銅、水分脅迫下金屬型植物海洲香薷水分代謝的變化

李民敬，余發(fā)新，丁建南，熊治廷

(1.江西省科學(xué)院生物資源研究所，江西 南昌330029;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074; 3.武漢大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430072)

0 前言

自然界有一類抗性植物，能生長(zhǎng)在重金屬嚴(yán)重污染的土壤(如礦脈露頭和古礦遺址)而代代繁衍不息，被稱為金屬型植物［1］。在其原生土壤中，重金屬(如Cu、Zn、Pb、Cd等)含量可達(dá)10 000 mg/kg或更高，是非污染土壤的100～1 000倍以上。依據(jù)生態(tài)分布特點(diǎn)，該類植物分為專性和兼性兩類［1］。前者僅限于污染區(qū);后者可分布于重金屬污染區(qū)和非污染區(qū)，分別形成抗性和非抗性種群。

海洲香薷(Elsholtzia haichowensis Sun)，唇型科一年生草本植物，俗稱“銅草”或“銅花”，是銅礦區(qū)生長(zhǎng)茂盛的優(yōu)勢(shì)種之一［2，3］。該植物對(duì)Cu有很好的蓄積和耐受性，是一種我國(guó)原生的金屬型植物，可應(yīng)用于銅污染土壤植物修復(fù)［3，4］。同時(shí)也是銅礦區(qū)的先鋒植物，在銅礦區(qū)和其它銅污染區(qū)的植被恢復(fù)中具有重要作用。該植物在非污染區(qū)也有分布，但是并不常見，也不是優(yōu)勢(shì)種［4］。

金屬型植物生長(zhǎng)土壤大多土層薄，砂礫含量高，保水性和持水能力差，易造成重金屬和干旱復(fù)合脅迫［5～7］。金屬型植物在這種異常生境中能正常生長(zhǎng)和繁殖，除對(duì)重金屬有抗性外，對(duì)干旱可能也有較強(qiáng)的抵抗能力。但是目前金屬型植物相關(guān)研究側(cè)重于重金屬蓄積性能及其抗性兩個(gè)方面［8～10］，在重金屬、水分脅迫共同作用下其生理生化代謝的變化及其機(jī)理研究較少［6，7，11～13］。本項(xiàng)目選用污染區(qū)、非污染區(qū)海洲香薷為試材，以水培方法構(gòu)成Cu、水分脅迫，研究植物蒸騰速率、水分利用效率、葉片相對(duì)含水量、根自然含水量的變化，揭示Cu、水分脅迫下污染區(qū)、非污染區(qū)金屬型植物水分代謝的差異，為尾礦庫(kù)復(fù)墾和礦山生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 植物材料的培養(yǎng)以及銅、PEG6000處理

污染區(qū)海洲香薷種子采自已有3000多年采礦歷史的湖北大冶銅錄山古銅礦遺址，土壤總銅含量6 303.6 mg/kg干土;非污染區(qū)海洲香薷種子采自湖北紅安，土壤總銅含量51.6 mg/kg干土。

海洲香薷種子消毒、清洗后置于25℃、黑暗的條件下萌發(fā)。將剛萌發(fā)的幼苗溫室自然光照下砂質(zhì)培養(yǎng)，用1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液澆灌。待幼苗長(zhǎng)出4對(duì)復(fù)葉時(shí)，轉(zhuǎn)移至室內(nèi)人工培養(yǎng)室內(nèi)用1/ 2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)。培養(yǎng)室用鈉燈和白熾燈提供光照，用空調(diào)調(diào)節(jié)溫度使室溫保持在25℃左右。水培恢復(fù)培養(yǎng)一周后加入氯化銅、PEG6000，分別形成Cu0.16 μM(Control)、Cu20 μM、5%(w/v) PEG6000(模擬水分脅迫)、Cu20 μM+5%PEG6000 (Cu+水分脅迫)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。每3 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液并重新染毒。

1.2 蒸騰速率和葉片水分利用效率的測(cè)定

按照LI-6400便攜式光合儀的測(cè)定步驟，測(cè)定海洲香薷成熟葉片的蒸騰速率和凈光合速率等。其中測(cè)定過程:植物幼苗在固定光源(高壓鈉燈)下進(jìn)行，Tair 33.40～38.08℃，Tleaf 32.39～38.33℃，Tblock 33.21～37.97℃，CO2R 430.71～483.35 μmolCO2mol－1，H2OR 14.555～14.854 mmol H2Omol－1，RH_R%21.84～28.66，F(xiàn)low499.2～501.1 μmol s－1，ParIn721～830 μmol m－2s－1，Press 100.8～100.9 kPa。如果葉片沒有完全充滿葉室，那么需用葉面積掃描儀(LC-2400P)掃描葉片，然后手動(dòng)輸入葉面積至光合儀軟件重新計(jì)算相關(guān)參數(shù)。根據(jù)所獲數(shù)據(jù)計(jì)算葉片水分利用效率。

葉片水分利用效率=凈光合速率/蒸騰速率

1.3 葉片相對(duì)含水量和根自然含水量

取下植物葉片，電子天平(0.1 mg)稱鮮重，然后浸入去離子水中，浸泡6 h;把葉片取出并吸干上面的水分，稱飽和鮮重;然后在60℃的烘箱中烘48 h，稱干重。此外，同時(shí)稱量根的鮮重和干重。葉片的相對(duì)含水量和根的自然含水量采用下列公式:

葉片相對(duì)含水量=100×(葉片鮮重－葉片干重)/(葉片飽和鮮重－葉片干重)

根自然含水量=100×(根鮮重－根干重)/根鮮重

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用SPSS10.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用多因素統(tǒng)計(jì)分析(Multi-way ANOVA)檢驗(yàn)CS/NCS、Cu和水分脅迫的顯著性差異。假如F值有顯著性差異(P＜0.05)，那么對(duì)測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行多重比較。多重比較采用Duncan新復(fù)極差法。圖表中不同字母代表達(dá)到顯著性差異(P＜0.05)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 蒸騰速率

圖1表明，在對(duì)照下NCS蒸騰速率明顯高于CS，說明NCS對(duì)水分的需求更為旺盛。20 μMCu處理下，分別與其對(duì)照相比，NCS的Tr下降了79.0%，CS的Tr上升了22.9%，并且均達(dá)到顯著性差異，此外CS的Tr明顯高于NCS;說明Cu明顯抑制了NCS的蒸騰作用，但是對(duì)CS蒸騰作用有刺激作用。在水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，CS和NCS的Tr均明顯下降，且兩者之間沒有顯著差異，但是下降的幅度不同。在水分脅迫下，分別與其對(duì)照相比，NCS的Tr下降了47.5%，CS的Tr下降了34.0%。在Cu+水分脅迫下，NCS的Tr下降了76.6%，CS的Tr下降了48.2%。

圖1 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷蒸騰速率的差異

2.2 葉片水分利用效率

圖2表明，與對(duì)照相比，NCS在Cu、水分脅迫以及Cu+水分脅迫下的葉片水分利用效率均明顯增加，而CS僅在水分脅迫下的WUE明顯增加，在Cu以及Cu+水分脅迫下無明顯變化。此外，在Cu以及Cu+水分脅迫下，NCS的WUE顯著高于CS，在其它處理下兩者之間WUE沒有明顯差異。

圖2 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷葉片水分利用效率的差異

2.3 葉片相對(duì)含水量和根自然含水量

圖3表明，在20 μM銅處理下，NCS和CS葉片相對(duì)含水量?jī)H有輕微變化。在水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，NCS的RWC高于CS，且NCS和CS的RWC均明顯下降，但是下降的幅度不同。在水分脅迫下，分別與其對(duì)照相比，NCS的RWC下降了11.5%，CS的下降了39.1%。在Cu +水分脅迫下，NCS的下降了42.2%，CS的下降了47.5%。

圖3 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷葉片相對(duì)含水量的差異

圖4表明，與對(duì)照相比，NCS根自然含水量在20 μMCu處理以及Cu+水分脅迫下均明顯下降，在水分脅迫下輕微下降;CS根NWC在Cu+水分脅迫下明顯下降，但是在其它脅迫下僅有輕微變化。

3 討論

蒸騰速率反映的是植物地上部分水分通過葉片等散失的速度，是反映植物地上部分失水快慢的指標(biāo)。Tr直接影響著植物體內(nèi)水分平衡的保持，進(jìn)而影響著植物生理生化代謝的正常進(jìn)行。20 μM銅處理下NCS的Tr明顯降低但CS的Tr明顯升高(圖1)，表明銅對(duì)NCS蒸騰作用有顯著的抑制作用，而對(duì)CS蒸騰作用有一定的刺激作用，CS適宜于銅污染區(qū)生長(zhǎng)。水分脅迫、銅+水分脅迫對(duì)NCS蒸騰作用的抑制作用明顯強(qiáng)于CS (圖1)，說明對(duì)水分脅迫、銅和水分復(fù)合脅迫而言CS有強(qiáng)于NCS的適應(yīng)能力，這與CS能耐短期干旱脅迫的結(jié)果是相一致的［6］。在干旱脅迫下，砷超蓄積植物蜈蚣草Tr也明顯下降［12］。不同基因型西紅柿的Tr對(duì)水分脅迫的反映也不同［14］。

圖4 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷根自然含水量的差異

植物葉片水分利用效率是評(píng)價(jià)植物生長(zhǎng)適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)，它實(shí)質(zhì)上反映了植物耗水與其干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系。NCS的WUE在3種脅迫下均明顯增加，但是CS的WUE僅在水分脅迫下明顯增加，在其它處理下無明顯變化(圖2)。WUE反應(yīng)差異表明NCS和CS對(duì)3種脅迫的敏感度不同，NCS更為敏感;NCS需要比CS消耗更多的水分才能產(chǎn)生同樣的干物質(zhì)積累。類似的是，金屬型植物蜈蚣草的WUE在輕度干旱下也明顯升高［12］，橄欖WUE在水分脅迫下也上升［15］。

葉片相對(duì)含水量是植物水分狀況的重要指標(biāo)。在水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，NCS和CS的RWC均明顯下降，且CS下降的幅度大于NCS(圖3)。這與進(jìn)行土培干旱實(shí)驗(yàn)時(shí)觀察到的現(xiàn)象相一致，即在同等干旱程度下，CS葉片發(fā)生萎蔫，而NCS沒有萎蔫。CS和NCS對(duì)水分脅迫以及Cu+水分脅迫的反應(yīng)方式不同，CS采取葉片萎蔫的方式自我保護(hù)(葉片萎蔫是植物在水分脅迫下自我保護(hù)的一種方式)。

4 結(jié)論

在Cu、水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，銅污染區(qū)和非污染區(qū)海洲香薷水分代謝存在明顯差異;與非污染區(qū)海洲香薷相比，銅污染區(qū)海洲香薷水分代謝受到的抑制作用偏輕。其結(jié)果可為尾礦庫(kù)復(fù)墾以及礦山生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

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