题富氢水对玉米缺铁适应性的影响及其机理研究
以玉米品种农大108为试验材料，采用改良的Hoagland’s营养液培养单因子控制方法，研究富氢水（Hydrogen-rich water）对缺铁胁迫玉米幼苗生物量生长、玉米幼苗内全铁及活性铁的含量、抗氧化酶活性、MDA及H2O2含量、光合气体交换参数、叶绿素荧光动力学参数的影响。结果显示，在缺铁条件下玉米长势较弱且叶片色素含量显著下降，50%HRW处理后其生物量和色素含量均上升，植株的活性铁及全铁含量均增加，并且提高了其Fv/Fm及P.I.值，恢复了PSII反应中心的活性，提高了电子传递速率，增加了抗氧化酶的活性；同时HRW处理后提高了光合气体交换参数，即在缺铁胁迫下增强了玉米幼苗的光合机构的稳定性。
目录
摘要 1
引言
铁是植物生长发育所必须的一种微量元素。由于铁的溶解度极低，使得在土壤中铁的有效含量也低，特别是在碱性土壤中，从而导致植物对铁的吸收利用受到限制（Wang et al. 2015）。土壤中铁的有效含量低，使得植物在进化中需不断提高对铁的吸收机制，这样才能保证植物的正常生长及发育。同时，植物在长期的进化过程中，已逐渐形成了一些适应环境铁缺乏的机制。主要包括适应性机理和非适应性机理两种。适应性机理明显受体内铁营养状况所调节 ,适应性机理又划分为机理I(strategy I)和机理II ( strategy II)植物，前者包含双子叶和非禾本科单子叶植物，后者为禾本科单子叶植物。植物在遭受缺铁胁迫时，其表观主要表现为叶片发黄，植株矮小，同时叶绿素含量降低，光合速率下降，最终导致农作物的产量下降。因此，研究如何保护植物来抵抗缺铁胁迫对以后的农业发展具有重大意义。
目前，H2在植物学上的应用也渐渐增多。类似于在动物中的效应，H2在植物中也已经成为一个重要的生物调节剂。近来研究发现，H2在植物的抗胁迫作用中发挥很大的功能，如H2可减轻盐胁迫所带来的氧化损伤（Xie et al. 2012 Zeng et al. 2013），减轻金属离子和农药带来的氧化损伤（Chen et al. 2014 Cui et al. 2014），同时也参与激素抗病虫害信号相关基因的表达（Xie et al. 2012）等。例如，Xu等指出富氢水（HRW）可以减轻水稻种子萌发过程中的盐胁迫，并用生理生化的方法研究了H *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
RW介导的水稻种子萌发过程中耐盐性增加的分子机制。其研究结果表明，外源HRW预处理水稻种子可缓解盐分对种子萌发、幼苗生长的抑制作用。且HRW可以增强总酶活性、同工酶活性，及相应的抗氧化酶基因的表达，最终可减轻植物体的氧化损伤（Xu et al. 2013）。
同时，我们知道在植物的生长过程中一些金属元素是生长发育所必须的，如Fe，Cu，Al等等，但是若这些金属元素含量不足或超过正常所需，便会引起不正常反应。如Fe元素的缺少和过量，均会影响作物的产量。各项研究表明，氢气可对金属引起的损伤进行修复。如Al毒害的主要症状是抑制植物根的伸长。有研究报道H2可调节铝诱导抑制根伸长的现象，且发现Al处理会使苜蓿体内释放化合物硝普钠（SNP），不仅增加NO的产生，同时也显著抑制根的伸长。用HRW处理可减少硝酸还原酶介导的NO的产生，缓解了铝的毒性症状的出现（Chen et al. 2014）。Cui等观察到HRW可以缓解镉引起的紫花苜蓿幼苗生长的抑制，使苜蓿幼苗根系对Cd的吸收减少，主要是通过激活抗氧化酶来缓解镉诱导的氧化应激，HRW可以重新建立镉胁迫下谷胱甘肽动态平衡（Cui et al. 2013）。同时有研究表明氢气可减轻苜蓿中的Hg毒害，富氢水可明显减少细胞内离子的泄露和Hg的积累，这有助于重建植物体内离子平衡（Cui et al. 2014）。
玉米是一种常见的粮食作物，主要产于北方，同时也是三大粮食作物中最适合作为工业原料的品种，也是加工程度最高的粮食作物。在缺铁条件下，严重影响玉米的产量。本研究就是以玉米为材料，研究HRW对玉米缺铁胁迫现象的缓解作用及其作用机制。我们通过测定生物量、抗氧化酶活性、MDA含量和H2O2，并根据快速荧光诱导动力学、光合气体交换参数等来综合分析HRW对缺铁胁迫下光合机构稳定性的影响及其与抗胁迫性的关系。
1 材料与方法
1.1富氢水的制备
富氢水的制备根据之前的报道(Xie et al 2012;Jin et al. 2013)。采用山东赛克斯氢能源有限公司(中国山东)所制造的高纯氢气发生装置QL500电解水所制备99.99%(v/v)的高纯氢气，将其以400 mL/min的速度通入1L Hoagland’s营养液(pH 5.86.0)中1 h至饱和，接着迅速将氢气的饱和营养液稀释至50%(v/v)。
1.2 材料培养及富氢水处理
实验用的玉米品种为农大108。挑选籽粒均一饱满的玉米种子经75%酒精消毒5 min、去离子水冲洗后，浸泡12h左右，而后平摊在湿润的吸水纸上，放入25 ℃培养箱中催芽三天。待胚根长至1 cm长时挑选芽长、主根长均一致的种子，用海绵包裹胚乳放至去离子水中培养至第二叶全展，再挑选长势相同的玉米幼苗，每3株幼苗移栽至一个塑料杯中培养。营养液采用改良的Hoagland’s培养液配方，其中A液为2.50 mM Ca(NO3)2?4H2O，4.0 mM KNO3；B液为：1.0 mM KH2PO4，1.0 mM MgSO4?7H2O；C液为：46 μM H3BO3，12.6 μM MnSO4?H2O，0.32 μM CuSO4?5H2O，0.77 μM ZnSO4?7H2O，12.4 μM Na2MoO4?2H2O；D液为EDTA?Na2和FeSO4?7H2O螯合的铁盐溶液。综合配置的1000 mL培养液中分别含A液、B液、C液和D液各2 mL、1 mL、1 mL和1 mL，用盐酸调整pH值为5.8±0.2。幼苗放于温室中培养，待玉米幼苗第四叶完全展开即作为实验材料使用。
1.3 MDA和H2O2的测定
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摘要 1
引言
铁是植物生长发育所必须的一种微量元素。由于铁的溶解度极低，使得在土壤中铁的有效含量也低，特别是在碱性土壤中，从而导致植物对铁的吸收利用受到限制（Wang et al. 2015）。土壤中铁的有效含量低，使得植物在进化中需不断提高对铁的吸收机制，这样才能保证植物的正常生长及发育。同时，植物在长期的进化过程中，已逐渐形成了一些适应环境铁缺乏的机制。主要包括适应性机理和非适应性机理两种。适应性机理明显受体内铁营养状况所调节 ,适应性机理又划分为机理I(strategy I)和机理II ( strategy II)植物，前者包含双子叶和非禾本科单子叶植物，后者为禾本科单子叶植物。植物在遭受缺铁胁迫时，其表观主要表现为叶片发黄，植株矮小，同时叶绿素含量降低，光合速率下降，最终导致农作物的产量下降。因此，研究如何保护植物来抵抗缺铁胁迫对以后的农业发展具有重大意义。
目前，H2在植物学上的应用也渐渐增多。类似于在动物中的效应，H2在植物中也已经成为一个重要的生物调节剂。近来研究发现，H2在植物的抗胁迫作用中发挥很大的功能，如H2可减轻盐胁迫所带来的氧化损伤（Xie et al. 2012 Zeng et al. 2013），减轻金属离子和农药带来的氧化损伤（Chen et al. 2014 Cui et al. 2014），同时也参与激素抗病虫害信号相关基因的表达（Xie et al. 2012）等。例如，Xu等指出富氢水（HRW）可以减轻水稻种子萌发过程中的盐胁迫，并用生理生化的方法研究了H *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
RW介导的水稻种子萌发过程中耐盐性增加的分子机制。其研究结果表明，外源HRW预处理水稻种子可缓解盐分对种子萌发、幼苗生长的抑制作用。且HRW可以增强总酶活性、同工酶活性，及相应的抗氧化酶基因的表达，最终可减轻植物体的氧化损伤（Xu et al. 2013）。
同时，我们知道在植物的生长过程中一些金属元素是生长发育所必须的，如Fe，Cu，Al等等，但是若这些金属元素含量不足或超过正常所需，便会引起不正常反应。如Fe元素的缺少和过量，均会影响作物的产量。各项研究表明，氢气可对金属引起的损伤进行修复。如Al毒害的主要症状是抑制植物根的伸长。有研究报道H2可调节铝诱导抑制根伸长的现象，且发现Al处理会使苜蓿体内释放化合物硝普钠（SNP），不仅增加NO的产生，同时也显著抑制根的伸长。用HRW处理可减少硝酸还原酶介导的NO的产生，缓解了铝的毒性症状的出现（Chen et al. 2014）。Cui等观察到HRW可以缓解镉引起的紫花苜蓿幼苗生长的抑制，使苜蓿幼苗根系对Cd的吸收减少，主要是通过激活抗氧化酶来缓解镉诱导的氧化应激，HRW可以重新建立镉胁迫下谷胱甘肽动态平衡（Cui et al. 2013）。同时有研究表明氢气可减轻苜蓿中的Hg毒害，富氢水可明显减少细胞内离子的泄露和Hg的积累，这有助于重建植物体内离子平衡（Cui et al. 2014）。
玉米是一种常见的粮食作物，主要产于北方，同时也是三大粮食作物中最适合作为工业原料的品种，也是加工程度最高的粮食作物。在缺铁条件下，严重影响玉米的产量。本研究就是以玉米为材料，研究HRW对玉米缺铁胁迫现象的缓解作用及其作用机制。我们通过测定生物量、抗氧化酶活性、MDA含量和H2O2，并根据快速荧光诱导动力学、光合气体交换参数等来综合分析HRW对缺铁胁迫下光合机构稳定性的影响及其与抗胁迫性的关系。
1 材料与方法
1.1富氢水的制备
富氢水的制备根据之前的报道(Xie et al 2012;Jin et al. 2013)。采用山东赛克斯氢能源有限公司(中国山东)所制造的高纯氢气发生装置QL500电解水所制备99.99%(v/v)的高纯氢气，将其以400 mL/min的速度通入1L Hoagland’s营养液(pH 5.86.0)中1 h至饱和，接着迅速将氢气的饱和营养液稀释至50%(v/v)。
1.2 材料培养及富氢水处理
实验用的玉米品种为农大108。挑选籽粒均一饱满的玉米种子经75%酒精消毒5 min、去离子水冲洗后，浸泡12h左右，而后平摊在湿润的吸水纸上，放入25 ℃培养箱中催芽三天。待胚根长至1 cm长时挑选芽长、主根长均一致的种子，用海绵包裹胚乳放至去离子水中培养至第二叶全展，再挑选长势相同的玉米幼苗，每3株幼苗移栽至一个塑料杯中培养。营养液采用改良的Hoagland’s培养液配方，其中A液为2.50 mM Ca(NO3)2?4H2O，4.0 mM KNO3；B液为：1.0 mM KH2PO4，1.0 mM MgSO4?7H2O；C液为：46 μM H3BO3，12.6 μM MnSO4?H2O，0.32 μM CuSO4?5H2O，0.77 μM ZnSO4?7H2O，12.4 μM Na2MoO4?2H2O；D液为EDTA?Na2和FeSO4?7H2O螯合的铁盐溶液。综合配置的1000 mL培养液中分别含A液、B液、C液和D液各2 mL、1 mL、1 mL和1 mL，用盐酸调整pH值为5.8±0.2。幼苗放于温室中培养，待玉米幼苗第四叶完全展开即作为实验材料使用。
1.3 MDA和H2O2的测定
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