镧、酸雨复合污染对大豆幼苗根系表型的影响及其机理外文翻译资料

 2022-03-23 08:03

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镧、酸雨复合污染对大豆幼苗根系表型的影响及其机理

摘要：稀土污染和酸雨污染是全球重要的环境问题。在同时发生的地区，稀土和酸雨的复合污染成为一个新的环境问题，相关研究报道较少。因此，我们研究了镧离子（La 3 ）和酸雨对大豆幼苗根系表型的联合效应和机制。低浓度La 3 和酸雨复合污染对根系的表型和根系生长产生有害影响，高浓度La3 和酸雨复合污染加速了根系的生长。复合污染的有害影响强于单La 3 污染或酸雨污染单一的有害影响。这些污染是通过影响根系吸收和干扰矿物养分的吸收来影响根的表型和根系的生长的。

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关键词：镧，酸雨，根系形态，矿质元素，协同作用

1.引言

稀土元素（REEs）包括元素周期表中的17种元素，包括钪、钇和15种镧系元素 .稀土元素具有丰富的物理和化学性质，使其在功能材料催化剂、发光材料、陶瓷、医药上有广泛应用(Gordon 等, 2004; Rodewald 等,2007; Zhao 等, 2008）。在适宜的浓度（例如，0.08mM的La 3 处理的大豆幼苗 (Wen 等, 2011)），稀土元素不仅在农业上被用于提高农作物的产量和品质，并且在包括澳大利亚、瑞士、菲律宾和中国等的国家，动物的生产活动中也用到了稀土元素(Pang 等, 2002; Hu 等,2004; Redling, 2006)。稀土在工业和农业的使用日益增加，并且预计在未来的几十年里会进一步增加(Schuuml;ler 等, 2011)。因此，人们越来越关注土壤中稀土元素的积累(Sun 等, 1996; Wang 等, 2001; Tyler,2004)，人为活动的增加所造成的环境中稀土元素的增加已经成为一个全球性的环境问题 (Gu 等, 2001)。举个例子，在中国，澳大利亚，日本和德国，土壤中稀土元素的平均含量分别为197.67，104.30, 97.57和15.48 mg·kg-1， (Xiong, 1995)。土壤中稀土元素的积累必然会影响植物的生长 (Hu 等,2004; Kobayashi 等, 2007; drsquo;Aquino 等, 2009; Ma 等,2010)，这促使许多研究者关注稀土元素对植物和相关机制的影响(Tyler, 2004; Zeng等, 2006; Guo 等, 2008; Wang 等, 2008, 2010a; Oral 等,2010)。例如，一些研究人员发现，低浓度的稀土元素对植物的生长有积极影响，但高浓度的稀土元素对植物生长有负面影响。这些影响被称为“毒物兴奋效应”(Diatloff 等, 1995,2008;Calabrese andBaldwin,2002;Song 等, 2002; Wang 等, 2008; drsquo;Aquino 等, 2009; Ma 等,2010)。稀土元素对植物的作用机制已经论证分析了代谢酶活性(Song 等, 2002)，膜的结构和功能(Zheng 等, 2000, 2002b; Yang 等, 2012a,b)，保护系统(drsquo;Aquino 等, 2009)，激素平衡(Liu等, 2008)，Ca 2 、K 通道 (Liu and Hasenstein, 2005;Kobayashi等, 2007;Wang等, 2010b)，遗传物质(Wang等, 1999)等的变化。

酸雨是全球性的环境问题 (Rodhe 等, 2002;Wai 等, 2005)，在中国酸雨的pH平均值在3到4.5 之间(State Environmental Protection Administrationof China, 2005; Li 等, 2010)。众所周知，酸雨对多种植物的表型及生理特性有有害作用(Belesky and Fedders, 1995; Singh andAgrawal, 2008; Kovaacute;c ˇik 等, 2011; Liu 等, 2011a,b; Huang等, 2012; Shukla 等, 2013; Wang 等, 2013)。这些影响导致植物种群结构的变化与植物群落的功能的变化(Singh and Agrawal, 2008; Liu 等,2011b)。酸雨也会造成地表水和土壤的酸化，抑制植物生长 (Larssen and Carmichael, 2000;Larssen 等, 2006)。酸雨对植物的有害作用机制已经解释了质子效应、离子效应、光合作用的影响、自由基的作用等(Huang 等, 2004;Singh and Agrawal, 2008)。

在许多地区，稀土元素的污染和酸雨污染的同时发生(Wei 等, 2001)产生了新的环境问题，这被称为稀土和酸雨的复合污染。这对稀土和酸雨对植物的联合作用和稀土元素和酸雨的联合作用在当前和未来的污染水平的研究非常重要，包括通常被忽略的低浓度（高浓度）的稀土元素和酸雨对植物的联合作用的研究。本课题组对镧离子（La 3 ）和酸雨对大豆幼苗的联合污染效应进行了初步研究，并从对叶片光合作用的影响机制上进行了初步探讨(Wen 等, 2011)。植物根系从土壤中吸收养分和水分，根系直接接触土壤，是稀土和酸雨的复合污染的重要的环节。因此，调查稀土和酸雨对植物根的联合影响是十分重要的，尤其是对植物的根的表型的影响，因为根的表型是确定植物对环境变化的响应的一个重要的指标(Fageria andMoreira,2011)。然而，稀土和酸雨对植物的根的表型的复合污染的影响还没有研究报道。

大豆（Glycine max L.）是一个粮食作物，美国EPA上有研究它的药害和应用（2012）。镧是在元素周期表中的第一个镧系元素并且在土壤中无处不在(Tyler, 2004)。这个课题研究了La 3＋和酸雨对大豆幼苗根系表型、根系生长、根系矿质元素含量和根系活力的联合效应，目的是了解稀土和酸雨对植物根的复合污染机制的影响。

2.材料和方法

2.1 植物材料和实验设计

大豆幼苗的培养，如我们在以前的研究中所描述的(Wen 等, 2011; Sun 等, 2012)：消毒的大豆种子(Zhonghuang 25, Wuxi Seed Co., Ltd., China)在25plusmn;5℃，300mu;mol·m-2s-1光照强度下发芽生长,并且在温室中16 小时光照8小时黑暗条件下循环培养。十五日龄幼苗在二分之一霍格兰溶液中培养。水培的空气供应是通过在溶液中的鱼缸空气泵提供。营养液每3天更新，以稳定pH值。实验中用到的二十五日龄的大豆幼苗也选择用类似的方法。La 3 溶液(0.08,0.40, and 1.20 mM (Xiong, 1995; Wen 等, 2011))，酸雨溶液（pH为3和4.5 (State Environmental Protection Administration of China, 2005; Li 等, 2010))，La 3 和酸雨复合溶液根据先前报道的方法（Wen 等.，2011）进行轻微的修改来制备。根据中国降水中一般的阴离子成分(2007–2008) (Chen 等, 2010)，pH值为1的酸雨溶液是用硫酸和硝酸溶液在3.0:1的比值下制备的（V / V，通过化学当量）。鉴于稀土中磷酸盐的溶解度极低，在霍格兰溶液（pH为7）中用1mM的KCl溶液来代替1mM的KH 2 PO 4是为了避免稀土磷酸盐沉淀。这溶液被称为磷营养液。

幼苗进行12次处理，如图1所示。首先是对照处理。大豆幼苗在磷营养液（pH为7）中培养，然后用蒸馏水喷洒，直到水滴滴下来。二是镧处理。大豆幼苗在含有La 3 (0.08, 0.40, and 1.20 mM, pH 7.0)的磷营养液中培养，然后用蒸馏水喷洒，直到水滴开始滴下。第三是酸雨处理。大豆幼苗在酸性磷营养液（pH为3 / 4.5）中进行培养，在叶片上喷洒与酸性磷营养液（pH为3 / 4.5）相同酸性条件的酸雨，直到水滴开始滴落。第四是镧和酸雨的综合处理。大豆幼苗在含有镧的酸性磷营养液 (0.08, 0.40, and 1.20 mM, pH 3.0/4.5)中培养，在叶片上喷洒与酸性磷营养液（pH为3 / 4.5）相同酸性条件的酸雨，直到水滴开始滴落。所有的处理重复五次，每隔一天在叶面上喷施1mM的KH 2 PO 4来给植物提供它所需要无机磷酸盐。在镧和酸雨处理七天后,记录根测试指标.

2.2 根表型扫描与测定

用一个配备了WinRHIZO软件(Version 2009a, Regent Instruments, Quebec, Canada)的自动扫描装置测定根的表型（Perfection V700 PHoto, Seiko Epson Corp, Japan）。文献中描述了具体过程（Li 等, 2009）。把根段放置在扫描装置上装满蒸馏水透明的塑料托盘上。

把一个白色的塑料板作为图像背景。图像要在分辨率800 dpi下运行并且保存在标记的图像文件格式下。根的表型性状包括总根长（TRL）、根表面积（RSA）、根体积（RV）和根尖数（RTN），这些采用WINRHIZO 2009a软件计算。五次重复实验的大豆幼苗的根的数据都要进行分析。

2.3 根的鲜重（FW）和干重（DW）

用蒸馏水收集，清洗并冲洗大豆幼苗的新鲜根三次。先测量根的鲜重（FW），然后在80℃下干燥12h后测量根的干重（DW）(Wen 等, 2011)。

2.4 矿质元素含量的测定

根据先前报道的方法（Wang等, 2008）测定大豆幼苗根系矿质元素含量。用蒸馏水收集，清洗并冲洗新鲜根三次。把这些根粉碎成1毫米的片并放在烘箱中干燥。对于每个样品，把0.5g的碎根加8 ml氧化溶液(15 M HNO 3and 9 M H 2 O 2 , v/v)在2600 kPa的2000微波炉消化30 min(CEM Corp., Matthews, NC)。去除离子水后把样品稀释至最终体积25 mL后作进一步的分析。用电感耦合等离子体原子发射光谱法测定(Atomscan Advantage, Thermo Jarrell Ash, USA)含有La和矿质元素（K、Mg、Fe、Cu、Ca和Mn）的每个样品。用常规的解决方案进行校准。

2.5 根系活力的测定

用氯化三苯基四氮唑还原法（TTC）测定根系活力(Islam 等, 2007)。根用蒸馏水彻底洗净，然后切成3 - 4毫米的长片。把这些根的一部分（1克）放到一个缩放管内。在管内加0.1微摩尔的磷酸盐缓冲溶液（pH 7）和5毫升0.4%的TTC在37℃下反应2小时。然后反应停止后加入2毫升的1 MH2S 4。脱氢酶活性是通过被TTC还原的三苯甲月替表达的.

2.6 统计分析

用SPSS 17和原产地8进行方差分析，分析不同治疗方法之间的差异。用双向方差分析法分析La 3 与酸雨的相互作用。学生的检验被用来确定不同的治疗方法之间的意义（P le; 0.05或0.01）。

3. 结果

3.1 La 3＋和酸雨对大豆幼苗根系表型的联合效应

图1显示了La 3 和酸雨处理后的大豆幼苗的根系图像，表1列出了根的表型性状（TRL，RSA，RV和RTN）。大豆幼苗根系发育良好（图1A）。

用0.08毫摩尔的La 3 处理后没有改变大豆幼苗的TRL、 RSA和RTN。当大豆幼苗被0.40毫摩尔和1.20毫摩尔的La 3 处理后，根均小于对照组的根，并且大豆幼苗的TRL，RSA， RV 和RTN与对照相比显著下降（图1和表1）,并且受到的损害作用随La 3 浓度的增加而增加（表1）。

与对照相比，酸雨（pH值4.5）处理下的根的表型、表型性状没有明显的变化（图1E和表1）。当酸雨pH值为3时，与对照组相比，根系变小（图1）。

同时，大豆幼苗的TRL、RSA、RV和RTN分别下降了6.77%、17.72%、15.49%和17.49%。（表1）。

在0.08毫摩尔的La 3 和pH为4.5的酸雨的联合作用下，根的表型和表型性状与用0.08毫摩尔的La 3 单处理或用pH值为4.5酸雨的单处理的对照相比变化不显著（图一和表1）。当大豆幼苗用0.08毫摩尔的La 3 和pH为3的酸雨处理时，与用0.08毫摩尔的La 3 单处理或用pH值为3的酸雨单处理对照相比，根系变小，根的表型性状下降（图1和表1）。经过观察，在La 3 （0.40和1.20毫摩尔）和酸雨（pH值4.5或3）的联合处理下会有更强的有

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