锰胁迫下小白菜幼苗渗透调节物质的动态变化

曾小飚 许光德 周福稳 尹洪辉

摘要 通过水培试验法研究锰胁迫下小白菜幼苗叶片内可溶性糖、可溶性蛋白质、游离脯氨酸等渗透调节物质含量的动态变化。结果显示，随着锰胁迫浓度的升高，小白菜可溶性糖含量先上升，然后慢慢趋于平稳；
可溶性蛋白含量呈不断下降的趋势；
游离脯氨酸含量呈先升高后下降的趋势。综合分析表明，在一定范围内，小白菜可通过主动调节可溶性蛋白质、可溶性糖、游离脯氨酸等物质含量来适应锰胁迫引发的渗透失衡，以减轻重金属的毒害作用。

关键词 小白菜；
锰胁迫；
渗透调节物质

中图分类号 S727.4   文献标识码 A

文章编号 1007-7731（2023）04-0065-03

重金属作为有毒物质进入土壤后会通过食物链进入到人体内，威胁人类健康。重金属对农作物生长造成的不利影响非常明显，严重时会导致农作物死亡。因此，农作物如何抵御重金属对自身的毒害已成为作物学家研究的热点。锰是生物毒性比较强的重金属之一。锰污染会抑制农作物对钙离子、镁离子等微量元素的吸收，影响农作物品质[1]。人体摄取过多的锰会引起慢性锰中毒，对免疫、生殖等系统产生一定程度的伤害，还伤害脑中枢神经系统，严重时表现为帕金森氏综合征和中毒性神经病[2]。

小白菜（Brassica chinensis）也称青菜、油菜，是我国老百姓喜食的主要蔬菜之一，种植面积大、范围广，主要栽培于长江中下游及其以南地区，近年来北方省份也有较大面积的引种栽培和推广[3]。笔者通过水培试验法研究锰胁迫下小白菜幼苗叶片内可溶性糖（SS）、可溶性蛋白质、游离脯氨酸（Pro）等渗透调节物质的动态变化，探讨小白菜对锰毒害的生理响应机制，为生态毒理学研究提供一些基础资料。

1 材料与方法

1.1 材料

小白菜品种为柳州牌黄秧四季甜小白菜，种子从百色人民市场种子店购得。

1.2 方法

先在沙盘内萌发种子，待芽长至5 cm后，移栽至1/2 Hoagland培养液进行无土培养。移栽7 d后，选择长势一致的小白菜幼苗分成6组，分别用含Mn2+浓度为0、30、60、120、240、300 mg/L的1/2 Hoagland培养液进行胁迫培养，以Mn2+浓度0为对照。每2 d更换1次胁迫液，Mn2+以MnCl2·4H2O提供，分别于胁迫4、8、12 d时取叶片进行生理指标测定。可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；
蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝法；
游离脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮法[3]。试验做3次重复，数据取平均值。

2 结果与分析

2.1 锰胁迫对小白菜叶片内可溶性糖（SS）含量的影响

可溶性糖包括绝大部分的单糖、寡糖，其含量的变化可以反映植物在逆境胁迫下的适应能力[4]。如图1所示，随着Mn胁迫浓度的增加，小白菜幼苗叶片中的可溶性糖含量总体上先上升然后趋于平稳。胁迫4 d的幼苗，Mn2+浓度在0～120 mg/L时，SS含量增幅比较明显，但Mn2+浓度大于120 mg/L后，SS含量增幅不大，基本趋于平稳。胁迫8和12 d的幼苗，Mn2+浓度在0～60 mg/L时，SS含量增幅比较明显；
Mn2+浓度大于60 mg/L以后，SS含量上升幅度不大，趋于平稳。而胁迫浓度为300 mg/L的幼苗胁迫到12 d时，幼苗已枯萎死亡。

2.2 锰胁迫对小白菜幼苗叶片中可溶性蛋白含量的影响

植物体中的蛋白质是多个氨基酸通过核糖体缩合而成的多肽链，蛋白质含量增加说明细胞中核糖体增多，合成多肽链效率增高，植物生长旺盛。反之，生长受到抑制。通过测定植物叶片中蛋白质含量，有助于了解植物生长状况和环境胁迫对植物生长的影响。如图2所示，小白菜幼苗在受到锰胁迫时，其叶片中的可溶性蛋白含量均比对照组低，随着Mn胁迫浓度的增加，呈不断下降的趋势。胁迫4与8 d的幼苗，可溶性蛋白含量下降幅度相似，呈缓慢下降的趋势，而胁迫12 d的幼苗下降幅度非常大。在各胁迫处理中，Mn2+浓度为30 mg/L时，小白菜幼苗叶片中的蛋白质含量表现为胁迫12 d>胁迫8 d>胁迫4 d；
Mn2+浓度为60 mg/L时，表现为胁迫8 d>胁迫12 d>胁迫4 d；
Mn2+浓度大于120 mg/L时，表现为胁迫8 d>胁迫4 d>胁迫12 d。从图2还可看出，胁迫浓度为300 mg/L的小白菜幼苗胁迫12 d后，小白菜幼苗叶片中的蛋白质几乎为0，小白菜幼苗已经死亡，而其他处理的小白菜幼苗还能生长。

2.3 锰胁迫对小白菜幼苗叶片中游离脯氨酸含量的影响

脯氨酸（Pro）是植物蛋白质的组分之一，以游离状态广泛存在于植物体中。在逆境下，许多植物体内Pro大量积累。植物体内Pro含量在一定程度上反映了植物的抗逆性，抗逆性强的品种往往積累较多的Pro。如图3所示，锰胁迫小白菜幼苗后，叶片中的脯氨酸含量随着Mn胁迫浓度的增加，呈现出先上升后下降的趋势，各处理组Pro含量都比对照组高。胁迫12、8、4 d的幼苗Pro含量均在胁迫浓度为240 mg/L时达到最大值，分别比对照组增高了154.34%、71.58%、117.63%。当Mn2+胁迫浓度超过240 mg/L后，小白菜幼苗叶片中的Pro含量开始下降，胁迫12 d的幼苗下降幅度明显比胁迫8和4 d的大。

3 结论与讨论

作物在受到逆境胁迫如重金属胁迫时，会导致细胞内外渗透压失衡而失水，但植物体可通过渗透调节物质来抵御逆境胁迫带来的伤害。植物细胞内的渗透调节物质有可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸等，它们可调节细胞与外界的水势平衡，保护质膜及代谢酶的活性，从而维持细胞正常的生理机能[5]。

可溶性糖在植物体内充当能量物质的存储与转移介质以及结构物质和功能分子。但植物处在逆境环境时，可溶性糖充当渗透调节物质，在细胞渗透平衡调控中起着重要的作用。可溶性糖的提高有助于维持细胞的新陈代谢，从而提高植物的抗逆境胁迫能力。该试验中，随着锰胁迫浓度的升高，小白菜SS含量先是上升，然后慢慢趋于平稳水平。推测是小白菜在锰胁迫逆境下，SS的运输受到抑制，不能及时运走叶片中合成的碳水化合物，从而导致植物叶片中可溶性糖累积量增加。机体适量积累SS，可以降低自身细胞渗透势，维持在高渗环境下的吸水能力，从而保持细胞代谢的稳定[6]。这说明小白菜在逆境下具备一定的自我调节及适应能力。随着胁迫浓度的增加、胁迫时间的延长，Mn对小白菜的毒害作用也加强，超过机体的抵御能力，最终还是导致其受到毒害死亡。

可溶性蛋白是检测植物代谢生理状态的一项指标，也是机体抵抗逆境伤害的渗透调节物质之一。该试验中，Mn胁迫处理小白菜后，其叶片中蛋白质含量均比对照组低，说明抑制了叶片中蛋白质的合成，可以推断Mn2+的存在抑制了小白菜的生长发育。试验中小白菜受Mn胁迫后，叶片内可溶性蛋白含量随着锰胁迫浓度的升高呈下降趋势，与熊韬等[6]研究盐碱胁迫甜瓜幼苗的结果相似。不过小白菜胁迫4与8 d的幼苗下降幅度较小，而胁迫12 d的下降幅度非常大。研究认为逆境下植物体内参与蛋白质合成的相关酶活性会受到抑制，使得正常的蛋白合成过程受阻，同时会使蛋白质降解的速度加快，从而引发蛋白质含量的下降[6]。

脯氨酸是植物体内抵御逆境的氨基酸中最有效的渗透调节物质[7]。在锰胁迫下，脯氨酸含量的提高对植物适应逆境有着重大意义。该试验中，Mn胁迫浓度从0 mg/L增加到240 mg/L过程中，小白菜叶片中的Pro含量逐渐升高，与Mn胁迫浓度呈正相关关系。这可能是由于锰离子的刺激抑制了蛋白质的合成，而促进了脯氨酸的合成，使得脯氨酸含量增加，也有可能是由于锰胁迫使细胞内脯氨酸氧化酶减少而导致脯氨酸氧化分解变慢，脯氨酸含量增加[8-9]。总之，在一定浓度的Mn2+刺激下，植物体能够通过不断累积渗透物质如提高脯氨酸含量来参与渗透调节，从而保持了细胞正常的水势平衡，小白菜即以此抵御重金属胁迫带来的伤害。该试验中，当Mn胁迫浓度超过240 mg/L后小白菜叶片中的Pro含量呈下降趋势，且胁迫12 d的下降幅度比胁迫8和4 d的要大。Mn胁迫浓度为300 mg/L下的小白菜幼苗，胁迫12 d后中毒死亡。推测是因为植物体内脯氨酸含量的增长有一定限度，表明渗透调节能力有限，因此金属锰浓度过高、胁迫时间过长时会对植物产生毒害致死作用。

综上所述，在一定范围内，小白菜可通过主动调节可溶性蛋白质、可溶性糖、游离脯氨酸等物质含量来适应锰胁迫引发的渗透失衡，以减轻重金属的毒害作用。

4 参考文献

[1] 段海风，刘四喜，郭志强，等.锰胁迫对商陆生长和吸收钙、镁、铁、锌二价离子的影响[J].湖南农业科学，2012（19）：71-74.

[2] 胡存丽，邵文.我国锰毒性研究现况[J].卫生毒理学杂志，2000，14（3）：185-187.

[3] 张志良，瞿伟菁.植物生理学实验指导（第3版）[M].北京：高等教育出版社.2003.

[4] 李德生，何安，彭玲，等.重金属对日本楤木内渗透调节物质的影响[J].江苏农业科学，2018，46（1）：101-104.

[5] 陈璐，张小丽，高柱，等.喷施硝酸镧对脐橙叶片渗透调节物质的影响[J].中国农学通报，2021，37（29）：114-119.

[6] 熊韬，闫淼，王江涛，等.盐碱胁迫对甜瓜幼苗渗透调节物质的影响[J].浙江农业科学，2021，62（12）：2430-2434.

[7] 王玮，吴传万，王欣，等.外源脯氨酸对盐胁迫下萝卜幼苗生长、抗氧化酶活性及渗透调节物质积累的影响[J].江西农业学报，2019，31（3）：51-56.

[8] 費小红，安保光，赵宝华，等.类胡萝卜素参与水稻抗氧化胁迫的研究进展[J].现代农业科学，2009，1：22-23.

[9] 李玲.植物抗非生物逆境分子机理研究[J].湖南科技学院学报，2012，33（9）：173-175.

（责编：王慧晴）

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