钙对铅胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响.docx

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钙对铅胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响

本科毕业论文

题目钙对铅胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响

学院农学院

专业种子科学与工程

毕业届别2014届

姓名马原忠

指导教师王芳

职称讲师

甘肃农业大学教务处制

二〇一四年五月

目录

摘要1

关键词1

Abstract1

Keywords1

前言1

1材料与方法3

1.1材料处理3

1.2测定方法4

1.3数据统计分析5

2结果与分析5

2.1不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗生物量的影响5

2.2不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗SOD活性的影响5

2.3不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗POD活性的影响6

2.4不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗CAT活性的影响7

2.5不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗蛋白质含量的影响7

2.6不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响8

2.7不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗脯氨酸含量的影响9

2.8不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗可溶性糖含量的影响9

2.9不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗丙二醛含量的影响10

2.10不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗细胞膜通透性的影响11

3讨论11

4结论13

参考文献13

致谢16

钙对铅胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响

马原忠

（甘肃农业大学农学院种子科学与工程专业，甘肃兰州，730070）

摘要：

为明晰钙对重金属铅胁迫下玉米幼苗生长的缓解作用，以提高玉米对重金属毒害耐性，探讨重金属胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响，选用玉米（Zeamays）品种郑单958为材料，研究了不同浓度Ca2+（0-25mmoL•L-1）对一定铅浓度（100mg•L-1）胁迫下玉米幼苗的生长及生理特性的影响。

结果表明：

一定浓度的Ca2+能够显著提高玉米幼苗叶片保护酶SOD、POD、CAT活性，增加蛋白质和可溶性糖的含量，促进了叶绿素和脯氨酸的积累；生物量（叶片干鲜重、根干鲜重）增加，丙二醛含量的下降，外源Ca2+对玉米幼苗铅胁迫的缓解具有剂量效应，以10mmoL·L-1Ca2+的效果最好，增强了玉米植株对重金属铅的抗性。

关键词：

玉米；铅胁迫；钙；生理指标

EffectofCalciumonGrowthandPhysiologicalCharacteristicsofMaizeSeedlingunderLeadStress

MaYuan-zhong

（GansuAgriculturalUniversityCollegeofagricultureseedscienceandengineering,GansuLanzhou,730070）

Abstract:

InordertoclearcalciumalleviatePbstressongrowthofunderMaizeSeedlings,andenhancethetoxicityofheavymetaltoleranceofMaize.ToinvestigatetheeffectofheavymetalstressongrowthandphysiologicalcharacteristicsofMaizeSeedlings.MaizevarietiesZhengdan958asmaterial,differentconcentrationsofCa2+（0-25mmoL•L-1）tolead（100mg•L-1）stresseffectsongrowthandphysiologicalcharacteristicsofunderMaizeSeedlings.TheresultsshowthatacertainconcentrationofCa2+cansignificantlyimprovethemaizeseedlingleafprotectiveenzymeactivityofCAT,POD,SOD.ToincreasethecontentofproteinandsolublesugarandPromotechlorophyllandprolineaccumulation,increasedBiomass（dryleaffreshweight,rootfreshanddryweight）,decreasedMDAcontent.ExogenousCa2+inadoseeffecttorelievethestressofmaizeseedlingslead,10mmoL•L-1Ca2+isthebest,enhancetheresistanceofmaizeplantsonheavymetallead.

Keywords:

Corn;Leadstress;Calcium;Physiologicalindex

前言

玉米是我国最重要的粮食作物之一，适应性强、单产量高，是重要的粮食、饲料、工业原料作物，在粮食作物中增值是最高的。

甘肃省玉米种植属于西北灌溉玉米区，玉米种植主要分布于河西走廊灌溉区，属大陆性干燥气候，降水稀少，种植业完全依靠融化雪水或河流灌溉系统。

在甘肃河西走廊灌溉农业区，套种玉米大面积亩产500-600kg，随着农田灌溉面积的增加，自70年代以来玉米面积逐渐扩大，每年约66.67hm2，西北灌溉玉米区玉米种植占全国玉米面积的3%左右。

但一些重金属盐对玉米的生长有许多不利因素，严重影响了玉米的产量，特别是铅、镉等重金属盐类。

铅（Pb）并不是植物生长发育的所必需元素，当铅被动进入植物根、树皮或叶片后，积累在根、茎和叶片影响植物的生长发育，使植物受害。

铅（Pb）对玉米的萌发抑制明显，苗明升等[1]研究了铅（Pb）对玉米种子萌发的影响，几乎所有浓度的铅（Pb）对玉米的萌发都起抑制作用。

铅对植物根系的生长的影响尤为显著的，并且周鸿[2]通过对玉米的组织化学研究证明，玉米幼根对铅的吸收情况与植物对有益矿质元素的吸收很相似。

同时铅能减少根细胞的有丝分裂速度，这也是造成植物生长缓慢的原因。

在铅污染的条件下，铅在玉米体内分布的一般规律是根>下叶>茎>上叶>子粒[3]。

铅胁迫显著抑制了玉米地上部分和地下部分的生长、降低了叶片光合色素含量、并通过非气孔因素限制了光合作用、导致过剩激发能的增加；铅胁迫也显著抑制了超氧化物歧化酶（SOD）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）的活性、伤害了PSII反应中心、PSII的受体侧和供体侧（放氧复合体）以及PSI光化学活性[4]。

曹莹[5]研究发现，重金属铅对玉米子粒的营养品质有影响，但不同指标受影响程度不同。

植物主要通过根系从土壤中吸收和积累铅，进入根部的少量铅经过了两条途径：

一是非代谢性的自由空间途径；二是代谢性的共质体途径，铅在所有活细胞中的沉积，特别是凯氏带对铅的吸收的阻碍。

Jarviso[6]运用透射电子显微技术进行研究发现，进入植物根部的铅主要分布在根细胞壁上，少部分存在于根细胞内和线粒体中。

而且植物上部分的铅含量远远低于根部，换句话说，植物根系向地上部分运输铅的能力极低。

Liu[7]等研究发现印度芥菜（Brassicajuncea）根部积累大量的铅只有极少部分运输到地上部。

有研究表明，铅在植物根部均以分子量较小的肤类复合物及游离态占据绝大比例，推测这些形态是铅自根部向地上部分运输的主要形式。

因此，植物吸收的大部分铅均积累在根部，只有少部分转移到地上部分，这可能是植物对铅的一种保护机制。

同时也说明了铅对植物的毒害主要对根部细胞起作用。

铅在植物体内积累不仅会影响植物生长，而且会通过食物链危机人体健康，改良土壤铅污染已日益受到重视。

钙（Ca）不仅是植物生长发育所必需的一种大量元素，而且是植物体内重要的信号传递物质，参与非生物胁迫信号的传递，与钙调素（CaM）一起调节植物体内许多生理生化过程,对植物的生长具有很重要的意义。

很多研究表明，钙在植物抗逆境过程中具有重要作用,它可以作为耦联胞外信号与胞内生理生化反应的第二信使[8-9]。

生理学研究发现，外施钙可以增强植物对许多非生物逆境的适应性,减轻逆境对植物所造成的伤害[10]。

如以玉米为材料，用钙处理后可以增强玉米幼苗的耐热性[11]。

关于外源钙在逆境胁迫下的作用机制,前人推测可能是因为钙在稳定细胞结构方面发挥了作用。

钙能提高植物抗逆性，其中一个重要的作用是抗重金属的毒害。

例如钙能减轻锅、锌、镍、铁、铜、铝等多种金属离子的毒害作用[12]。

Ca对玉米幼苗Pb的吸收和运输的抑制作用，通过增施钙镁磷肥，提高土壤PH值、降低重金属元素在土壤溶液中的溶解度，是减少重金属元素在植物体内含量的有效方法。

Andersson和Nilsson[13]认为Ca可以与Cd竞争植物根系上吸收位点。

也有人指出Ca2+参与了植物感受渗透胁迫合成ABA的过程[14]，而且，ABA的转导也依赖Ca2+。

植物叶片中积累ABA，引起气孔关闭，水分散失降低，胞内钙水平的提高（即诱发植物产生钙信号）是保卫细胞应答ABA的最初反应之一。

虽然近年来对钙信号的研究有了一定的进展，但是钙信号转导机制极其复杂，还有很多问题亟待解决，如钙信号是否直接参与活性氧代谢与调控等。

根据Chen等[15]报道，水杨酸预处理能显著降低水稻根、茎和叶中Pb的含量，且对Pb胁迫造成的叶中叶绿素含量下降有明显的缓解作用。

但钙对减轻铅毒害的生理机理的研究鲜有报道。

为此，本试验拟用不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗的生长情况、叶绿素含量、脯氨酸含量、抗氧化酶活性测定、可溶性蛋白的测定、可溶性糖含量和丙二醛（MDA）含量的测定进行研究，从而了解其对铅胁迫下玉米幼苗生长生理的影响。

为从生理上探明植物体内钙减轻铅毒害机理提供依据，对玉米的抗性育种提供理论基础和技术指导。

1材料与方法

1.1材料处理

1.11玉米幼苗的培养

试验玉米品种为“郑单958”。

挑选饱满均一的玉米种子，用0.1%的次氯酸钠消毒10min后，漂洗干净，在25℃下，以蒸馏水浸种12h后播种到垫有两层清洗干净滤纸的直径为15cm的培养皿中，置于25℃培养箱中暗发芽玉米出苗后，选取生长一致的三叶一心期的幼苗转移到塑料花盆中，每盆植苗8株，于人工气候室内常规培养，每2d用1/5浓度的Hoaglands营养液浇灌，待第4片叶长出后，选取长势良好和长势一致的玉米幼苗进行铅胁迫试验。

1.12材料处理

长至三叶一心时挑选长势一致的幼苗分组进行处理，每组重复5次，每天更换1次处理液。

Pb供体Pb（NO3）2溶液，Ca的供体为CaCl2溶液。

试验处理有：

A=Hoagland,CK;

B=Hoagland+100mg·L-1Pb2+

C=Hoagland+100mg·L-1Pb2++5mmoL·L-1Ca2+

D=Hoagland+100mg·L-1Pb2++10mmoL·L-1Ca2+

E=Hoagland+100mg·L-1Pb2++15mmoL·L-1Ca2+

F=Hoagland+100mg·L-1Pb2++20mmoL·L-1Ca2+

G=Hoagland+100mg·L-1Pb2++25mmoL·L-1Ca2+

处理后一周取第2片叶的混合样品及根的样品分别用于指标测定。

1.2测定方法

鲜重和干重的测定：

处理7d后，取不同处理的植株各10株，先用自来水冲洗，再用蒸馏水冲洗3次，用滤纸吸干表面水分，立即称鲜重。

再将鲜样品材料置105℃烘箱中杀青10min，转至65℃烘干，称其干重。

粗酶液的提取：

取0.5g玉米叶片，加入5ml0.05mmoL·L-1（PH值为7）的磷酸缓冲液在冰浴下研磨至匀浆，转入到5ml的离心管中，再用PBS缓冲液洗涤研钵，将洗涤液全部转入离心管中，4℃下1200r/min离心20min，上清液为粗酶液，4℃保存备用[16]。

POD活性的测定采用愈创木酚法[17]，以每min内A470值减少0.01为1个过氧化物酶活力单位（U），酶活性以U/（min·g）表示。

CAT和SOD活性的测定按《植物生理学实验指导》[18]，以每分钟内A240减少0.1的酶量为1个酶活性单位（U）计算CAT活性，酶活性以U/（min·gFW）表示，SOD的测定用NBT法，以酶液用量（ul）为横坐标，以NBT光化还原的抑制率（%）为纵坐标绘制二者相关曲线，NBT光化还原被抑制50%的酶液量为1个酶活性单位，以U/gFW表示。

脯氨酸含量的测定采用茚三酮显色法[19]，丙二醛（MDA）含量的测定采用硫代巴比妥酸法[14]，可溶性糖的测定采用蒽酮比色法[19]，可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝法，参照邹琦主编的《植物生理学实验指导》[20]，质膜相对透性的测定采用DDS-11A电导仪法，以相对电导率表示[20]。

玉米幼苗叶绿素含量的测定采用冯双华[21]的方法。

1.3数据统计分析

数据采用MicrosoftOfficeExcel2003软件进行绘图，用SPSS16.0软件进行方差分析。

2结果与分析

2.1不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗生物量的影响

如表1所示，100mg·L-1Pb2+单独处理时（B），玉米幼苗叶片各生物量（叶鲜干重、根鲜干重）明显低于对照（A）。

与处理B相比，添加不同浓度Ca2+后各处理的生物量均呈先上升后下降的趋势，处理C、D的各生物量较处理B分别有一定的增高趋势，分别增加了0.28g、0.46g（地上鲜重）；0.08g、0.19g（地上干重）；0.01g、0.14g（地下鲜重）；0.08g、0.11g（地下干重），且均显著高于处理B（P<0.05），其中10mmoL·L-1Ca2+处理生物量达到最高。

表明一定浓度的外源Ca2+可以缓解铅胁迫下造成的伤害作用。

表1不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗生长的影响

处理

地上鲜重

（g/株）

地上干重

（g/株）

地下鲜重

（g/株）

地下干重

（g/株）

CK

10.07±0.45a

0.77±0.03a

4.17±0.29a

0.27±0.02ab

Hoagland+100mg·L-1Pb2+

7.78±0.54b

0.46±0.02b

3.35±0.42c

0.14±0.04b

Hoagland+100mg·L-1Pb2++5mmoL·L-1Ca2+

8.06±1.28b

0.54±0.04b

3.36±0.02c

0.22±0.04ab

Hoagland+100mg·L-1Pb2++10mmoL·L-1Ca2+

8.24±0.68a

0.65±0.02b

3.49±0.06ac

0.25±0.03ab

Hoagland+100mg·L-1Pb2++15mmoL·L-1Ca2+

7.62±0.33c

0.58±0.05b

3.40±0.08b

0.22±0.02ab

Hoagland+100mg·L-1Pb2++20mmoL·L-1Ca2+

6.30±2.28c

0.46±0.15b

3.21±0.17c

0.16±0.04b

Hoagland+100mg·L-1Pb2++25mmoL·L-1Ca2+

6.17±0.03c

0.46±0.03b

3.16±0.51c

0.14±0.03b

注：

不同小写字母表示不同处理间0.05水平差异显著（下同）。

2.2不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗SOD活性的影响　

如图1所示，100mg·L-1Pb2+单独处理时（B），玉米幼苗叶片及根的SOD酶活性明显低于对照（A），较对照苗降低了57.58%（叶）、58.92%（根）；与处理B相比，处理C和D分别增高了15.12%、55.43%，均显著高于B（P<0.05），其中10mmoL·L-1Ca2+处理的SOD酶活性达到最高。

多重比较结果表明，铅胁迫下不同浓度的Ca2+处理，低浓度Ca2+使SOD活性上升，高浓度Ca2+使SOD活性下降，呈现明显的剂量效应。

说明随着Ca2+处理浓度的增大，外源Ca的保护作用逐渐降低或消失。

图1不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗SOD活性影响

2.3不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗POD活性的影响

由图2可见，100mg·L-1Pb2+处理条件下，外源Ca可以明显提高玉米幼苗叶片及根中POD活性。

100mg·L-1Pb2+单独处理（B）和未经Pb2+诱导处理（A）的玉米幼苗叶片POD活性相比，处理B的POD活性较对照苗（A）降低了54.32%（叶）、51.27%（根）;经外源Ca处理后，各处理的POD活性先升高后降低。

与处理B相比，处理C、D、E叶片的POD活性分别升高了30.25%、36.01%、30.25%，多重比较结果表明，低浓度外源Ca使POD活性上升，高浓度外源Ca使POD性下降，呈现明显的剂量效应，以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。

说明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成的伤害作用。

图2不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗POD活性影响

2.4不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗CAT活性的影响

由图3可见，100mg·L-1Pb2+处理条件下，外源Ca可以明显提高玉米幼苗叶片及根中CAT活性。

100mg·L-1Pb2+单独处理（B）和未经Pb2+诱导处理（A）的玉米幼苗叶片CAT活性相比，处理B的CAT活性较对照苗（A）降低了了55.21%（叶）、84.36%（根）；经外源Ca处理后，各处理的CAT活性先升高后降低。

与处理B相比，处理C、D、E叶片的CAT活性分别升高了46.04%、87.72%、3.45%，多重比较结果表明，铅胁迫下不同浓度的外源Ca处理，低浓度外源Ca使CAT活性上升，高浓度外源Ca使CAT性下降，呈现明显的剂量效应，以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。

说明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成的伤害作用。

图3不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗CAT活性影响

2.5不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗蛋白质含量的影响

如图4所示，100mg·L-1Pb2+单独处理时（B），玉米幼苗叶片及根蛋白质含量明显低于对照（A），较对照降低了61.15%（叶）、59.1%（根）；与处理B相比，用不同浓度Ca2+处理后蛋白质含量均呈先上升后下降的趋势，其中处理C、D、E叶片的蛋白质含量较处理B分别增高了48.02%、55.58%、52.61%，均显著高于处理B（P<0.05），其中10mmoL·L-1Ca2+处里蛋白质的含量达到最高。

表明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成的伤害作用。

图4不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗蛋白质含量的影响

2.6不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响

如图5所示，100mg·L-1Pb2+单独处理时（B），玉米幼苗叶片及根的叶绿素含量明显低于对照（A），较对照苗降低了6.00%；与处理B相比，胁迫期间不同浓度Ca2+（叶片C、D）处理之间叶绿素有差别，分别增高了2.69%、4.20%，均显著高于B（P<0.05），其中10mmoL·L-1Ca2+处理的叶绿素含量达到最高。

多重比较结果表明，铅胁迫下不同浓度的Ca2+处理，低浓度Ca2+使叶绿素含量上升，高浓度Ca2+使叶绿素含量下降，呈现明显的剂量效应，以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。

说明随着Ca2+处理浓度的增大，外源Ca的保护作用逐渐降低或消失。

图5不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响

2.7不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗脯氨酸含量的影响

如图6所示，100mg·L-1Pb2+单独处理时（B），玉米幼苗叶片及根的脯氨酸含量明显低于对照（A），较对照降低了92.45%（叶）、77.97%（根）；与处理B相比，胁迫期间不同浓度Ca2+（叶片C、D）处理之间脯氨酸含量有差别，分别增高了86.12%（叶）、39.86%（根）；91.68%（叶）、69.40%（根），均显著高于处理B（P<0.05），其中10mmoL·L-1Ca2+处理的脯氨酸含量达到最高。

多重比较结果表明，铅胁迫下不同浓度的Ca2+处理，低浓度Ca2+使脯氨酸含量上升，高浓度Ca2+使脯氨酸含量下降，呈现明显的剂量效应，说明随着Ca2+处理浓度的增大，以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。

外源Ca的保护作用逐渐降低或消失。

图6不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗脯氨酸含量的影响

2.8不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗可溶性糖含量的影响

如图7所示，100mg·L-1Pb2+单独处理时（B），玉米幼苗叶片及根的可溶性糖含量明显低于对照（A），较对照苗降低了74.49%（叶）、31.95%（根）；与处理B相比，胁迫期间不同浓度Ca2+（叶片C、D）处理之间可溶性糖含量有差别，分别增高了50.33%（叶）、74.86%（根）；67.16%（叶）、89.19%（根），均显著高于B（P<0.05），其中10mmoL·L-1Ca2+处理的可溶性糖含量达到最高。

多重比较结果表明，铅胁迫下不同浓度的Ca2+处理，低浓度Ca2+使可溶性糖含量上升，高浓度Ca2+使可溶性糖含量下降，呈现明显的剂量效应，以10mmoL·L-1Ca2+浓度效果最好。

说明随着Ca2+处理浓度的增大，外源Ca的保护作用逐渐降低或消失。

图7不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗可溶性糖含量的影响

2.9不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗丙二醛含量的影响

如图8所示，100mg·L-1Pb2+单独处理时（B），玉米幼苗叶片细胞膜通透性明显高于对照（A），较对照苗增高了20.89%（叶）、30.61%（根）；与处理B相比，用不同浓度Ca2+处理后丙二醛含量均呈先下降后上升的趋势，其中处理C、D叶片的质膜透性较处理B分别降低了26.58%（叶）、21.09%（根）；62.03%（叶）、60.54%（根），均显著低于处理B，其中以10mmoL·L-1Ca2+处里丙二醛含量达到最低。

丙二醛含量的下降表明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成质膜受损的作用。

图8不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗丙二醛含量的影响

2.10不同浓度Ca2+对铅胁迫下玉米幼苗细胞膜通透性的影响

如图9所示，100mg·L-1Pb2+单独处理时（B），玉米幼苗叶片细胞膜通透性明显高于对照（A），较对照增加了32.36%；与处理B相比，用不同浓度Ca2+处理后蛋白质含量均呈先下降后上升的趋势，其中处理C、D叶片的质膜透性较处理B分别降低了14.91%、25.01%，均显著低于处理B，其中10mmoL·L-1Ca2+处理蛋白质的含量达到最低。

表明低浓度的外源Ca可以缓解铅胁迫造成质膜透性增大的作用。

图9不同浓度钙对铅胁迫下玉米幼苗细胞膜透性的影响

3讨论

铅（Pb）是危害植物生长发育的有害元素，植物生长在含Pb的土壤中，其很多代谢途径如光合作用、呼吸作用、色素合成、抗氧化酶活性等都会受到影响从而抑制植物的生长[22,23]。

钙（Ca）是植物生长发育必需的大量元素，外源Ca2+可以增强植物对许多非生物逆境的适应性，减轻逆境对植物所造成的伤害[24]。

本研究表明，100m