外源硫化氫對鋁脅迫下水稻幼苗生長及生理生化的影響

孟丹+劉玲+陳露+周思敏+安敏敏+羅玉明+楊立明

摘要：探究硫化氫（H2S）對鋁脅迫下水稻幼苗生長的影響，以硫氫化鈉（NaHS）作為硫化氫的供體，分別采用0.2、0.4 mmol/L NaHS，75 μmol/L AlCl3，75 μmol/L AlCl3與0.2 mmol/L NaHS，75 μmol/L AlCl3與0.4 mmol/L NaHS處理水稻幼苗。結果表明，低濃度鋁離子對水稻幼苗根的生長產生明顯的抑制效果，株高、根長、鮮重、干重和生物量均下降，葉片葉綠素含量，可溶性蛋白含量和SOD活性下降。而H2S供體NaHS能夠顯著緩解AlCl3的脅迫作用，其中 0.4 mmol/L NaHS緩解AICl3脅迫的效果最為顯著。

關鍵詞：水稻；鋁脅迫；硫化氫；生物量；生理生化指標

中圖分類號： S511.01文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）06-0063-03

收稿日期：2013-09-11

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（12）3048]；淮陰師范學院生命科學學院大學生實踐創新訓練計劃（編號：201210323006）；國家級及江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃（編號：2012JSSPITP2485）。

作者簡介：孟丹（1992—），女，江蘇淮安人，研究方向為植物資源與生物技術。E-mail：chenlu1201@163.com。

通信作者：楊立明，博士，副教授，研究方向為植物生物技術。E-mail：yanglm@hytc.edu.cn。土壤中重金屬對作物的生長發育產生了嚴重的不良影響，而鋁對植株產生的毒害主要表現在根尖的伸長生長受到明顯抑制[1-2]，根變得粗短而脆，根冠易于脫落，表皮脫落，側根變粗短，分枝根變少，根毛易脫落，根的生物量有一定程度的降低[3]。根尖受到鋁的毒害并被鋁富集，根系的生長受抑制，影響水分和養料（鈣、鎂、磷等）的吸收、運輸和利用[4-6]，最終影響了作物的產量和品質。

Jan等采用高濃度Al（560 pmol/L）處理敏感水稻品種時，不僅根相對較短，根尖易卷曲，短粗，而且葉子短小、卷曲、枯萎變黃[7]。鋁毒害最主要的癥狀就是快速抑制了根的伸長生長[8]，Yamamoto等研究發現富集在細胞中的鋁很快就抑制了線粒體的活性，線粒體功能紊亂，從而產生大量的活性氧（ROS）、顯著抑制細胞的呼吸作用以及ATP合成嚴重受阻[9]。何龍飛等也證明鋁脅迫造成花生根系細胞中線粒體膜發生脂質過氧化，導致氧自由基和丙二醛（MDA）的大量積累，SOD和POD活性的上升[10]。也有研究認為鋁可直接造成膜脂的過氧化作用[11]。植物體內存在著一套抗氧化系統，用來控制活性氧水平，它包括專性的抗氧化酶類，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）等，以及非專性的抗氧化物，如谷胱甘肽（GSH）、抗壞血酸（ASA）、維生素E等[12]。

硫化氫（H2S）作為植物體內的一種氣體信號分子，在作物生長發育過程中發揮重要的作用。相關研究表明，H2S參與調節種子萌發、根和葉片發育、氣孔運動、光合作用、物質代謝、衰老等植物生長發育過程，并可以有效地緩解植物體應答鹽、高溫、滲透、干旱等非生物脅迫的損傷[13]。

本研究擬采用信號分子硫化氫的供體硫氫化鈉處理鋁脅迫下的水稻幼苗，觀察幼苗表型、生理生化指標的變化，以明確硫化氫對鋁脅迫下水稻生長發育的影響。

1材料與方法

1.1材料及試驗設計

選用水稻品種為kasalath。挑選顆粒飽滿、大小一致的種子，洗凈后用水浸泡，然后在26～28 ℃溫箱中保溫催芽，挑出露白一致的種子播于紗網上，將催芽4～6 d的幼苗，即當苗長至1葉1心時，選擇長勢均勻的幼苗，用海綿松松地包裹，嵌入打孔泡沫板（嵌入深度1.5 cm）中，移至盛有2 L的 1/2 Hoagland營養液塑料箱中培養，在HP1000GS型智能人工氣候箱中培養。晝/夜溫度分別為28、26 ℃，RH為70%～80%。幼苗適應生長1 d后，進行處理分別為CK（對照），A：0.2 mmol/L NaHS；B：0.4 mmol/L NaHS；C：75 μmol/L AlCl3；D：75 μmol/L AlCl3與0.2 mmol/L NaHS；E：75 μmol/L AlCl3與 0.4 mmol/L NaHS，共6個處理，每個處理60株苗，每處理3個重復，每2 d更換1次培養液，共處理3次。

1.2植株性狀

取不同處理的水稻幼苗各10株，測量株高及根長，每隔1 d測量1次。處理后6 d取樣，用吸水紙吸干表面水分，分析天平稱鮮質量。將稱完鮮質量后的幼苗放在報紙中包好，在105 ℃條件下殺青15 min后于75 ℃烘干至恒重，稱干質量。計算根冠比：

根冠比=地下部鮮質量（g）/地上部鮮質量（g）。

1.3生理指標的測定

葉綠素含量的測定：采用乙醇丙酮浸提比色法[14]；可溶性蛋白含量的測定：考馬斯藍染色結合法[15]；超氧化物歧化酶 （SOD）活性測定：采用NBT還原法測定SOD活性[15-16]。

1.4數據處理

用SPSS 16.0 軟件進行數據統計分析。

2結果與分析

2.1鋁脅迫條件下水稻幼苗形態對H2S的反應

2.1.1H2S對鋁脅迫條件下水稻幼苗株高和根長的影響在單獨NaHS處理時，均可促進水稻幼苗株高和根長的生長，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理4 d后，株高分別增加20.94%、58.28%，根長分別增加14.63%、31.25%，表明0.4 mmol/L NaHS可顯著促進幼苗的生長，尤其是地上部的生長（圖1至圖3）。在鋁單獨處理下，幼苗生長量與對照相比，株高下降3808%，根長下降11.13%，表明鋁處理可嚴重影響地上部的生長。當用0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，與鋁單獨處理比較時，株高分別增加25.67%、881%，根長分別增加2.95%、16.36%，表明0.4 mmol/L NaHS能夠顯著緩解鋁對水稻幼苗的毒害，使地上部的生長接近正常值，恢復幼苗的生長能力，但對根部的生長緩解效果不顯著。

2.1.2H2S對鋁脅迫條件下水稻幼苗根冠比的影響在單獨NaHS處理幼苗時，NaHS能夠顯著提高根冠比，特別是 0.4 mmol/L NaHS處理的根冠比與對照比較，增加42.81%，表明0.4 mmol/L NaHS顯著促進了根部生物量的積累。在鋁單獨處理下，幼苗的根冠比與對照比較，下降4114%，說明鋁嚴重影響根系的生長和生物量的積累，進而影響地上部的生長。0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下幼苗的根冠比比鋁單獨處理時，分別增加61.71%、93.72%，說明 0.4 mmol/L NaHS可顯著緩解鋁對幼苗根系生長的脅迫，幼苗生長趨于正常值（圖4）。

2.1.3H2S對鋁脅迫條件下水稻幼苗生物量的影響從圖5可以看出，在單獨NaHS處理幼苗時，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理的生物量與對照比較，葉片的生物量分別增加10.80%，23.24%，根生物量分別增加17.56%、37.16%，表明 0.4 mmol/L NaHS對幼苗生長的促進作用更好。與對照比較，在鋁單獨處理下，水稻葉片幼苗的生物量下降9.00%，表明鋁對幼苗地上部的生長產生毒害作用，影響水稻幼苗的生理代謝。用0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，與鋁單獨處理時比較，葉片生物量分別增加4.74%、1343%，表明 0.4 mmol/L NaHS可顯著緩解鋁對幼苗地上部生長的脅迫。

2.2H2S緩解鋁條件脅迫條件下水稻幼苗生理指標的效應

2.2.1H2S對鋁脅迫條件下水稻葉片葉綠素含量的影響由圖6可知，在單獨NaHS處理時，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理葉綠素含量比對照分別增加24.37%、38.73%，方差分析表明前者差異不顯著，后者差異顯著，表明0.4 mmol/L NaHS可有效促進水稻幼苗的光合作用，增加葉綠素含量。

在鋁單獨處理條件下，水稻幼苗葉綠素含量比對照下降41.25%，處理間差異極顯著，表明鋁處理導致葉綠素的合成嚴重受阻，使葉綠體內的類囊體降解，大大降低了光合作用。

當用0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，葉綠素含量比鋁單一處理時分別增加2.56%，65.35%，前者差異不顯著，后者差異顯著，表明0.4 mmol/L NaHS能夠顯著緩解鋁對水稻幼苗的毒害，葉綠素含量增加，增強了光合作用

的效率。

2.2.2H2S對鋁脅迫條件下水稻幼苗可溶性蛋白含量的影響在單一NaHS處理時，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理幼苗的可溶性蛋白含量比對照分別增加3.61%、15.84%，處理間差異不顯著，表明 NaHS能夠促進蛋白質的合成，但效果不顯著）。

在鋁單一處理下，水稻幼苗可溶性蛋白含量比對照下降30.79%，處理間差異顯著，表明在鋁脅迫下，蛋白質的合成顯著受阻，分解加快，含量降低。

當用0.2、0.4 mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，蛋白質含量比鋁單一處理時分別增加2.89%、21.40%，處理間差異不顯著，表明NaHS能緩解鋁對幼苗的毒害，但效果不顯著。

2.2.3H2S對鋁脅迫條件下水稻幼苗SOD活性的影響由圖8可看出，在單一NaHS處理時，0.2、0.4 mmol/L NaHS處理幼苗的SOD活性比對照分別增加52.92%、9.90%，前者差異顯著，后者差異不顯著，說明0.4 mmol/L NaHS處理水稻幼苗比較合理，可有效提高植株生長效率的同時對植株的拮抗作用最小。

在鋁單一處理下，水稻幼苗SOD活性比對照下降3564%，處理間差異不顯著，說明在鋁脅迫下，植株體內活性氧自由基產生的速度超出了植物清除自由基的能力，破壞了水稻體內的保護酶系統，使SOD活性降低，最終使 O-2· 和H2O2活性氧在體內積累，引起傷害，但效果不顯著，可能是鋁濃度低了。

用0.2、0.4mmol/L NaHS處理鋁脅迫下的水稻幼苗，SOD活性比鋁單一處理時分別增加18.03%、59.02%，處理間差異不顯著，但是0.4 mmol/L NaHS緩解鋁脅迫下水稻幼苗的SOD活性效果顯著。

3結論

鋁脅迫對水稻幼苗的生長具有顯著的毒害作用，表現為水稻植株矮小，葉片失綠，植株鮮重、干重下降，同時抗氧化酶活性下降，可溶性蛋白質合成受阻，分解加快，降解為小分子化合物，含量降低。但NaHS處理后，可有效緩解鋁脅迫，特別是0.4 mmol/L NaHS處理，能有效提高植株生長效率如株高、根長、生物量；葉綠素、可溶性糖、蛋白含量增加，對植株的拮抗作用最小，能夠使鋁脅迫下的水稻生理生化指標趨于正常值，幼苗生長得到有效保護。

研究結果，我們推斷H2S在種子內部應該是作為一種重要的信號物質來調控水稻幼苗的抗氧化過程，緩解鋁脅迫的作用機制可能是參與激活了1條以H2O2中間物質的抗氧化信號途徑，從而提高幼苗在逆境的耐受性。

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