、pH5.0处理时Car含量明显低于其他各组,有极显著差异(P<
在pH7.0处理组中Chlb与CK对照相比,无显著差异性(P>
图1不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草光合色素含量的影响
Fig.1EffectsofpHvalueonphotosyntheticpigmentcontentsinP.crispusunderCr6+stress
2.3不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草的O2.产生速率、H2O2及MDA含量
在Cr6+胁迫下,O2.产生速率、H2O2及MDA含量均升高,且随着pH值上升呈先降后升趋势。
O2.产生速率及H2O2含量在pH4.0、pH5.0、pH9.0时较高;
MDA含量在pH4.0、pH5.0、pH8.0、pH9.0处理组中也均显著高于Cr6+胁迫组。
O2.产生速率,在pH4.0处理组达最大值,为CK对照的1.50倍;
在pH8.0处理组达最小值,仅为CK对照的1.15倍。
H2O2含量的最大值出在pH4.0处理组,为CK对照的1.78倍。
最小值在pH7.0处理组,为CK对照的1.19倍。
而MDA含量最大值、最小值分别出现在pH4.0、pH7.0处理组。
统计分析表明,Cr6+胁迫组中菹草O2.产生速率、H2O2及MDA含量与CK对照相比,均表现为极显著差异(P<
图2不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草O2.-产生速率、H2O2和MDA含量的影响
Fig.2EffectsofpHvalueonO2.-generationrate,H2O2contentandMDAcontentinP.crispus.underCr6+stress
2.4不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草SOD、CAT和POD活性的影响
在Cr6+胁迫下,菹草中SOD、CAT活性均高于CK对照,且随着pH值升高呈先升后降趋势。
SOD活性在pH9.0处理组达最大值,为CK对照组的2.94倍;
在pH6.0处理组最小值,为CK对照组的1.29倍。
CAT活性最大值出现在pH4.0处理组,为CK对照组2.94倍;
最小值在pH6.0处理组,仅为CK对照组的1.29倍。
Cr6+胁迫下,菹草中POD活性低于CK对照组,且随pH值升高而逐渐下降,。
在pH9.0处理时最低,为CK对照组的59.58%;
pH5.0处理时最高,为CK对照组的88.57%。
相对于Cr6+胁迫组,SOD活性在pH4.0、pH8.0、pH9.0处理组升高;
而CAT活性在pH4.0、pH5.0、pH8.0、pH9.0处理组均升高,在pH6.0、pH7.0处理组下降,且对pH变化较敏感;
POD活性在pH4.0、pH5.0处理组升高,在pH8.0、pH9.0时下降。
统计分析表明,Cr6+胁迫下菹草SOD、CAT、POD活性与CK对照相比,均表现为极显著差异(P<
CAT活性除了在pH5.0与pH8.0处理组之间无显著差异性外,其他各组之间均具显著差异性。
图3不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草SOD、POD和CAT活性的影响
Fig.3EffectsofpHvalueonSOD,PODandCATactivitiesinP.crispus.underCr6+stress
2.5不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草脯氨酸含量的影响
Cr6+胁迫下,菹草脯氨酸含量上升,且随pH值升高呈先升后降趋势。
Cr6+胁迫组及pH6.0、pH7.0处理组的脯氨酸含量极显著高于CK对照组,分别为CK对照的1.30倍、1.59倍、1.75倍。
而pH4.0、pH5.0、pH9.0处理组的脯氨酸含量则低于CK对照。
相对于CK对照,Cr6+胁迫组的菹草脯氨酸含量显著升高,而相对于Cr6+胁迫组,脯氨酸含量在pH6.0、pH7.0处理组进一步升高,而在pH4.0、pH5.0、pH8.0、pH9.0处理时下降。
统计分析表明,Cr6+胁迫下菹草的脯氨酸含量与CK对照相比均表现为显著差异(P<
图4不同pH处理对Cr6+胁迫下菹草脯氨酸含量的影响
Fig.4EffectsofpHvalueonproinecon
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