麻風(fēng)樹幼苗對錳脅迫的生理響應(yīng)研究

摘 要：通過水培實(shí)驗(yàn)研究了不同濃度錳脅迫對麻風(fēng)樹幼苗生理生化特性的影響。結(jié)果顯示：隨著錳脅迫濃度的升高，麻風(fēng)樹幼苗葉片中的葉綠素含量和過氧化物酶活性逐漸下降，丙二醛含量和游離脯氨酸含量不斷升高，可溶性糖及可溶性蛋白含量呈先上升后下降的趨勢。研究表明，麻風(fēng)樹對重金屬錳污染具有有一定的耐受性。

關(guān)鍵詞：錳脅迫；生理生化特性；麻風(fēng)樹

中圖分類號 S727.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）22-22-03

錳是地殼的組成元素之一，在酸性土壤中含量較多，在煉鋼過程中用量很大，也應(yīng)用于金屬材料的脫氧劑、脫硫劑以及合金元素。廣西現(xiàn)已探明的錳礦資源儲量占全國的39.8%，為全國第一，碳酸錳儲量較大，約占總儲量的60%[1]。隨著輕工業(yè)、化工行業(yè)、建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，對錳的需求量越來越大，錳礦開采力度也逐漸加大。然而，我國冶煉技術(shù)相對落后，在冶煉中排放出大量的尾礦渣以及開采運(yùn)輸過程中導(dǎo)致大規(guī)模錳污染，使土壤中的可溶性錳含量不斷增加。錳是植物生長發(fā)育的必需的微量元素，但是過量的錳會對植物造成傷害，導(dǎo)致減產(chǎn)，影響品質(zhì)。

麻風(fēng)樹（Jatropha carcas L.）又名小桐子、臭梧桐、膏桐，屬于大戟科麻風(fēng)樹屬[2]，其種仁含油量較高，一般在50%～60%[3]。麻風(fēng)樹易栽培、易管理、開花結(jié)實(shí)早、果實(shí)產(chǎn)量和種子含油率高，種子能提煉出生物柴油，極有可能在將來代替石油資源，最近幾年備受關(guān)注；它還是生物農(nóng)藥、生物制藥、生物飼料等產(chǎn)業(yè)材料的重要來源，具有廣泛的應(yīng)用前景[4]。麻風(fēng)樹廣泛分布于廣西、云南、廣東、福建、海南、貴州等地，面積近1.1萬hm2[5]，在廣西主要分布于南寧、崇左、欽州、百色、田東、田陽等地，主要用于防止沙化、增加有機(jī)質(zhì)和保水固土作用[6]。

麻風(fēng)樹作為一種重要的油料植物，由于具有種植不占農(nóng)田、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注，而能否作為修復(fù)重金屬污染的植物樹種，值得進(jìn)一步的探究。為此，本實(shí)驗(yàn)以麻風(fēng)樹作為研究對象，利用不同濃度的重金屬錳溶液對麻風(fēng)樹幼苗進(jìn)行脅迫處理，測定各項(xiàng)生理生化指標(biāo)，了解麻風(fēng)樹在重金屬脅迫下的生理響應(yīng)機(jī)制，為植物修復(fù)重金屬污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)用麻風(fēng)樹種子采自百色郊外山林。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 選取飽滿的麻風(fēng)樹種子，用蒸餾水清洗干凈并浸泡12h，再用濃度為1∶5 000的高錳酸鉀溶液消毒10min，擺放在底層鋪有棉花的托盤中，澆適量水，蓋上紗布，放入人工氣候培養(yǎng)箱（溫度25℃、濕度75%）中催芽。待種子長出3～4條根時(shí)移栽到盛有干凈砂粒的塑料盆中，用1/2Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)，至長出4～5片真葉時(shí)選出長勢一致的幼苗分成6組，分別用含錳濃度為0mg/L、20mg/L、50mg/L、100mg/L、150mg/L、200mg/L的1/2Hoagland營養(yǎng)液脅迫處理。各處理組分別標(biāo)志為P、P1、P2、P3、P4、P5。14d后取葉片測定各項(xiàng)生理生化指標(biāo)。

1.3 生理指標(biāo)測定 用80%丙酮萃取法測定葉綠素含量[7]、TBA法測定丙二醛（MDA）含量和可溶性糖含量[8]、考馬斯亮藍(lán)法測定蛋白質(zhì)（Pr）含量[9]、愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性[10]、酸性茚三酮法測定脯氨酸含量[11]。

1.4 數(shù)據(jù)處理 以上試驗(yàn)重復(fù)3次。數(shù)據(jù)取3次重復(fù)試驗(yàn)的平均值，在 Excel 2003進(jìn)行處理制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度錳脅迫對麻風(fēng)樹葉片葉綠素含量的影響 葉片是植物進(jìn)行光合作用的主要器官，葉綠素含量的多少直接影響綠色植物的光合作用。葉綠素含量容易受外界環(huán)境影響，如土壤溫度、重金屬、二氧化碳濃度等影響。由圖1可知，隨著錳脅迫濃度的升高，其葉綠素a、葉綠素b含量都呈下降的趨勢，但在20～150mg/L濃度范圍內(nèi)下降幅度不大，當(dāng)濃度到達(dá)P5（200mg/L）時(shí)下降明顯，葉綠素a含量和葉綠素b含量分別是對照組的59%、54%，表明此時(shí)植物生長受到明顯影響。而葉綠素a與葉綠素b的比值都比對照組高，且呈下降趨勢，說明葉綠素b對于錳脅迫比葉綠素a更為敏感。

2.2 不同濃度錳脅迫對麻風(fēng)樹葉片丙二醛含量的影響 丙二醛是膜脂過氧化的產(chǎn)物，能與植物中的活性物質(zhì)形成不溶性的化合物。丙二醛含量是葉片細(xì)胞膜脂過氧化程度的一種體現(xiàn)，其對植物體是有害的，含量越高，對植物傷害越嚴(yán)重。由圖2可知，隨著錳濃度的升高，丙二醛的含量隨之升高，在低濃度時(shí)丙二醛含量增幅不大，且在50～100mg/L范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定，當(dāng)濃度大于P4（150mg/L）濃度時(shí)，丙二醛含量增幅明顯，分別比對照組高出169%、259%，表明麻風(fēng)樹在低濃度錳脅迫時(shí)受傷害較小，但隨著錳濃度的增加，麻風(fēng)樹的膜系統(tǒng)受傷逐漸增大。

2.3 不同濃度錳脅迫對麻風(fēng)樹葉片可溶性糖含量的影響 植物體內(nèi)的可溶性糖可作為植物的營養(yǎng)物質(zhì)，也是用來調(diào)節(jié)滲透作用的重要物質(zhì)，它對植物細(xì)胞的細(xì)胞膜、原生質(zhì)體以及酶類都有一定的保護(hù)作用。在一定程度上，可溶性糖含量可以反映植物生長發(fā)育狀況以及植物對惡劣環(huán)境的抗性強(qiáng)弱。由圖3可知，可溶性糖含量隨著錳脅迫濃度的增加呈上升后下降的趨勢，在P4（150mg/L）濃度時(shí)達(dá)到最高，比對照組高出81%，之后有所下降。由此可見，在麻風(fēng)樹受到傷害時(shí)，麻風(fēng)樹可通過增加可溶性糖的含量來適應(yīng)外界不良的環(huán)境。

2.4 不同濃度錳脅迫對麻風(fēng)樹葉片過氧化物酶活性的影響 過氧化物酶是植物在呼吸代謝中有著重大作用的酶類之一，具有清除活性氧的功能，可有效減輕外界不良環(huán)境對植物造成的傷害。由圖4可知，過氧化物酶隨著錳濃度的增加呈逐漸遞減的趨勢，在低濃度時(shí)，過氧化物酶活性下降不明顯，當(dāng)錳濃度在P4（150mg/L）以上時(shí)，過氧化物酶活性下降幅度很大，分別比對照組低85%、150%。

2.5 不同濃度錳脅迫對麻風(fēng)樹葉片可溶性蛋白含量的影響 可溶性蛋白質(zhì)也是植物內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有穩(wěn)定細(xì)胞膜、保水的功能，有助于細(xì)胞維持正常代謝。由圖6可知，麻風(fēng)樹葉片中的可溶性蛋白含量隨著重金屬錳脅迫濃度的升高呈先上升后下降的趨勢。在P3（100mg/L）濃度以下，可溶性蛋白的含量雖有增加，但是增幅不大，而當(dāng)錳脅迫液濃度達(dá)P4（150mg/L）以上時(shí)，可溶性蛋白含量急劇降低。

2.6 不同濃度錳脅迫對麻風(fēng)樹葉片游離脯氨酸含量的影響 脯氨酸是調(diào)節(jié)植物體內(nèi)滲透作用的重要物質(zhì)之一，大部分以游離態(tài)存在植物體內(nèi)。脯氨酸的積累對細(xì)胞具有調(diào)節(jié)滲透、抗氧化、穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)等作用[12]，并且具有親水性，能維持細(xì)胞的水分平衡[13]，是酶的保護(hù)劑。由圖6可知，脯氨酸的含量隨著錳脅迫濃度的升高而升高，在較低濃度錳脅迫時(shí)，脯氨酸含量比對照增加不多，而當(dāng)錳脅迫濃度達(dá)P4（150mg/L）、P5（200mg/L）時(shí)，脯氨酸含量急劇升高，分別比對照組高出802%、955%。說明過高濃度錳脅迫對植物體傷害加劇，此時(shí)麻風(fēng)樹通過增加脯氨酸的量來耐受高濃度錳的毒害。

3 結(jié)論與討論

錳是植物必需的微量元素之一，缺少或過多都會使植物不能正常生長。本實(shí)驗(yàn)中，在錳脅迫作用下，葉綠素含量比對照低，極有可能是重金屬離子進(jìn)入細(xì)胞，與葉綠體蛋白結(jié)合，破壞了葉綠體結(jié)構(gòu)[14]，也有有可能是葉綠素合成過程中合成葉綠素的酶受到錳的影響，酶活性受到抑制，導(dǎo)致葉綠素含量下降[[15-16]。

丙二醛是植物細(xì)胞膜膜脂過氧化的產(chǎn)物，丙二醛對植物體是有害的。細(xì)胞膜是調(diào)節(jié)和控制物質(zhì)進(jìn)出細(xì)胞的基礎(chǔ)。重金屬能誘導(dǎo)脂質(zhì)過氧化[17]，使細(xì)胞膜膜脂通過過氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量丙二醛，破壞細(xì)胞的膜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致膜的通透性加大，外界物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)活性物質(zhì)物質(zhì)遭到破壞。同時(shí)，過氧化物酶活性下降，大量的活性氧積累加速了丙二醛的生成，這可能就是在錳脅迫作用下麻風(fēng)樹葉片內(nèi)丙二醛含量升高的的原因。

過氧化物酶是植物體內(nèi)的重要的抗氧化劑，能清除植物體內(nèi)的過氧化氫[18]，是對環(huán)境影響比較敏感的酶[19]。本實(shí)驗(yàn)中過氧化物酶活性呈下降趨勢，但在低濃度時(shí)下降不明顯，說明麻風(fēng)樹在低濃度的錳污染中具有一定的耐受能力，但是高濃度錳脅迫則導(dǎo)致麻風(fēng)樹體內(nèi)防御系統(tǒng)被破壞，抗逆性降低，植物受到傷害?？赡苁怯捎诩?xì)胞通透性增大以及丙二醛含量的增加，使得過氧化物酶活性降低，甚至失活。也有可能是錳脅迫過程中麻風(fēng)樹體內(nèi)產(chǎn)生某種物質(zhì)，破壞了過氧化物酶的結(jié)構(gòu)，使其活性降低，這有待作進(jìn)一步研究。

可溶性糖作為調(diào)節(jié)滲透平衡的一種物質(zhì)，對細(xì)胞液濃度和滲透勢的高低都有一定的影響。在逆境環(huán)境下，可溶性糖含量累積越高，植物抵抗不良環(huán)境的能力越強(qiáng)[22]。本實(shí)驗(yàn)中，錳脅迫麻風(fēng)樹葉片中可溶性糖含量呈先上升后下降的趨勢。這可能是麻風(fēng)樹受到脅迫時(shí)，不可溶性糖降解以提高可溶性糖含量來保持滲透平衡，增強(qiáng)抗逆性。在高濃度錳脅迫下，可溶性糖含量下降，很有可能是錳脅迫使細(xì)胞膜通透性增大，糖類和酶大量運(yùn)出所致。

可溶性蛋白具有較強(qiáng)的保水性，能為植物在逆境情況下提供能量和物質(zhì)，增強(qiáng)其抗逆能力。本實(shí)驗(yàn)中，在低濃度錳脅迫下可溶性蛋白含量有所上升，但隨著錳脅迫濃度的升高，可溶性蛋白含量下降明顯。有研究表明，重金屬進(jìn)入植物體后，大多會與植物體內(nèi)的其他離子結(jié)合形成化合物或者螯合物，阻礙蛋白質(zhì)合成，進(jìn)而抑制植物的正常代謝[20]。也有可能是高濃度錳離子影響氨基酸合成，導(dǎo)致可溶性蛋白含量降低[21]。

植物在逆境環(huán)境下進(jìn)行脯氨酸累積是一種常見的現(xiàn)象，脯氨酸有解毒保水的作用。有研究表明，游離脯氨酸的累積與植物的相對含水量呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系[23]。本實(shí)驗(yàn)游離脯氨酸增多可能是因?yàn)榧?xì)胞膜通透性增加，植物失水過多，植物體通過產(chǎn)生大量脯氨酸來保持水分平衡，應(yīng)是麻風(fēng)樹應(yīng)對外界不良條件的一種適應(yīng)性調(diào)節(jié)。

綜上所述，麻風(fēng)樹在一定程度上可通過提高可溶性糖、可溶性蛋白及游離脯氨酸含量來抵抗外界不良環(huán)境，減輕錳的毒害，表明它對重金屬錳污染具有有一定的耐受性。

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（責(zé)編：張宏民）