重金屬Pb對(duì)高羊茅生長(zhǎng)及抗氧化生理特性的影響

沈高峰 （天津農(nóng)學(xué)院職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300380）

高羊茅 （FestucaarundinaceaSchreb．）為禾本科羊茅屬多年生草本植物，又名葦狀羊茅，叢型，須根發(fā)達(dá)，適應(yīng)性廣，為冷季型草坪草，原產(chǎn)地為歐洲，在我國(guó)北方大部分地區(qū)均有分布。由于其具有耐寒、耐踐踏、抗病性強(qiáng)，管理方便，建坪成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于城市園林綠化、水土保持及體育等領(lǐng)域中，是我國(guó)目前使用量增長(zhǎng)最快的草種［1］。有研究顯示，高羊茅對(duì)重金屬有一定的耐性和富集作用［2-6］。利用草坪草修復(fù)鉛污染土壤，可以兼具美化環(huán)境與修復(fù)污染土壤的功能，但目前有關(guān)鉛對(duì)高羊茅生理生化影響的報(bào)道仍然較少，本試驗(yàn)通過(guò)探討不同濃度Pb脅迫對(duì)高羊茅生長(zhǎng)及抗氧化生理特性的影響，為防治重金屬對(duì)冷季性草坪草的危害提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 供試材料

本試驗(yàn)選用高羊茅種子。

1．2 試驗(yàn)方法

將6g高羊茅種子用0．2%的HgCl2消毒2min，然后用蒸餾水充分漂洗后播種在0．50m×0．40m規(guī)格的PVC方盆中，以蛭石和草炭 （1∶1）為栽培基質(zhì)，用全濃度Hoagland培養(yǎng)液進(jìn)行盆栽模擬試驗(yàn)。播種前充分灌溉培養(yǎng)液至基質(zhì)達(dá)到80%飽和濕度，播后在盆面覆蓋地膜直至完全出苗，發(fā)芽條件為室溫，光照條件為自然光。

將栽培基質(zhì)放入事先已經(jīng)標(biāo)記好的方盆中稱量，將Pb以Pb（NO3）2水溶液的形式均勻拌入土壤中，以不加Pb （NO3）2為對(duì)照 （CK），處理組Pb2＋濃度分別為0、500、1000、1500mg／kg。

當(dāng)長(zhǎng)到3葉齡時(shí)，分別移栽到鉛溶液處理過(guò)的方盆中，共4個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，共12盆，分別在脅迫6d、12d和18d后測(cè)量Pb脅迫下的生理指標(biāo)。

1．3 指標(biāo)測(cè)定方法

葉綠素含量采用丙酮浸提法［7］；SOD活性測(cè)定參照文獻(xiàn) ［8］的方法并略作修改；POD活性的測(cè)定按文獻(xiàn) ［9］的方法進(jìn)行；MDA含量測(cè)定參照文獻(xiàn) ［10］的方法略作修改。

植物生物量采用鮮重直接稱量法測(cè)定，單位為g。處理后第6、12、18天，分別在每個(gè)處理的每個(gè)重復(fù)中成片取200株草坪草，根系用洗根法將蛙石與根系分開(kāi)，在室溫下將根系表面水分用濾紙吸干后用電子分析天平稱鮮重，以此作為植物生物量。

1．4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由 Microsoft Office Excel 2003進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2．1 Pb脅迫對(duì)高羊茅生物量的影響

用Pb（NO3）2處理6d、12d和18d后分別取樣，測(cè)定了高羊茅的生物量 （表1）。從表1可以看出，在Pb脅迫下，高羊茅鮮重都有不同程度的下降，并且隨著Pb濃度的升高和脅迫時(shí)間的增加，高羊茅下降趨勢(shì)越明顯。尤其在脅迫12d后，1500mg／kg條件下高羊茅的鮮重是對(duì)照的67．44%；在脅迫18d后，1500mg／kg條件下的鮮重是對(duì)照的45．62%。說(shuō)明高羊茅的生長(zhǎng)受到明顯抑制。結(jié)合草坪草的外觀來(lái)看，在1000mg／kg和1500mg／kg的高濃度及12d和18d的長(zhǎng)時(shí)間脅迫下，高羊茅的植株普遍矮小，葉片發(fā)黃，尤其在脅迫18d后，受傷癥狀更加明顯，在其葉上部出現(xiàn)枯萎，葉尖的枯萎現(xiàn)象普遍。由此說(shuō)明，高羊茅在高濃度、長(zhǎng)時(shí)間Pb脅迫下，生長(zhǎng)受到明顯抑制，難以繼續(xù)生長(zhǎng)。

表1 Pb脅迫對(duì)高羊茅的生物量的影響

2．2 Pb脅迫對(duì)高羊茅葉綠素的影響

在Pb脅迫6d、12d和18d分別測(cè)定后高羊茅草的葉綠素含量，圖1結(jié)果顯示，在脅迫6d和12d后，其葉綠素含量高于對(duì)照，尤其是在脅迫12d后其葉綠素水平出現(xiàn)最高值。在第18天時(shí)，其葉綠素出現(xiàn)了下降，而且表現(xiàn)出來(lái)的葉綠素的水平均低于對(duì)照。

2．3 Pb脅迫對(duì)高羊茅SOD活性的影響

從圖2可知，高羊茅在脅迫初期（第 6 天 ）， 在 500mg／kg 和 1000 mg／kg濃度時(shí)，SOD活性明顯高于對(duì)照，處于較高水平。但隨著脅迫時(shí)間的增長(zhǎng)，SOD的活性大幅下降，在脅迫第18天時(shí)，SOD活性降到最低值，對(duì)于1500mg／kg濃度脅迫，表現(xiàn)出較低的抗性。

圖1 Pb脅迫下高羊茅葉綠素含量的變化

圖2 Pb脅迫下高羊茅SOD活性的變化

2．4 重金屬Pb脅迫對(duì)高羊茅POD活性的影響

從圖3可以看出，高羊茅在脅迫初期 （第6天），POD活性呈上升趨勢(shì)，500mg／kg和1000mg／kg濃度時(shí)明顯高于對(duì)照，隨著脅迫時(shí)間的增加，POD活性大幅下降，在第12天和第18天各濃度POD活性明顯低于對(duì)照，說(shuō)明在脅迫初期，高羊茅POD活性增強(qiáng)，脅迫后期隨著脅迫時(shí)間增加，活性降低。高羊茅在Pb的脅迫下，POD的活性不僅隨著濃度遞增而下降，而且也隨脅迫時(shí)間的增加而下降，但高羊茅在脅迫初期，POD活性隨脅迫濃度的增加，呈先高后低的趨勢(shì)。

2．5 Pb脅迫對(duì)高羊茅MDA含量水平的影響

高羊茅在不同濃度Pb脅迫處理下，其MDA含量隨著Pb2＋濃度的增大都有升高的趨勢(shì)，尤其在高濃度脅迫下，MDA的積累量更高 （圖4）。在脅迫初期 （第6天），高羊茅MDA的含量有升高的趨勢(shì)，但不是很明顯。在脅迫12天后，高羊茅在1500mg／kg處理達(dá)到最高值，約為對(duì)照的2倍，MDA含量增加明顯。

圖3 Pb脅迫下高羊茅POD活性的變化

圖4 Pb脅迫下高羊茅MDA含量的變化

3 討論

3．1 重金屬脅迫對(duì)生物量的影響

Pb是一種毒性較強(qiáng)的重金屬元素，當(dāng)它在植物體內(nèi)積累到一定程度時(shí)，就會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生一定的毒害作用。秦天才等［11］發(fā)現(xiàn)Pb對(duì)小白菜的生長(zhǎng)發(fā)育的影響主要為根系變淺，白菜葉片量變小且易倒伏；吳燕玉［12］發(fā)現(xiàn)Pb等含量超標(biāo)的地段水稻生長(zhǎng)矮小，分孽減少，而且出現(xiàn)大量空批粒。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在不同濃度Pb脅迫下，高羊茅的生物量在較低濃度脅迫時(shí)，生物量降低幅度不是很大，但是隨著脅迫時(shí)間和脅迫濃度的增加，生物量下降明顯，這與前人所發(fā)現(xiàn)的趨勢(shì)一致。

3．2 重金屬脅迫對(duì)葉綠素含量的影響

許多研究表明，葉綠素含量降低是重金屬對(duì)植物毒害的普遍現(xiàn)象。本試驗(yàn)中，在脅迫6d和12d后，高羊茅的葉綠素含量高于對(duì)照，尤其是在脅迫12d后高羊茅的葉綠素水平出現(xiàn)最高值。在第18天時(shí)，高羊茅的葉綠素出現(xiàn)了下降，而且表現(xiàn)出來(lái)的葉綠素的水平均低于對(duì)照。高濃度Pb導(dǎo)致葉綠素含量下降，可能是由于Pb破壞了葉綠素合成過(guò)程并影響了葉綠素酶的活性，或自由基攻擊直接導(dǎo)致葉綠素微結(jié)構(gòu)的破壞。Kupper等［13］的研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素分子中的鎂離子可被包括鉛在內(nèi)的多種重金屬元素所取代，并認(rèn)為這是植物在脅迫條件下的傷害機(jī)制之一。低濃度鉛引起葉綠素量增加，其機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。關(guān)于Pb對(duì)葉綠素的影響，不同研究的結(jié)論不盡相同，這可能與研究材料及其成熟度、鉛處理濃度、栽培基質(zhì)和土壤的pH有關(guān)，今后有必要對(duì)此進(jìn)行更深入的探討。

3．3 重金屬脅迫對(duì)超氧化物歧化酶影響

由于重金屬脅迫通常引起植物體內(nèi)活性氧超量形成，SOD是植物細(xì)胞中最重要的抗氧化酶之一。由于受底物濃度影響，植物體內(nèi)抗氧化酶中的SOD活性變化較為活躍，故一般以SOD活性變化間接表示植物體內(nèi)活性氧自由基的變化趨勢(shì)。John M K發(fā)現(xiàn)重金屬鎘對(duì)萵苣離體葉片細(xì)胞內(nèi)SOD活性的影響具有處理早期表現(xiàn)為促使酶活性上升，后期對(duì)酶活性抑制的特點(diǎn)［14］。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，不同濃度Pb對(duì)高羊茅SOD活性的影響表現(xiàn)為 “先揚(yáng)后抑”，即在低濃度脅迫下，植物體內(nèi)形成的活性氧自由基誘導(dǎo)了抗氧化酶的活性水平，因而自由基上升不顯著，但隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，氧自由基濃度增加，SOD活性也相應(yīng)增加，當(dāng)二者間平衡被打破后，SOD活性受到抑制、甚至失活。

3．4 重金屬脅迫對(duì)過(guò)氧化物酶的影響

過(guò)氧化物酶廣泛存在于植物體內(nèi)不同組織中，過(guò)氧化物酶作為活性較高的適應(yīng)性酶，能夠反映植物生長(zhǎng)發(fā)育的特點(diǎn)，體內(nèi)代謝狀況以及對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)性。重金屬脅迫能誘導(dǎo)植物組織中POD總活性升高，這是植物對(duì)所有污染脅迫的共同響應(yīng)。

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，低濃度的Pb脅迫促進(jìn)了高羊茅POD活性的顯著提高，其清除氧自由基能力增強(qiáng)，但在較高濃度處理時(shí)，其活性開(kāi)始下降，說(shuō)明植物抗Pb脅迫能力有一定的限度。另外，低濃度的Pb脅迫促進(jìn)了高羊茅POD活性的加強(qiáng)，在一定程度上減輕了鉛脅迫的損傷程度，但在較高濃度處理時(shí)，卻表現(xiàn)活性降低，說(shuō)明脅迫產(chǎn)生的超氧陰離子自由基超過(guò)了高羊茅自身的清除能力。

3．5 重金屬脅迫對(duì)丙二醛 （MDA）含量的影響

重金屬是脂質(zhì)過(guò)氧化的誘導(dǎo)劑，當(dāng)重金屬處理植物時(shí)，細(xì)胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生和消除之間的平衡受到破壞，導(dǎo)致大量的活性氧自由基產(chǎn)生，自由基引發(fā)膜中不飽和脂肪酸產(chǎn)生過(guò)氧化反應(yīng)，破壞膜的結(jié)構(gòu)和功能。因此，MDA的積累在一定程度上反應(yīng)了體內(nèi)自由基活動(dòng)的動(dòng)態(tài)，本試驗(yàn)也反應(yīng)出高羊茅和多年生黑麥草在不同濃度Pb脅迫處理下，其MDA含量隨著Pb濃度的增大都有升高的趨勢(shì)，尤其在高濃度脅迫下，MDA的積累量更高。

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