NaCl和Cr3+脅迫對葎草幼苗的生長及抗氧化酶活性的影響

摘 要：采用盆栽法研究不同NaCl和Cr3+濃度（分別為0，200，300 mg·kg-1）下葎草幼苗的生長及抗氧化酶活性的變化。結果表明：（1）與對照相比，根、主莖、側莖的鮮質量和干質量以及SOD活性、Pr含量在NaCl脅迫下顯著下降，而POD活性則顯著上升，葉鮮質量、主莖長、總葉面積和CAT活性無顯著差異；Cr3+脅迫后POD、SOD活性和Pr含量顯著上升，CAT活性變化仍無差異，根、主莖、葉的鮮質量和干質量及主莖長、側莖長均顯著降低。（2）與200 mg·kg-1相比，NaCl脅迫后根、主莖、葉的鮮質量仍下降，主莖長、側莖長、總葉面積、比葉面積、Pr含量和SOD活性的差異不顯著，而POD和CAT活性卻顯著增加； Cr3+脅迫為300 mg·kg-1時，CAT、SOD和POD活性也顯著增加，但主莖長卻顯著減少，其根、莖、葉的鮮質量和Pr含量均無顯著差異。另外，根和主莖的干質量、根莖比在二者脅迫后均顯著下降。（3）從總體上來看，除NaCl脅迫下主莖長沒有顯著差異，根、主莖、葉的鮮質量和干質量在二者脅迫后差異顯著，其側莖長、總葉面積、比葉面積和根莖比也具有差異。POD和CAT活性在NaCl和Cr3+脅迫后同時呈上升趨勢，SOD活性和Pr含量在Cr3+脅迫后也呈上升趨勢，但在NaCl脅迫后則呈下降趨勢。因此，NaCl和Cr3+脅迫對葎草幼苗的生長產生了顯著影響，其抗氧化酶系統在Cr3+脅迫下具有主動的適應策略，且對NaCl脅迫也表現出較強的耐受性，葎草幼苗對NaCl和Cr3+脅迫具有一定的適應機制和較為積極的響應策略。

關鍵詞：葎草；鹽脅迫；鉻脅迫；抗氧化酶；生物量

中圖分類號：S514 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.09.001

Abstract： A pot experiment was conducted to investigate the effect of salinity（NaCl） and chromium （Cr3+） stresses on growth and antioxidant enzyme activities of Humulus scandens seedlings differing in salt and chromium accumulate and tolerance. The results showed that： （1） Compared with the control， the fresh weight and dry weight of the root， main stem， lateral stem and the activity of SOD and the content of Pr under NaCl stress significantly decreased， while the activity of POD increased， the leaf fresh weight， main stem length， total leaf area and CAT activity without significant difference. But the POD， SOD activity and the Pr content under Cr3+ stress increased significantly， while the changes of the root， stem， leaf fresh weight and dry weight and stem length， stem lateral long were significantly lower， the activity of CAT was still no difference. （2）Compared with 200 mg·kg-1， it was still down in the root， stem and leaf fresh weight after NaCl stress， and was no significant changes in the main stem length， lateral stem lengh， total leaf area， Pr content and SOD activity， but the activity of POD and CAT had dramatically increased. When Cr3+ stress was 300 mg·kg-1， there was very markedly risen in CAT， SOD and POD activity， while it was noticeably dropped in the main stem length， and undifferentiated in root， stem and leaf fresh weight and the content of Pr. In addition， dry weight， root and root shoot ratio after stress were also noticeably reduced. 3）On the whole， there were marked effects on root， main stem， leaf fresh weight and dry weight under NaCl and Cr3+ stress except the main stem length， and also obviously different from the lateral stem length， total leaf area， specific leaf area and root to shoot ratio. At the same time， with increasing NaCl and Cr3+ concentration， the CAT and POD presents up-trend， and the POD， SOD activity and the Pr content under Cr3+ stress also showed an upward tendency， but continued to trend downward under NaCl stress. Therefore， Cr3+ and NaCl stress of Humulus scandens seedling growth had a significant impact， the antioxidase system under Cr3+ stress with active adaptation strategies， and under NaCl stress also exhibited a strong tolerance， Humulus scandens seedlings under NaCl and Cr3+ stress has certain indications mechanism and a more positive response strategies.endprint

Key words： Humulus scandens； salt stress； chromium stress； antioxidative enzymes； biomass

鉻（Cr）被廣泛應用于印染、電鍍、皮革等行業，是環境污染中的“五毒”元素之一[1]。據不完全統計，我國受鉻污染的土壤已達1 250多萬t，主要來源于大量的含鉻廢水和廢渣及某些肥料中[2]，造成農業生產中土壤鉻污染日益嚴重，已對植物生長發育產生不利影響，如誘發染色體畸變、細胞內活性氧累積、過氧化加劇等[3-5]，甚至還威脅到農、牧業等的生產安全。同時，也將通過食物鏈富集最終危害人類健康。為此，國內外眾多學者針對鉻污染土壤的植物適應及植物修復的篩選做了大量研究，目前相關研究僅集中在李氏禾（Leersia hexandra）、Dicoma niccolifera和Sutera fodina等少數幾種超富集植物上[6-8]，但這類植物通常生長慢、周期長、生物量低，導致其在植物修復工程中應用較少。因此，選用生長快、分布廣、具有經濟價值的常見草本植物用于研究鉻污染土壤的植物生長和生理特征，對植物適應及植物修復無疑具有重要意義。

另一方面，植物還面臨鹽、干旱和高溫等多種環境脅迫，其中鹽堿土對農業生態的嚴重影響已是一個全球性問題。迄今為止，全球約有近半數的灌溉土地和1/5的耕地受到不同程度的鹽害威脅[9]，如抑制植物生長和降低作物產量等[10-11]，我國也約有3 460萬 hm2鹽漬土。目前，對鹽漬化土壤的生態環境進行改良已成為國內外學者的研究熱點。研究表明，鹽脅迫對植物生物量、蛋白質合成、光合能力及能量代謝等生理特性產生了不利影響，尤其是高鹽脅迫會嚴重破壞植物細胞膜，改變體內離子平衡和正常的新陳代謝，引起SOD和POD活性顯著增高[12-14]。因此，通過研究植株根、莖、葉的鮮質量、干質量及抗氧化酶活性和可溶性蛋白含量，采用生物措施篩選和培育適應高鹽環境的優良耐鹽植物，對當前乃至未來的農業環境治理和綜合開發均有重要意義。

葎草（Humulus scandens L.）為桑科（Moraceae）葎草屬（Humulus）一年或多年生草本植物，在我國除青海、新疆外，南北各省區廣泛分布[15]。葎草的嫩莖和葉可作飼草和飼料等，并可入藥，其全草含揮發油、天門冬酰胺、葡萄糖苷等多種化學成份和生物活性激素類物質，具有抗菌消炎、清熱解毒、消腫利尿等功效[16]；同時還耐旱抗寒，覆蓋能力強，具有適應多種土壤質地和氣候條件的優良特性，不僅是較好的水土保持藤本植物，而且在工程礦地、裸露地和棄耕地綠化中具有極大的應用潛力。雖然葎草具有較高的經濟價值和生態價值，但長期以來卻沒有得到充分的開發和利用。因此，研究葎草的生長及抗氧化酶系統，對加強葎草資源研究以及對雜草的有效控制和開發利用均有重要意義。但目前對葎草的研究卻主要集中在花器官、藥用成份、性別鑒定等生理生化方面[15-17]，關于鹽和鉻脅迫對葎草的生長及抗氧化酶活性的影響卻少見報道。故本研究以葎草為試材，研究不同濃度NaCl和Cr3+脅迫下葎草根、莖、葉的鮮質量、干質量及抗氧化酶活性的影響，旨在探討葎草對NaCl和Cr3+脅迫的耐性機制，為含Cr3+土壤及鹽生生境的生物治理提供參考依據，同時為進一步控制水土流失及改善農業生態環境提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

于2013年2月10日播種（種子采集為南充市本地的野生葎草），生長1個月后，選擇幼苗60株，移栽到體積為10 L的塑料盆內，每盆1株，且都裝入河沙1.5 kg，勻質土壤7.5 kg，緩苗20 d，待長勢穩定后進行鹽和鉻脅迫。參照劉愛榮等[18]和王愛云等[19]的方法，共設3個處理，將試劑NaCl和Cr3+按相應濃度分別配成1 000 mL的溶液后，分別單獨澆施200 mg·kg-1（低度）和300 mg·kg-1（中度） NaCl和Cr3+溶液，設對照組濃度為0，澆施等量清水，于4月5日一次性緩慢均勻澆灌于土壤中。每個處理10株重復。為防止溶液滲漏，將對照組和處理組塑料盆內土壤置于塑料袋內。

1.2 測量方法

1.2.1 葉面積、莖長與生物量指標 試驗處理結束時，隨機選取NaCl和Cr3+脅迫下不同濃度的植株各5株，用托普YMJ-C型葉面積測定儀測定總葉面積，并用直尺法測定單株最大主莖長度，側莖總長度。然后，在清洗根部泥土后用濾紙輕輕擦拭干凈，用剪刀將根、主莖及葉分開，分別稱量其鮮質量（Fw）。各植株再分別按根、主莖、葉用信封包裝后，分置于80 ℃烘箱內烘干至恒量后，測定各部分的干質量，其比葉面積為總葉面積與葉干質量之比，根莖比為根干質量與主莖干質量之比。

1.2.2 酶提取方法 試驗處理結束時，隨機選擇各處理的5株，取植株上部第3或4片完全展開的向陽葉片，用于測定超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性和可溶性蛋白（Pr）含量。取0.3 g葉片于預冷的研缽中，加入6 mL預冷的提取緩沖液（磷酸緩沖液，0.05 mol·L-1，pH值 7.8，含有1%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和1 mmol·L-1乙二胺四乙酸（EDTA））研磨成勻漿，于4 ℃下離心30 min（12 000×g），取上清液（酶液）用于試驗。SOD活性的測定采用氮藍四唑（NBT）比色法[20]，POD和CAT活性的測定采用愈創木酚法[21]，Pr含量的測定采用考馬斯亮藍法[22]。

1.2.3 統計分析 采用Excel預處理試驗數據后，利用SPSS 17.0統計軟件進行數據分析，平均值間的比較采用單因素方差分析方法（One-Way ANOVA），顯著性水平設定為a=0.05。所有數據均采用平均值±標準誤差表示。

2 結果與分析

2.1 NaCl和Cr3+脅迫對葎草幼苗鮮質量的影響endprint

從表1可以看出，NaCl脅迫對葎草幼苗的主莖長沒有影響（P=0.438），但對根、葉鮮質量和側莖長具有影響（P=0.030，P=0.010，P=0.019），主莖鮮質量差異顯著（P=0.000）。200 mg·kg-1時，其根、主莖、側莖鮮質量均受到影響，NaCl脅迫后較對照下降了40.59%，39.56%，51.17%，但葉鮮質量和主莖長沒有差異，同時Cr3+脅迫后比對照減少了43.08%，84.13%，18.91%，葉鮮質量和主莖長也顯著減少。300 mg·kg-1時，NaCl脅迫下根、主莖、葉鮮質量繼續下降，主莖和側莖長的差異不顯著，而Cr3+脅迫下根、莖、葉鮮質量均無顯著差異，但主莖長顯著減少。由此可見，在不同濃度的 Cr3+脅迫下，葎草幼苗的根、主莖、葉鮮質量及主莖和側莖長存在顯著差異（P=0.007，P=0.002，P=0.000，P=0.001，P=0.039）。

2.2 NaCl和Cr3+脅迫對葎草幼苗干質量的影響

從表2可以看出，200 mg·kg-1時與對照相比，葎草幼苗的根、主莖、葉干質量在NaCl和Cr3+脅迫后分別下降了50.67%，60.00%，49.33%和36.34%，79.26%，32.61%，且總葉面積、比葉面積、根莖比也顯著下降，但NaCl脅迫下總葉面積差異不顯著。同時，當濃度增至300 mg·kg-1時，Cr3+脅迫后葉干質量和比葉面積無顯著差異，NaCl脅迫后總葉面積和比葉面積也沒有差異，但其根、主莖的干質量和根莖比在二者脅迫后呈顯著下降。從總體上來說，Cr3+脅迫下葎草幼苗的總葉面積差異顯著（P=0.000），但NaCl脅迫差異不顯著（P=0.056），而NaCl和Cr3+脅迫對比葉面積、根莖比均有明顯影響（P=0.039和P=0.011，P=0.001和P=0.000），其根、主莖、葉的干質量也存在較為顯著的差異（P=0.002和P=0.006，P=0.000和P=0.000，P=0.001和P=0.017）。

2.3 NaCl和Cr3+脅迫對葎草幼苗抗氧化酶活性和Pr含量的影響

從圖1可以看出：與對照相比，NaCl脅迫為200 mg·kg-1時，SOD活性和Pr含量顯著下降，POD活性顯著上升，CAT活性變化無差異；且POD和CAT活性在相同濃度的Cr3+脅迫下呈相似變化，而SOD活性和Pr含量的變化則相反，呈顯著上升。與200 mg·kg-1相比，Cr3+脅迫為300 mg·kg-1時，CAT、SOD和POD活性均顯著增加，Pr含量卻沒有差異；且NaCl脅迫為300 mg·kg-1時Pr含量和SOD活性略有減少，但也無顯著變化，而POD和CAT活性卻顯著增加。從大體上來看，POD和CAT活性在二者的脅迫下均呈上升趨勢，而SOD活性和Pr含量在Cr3+脅迫下也呈上升趨勢，NaCl脅迫下呈下降趨勢。因此，葎草幼苗在NaCl脅迫下，其SOD活性和Pr含量具有顯著差異（P=0.001，P=0.003），CAT和POD活性也存在差異（P=0.050，P=0.016），CAT、SOD、POD活性和Pr含量在Cr3+脅迫后也差異顯著（P=0.016，P=0.000，P=0.000，P=0.008）。

3 結論與討論

生物量是衡量植物耐性的重要指標[23]。植物通過調節生理代謝、改變植株形態等策略適應重金屬和鹽堿環境，如香根草（Vetiveria zizanioides）的生長速率隨著鹽和重金屬脅迫濃度的提高而降低[24]，NaCl和Cr3+脅迫后葎草幼苗也有類似變化。本試驗中，與對照相比，NaCl脅迫降低了根、主莖、葉的鮮質量和干質量及根莖比，但主莖長沒有差異，而側莖長、總葉面積和比葉面積中度脅迫時與低度脅迫相比也沒有顯著差異。這表明葎草根、莖、葉的生長雖在一定程度上受到了NaCl脅迫影響，但其脅迫程度還沒有嚴重到影響其生長。因為葉片大小是反映植物獲取資源能力的重要指標，所以可將比葉面積作為評價植物葉片功能的重要參數，一方面它與植物葉片其它功能性狀緊密相關，另一方面在很大程度上比葉面積較高的植物能較好地適應周圍環境[25]。這說明在200和300 mg·kg-1NaCl脅迫下葎草幼苗葉片對外界環境條件的響應比較積極，與黑麥草（Lolium perenne）、紫花苜蓿（Medicago sativa）、小麥幼苗受NaCl脅迫后的變化較為相似[13，26-27]。

此外，從抗氧化酶活性的變化中也可以得到印證，NaCl脅迫為200 mg·kg-1時，POD和CAT顯著升高，SOD活性和Pr含量顯著減少，而300 mg·kg-1時，CAT、 SOD活性和Pr含量均沒有顯著變化，但POD活性卻顯著增加。這說明葎草幼苗在遭受較高濃度NaCl脅迫時保護酶系統起著重要作用。SOD、POD、CAT是植物體內重要的活性氧的酶促清除劑，可以保護植物體免受活性氧的毒害，其活力與植物的抗逆性密切相關[28]。由于POD和CAT活性是清除植物細胞內H2O2的重要氧化酶類，其活力與H2O2含量呈正相關[13-14，27]。葎草幼苗通過增加POD活性，增強POD和CAT活性代謝H2O2能力，改變膜透性，進而減輕細胞膜系統的受損，阻止其細胞器受到傷害，是進行自身保護的一種自然反應。因此，葎草幼苗對NaCl脅迫具有一定的適應機制和較強的耐受能力。

同時，葎草幼苗在Cr3+脅迫中的變化也與之相似。Cr3+脅迫為200 mg·kg-1時，葎草幼苗的根、主莖、葉的鮮質量和干物質量及根莖比均較對照低，但300 mg·kg-1脅迫下除主莖長顯著下降，其根、主莖、葉的鮮質量均沒有顯著變化，且葉干質量和比葉面積也沒有顯著差異。這表明Cr3+脅迫下葎草幼苗已調整生物量的分配模式，將干物質更多的轉移到根葉器官上，同時減少干物質向莖部位的分配比率以及提高根莖比的途徑來適應鉻脅迫。如300 mg·kg-1 Cr3+脅迫后葎草幼苗的根鮮質量、根干質量、根莖比較NaCl脅迫分別高89.39%，95.60%，28.00%，尤其是葉的鮮質量和干質量顯著高于NaCl脅迫。葉片是植物對環境變化反應較為敏感的指示器官，是植物進行光合作用的重要器官，葉片的性狀直接影響著植株的生長。從較高的比葉面積和較低的總葉面積中可以看出，葎草幼苗在較高Cr3+脅迫后仍能夠保持體內較強的營養能力，也有可能是通過減少葉面積的方式以降低脅迫條件下的水分蒸發，這與水稻（Oryza sativa）、黃秋葵荸薺（Abelmoschus esculentus）在脅迫之后的響應較為吻合[3-5]。因此，葎草幼苗可能是通過減緩主莖生長、降低主莖干質量、縮小葉面積、增生側莖等方式，以主動適應Cr3+脅迫增強其適應能力，因而具有一定的耐鉻機制及較強的Cr3+適應策略。endprint

還有研究表明，不同耐性品種的青菜對鉻脅迫的生理差異較大，其中300 mg·L-1 Cr3+處理后耐性較強的青菜品種的SOD、POD、CAT活性增加幅度大，而敏感品種在300 mg·L-1處理后卻略下降[29]。重金屬對植物抗氧化酶系統的影響既有積極作用，也有抑制作用，比如小麥幼苗的根和芽，在鉛脅迫后SOD和POD活性較對照高，而鎘脅迫后SOD和CAT活性則較對照低，但李氏禾的SOD、POD、CAT活性卻隨鉻濃度的增加先升后降[6，30-31]。本研究發現：Cr3+濃度為200 mg·L-1時，CAT活性變化不顯著，而POD、SOD活性和Pr含量則顯著上升；300 mg·kg-1處理后SOD和POD活性仍較高，Pr含量仍呈上升。由于抗性強的植物種類或品種含有較高的Pr含量[32]，因此Pr含量可能與調節葎草細胞的滲透勢有關，高含量的可溶性蛋白可幫助維持葎草幼苗細胞內較低的滲透勢，抵抗Cr3+脅迫帶來的傷害，且SOD活性也是植物細胞中重要的清除自由基的酶類之一，可以將NaCl脅迫下產生的O2-代謝為H2O2。這說明Cr3+脅迫后葎草幼苗具有較強的適應機制，其耐Cr3+脅迫能力較高，但這種響應機制有可能與脅迫種類、脅迫濃度和脅迫時間相關。

綜上所述，除NaCl脅迫下主莖長沒有差異，Cr3+和NaCl脅迫后葎草幼苗的根、主莖、葉的鮮質量和干質量均存在顯著差異，其側莖長、總葉面積、比葉面積和根莖比也具有差異；POD和CAT活性在二者脅迫下均呈上升趨勢，而Cr3+脅迫后SOD活性和Pr含量也呈上升趨勢，NaCl脅迫后則呈下降趨勢。NaCl脅迫后其根、主莖、葉鮮質量較低，較高濃度時其主莖長、側莖長、總葉面積和比葉面積的差異并不顯著，而Cr3+脅迫后根、主莖、葉的鮮質量和干質量及主莖、側莖長也較低。因此，Cr3+和NaCl脅迫對葎草幼苗的生長產生了顯著影響，其抗氧化酶系統在Cr3+脅迫下具有主動的適應策略，且對NaCl脅迫也表現出較強的耐受性，葎草幼苗對NaCl和Cr3+脅迫具有一定的適應機制和較為積極的響應策略。至于葎草幼苗對Cr3+和NaCl脅迫的耐受閾值還需進一步研究。

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