土霉素与环丙沙星调控玉米种子萌发及幼苗生长的生理机制

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抗生素污染已经成为土壤主要污染源之一。玉米是世界总产第一的作物,具有食用、饲用与工业价值。黑龙江省哈尔滨市是畜牧业与制药业发达的城市,企业污水排放对哈尔滨城市河流及农业土壤造成的抗生素污染不容忽视。为了探究土壤中典型抗生素对玉米生理生化反应的影响,以龙垦10号为材料,选择生产上普遍使用的四环素类抗生素土霉素(oxytetracycline,OTC)以及喹诺酮类抗生素环丙沙星(ciprofloxacin,CIP),设置不同浓度梯度(0、3、5、30、60、120 mg·L-1)采用营养液水培的方法,探究其对玉米种子萌发生长,种子萌发相关酶,幼苗生物量,光合酶,氮代谢以及内源激素含量的影响,旨在剖析玉米在不同抗生素污染条件下萌发与幼苗生长状况,为大田合理使用或规避抗生素,保证农作物生长安全提供理论支持。研究结果如下:种子萌发实验表明,与CK相比,3-5 mg·L-1处理组能够促进玉米种子根与芽的生长,30-120 mg·L-1处理组抑制种子根与芽生长;OTC浓度为3 mg·L-1时,CIP浓度为5 mg·L-1时种子根与芽生长最好;相对而言,OTC的抑制作用更强;与玉米种子芽相比,玉米种子根对OTC与CIP更为敏感。OTC与CIP处理后均对影响玉米籽粒生长的关键酶表现为低浓度促进与高浓度抑制的效果。除120 mg·L-1的处理组外,OTC与CIP对磷酸果糖激酶、α-淀粉酶活性、β-淀粉酶活性表现为促进的效果;对已糖激酶与COX活性有抑制作用。幼苗水培实验表明,与CK相比,CIP浓度为5 mg·L-1时,OTC浓度为3 mg·L-1时,玉米幼苗各指标活性最强,幼苗生长最为旺盛。OTC对玉米幼苗各指标的抑制作用高于CIP。玉米幼苗地下部分对OTC与CIP的敏感程度高于地上部分。玉米幼苗对抗生素整体上表现为高浓度(30-120 mg·L-1)抑制生长与低浓度(3-5 mg·L-1)促进生长的趋势。3-5 mg·L-1的OTC与CIP处理组能够增加玉米幼苗生物量,包括玉米叶片与根系的干鲜重增加,根冠比降低,幼苗生长健壮,生命力增强;玉米叶片相对含水量增加;玉米叶片相对电导率降低,细胞透性降低;叶片光合酶PEPCase、RUBPCase、PPDK、NADP-ME和NADP-MDH活性增加,光合作用增强,干物质积累增加;增加玉米叶片根系激素IAA、GA与ZR水平,降低ABA与Me JA水平;增加根系与叶片氮代谢相关酶GS、GOGAT与GAD水平,降低GDH水平;根系活力增加,根系各参数包括平均直径、根尖数、总体积、总根长以及根表面积上升,根系生长旺盛。与CK相比,30-120 mg·L-1的OTC与CIP处理组会降低玉米幼苗生物量,根冠比增加,幼苗生长羸弱;玉米叶片相对含水量降低,玉米叶片相对电导率上升,细胞透性增强;叶片光合酶活性降低,导致光合作用减小,光合生产力降低;降低玉米幼苗叶片与根系IAA、GA与ZR水平,增加ABA与Me JA水平;降低玉米幼苗叶片与根系GS、GOGAT与GAD水平,增加GDH水平;根系活力降低,根系各参数指标随之下降。
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