砷(As)是一种毒性很强的类金属元素, 被世界卫生组织列为“人类致癌物质”(Aposhian, 1989), 同时也是食品质量安全的重要卫生指标.As污染和毒害根据其形态可以分为有机As和无机As污染, 有机As无毒或毒性较小, 无机As毒性较强, 以砷酸盐As(V)和亚砷酸盐As(Ⅲ)两种形态存在, 这两种形态As对植物的毒害机理不同.随着人类活动的日益加剧, 如煤的燃烧、含As金属矿山的开采和含砷化物农药的过量投入等, 导致农田土壤As污染日益严重(Li et al., 2014;Zhao et al., 2015).研究发现, 国内的湖北、山西、内蒙古等地均存在不同程度的As污染(Brammer et al., 2009).
硒(Se)是人体不可缺少的微量元素, 在维持人类免疫功能和降低癌症风险等方面起着重要的作用(Zeng, 2002).Se也是植物生长所需的元素, 它与植物之间存在剂量效应, 在一定浓度范围内具有促进植物生长发育、提高作物产量与品质、促进植物新陈代谢、增强植物抗氧化和抗逆性的作用, 这种促进作用与植物种类和环境中As的浓度有关(郭文慧等, 2016;刘芳等, 2016).近年来, 国内外专家学者围绕Se对植物在重金属吸收、富集和转运方面的影响开展了大量研究(彭玲等, 2015;Prado et al., 2010).已有研究表明, Se能有效控制植物对重金属的吸收, 特别是低浓度的Se对缓解植物重金属污染具有显著作用(张海英等, 2011; 胡莹等, 2013; Qing et al., 2015).研究指出, 低浓度的Se可以通过减少植物根系中As向叶片的转移来抑制植物叶片对As的吸收(Feng et al., 2009).陈海珍等(2001)曾报道Se-As存在拮抗效应, 可能是由于As大多以阴离子形式存在(AsO33-、AsO42-), Se也以阴离子形式存在(SeO32-、SeO42-), 两者在结构上相似, 可能有类似的植物吸收机制.一定浓度的Se可以降低植物中As的积累, 如蜈蚣草、绿豆、水稻, 也可以增加植物对As的吸收和毒性, 如黑眼花(Kumar et al., 2013;Bluemlein et al., 2009).
近年来国内外关于Se对植物生长影响的研究非常多, 但Se对As胁迫下植物吸收As影响的研究相对较少.小白菜(Brassica chinensis L.)属花科芸薹属, 为一年生草本植物, 在全国各地被广泛种植, 是一种最普遍的食用叶菜类蔬菜品种, 且小白菜对Se具有较强的吸收和耐受力(段曼莉等, 2011).为此, 本研究以小白菜为试验对象, 采用水培盆栽方式, 探讨在As胁迫下添加外源Se对小白菜生长、抗氧化系统、As吸收的影响和作用, 以期为减缓与控制蔬菜As污染提供参考.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 试验材料与设计供试小白菜(Brassica chinensis L.)品种为早甜快菜, 由山西晋满丰种业有限公司提供.供试Se为Na2SeO3, As为Na3AsO4 · 12H2O, 试验中所用试剂均为分析纯.
将小白菜种子先用0.1% KMnO4消毒10 min, 然后用去离子水清洗干净.把种子播在营养钵里育苗, 待根长为2~3 cm时移栽至盛有1 L 1/4营养液(Hoagland et al., 1950)的聚乙烯盆(12 cm×12 cm, 直径×高)中进行缓苗, 换成1/2营养液培养1周, 之后进行全营养液培养, 观察幼苗生长良好时开始处理.营养液的pH值用酸或碱调节至5.8.试验设3个As水平, 分别为0、40和80 mg · L-1(分别表示为As0、As40、As80);5个Se水平, 浓度分别为0、1、2、4、8 mg · L-1(分别表示为Se0、Se1、Se2、Se4、Se8);共15个处理, 每个处理设6次重复, 每3 d换1次营养液.小白菜培养15 d后收获测定相关指标.收获时, 根系在20 mmol · L-1乙二胺四乙酸钠(Na2-EDTA)溶液中浸泡3 h去除表面粘附的盐类, 然后分别用自来水、蒸馏水和去离子水冲洗干净, 分为地上部和根两部分.测定株高、根长及酶活性;植物样品于105 ℃杀青30 min, 60 ℃烘干至恒重, 称量地上部和地下部干重, 并测定植株样品中As含量.
2.2 测定指标与方法叶绿素含量的测定参照Lichtenthaler(1987)的方法, SOD、POD和CAT活性测定参照Tan等(2008)的方法, MDA含量的测定参照Hodges等(1999)的方法;植物样品As含量用原子荧光法测定(马丽等, 2013).
2.3 数据分析采用SPSS16.0和Excel2010进行数据分析和统计分析, 用Origin8.5软件绘图.
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 外源Se对As胁迫下小白菜生长的影响由表 1可知, 单一As处理显著抑制了小白菜的生长, 表现为As40和As80处理下小白菜株高较对照分别下降了21.8%和33.1%, As40和As80处理下小白菜根长较对照分别下降了57.1%和63.3%;小白菜地上部干重随外源As浓度的增加分别降低了44.7%和62.7%, 地下部干重分别下降了27.3%和63.8%.单一Se处理下, 小白菜株高、根长、地上部干重及地下部干重均随Se浓度的增加先升高后下降.其中, Se2处理下小白菜株高、根长较对照分别提高了19.0%和16.0%, 小白菜地上部干重、地下部干重分别比对照提高了37.5%和35.6%.不同浓度As胁迫下, 小白菜株高、根长、地上部干重和地下部干重随Se浓度的增加呈现先升高后下降的趋势.其中, As浓度为40 mg · L-1时, 2 mg · L-1 Se的缓解效果最为显著.与40 mg · L-1 As处理相比, 施用2 mg · L-1 Se小白菜株高、根长、地上部干重和地下部干重分别提高了18.7%、28.9%、73.6%和27.0%, 说明适量的Se对As胁迫处理有一定的解毒作用.
由表 2可知, 单一As处理下, 小白菜叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素的含量随As浓度的增加而降低.叶绿素a/b的变化不同于叶绿素a、叶绿素b, 叶绿素a/b随As浓度的增加呈先升高后降低的趋势.单一Se处理下, 小白菜叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量随着Se浓度的增加先升高后下降.其中, Se2处理下小白菜叶绿素a、叶绿素b含量较对照分别提高了31.7%、21.1%, 小白菜类胡萝卜素和总叶绿素含量较对照分别提高了28.6%和29.1%.不同浓度As胁迫下, 小白菜的叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量随Se浓度的增加先升高后下降.As浓度为40 mg · L-1时, 2 mg · L-1 Se的缓解效果明显.小白菜叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和总叶绿素含量较单一As处理分别提高了20.1%、26.0%、40.0%和21.0%,说明适量的Se对As胁迫下叶绿素的合成有一定的缓解作用.
由图 1可知, 与对照相比, 随着As浓度的增加, 小白菜叶片和根中MDA含量(以鲜重计)显著增加, As浓度越高, 小白菜细胞膜膜脂过氧化程度越严重.单一Se处理下, 小白菜叶片和根中MDA含量随着Se浓度的增加先下降后升高, 且在Se2处理下小白菜叶片和根中MDA含量分别比对照降低了33.7%和47.0%.不同浓度As胁迫下, 小白菜叶片和根中MDA含量随Se浓度的增加先下降后升高.与40 mg · L-1 As处理相比, 施用2 mg · L-1 Se的小白菜叶片和根中MDA含量分别降低了6.82%和12.4%, 表明外源Se能够缓解As胁迫对膜脂的过氧化损伤.
正常情况下, 植物体内活性氧的产生和清除处于一个动态平衡中.但在重金属胁迫下, 植物体内活性氧自由基产生的速度超出了植物清除活性氧自由基的能力, 导致膜脂过氧化、细胞膜损伤, 植物遭受伤害.而植物体内以SOD、POD和CAT为主的酶促抗氧化系统均可在一定范围内清除过多的活性氧自由基, 保护细胞免受毒害.如图 2所示, 随着As浓度的增加, 小白菜叶片和根中的SOD、POD和CAT的含量(均以鲜重计)均表现为增加趋势.As40处理下小白菜叶片和根中SOD含量分别比对照高11.7%、21.9%, POD含量分别比对照高12.6%、15.3%, CAT含量分别比对照高24.0%、27.9%.As80处理下小白菜叶片和根中SOD含量分别比对照高18.1%、27.8%, POD含量分别比对照高33.2%、27.0%, CAT含量分别比对照高35.7%、44.9%.
单一Se处理下, 小白菜叶片和根中SOD、POD和CAT的含量随着Se浓度的增加先下降后升高.其中, Se2处理下SOD、POD和CAT的含量达到最低.不同浓度As胁迫下, 小白菜叶片和根中SOD、POD和CAT的含量随Se浓度的增加呈先下降后升高的趋势.其中, As浓度为40 mg · L-1时, 2 mg · L-1 Se的缓解效果最为显著.与40 mg · L-1 As处理相比, 施用2 mg · L-1 Se小白菜叶片中SOD、POD和CAT的含量分别降低了11.6%、14.4%、19.7%, 小白菜根中SOD、POD和CAT的含量分别降低了17.1%、16.1%、21.2%.说明一定浓度的Se能通过维持SOD、POD和CAT的活性来缓解As胁迫对小白菜体内ROS代谢的影响.
3.3 外源Se对As胁迫下小白菜As吸收的影响由图 3可知, 小白菜地上部和地下部As含量(以干重计)均随As浓度的增加而增加.一定As浓度下, 小白菜地上部和地下部As含量随外源Se浓度的增加先减少后增加, 在Se浓度为2 mg · L-1时达到最低, 表明施加一定浓度的Se降低了As污染条件下地上部As含量.小白菜地下部As含量均高于地上部, 表明As更容易在小白菜根部积累.
外源Se对植物的影响与植物的种类和Se的剂量有关, 在一定浓度范围内对植物生长有促进作用, 浓度过量则会阻碍植物生长(Guerrero et al., 2014).本研究证实一定浓度的Se对小白菜株高、根长及生物量有促进效应.叶绿素含量的高低决定了植物光合作用的水平, 该指标常作为植物抗逆性评价体系中植物在胁迫处理下对外界刺激的响应.本研究发现, 一定浓度的Se促进了小白菜叶绿素的合成, 而高浓度Se却抑制了叶绿素的合成.
植物在逆境条件下, 体内产生大量的活性氧自由基, 这些自由基能与脂类、蛋白质和核酸等大分子发生作用, 引起膜脂过氧化、细胞膜损伤和酶失活.以SOD、POD和CAT为主的酶促抗氧化系统在一定范围内能有效清除过多的活性氧, 保护细胞免受毒害, 维持机体代谢平衡.MDA是生物膜中不饱和脂肪酸分解后的一种产物, 能加剧膜的损伤, 影响线粒体呼吸链复合物及线粒体内关键酶的活性, 导致蛋白质、核酸等大分子聚合(朱健等, 2016).本研究表明, 施加Se处理后, 小白菜叶片和根中SOD、POD和CAT均有不同程度的降低, 其原因可能是添加外源Se后, Se取代半胱氨酸中硫的位置转变为硒代半胱氨酸, 成为GPx的活性中心, 提高了GPx的活性(Ercal et al., 2002), 从而可以有效地清除由于As毒害而产生的活性氧自由基, 导致小白菜SOD、POD和CAT活性较不施Se处理低, 同时MDA含量下降.另外, Se可能作为诱导物启动植物抗氧化系统的表达(Srivastava et al., 2009), 保护小白菜免受氧化伤害.
前人对水稻、紫花苜蓿有关重金属胁迫毒害的研究表明, 施加一定浓度的外源Se对重金属的累积产生了明显的拮抗作用, 降低了重金属在作物地上部的含量, 这可能与Se能抑制重金属在作物中向地上部的迁移和转运有关(陈利云等, 2016; Hu et al., 2014).Tu等(2003)的研究表明, 当Se的浓度低于2.5 mg · L-1时, As浓度的增加会促使凤尾蕨根部对Se的吸收, 刺激Se从凤尾蕨根部转运到叶片中, 过量的Se会抑制As从根部向叶片中的转运;相反, 当Se的浓度高于2.5 mg · L-1时, As会抑制凤尾蕨根部对Se的吸收.本研究发现, Se能显著降低小白菜植株As的含量, 进一步证明Se对小白菜促进作用明显, 与As产生拮抗作用, 抑制小白菜对As的吸收及向地上部转运, 缓解As对小白菜的毒害, 因此, 在实践中可以利用Se调控植物对As的吸收.
5 结论(Conclusions)As胁迫对小白菜产生了一定程度的毒害作用, 且浓度越高, 毒害作用越明显.不同浓度的Se对小白菜毒害作用的缓解程度不同, 并不是Se浓度越高缓解作用越好, 本研究结果表明, 低浓度Se (≤2.0 mg · L-1)促进小白菜的生长, 高浓度Se(≥4.0 mg · L-1)抑制小白菜的生长.低浓度Se可以通过促进叶绿素的合成、增强抗氧化能力来促进小白菜的生长, 同时, 通过降低地上部对As的吸收来缓解As对小白菜的毒害.
Aposhian H V.1989.Biochemical toxicology of arsenic[A]//Hodgson E, Bend J R, Philpot R M.Reviews in biochemical toxicology[C].New York:Elsevier.265-299
|
Bluemlein K, Raab A, Feldmann J. 2009. Stability of arsenic peptides in plant extracts:off-line versus on-line parallel elemental and molecular mass spectrometric detection for liquid chromatographic separation[J]. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 393(1): 357–366.
DOI:10.1007/s00216-008-2395-z
|
Brammer H, Ravenscroft P. 2009. Arsenic in groundwater:A threat to sustainable agriculture in South and South-east Asia[J]. Environmental International, 35(3): 647–654.
DOI:10.1016/j.envint.2008.10.004
|
陈海珍, 陈志澄, 刘士哲, 等. 2001. 硒与砷在植物中相互作用的实验研究[J]. 农业环境科学学报, 2001, 20(2): 9l–93.
|
陈利云, 王弋博, 李三相, 等. 2016. 硒元素对铅、汞胁迫下紫花苜蓿生长的影响[J]. 中国草地学报, 2016, 38(5): 109–114.
|
段曼莉, 胡斌, 梁东丽, 等. 2011. 4种蔬菜对硒酸盐的吸收、富集与转运特征的研究[J]. 农业环境科学学报, 2011, 30(3): 422–428.
|
Ercal N, Gurer Orhan H, Aykin Burns N. 2001. Toxic metals and oxidative stress part I:Mechanisms involved in metal-induced oxidative damage[J]. Current Topics in Medicinal Chemistry, 1(6): 529–539.
DOI:10.2174/1568026013394831
|
Feng R W, Wei C Y, Tu S X, et al. 2009. Interactive effects of selenium and arsenic on their uptake by Pteris vittata L.under hydroponic conditions[J]. Environmental & Experimental Botany, 65(3): 363–368.
|
郭文慧, 刘庆, 史衍玺. 2016. 施硒对紫甘薯硒素累积及产量和品质的影响研究[J]. 中国粮油学报, 2016, 31(9): 31–37.
|
Guerrero B, Llugany M, Palacios O, et al. 2014. Dual effects of different selenium species on wheat[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 83: 300–307.
DOI:10.1016/j.plaphy.2014.08.009
|
Hoagland D R, Arnon D I. 1950. The water-culture method for growing plants without soil[J]. California Agricultural Experiment Station Circular, 347: 1–32.
|
Hodges D M, Delong J M, Forney C F, et al. 1999. Improving the thiobarbituric acid-reactive-substances assay for estimating lipid peroxidation in plant tissues containing anthocyanin and other interfering compounds[J]. Planta, 207(4): 604–611.
DOI:10.1007/s004250050524
|
Hu Y, Duan G L, Huang Y Z, et al. 2014. Interactive effects of different inorganic As and Se species on their uptake and translocation by rice (Oryza sativa L.) seedlings[J]. Environmental Science and Pollution Research, 21: 3955–3962.
DOI:10.1007/s11356-013-2321-6
|
胡莹, 黄益宗, 刘云霞. 2013. 砷-硒交互作用对水稻吸收转运砷和硒的影响[J]. 环境化学, 2013, 32(6): 952–958.
DOI:10.7524/j.issn.0254-6108.2013.06.005 |
Kumar N, Mallick S, Yadava R N, et al. 2013. Co-application of selenite and phosphate reduces arsenite uptake in hydroponically grown rice seedlings:toxicity and defence mechanism[J]. Ecotoxicology & Environmental Safety, 91(2): 171–179.
|
Lichtenthaler H K. 1987. Chlorophylls and carotenoids:pigments of photosynthetic biomembranes[J]. Methods in Enzymology, 148(1): 350–382.
|
Li Y Y, Wang H B, Wang H J, et al. 2014. Heavy metal pollution in vegetables grown in the vicinity of a multi-metal mining area in Gejiu, China:Total concentrations, speciation analysis, and health risk[J]. Environmental Science and Pollution Research, 21(21): 12569–12582.
DOI:10.1007/s11356-014-3188-x
|
刘芳, 周乾坤, 周守标, 等. 2016. 施硒对紫云英生长、生理和硒积累特性的影响[J]. 土壤通报, 2016, 47(1): 129–136.
|
马丽, 王海娟, 杨晓燕, 等. 2013. Fe3+对3种水生植物吸收不同形态砷的影响[J]. 农业环境科学学报, 2013, 32(6): 1111–1121.
|
彭玲, 贾芬, 田小平, 等. 2015. 硒对油菜根尖镉胁迫的缓解作用[J]. 环境科学学报, 2015, 35(8): 2597–2604.
|
Prado C, Rodríguezmontelongo L, Gonzálea J A, et al. 2010. Uptake of chromium by Salvinia minima:Effect on plant growth, leaf respiration and carbohydrate metabolism[J]. Journal of Hazardous Materials, 177(1/3): 546–553.
|
Qing X J, Zhao X H, Hu C X, et al. 2015. Selenium alleviates chromium toxicity by preventing oxidative stress in cabbage (Brassica campestris L.ssp.Pekinensis) leaves[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety, 114: 179–189.
DOI:10.1016/j.ecoenv.2015.01.026
|
Srivastava M, Ma L Q, Rathinasabapathi B, et al. 2009. Effects of selenium on arsenic uptake in arsenic hyper accumulator Pteris vittata L[J]. Bioresource Technology, 100: 1115–1121.
DOI:10.1016/j.biortech.2008.08.026
|
Tu C, Ma L Q, Zhang W, et al. 2003. Arsenic species and leachability in the fronds of the hyperaccumulator Chinese brake(Pteris vittata L.)[J]. Environmental Pollution, 124(2): 223–230.
DOI:10.1016/S0269-7491(02)00470-0
|
Tan W, Liu J, Dai T, et al. 2008. Alterations in photosynthesis and antioxidant enzyme activity in winter wheat subjected to post-anthesis water-logging[J]. Photosynthetica, 46(1): 21–27.
DOI:10.1007/s11099-008-0005-0
|
Zeng H W. 2002. Selenite and selenomethionine promote HL-60 cell cycle progression[J]. The Journal of Nutrition, 132(4): 674–679.
|
朱健, 王平, 夹书珊, 等. 2016. 旱柳(Salix matsudana Koidz)对Pb的耐性、富集、转运与胁迫响应研究[J]. 环境科学学报, 2016, 36(10): 3876–3886.
|
Zhao F J, Ma Y B, Zhu Y G, et al. 2015. Soil contamination in China:Current status and mitigation strategies[J]. Environmental Science & Technology, 49(2): 750–759.
|
张海英, 韩涛, 田磊, 等. 2011. 草莓叶面施硒对其重金属镉和铅积累的影响[J]. 园艺学报, 2011, 38(3): 409–416.
|