2023, Vol. 44
2. 西北农林科技大学生命科学学院, 杨凌 712100
2. College of Life Sciences, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
微塑料是一种新兴的土壤环境污染物, 并可能通过食物链富集威胁到人类公共健康, 近年来已逐渐成为国内外广泛关注的重要环境问题[1, 2]. 土壤环境中容易聚集农业活动塑料薄膜残留、有机肥料施用、污水污泥排放和空气雨水沉降等多种途径产生的塑料垃圾[3], 较大粒径的塑料经物理、化学和微生物等作用被降解成粒径小于5 mm的塑料颗粒、纤维或碎片, 形成了微塑料[4], 主要类型包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)等[5]. 进入土壤中的微塑料会影响土壤理化性质(包括土壤孔隙体积、容重、电导率和阳离子交换量等)、改变土壤微生物群落结构、酶活性及土壤动物的有机质分解、营养元素循环和能量流动, 进而直接和间接影响植物生长发育[6~8]. 微塑料对植物生长的影响主要取决于微塑料的粒径、含量[9]、类型和植物种类[10]等. Bosker等[11]研究了不同粒径(50、500和4 800 nm)和含量(103~107粒·mL-1)的PS对家独行菜(Lepidium sativum)种子萌发和幼苗生长的影响, 发现处理8 h后种子发芽率随着PS粒径和含量增加呈下降趋势, 处理24 h后根长分别随着粒径为50 nm和500 nm的PS含量增加呈下降和升高趋势. De Souza Machado等[12]研究报道了6种类型的微塑料对葱(Allium fistulosum)根系生长的影响, 发现聚酯纤维和PS能够显著增加根组织密度, 聚酰胺则表现相反, 而高密度聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯和PP的影响不显著; 此外聚酰胺能够显著降低植株的根叶干物质量比, 而其余类型微塑料的表现相反. Yu等[13]研究表明粒径为100 nm的PS能够提升香榧(Torreya grandis)幼苗的硫代巴比妥酸反应物值、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性, 降低铁、硫和锌含量, 并通过多组学联合分析表明PS在microRNA、转录、蛋白和代谢水平参与调节萜烯类和黄酮类生物合成途径. 廖苑辰等[14]通过土培试验研究发现在0~50 mg·kg-1含量范围内, 小麦(Triticum aestivum L.)对粒径为100 nm的PS产生了氧化应激反应, 提高了POD活性, 而降低了超氧化物歧化酶(SOD)和CAT活性. 尽管目前国内外已开展了一些微塑料对植物生长影响的研究, 但其影响机制仍不是十分明确.
此外, 近年来随着畜禽水产养殖、临床医疗等领域抗生素的大量使用和滥用以及生物体代谢与降解能力的有限作用, 各类抗生素通过不同途径汇入到土壤环境中并不断迁移、转化和累积[15], 从而对生态系统和人类健康形成巨大的潜在威胁[16]. 常见的土壤抗生素类型包括氟喹诺酮类、磺胺类和四环素类等[16], 其中磺胺类抗生素因其较高的检出率、较强的迁移能力和较高的可生物利用性而备受关注[17, 18]. 目前土壤中的磺胺类抗生素最大残留水平高达mg·kg-1级[19], 虽然其含量远低于多氯联苯和多环芳烃等传统有机污染物, 但其对植物生长生理代谢也会产生一定的影响. 近年来已有研究报道了磺胺类抗生素磺胺二甲嘧啶(SMZ)对植物种子萌发、幼苗生长和生理代谢的影响. 例如, Duan等[20]和张天莹等[21]研究发现, 较低水平SMZ处理能够显著促进小白菜(Brassica chinensis L.)幼苗的株高、鲜重以及小麦幼苗的生长、干物质积累, 但小麦幼苗生长随着SMZ处理水平增加而受到抑制, 其根系生物量、总根长和平均直径均显著降低, 而较高水平SMZ处理亦能显著促进小白菜幼苗的生长. 章威等[17]通过土培方式发现水稻(Oryza sativa L.)秧苗的苗长、根长、生物量、根系活力和根系硝酸还原酶活性以及叶片叶绿素含量均随着SMZ处理水平的增加呈下降趋势, 并于200 mg·kg-1处理水平下秧苗出现枯黄、病死等现象, 而叶片CAT和POD活性随着SMZ处理水平的增加呈先升后降趋势, SOD呈升高趋势. Piotrowicz-Cie Ds' lak等[22]研究表明较高水平SMZ处理能够引发黄羽扇豆(Lupinus luteus)等6种豆科植物根部线粒体内的细胞色素C氧化酶向细胞溶质转移, 加速细胞凋亡, 最终使得植株表现出坏死和根腐烂等症状.
基于我国土壤环境污染现状及微塑料体积小、比表面积大和疏水性强等特点[23], 微塑料吸附抗生素对土壤生态系统产生复合污染已不可避免[24], 但是目前微塑料和抗生素之间的交互作用机制未得到广泛关注, 涉及植物对二者复合胁迫适应机制的相关研究鲜有报道. 大豆(Glycine max)是我国乃至世界范围内重要的油料作物, 2021年我国大豆种植面积和产量分别达840万hm2和1640万t, 其高产稳产对保证国家粮食安全战略和促进社会经济发展具有重要作用[25]. 因此, 本研究采用大豆作为供试植物, 分别选择土壤中广泛存在且检出率较高的PE和SMZ作为外源微塑料和抗生素胁迫因子, 通过开展种子萌发试验和幼苗盆栽试验探究不同处理水平的PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆种子萌发、幼苗生长、光合参数、叶绿素荧光参数和氮代谢的影响, 揭示土壤微塑料和抗生素复合污染影响植物生长发育的联合作用机制, 以期为土壤生态系统中微塑料和抗生素复合污染的风险评价提供基础数据与理论支持.
1 材料与方法 1.1 供试材料供试大豆品种晋豆21号由山西省农业科学院经济作物研究所提供, 颗粒健康饱满; PE(粒径50~100 μm)购于东莞鑫淼新材料有限公司; SMZ(纯度≥98%)购于上海吉至生化科技有限公司.
供试土壤采自太原市尖草坪区南固碾村菜园地0~20 cm表层土壤, 经自然风干、过2 mm筛后测得其基本理化性质：pH值为7.14、ω(有机质)为23.64 g·kg-1、ω(全氮)为0.22 g·kg-1、ω(全磷)为1.84 g·kg-1、ω(全钾)为1.37 g·kg-1, 土壤未受到微塑料和抗生素污染.
1.2 试验设计本试验于2021年3~7月在山西道地药材资源开发中心温室进行, 包括种子萌发试验和幼苗盆栽试验, 均在光照/黑暗为25℃, 12 h/20℃, 12 h、光照强度为300 μmol·(m2·s)-1和相对湿度为70%的培养条件下进行. 试验共设置16个处理(表 1), PE[26, 27]和SMZ[17, 28]处理水平的设置根据已有研究和预试验结果, 每个处理均设置3次平行重复.
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表 1 PE和SMZ处理水平的设置 Table 1 Setting of PE and SMZ treatment level |
1.2.1 种子萌发试验
选择颗粒大小一致的大豆种子, 经75%的乙醇消毒10 min、蒸馏水漂洗3~4次和晾干后, 摆放于直径为12 cm并垫有3层滤纸的培养皿中进行催芽, 每皿30粒种子, 滤纸提前用不同水平的PE和SMZ处理液湿润. 培养期间每天更换1次滤纸, 以保证处理液水平的恒定; 并观察记录种子的有效萌发情况, 以胚根长度达到种子长度的1/2作为有效萌发标准, 处理7 d后计算发芽率等萌发指标并每皿随机取5株萌发的幼苗测量其鲜重.
1.2.2 幼苗盆栽试验取过筛后的土壤装入塑料花盆(直径24 cm×高度15 cm, 每盆装土5 kg), 向土壤中加入不同处理水平的PE和SMZ后充分混匀, 平衡14 d且保持土壤湿度为田间持水量的70%. 按照1.2.1节中的方法对大豆种子进行常规消毒后每盆播种10粒, 待幼苗长至3叶期后进行定苗, 每盆保留生长一致的5株幼苗继续培养, 培养期间保持正常水肥管理, 于播种后的第45 d收取大豆幼苗植株测定相关指标.
1.3 各项指标测定方法 1.3.1 种子萌发指标的计算按照以下公式分别计算种子的发芽势、发芽率、平均发芽时间、发芽指数和活力指数[29].
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生长指标测定：每处理随机取3株大豆幼苗, 用卷尺测量其株高和根长; 随后经清水洗净、吸干水分后, 用称重法称量其地上部和根部鲜重.
光合参数测定：选择植株顶部往下第3片完全展开成熟的叶片, 用LI-6400便携式光合仪测定叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间二氧化碳浓度(Ci).
叶绿素荧光参数测定：选择植株顶部往下第3片完全展开成熟的叶片并进行充分暗适应30 min, 用PAM-2500便携式调制叶绿素荧光仪测定并计算叶片的PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、PSⅡ实际光化学效率(ΦPSⅡ)、光化学淬灭系数(qP)、表观电子传递速率(ETR)和非光化学淬灭系数(NPQ).
叶片生理指标测定：叶绿素含量和硝酸还原酶(NR)活性测定采用高俊凤[30]的方法; 硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)含量及亚硝酸还原酶(NiR)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)和谷氨酸脱氢酶(GDH)活性测定参照赵肖琼等[31]的方法.
1.4 数据处理本试验数据分别运用WPS Office 2019和SPSS 19.0软件进行预处理和统计分析(单因素方差分析和LSD法差异显著性检验).
2 结果与分析 2.1 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆种子萌发的影响从表 2可看出, 相比CK处理, P1处理下大豆种子的活力指数显著增加了11.34%, 此外也提升了种子的发芽势、发芽率和发芽指数, 并降低了平均发芽时间, 但未达到显著程度; S1处理对大豆种子发芽势等指标的影响均未达到显著程度; P2、P3、S2和S3处理较CK处理显著抑制了大豆种子的萌发特性(P2和S2处理平均发芽时间除外), 且发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均分别随着单一PE和单一SMZ处理水平的增加呈下降趋势, 平均发芽时间则呈升高趋势. P1和3种水平SMZ复合处理能够不同程度提升单一SMZ处理下大豆种子的萌发特性, 其中P1+S1处理的综合提升效果最佳, 发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数较S1处理分别显著增加了16.95%、8.64%、11.18%和21.77%, 平均发芽时间降低了4.94%, 但未达到显著程度; 此外P1+S1处理下发芽势和活力指数较P1处理也显著增加, 分别增加了9.52%和9.63%. 与单一PE和SMZ处理相比, P2、P3和3种水平SMZ复合处理能够不同程度降低大豆种子的萌发特性, 且受抑程度分别随着SMZ处理水平的增加呈升高趋势, P3+S3处理受抑程度最大, 其中发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数较P3和S3处理分别显著降低了47.37%和45.95%、26.56%和27.69%、33.89%和35.40%、51.43%和53.72%, 平均发芽时间分别显著增加了17.50%和19.87%.
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表 2 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆种子萌发的影响1) Table 2 Effects of single and combined PE and SMZ stress on seed germination of soybean seeds |
2.2 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆幼苗生长的影响
如表 3所示, 相比CK处理, P1处理显著促进了大豆幼苗的生长, 其株高、根长、地上部和根部鲜重分别增加了10.81%、12.47%、6.54%和11.82%; S1处理下大豆幼苗的根长和根部鲜重分别显著降低了11.98%和8.48%, 但对株高和地上部鲜重的影响未达到显著程度; P2、P3、S2和S3处理较CK处理均显著抑制了大豆幼苗的生长, 且株高等生长指标均分别随着单一PE和单一SMZ处理水平的增加呈下降趋势. P1和3种水平SMZ复合处理能够不同程度促进单一SMZ处理下大豆幼苗的生长, 其中P1+S1处理的综合提升效果最佳, 株高、根长、地上部和根部鲜重较S1处理分别显著增加了12.03%、38.33%、9.21%和29.14%; 此外P1+S1处理下根长和地上部鲜重较P1处理也显著增加, 分别增加了8.26%和5.03%. 与单一PE和SMZ处理相比, P2、P3和3种水平SMZ复合处理能够不同程度抑制大豆幼苗的生长, 且受抑程度分别随着SMZ处理水平的增加呈升高趋势, P3+S3处理受抑程度最大, 其中株高、根长、地上部鲜重、根部鲜重较P3和S3处理分别显著降低了13.39%和16.80%、30.15%和26.92%、19.87%和18.47%、29.06%和22.95%.
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表 3 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆幼苗生长指标的影响 Table 3 Effects of single and combined PE and SMZ stress on growth targets of soybean seedlings |
2.3 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆幼苗叶片光合参数及叶绿素含量的影响
从表 4可知, 相比CK处理, P1处理下大豆幼苗叶片的Tr、Ci、叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量分别显著增加了6.90%、8.99%、9.77%、10.49%和9.98%, 此外也提升了叶片的Pn和Gs, 但未达到显著程度; S1处理对大豆幼苗叶片Pn等光合参数和叶绿素含量的影响均未达到显著程度; P2、P3、S2和S3处理较CK处理均显著抑制了大豆幼苗叶片的光合特性和叶绿素含量, 且Pn、Gs、Tr和叶绿素含量均分别随着单一PE和单一SMZ处理水平的增加呈下降趋势, Ci则呈升高趋势. P1和3种水平SMZ复合处理能够不同程度提升单一SMZ处理下大豆幼苗叶片的光合特性和叶绿素含量, 其中P1+S1处理的综合提升效果最佳, Pn、Gs、Tr、叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量较S1处理分别显著增加了8.12%、12.88%、12.89%、18.82%、26.28%和21.05%, Ci降低了3.29%, 但未达到显著程度; 此外P1+S1处理下Pn、Gs、叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量较P1处理显著增加了4.20%、6.48%、8.01%、12.60%和9.40%, Ci显著降低了8.21%. 与单一PE和SMZ处理相比, P2、P3和3种水平SMZ复合处理能够不同程度降低大豆幼苗叶片的光合特性和叶绿素含量, 且受抑程度分别随着SMZ处理水平的增加呈升高趋势, P3+S3处理受抑程度最大, 其中Pn、Gs、Tr、叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量较P3和S3处理分别显著降低了20.50%和25.86%、36.95%和32.09%、22.49%和41.82%、27.21%和26.07%、48.64%和53.82%、31.59%和32.31%, Ci分别显著增加了22.21%和16.35%.
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表 4 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆幼苗叶片光合参数及叶绿素含量的影响 Table 4 Effects of single and combined PE and SMZ stress on leaf photosynthetic parameters and chlorophyll contents of soybean seedlings |
2.4 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响
由表 5可知, 相比CK处理, P1处理下大豆幼苗叶片的ΦPSⅡ显著增加了2.47%, NPQ显著降低了4.79%, 此外也提升了叶片的Fv/Fm、ETR和qP, 但未达到显著程度; S1处理对Fv/Fm等参数的影响均未达到显著程度; P2、P3、S2和S3处理较CK处理不同程度降低了大豆幼苗叶片的Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qP, 并增加NPQ, 且Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qP均分别随着单一PE和单一SMZ处理水平的增加呈下降趋势, NPQ则呈升高趋势. P1和3种水平SMZ复合处理能够不同程度提升单一SMZ处理下大豆幼苗叶片的叶绿素荧光特性, 其中P1+S1处理的综合提升效果最佳, Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qP较S1处理分别显著增加了3.73%、9.50%、11.73%和6.13%, NPQ显著降低了12.29%; 此外P1+S1处理下Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR和qP较P1处理分别显著增加了2.80%、5.54%、7.22%和4.66%, NPQ显著降低了6.94%. 与单一PE和SMZ处理相比, P2、P3和3种水平SMZ复合处理能够不同程度降低大豆幼苗叶片的叶绿素荧光特性, 且受抑程度分别随着SMZ处理水平的增加呈升高趋势, P3+S3处理受抑程度最大, 其中Fv/Fm、ΦPSⅡ、ETR、qP较P3和S3处理分别显著降低了4.11%和3.64%、13.16%和12.78%、24.43%和21.40%、9.01%和11.24%, NPQ分别显著增加了20.78%和17.41%.
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表 5 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆幼苗叶片叶绿素荧光参数的影响 Table 5 Effects of single and combined PE and SMZ stress on leaf chlorophyll fluorescence parameters of soybean seedlings |
2.5 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆幼苗叶片氮代谢的影响
从表 6看出, 相比CK处理, P1处理下大豆幼苗叶片的NR、NIR、GS和GDH活性分别显著增加了7.24%、10.84%、7.16%和17.77%, 此外也降低了NO3--N和NH4+-N含量并提升了GOGAT活性, 但未达到显著程度; S1处理对NO3--N、NH4+-N含量和氮代谢5种关键酶活性的影响均未达到显著程度; P2、P3、S2和S3处理较CK处理显著提升了NO3--N和NH4+-N含量并抑制了NR、NIR、GS和GOGAT活性, 且NO3--N和NH4+-N含量均分别随着单一PE和单一SMZ处理水平的增加呈升高趋势, NR、NIR、GS和GOGAT活性则呈下降趋势, 此外只有P3处理较CK处理显著降低了GDH活性. P1和3种水平SMZ复合处理能够不同程度提升单一SMZ处理下大豆幼苗叶片的氮代谢, 其中P1+S1处理的综合提升效果最佳, NO3--N和NH4+-N含量较S1处理分别显著降低了18.23%和18.40%, NR、NIR、GS、GOGAT和GDH活性分别显著增加了25.80%、23.33%、16.91%、17.50%和31.51%; 此外P1+S1处理下NH4+-N含量较P1处理显著降低了12.98%, NR、NIR、GS、GOGAT和GDH活性分别显著增加了16.55%、10.61%、7.20%、10.56%和12.85%. 与单一PE和SMZ处理相比, P2、P3和3种水平SMZ复合处理能够不同程度降低大豆幼苗叶片的氮代谢, 且受抑程度分别随着SMZ处理水平的增加呈升高趋势, P3+S3处理受抑程度最大, 其中NO3--N含量、NH4+-N含量较P3和S3处理分别显著增加了25.61%和18.21%、31.51%和25.84%, NR、NIR、GS、GOGAT、GDH活性分别显著降低了28.35%和28.24%、37.07%和42.60%、36.60%和41.64%、41.74%和39.98%、29.39%和48.49%.
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表 6 PE和SMZ单一及复合胁迫对大豆幼苗叶片氮代谢的影响 Table 6 Effects of single and combined PE and SMZ stress on leaf nitrogen metabolism of soybean seedlings |
3 讨论
种子萌发期和幼苗生长期是植物生长发育以及接受微塑料和抗生素胁迫的起始时期, 也是决定植物适应逆境胁迫的关键阶段[32]. 本研究中大豆种子萌发和幼苗生长对不同水平PE和SMZ单一及复合胁迫有着不同的响应方式, 单一PE处理对大豆种子萌发和幼苗生长的影响表现为“低促高抑”, 这与叶子琪等[27]在蚕豆(Vicia faba)上及冯天朕等[33]和Lian等[34]在小麦上的研究结果相似, 原因可能是较低水平PE更容易被大豆种子和幼苗吸收, 进而诱导大豆体内代谢谱改变并产生应激反应, 促进了生长物质的合成[34]; 单一SMZ处理对大豆种子萌发和幼苗生长的抑制程度与处理水平呈正相关, 这与已有研究的结果相似[17], 可能是由于磺胺类抗生素能够和叶酸产生竞争吸收, 降低了大豆体内的叶酸含量及胸苷酸、氨基酸和嘌呤等的进一步合成, 从而影响其正常生长生理代谢[35]. P1和3种水平SMZ复合处理能够不同程度促进单一SMZ处理下大豆种子的萌发和幼苗的生长, 其中P1+S1处理的综合提升效果最佳, 说明低水平的PE和SMZ复合处理能够减轻大豆种子和幼苗在单一胁迫下受到的抑制效应, 可能是由于低水平的PE和SMZ存在竞争吸附, 导致大豆根系降低了对SMZ的吸收. P2、P3和3种水平SMZ复合处理能够不同程度抑制单一P2、P3处理或单一SMZ处理下大豆种子的萌发和幼苗的生长, 且受抑程度和处理水平呈正相关, 这说明不适宜的PE和SMZ复合胁迫使大豆种子和幼苗生理代谢失衡, 最终表现为降低种子发芽率、延迟发芽时间和抑制幼苗植株生长.
光合作用是植物体内各种生理生化活动和形态建成的物质基础, 而叶绿素是光合作用过程中承担光能吸收、传递和转化功能的重要光合色素, 其含量在一定范围内和光合作用强度呈正相关[36]. 通常认为, 植物的光合抑制主要是两种因素引起的, 一是气孔阻力增高决定的气孔限制, 表现为Pn、Gs和Ci同时降低; 二是光合细胞结构和功能受损引发的非气孔限制, 表现为Ci不变或升高而Gs降低[37]. 本研究发现, PE和SMZ单一及复合处理(P1和P1+S1处理除外)下大豆幼苗叶片的叶绿素含量及Pn、Gs和Tr较CK处理降低, 而Ci增加, 说明非气孔限制为大豆幼苗叶片Pn降低的主导因素, 原因可能是胁迫作用引发细胞内过量积累的活性氧对叶绿素结构产生破坏[38, 39], 也可能是PE吸附了叶绿素合成所需的氮元素导致叶绿素合成受阻[40], 还可能是C3光合途径关键酶核酮糖-1, 5-二磷酸羧化酶活性降低所致[38, 39]. 此外, 单一P1处理较CK处理以及P1和3种水平SMZ复合处理较单一SMZ处理能够不同程度提高大豆幼苗叶片的Pn和叶绿素含量, 并降低Ci, 原因可能是低水平PE处理能够通过增强抗氧化酶活性来降低细胞内过量积累的活性氧对叶绿素结构的破坏[27], 从而维持单一P1处理以及P1和SMZ复合处理下大豆叶片较高的叶绿素含量和光合作用强度, 具体机制还有待深入研究.
叶绿素荧光参数是反映植物光能吸收、激发能传递等光合作用进程的灵敏探针, 能够探测光合机构对逆境胁迫的响应方式, 其中Fv/Fm反映植物潜在的最大光合能力, ФPSⅡ、ETR和qP均能反映植物实际光化学反应的能力, NPQ反映植物耗散过剩光能为热能的能力[41]. 逆境胁迫容易引发植物PSⅡ反应中心产生过剩激发能, 随后和氧气反应生成大量活性氧对PSⅡ形成光抑制, 从而引起植物光合能力降低[42]. 本研究同样发现, PE和SMZ单一及复合处理(P1和P1+S1处理除外)下大豆幼苗叶片的Fv/Fm、ФPSⅡ、ETR和qP降低, NPQ升高, 表明胁迫下大豆幼苗的PSⅡ反应中心受到一定程度的损伤, 导致光能转换效率和光合电子传递能力下降, 但能够通过热耗散的形式损失过剩光能, 从而对自身光合机构起到一定的保护作用. 此外, 单一P1处理较CK处理以及P1和3种水平SMZ复合处理较单一SMZ处理能够不同程度增加大豆幼苗叶片的Fv/Fm、ФPSⅡ、ETR和qP, 并降低NPQ, 表明低水平PE处理能够保持PSⅡ反应中心较高的稳定性和光化学效率, 降低热耗散比例来增强叶片光合能力, 从而缓解单一胁迫对大豆幼苗的光抑制.
大豆在生长过程中对氮素(主要形式为NO3--N和NH4+-N)的需求量很大, 而且体内的氮代谢水平与大豆的生长发育、产量和品质形成关系密切[43]. 氮代谢的无机氮还原过程中, NR和NIR是相继催化NO3-还原为NH4+的关键酶[44]. 本研究显示PE和SMZ单一及复合处理(P1和P1+S1处理除外)下大豆幼苗叶片的NR和NIR活性降低, 使得NO3-还原力不足导致NO3--N和NH4+-N过量累积, 对植株生长形成NH4+毒害. NH4+同化过程中, GS和GOGAT介导的GS/GOGAT途径发挥主要作用, 而GDH介导的GDH途径是NH4+同化的一个重要支路, 也在胁迫条件下对过量NH4+的同化起重要补充作用[45]. 本研究中PE和SMZ单一及复合处理(P1和P1+S1处理除外)下大豆幼苗叶片的GS和GOGAT(S1处理除外)活性降低, 可能是胁迫条件下较高水平的NH4+抑制了蛋白质合成导致GS和GOGAT活性降低[46], 使得GS/GOGAT途径受到抑制, 其中P3、P2+S3、P3+S2和P3+S3处理下的GDH活性也显著降低, 说明较高水平的PE和SMZ单一及复合处理也同时抑制了NH4+同化的GDH途径. 此外, 单一P1处理较CK处理以及P1和3种水平SMZ复合处理较单一SMZ处理能够不同程度提升大豆幼苗叶片的NR、NIR、GS、GOGAT和GDH活性, 降低NO3--N和NH4+-N含量, 说明低水平的PE单一处理或者与SMZ复合处理能促进植株体内NO3-的还原, 并同时启用GS/GOGAT途径和GDH途径维持NH4+同化, 提升了氮代谢的运转效率, 从而增强胁迫条件下大豆幼苗对氮素的转化利用能力.
4 结论(1) 单一PE处理对大豆种子萌发特性及幼苗生长、光合能力和氮代谢能力的影响总体表现为“低促高抑”, 其中10 mg·L-1(或mg·kg-1)PE处理具有一定的促进作用; 而单一SMZ处理对大豆种子萌发和幼苗生长生理特性的抑制程度基本随着SMZ处理水平的增加呈升高趋势.
(2) PE和SMZ复合处理下, 10 mg·L-1(或mg·kg-1)PE的加入能够不同程度缓解单一SMZ处理对大豆的抑制, 以10 mg·L-1(或mg·kg-1)PE+1 mg·L-1(或mg·kg-1)SMZ处理的综合缓解效果最佳, 显著提高了1 mg·L-1(或mg·kg-1)SMZ处理下种子的发芽率(8.64%)和活力指数(21.77%); 显著提升了幼苗叶片的总叶绿素含量(21.05%)和Pn(8.12%), 并通过增强NR(25.80%)、NIR(23.33%)、GS(16.91%)、GOGAT(17.50%)和GDH(31.51%)活性提高了氮代谢能力, 最终表现为促进大豆幼苗生长.
(3) 100和200 mg·L-1(或mg·kg-1)PE与SMZ复合处理则能够不同程度增强单一SMZ处理对大豆的抑制, 以200 mg·L-1(或mg·kg-1)PE+50 mg·L-1(或mg·kg-1)SMZ处理的抑制程度最为显著, 抑制了种子发芽率, 延长了种子发芽时间, 降低了幼苗叶片的叶绿素含量及光化学反应水平, 并通过负向调控氮代谢关键酶活性降低了氮代谢运转.
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