外源硫化氢对铝胁迫下水稻幼苗生长及生理生化的影响

孟丹+刘玲+陈露+周思敏+安敏敏+罗玉明+杨立明

摘要：探究硫化氢（H2S）对铝胁迫下水稻幼苗生长的影响，以硫氢化钠（NaHS）作为硫化氢的供体，分别采用0.2、0.4 mmol/L NaHS，75 μmol/L AlCl3，75 μmol/L AlCl3与0.2 mmol/L NaHS，75 μmol/L AlCl3与0.4 mmol/L NaHS处理水稻幼苗。结果表明，低浓度铝离子对水稻幼苗根的生长产生明显的抑制效果，株高、根长、鲜重、干重和生物量均下降，叶片叶绿素含量，可溶性蛋白含量和SOD活性下降。而H2S供体NaHS能够显著缓解AlCl3的胁迫作用，其中 0.4 mmol/L NaHS缓解AICl3胁迫的效果最为显著。

关键词：水稻；铝胁迫；硫化氢；生物量；生理生化指标

中图分类号： S511.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）06-0063-03

收稿日期：2013-09-11

基金项目：江苏省农业科技自主创新资金[编号：CX（12）3048]；淮阴师范学院生命科学学院大学生实践创新训练计划（编号：201210323006）；国家级及江苏省高等学校大学生实践创新训练计划（编号：2012JSSPITP2485）。

作者简介：孟丹（1992—），女，江苏淮安人，研究方向为植物资源与生物技术。E-mail：chenlu1201@163.com。

通信作者：杨立明，博士，副教授，研究方向为植物生物技术。E-mail：yanglm@hytc.edu.cn。土壤中重金属对作物的生长发育产生了严重的不良影响，而铝对植株产生的毒害主要表现在根尖的伸长生长受到明显抑制[1-2]，根变得粗短而脆，根冠易于脱落，表皮脱落，侧根变粗短，分枝根变少，根毛易脱落，根的生物量有一定程度的降低[3]。根尖受到铝的毒害并被铝富集，根系的生长受抑制，影响水分和养料（钙、镁、磷等）的吸收、运输和利用[4-6]，最终影响了作物的产量和品质。

Jan等采用高浓度Al（560 pmol/L）处理敏感水稻品种时，不仅根相对较短，根尖易卷曲，短粗，而且叶子短小、卷曲、枯萎变黄[7]。铝毒害最主要的症状就是快速抑制了根的伸长生长[8]，Yamamoto等研究发现富集在细胞中的铝很快就抑制了线粒体的活性，线粒体功能紊乱，从而产生大量的活性氧（ROS）、显著抑制细胞的呼吸作用以及ATP合成严重受阻[9]。何龙飞等也证明铝胁迫造成花生根系细胞中线粒体膜发生脂质过氧化，导致氧自由基和丙二醛（MDA）的大量积累，SOD和POD活性的上升[10]。也有研究认为铝可直接造成膜脂的过氧化作用[11]。植物体内存在着一套抗氧化系统，用来控制活性氧水平，它包括专性的抗氧化酶类，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等，以及非专性的抗氧化物，如谷胱甘肽（GSH）、抗坏血酸（ASA）、维生素E等[12]。

硫化氢（H2S）作为植物体内的一种气体信号分子，在作物生长发育过程中发挥重要的作用。相关研究表明，H2S参与调节种子萌发、根和叶片发育、气孔运动、光合作用、物质代谢、衰老等植物生长发育过程，并可以有效地缓解植物体应答盐、高温、渗透、干旱等非生物胁迫的损伤[13]。

本研究拟采用信号分子硫化氢的供体硫氢化钠处理铝胁迫下的水稻幼苗，观察幼苗表型、生理生化指标的变化，以明确硫化氢对铝胁迫下水稻生长发育的影响。

1材料与方法

1.1材料及试验设计

选用水稻品种为kasalath。挑选颗粒饱满、大小一致的种子，洗净后用水浸泡，然后在26～28 ℃温箱中保温催芽，挑出露白一致的种子播于纱网上，将催芽4～6 d的幼苗，即当苗长至1叶1心时，选择长势均匀的幼苗，用海绵松松地包裹，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营养液塑料箱中培养，在HP1000GS型智能人工气候箱中培养。昼/夜温度分别为28、26 ℃，RH为70%～80%。幼苗适应生长1 d后，进行处理分别为CK（对照），A：0.2 mmol/L NaHS；B：0.4 mmol/L NaHS；C：75 μmol/L AlCl3；D：75 μmol/L AlCl3与0.2 mmol/L NaHS；E：75 μmol/L AlCl3与 0.4 mmol/L NaHS，共6个处理，每个处理60株苗，每处理3个重复，每2 d更换1次培养液，共处理3次。

1.2植株性状

取不同处理的水稻幼苗各10株，测量株高及根长，每隔1 d测量1次。处理后6 d取样，用吸水纸吸干表面水分，分析天平称鲜质量。将称完鲜质量后的幼苗放在报纸中包好，在105 ℃条件下杀青15 min后于75 ℃烘干至恒重，称干质量。计算根冠比：

根冠比=地下部鲜质量（g）/地上部鲜质量（g）。

1.3生理指标的测定

叶绿素含量的测定：采用乙醇丙酮浸提比色法[14]；可溶性蛋白含量的测定：考马斯蓝染色结合法[15]；超氧化物歧化酶 （SOD）活性测定：采用NBT还原法测定SOD活性[15-16]。

1.4数据处理

用SPSS 16.0 软件进行数据统计分析。

2结果与分析

2.1铝胁迫条件下水稻幼苗形态对H2S的反应

2.1.1H2S对铝胁迫条件下水稻幼苗株高和根长的影响在单独NaHS处理时，均可促进水稻幼苗株高和根长的生长，0.2、0.4 mmol/L NaHS处理4 d后，株高分别增加20.94%、58.28%，根长分别增加14.63%、31.25%，表明0.4 mmol/L NaHS可显著促进幼苗的生长，尤其是地上部的生长（图1至图3）。在铝单独处理下，幼苗生长量与对照相比，株高下降3808%，根长下降11.13%，表明铝处理可严重影响地上部的生长。当用0.2、0.4 mmol/L NaHS处理铝胁迫下的水稻幼苗，与铝单独处理比较时，株高分别增加25.67%、881%，根长分别增加2.95%、16.36%，表明0.4 mmol/L NaHS能够显著缓解铝对水稻幼苗的毒害，使地上部的生长接近正常值，恢复幼苗的生长能力，但对根部的生长缓解效果不显著。

2.1.2H2S对铝胁迫条件下水稻幼苗根冠比的影响在单独NaHS处理幼苗时，NaHS能够显著提高根冠比，特别是 0.4 mmol/L NaHS处理的根冠比与对照比较，增加42.81%，表明0.4 mmol/L NaHS显著促进了根部生物量的积累。在铝单独处理下，幼苗的根冠比与对照比较，下降4114%，说明铝严重影响根系的生长和生物量的积累，进而影响地上部的生长。0.2、0.4 mmol/L NaHS处理铝胁迫下幼苗的根冠比比铝单独处理时，分别增加61.71%、93.72%，说明 0.4 mmol/L NaHS可显著缓解铝对幼苗根系生长的胁迫，幼苗生长趋于正常值（图4）。

2.1.3H2S对铝胁迫条件下水稻幼苗生物量的影响从图5可以看出，在单独NaHS处理幼苗时，0.2、0.4 mmol/L NaHS处理的生物量与对照比较，叶片的生物量分别增加10.80%，23.24%，根生物量分别增加17.56%、37.16%，表明 0.4 mmol/L NaHS对幼苗生长的促进作用更好。与对照比较，在铝单独处理下，水稻叶片幼苗的生物量下降9.00%，表明铝对幼苗地上部的生长产生毒害作用，影响水稻幼苗的生理代谢。用0.2、0.4 mmol/L NaHS处理铝胁迫下的水稻幼苗，与铝单独处理时比较，叶片生物量分别增加4.74%、1343%，表明 0.4 mmol/L NaHS可显著缓解铝对幼苗地上部生长的胁迫。

2.2H2S缓解铝条件胁迫条件下水稻幼苗生理指标的效应

2.2.1H2S对铝胁迫条件下水稻叶片叶绿素含量的影响由图6可知，在单独NaHS处理时，0.2、0.4 mmol/L NaHS处理叶绿素含量比对照分别增加24.37%、38.73%，方差分析表明前者差异不显著，后者差异显著，表明0.4 mmol/L NaHS可有效促进水稻幼苗的光合作用，增加叶绿素含量。

在铝单独处理条件下，水稻幼苗叶绿素含量比对照下降41.25%，处理间差异极显著，表明铝处理导致叶绿素的合成严重受阻，使叶绿体内的类囊体降解，大大降低了光合作用。

当用0.2、0.4 mmol/L NaHS处理铝胁迫下的水稻幼苗，叶绿素含量比铝单一处理时分别增加2.56%，65.35%，前者差异不显著，后者差异显著，表明0.4 mmol/L NaHS能够显著缓解铝对水稻幼苗的毒害，叶绿素含量增加，增强了光合作用

的效率。

2.2.2H2S对铝胁迫条件下水稻幼苗可溶性蛋白含量的影响在单一NaHS处理时，0.2、0.4 mmol/L NaHS处理幼苗的可溶性蛋白含量比对照分别增加3.61%、15.84%，处理间差异不显著，表明 NaHS能够促进蛋白质的合成，但效果不显著）。

在铝单一处理下，水稻幼苗可溶性蛋白含量比对照下降30.79%，处理间差异显著，表明在铝胁迫下，蛋白质的合成显著受阻，分解加快，含量降低。

当用0.2、0.4 mmol/L NaHS处理铝胁迫下的水稻幼苗，蛋白质含量比铝单一处理时分别增加2.89%、21.40%，处理间差异不显著，表明NaHS能缓解铝对幼苗的毒害，但效果不显著。

2.2.3H2S对铝胁迫条件下水稻幼苗SOD活性的影响由图8可看出，在单一NaHS处理时，0.2、0.4 mmol/L NaHS处理幼苗的SOD活性比对照分别增加52.92%、9.90%，前者差异显著，后者差异不显著，说明0.4 mmol/L NaHS处理水稻幼苗比较合理，可有效提高植株生长效率的同时对植株的拮抗作用最小。

在铝单一处理下，水稻幼苗SOD活性比对照下降3564%，处理间差异不显著，说明在铝胁迫下，植株体内活性氧自由基产生的速度超出了植物清除自由基的能力，破坏了水稻体内的保护酶系统，使SOD活性降低，最终使 O-2· 和H2O2活性氧在体内积累，引起伤害，但效果不显著，可能是铝浓度低了。

用0.2、0.4mmol/L NaHS处理铝胁迫下的水稻幼苗，SOD活性比铝单一处理时分别增加18.03%、59.02%，处理间差异不显著，但是0.4 mmol/L NaHS缓解铝胁迫下水稻幼苗的SOD活性效果显著。

3结论

铝胁迫对水稻幼苗的生长具有显著的毒害作用，表现为水稻植株矮小，叶片失绿，植株鲜重、干重下降，同时抗氧化酶活性下降，可溶性蛋白质合成受阻，分解加快，降解为小分子化合物，含量降低。但NaHS处理后，可有效缓解铝胁迫，特别是0.4 mmol/L NaHS处理，能有效提高植株生长效率如株高、根长、生物量；叶绿素、可溶性糖、蛋白含量增加，对植株的拮抗作用最小，能够使铝胁迫下的水稻生理生化指标趋于正常值，幼苗生长得到有效保护。

研究结果，我们推断H2S在种子内部应该是作为一种重要的信号物质来调控水稻幼苗的抗氧化过程，缓解铝胁迫的作用机制可能是参与激活了1条以H2O2中间物质的抗氧化信号途径，从而提高幼苗在逆境的耐受性。

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