砷脅迫對麻風(fēng)樹幼苗生理生化指標(biāo)的影響研究

曾小飚 黃斌 陳冠喜 莫遠(yuǎn)明 李毅

摘 要：試驗研究了不同濃度As3+脅迫對麻風(fēng)樹幼苗生理生化指標(biāo)的影響，探討其對As3+污染的耐受性，為其是否能被安全引種馴化及種植推廣提供理論依據(jù)。結(jié)果表明，隨著As3+濃度的增加，麻風(fēng)樹幼苗葉片的可溶性蛋白、葉綠素含量以及過氧化物酶（POD）的活性呈先上升后下降的趨勢，而游離脯氨酸（Pro）、可溶性糖、MDA含量則呈上升的趨勢，說明低濃度的砷在麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)產(chǎn)生的毒害作用較小，而麻風(fēng)樹幼苗對高濃度砷表現(xiàn)出較高的耐受性。

關(guān)鍵詞：麻風(fēng)樹；砷脅迫；生理生化指標(biāo)；影響

中圖分類號 S727.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）21-38-03

麻風(fēng)樹具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，是生物柴油新能源的植物之一[1]，近年來，隨著可再生能源研究的深入，作為一種重要的油料植物[2]，因其種植不占農(nóng)田、適應(yīng)性廣等特點受到廣泛關(guān)注。與此同時，由于工業(yè)的迅猛發(fā)展，工業(yè)“三廢”的大量排放，使得大面積的土壤受到了重金屬的污染[3]，因此，在大規(guī)模種植麻風(fēng)樹的過程當(dāng)中，易受到重金屬的毒害。砷是一種有毒的類金屬物質(zhì)，與其化合物一起被應(yīng)用在農(nóng)藥、除草劑、殺蟲劑等方面，隨著農(nóng)藥、除草劑、殺蟲劑的大量使用，大量的As3+進(jìn)入到自然環(huán)境中，造成嚴(yán)重的污染。在中國因土法采礦和私營企業(yè)煉砷造成小范圍砷污染土壤問題相當(dāng)突出，在某些采礦點附近土壤砷含量高達(dá)28 522mg/kg[4]，其對許多植物的生長產(chǎn)生了顯著的危害。例如，楊桂娣等[5]報道了隨著砷濃度的升高，水稻根和葉中超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶的活性受到了顯著抑制。蔣漢明等[6]綜述了不同濃度砷及不同形態(tài)砷對植物生長的影響，以及耐砷植物及植物耐砷機(jī)理。金晶煒等[7]報道了低濃度砷對生菜種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、芽長和幼苗干重具有激活效應(yīng)，而對種子的活力指數(shù)和幼苗根長具有抑制效應(yīng)，高濃度砷對生菜種子的萌發(fā)和幼苗生長有顯著的抑制效應(yīng)，且隨著砷脅迫的增強(qiáng)，抑制作用增強(qiáng)。姜志艷等[8]報道了隨著砷濃度升高，黃芪葉片中這3種酶的活性能夠維持，特別是POD活性顯著增加。但目前關(guān)于As3+污染對麻風(fēng)樹幼苗的生理生態(tài)指標(biāo)的影響尚未有報道。為此，本文以麻風(fēng)樹幼苗為試驗材料，通過不同濃度砷離子的處理，測定麻風(fēng)樹幼苗生理生化指標(biāo)的變化，研究砷脅迫對其生理生化指標(biāo)的影響，并探討其在砷污染環(huán)境下生長的適應(yīng)性，旨在為麻風(fēng)樹的安全引種馴化及種植推廣提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 供試種子為麻風(fēng)樹種子，采自百色野外的山林。將麻風(fēng)樹種子用自來水沖洗干凈，用蒸餾水沖洗3次，再用蒸餾水浸泡12h，取出后用高錳酸鉀溶液（濃度為1∶5 000）消毒10min。在培養(yǎng)盤里鋪上一層棉花，再鋪上一層濾紙，將處理好的麻風(fēng)樹種子均勻擺置在培養(yǎng)盤上，澆上適量的蒸餾水后蓋上一層紗布，將其置于25℃、濕度為75%的人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。7d后種子萌發(fā)，待根長到2cm時將其移栽到盛有干凈河沙的塑料盆中用蒸餾水培養(yǎng)，待長出2片葉子后開始用完全培養(yǎng)液培養(yǎng)，待進(jìn)行砷脅迫試驗。

1.2 試驗設(shè)計 幼苗長出4～6片葉子后，將其移栽到盛有不同As3+濃度梯度溶液的塑料盆中，每盆移栽5苗。為了能迅速直接地觀察到不同濃度砷脅迫對麻風(fēng)樹幼苗生長的影響，分別用As3+濃度為0、20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、150mg/L的培養(yǎng)液培養(yǎng)，共7個As3+濃度梯度。每個梯度15盆，5d澆1次200mL相應(yīng)濃度的As3+培養(yǎng)液，28d后測定各項生理生化指標(biāo)。

1.3 測定方法 分別取各As3+濃度梯度幼苗葉片2份，摘取時間8：00～9：00。其中1份用去離子水沖洗3次，105℃殺青30min，80℃烘干4h，分裝后于4℃冰箱保存，用于葉綠素、還原糖和丙二醛（MDA）含量的測定。丙酮法測定葉綠素含量，DNS（3，5-二硝基水楊酸法）比色法測定還原糖含量，巴比妥酸（TBA）顯色法測丙二醛（MDA）含量[9]。另1份用去離子水沖洗3次后，加入適量預(yù)冷的磷酸緩沖液（pH7.8，含有1%聚乙烯吡咯烷酮）及少量石英砂于冰浴上勻漿，4℃下離心20min，取上清液用于脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和過氧化物酶活性測定。茚三酮顯色法測定脯氨酸含量，考馬斯亮藍(lán)G250法測定可溶性蛋白含量，愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性[9]。上述試驗均為3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析 試驗結(jié)果用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，各濃度梯度材料與對照組（As3+濃度0mg/L）材料的各項生理生化指標(biāo)的差異顯著性分析采用SPSS11.5軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同As3+濃度對麻風(fēng)樹幼苗葉片葉綠素、可溶性糖及丙二醛含量的影響

2.1.1 葉綠素含量 葉綠素含量是反映光合作用水平的重要指標(biāo)，葉綠素含量降低，光合作用能力也會相對減弱，植物生長受到抑制[10]。由表1看出，隨著砷的濃度的增加，麻風(fēng)樹苗的葉綠素含量呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。當(dāng)植株受到低濃度砷脅迫時，葉綠素含量小幅上升，并在As3+濃度較小時出現(xiàn)最大值（60mg/L），但隨著As3+濃度的繼續(xù)增加，葉綠素含量又呈下降趨勢。

2.1.2 可溶性糖含量 麻風(fēng)樹幼苗在不同砷濃度培養(yǎng)液培養(yǎng)后，幼苗葉片中可溶性糖含量呈上升的趨勢（表1）。說明在一定濃度的砷脅迫下，麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)的生理應(yīng)答機(jī)制會受到一定程度的刺激而促進(jìn)可溶性糖的合成。

2.1.3 丙二醛含量 由表1可看出，隨著砷濃度的增加，麻風(fēng)樹幼苗葉片的丙二醛（MDA）含量呈上升的趨勢。植物在逆境中，細(xì)胞原生質(zhì)膜中的不飽和脂肪酸會發(fā)生過氧化作用產(chǎn)生MDA，因而MDA含量可反映膜脂過氧化作用的強(qiáng)弱[11]。由此推測，隨著砷濃度的增加，麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)產(chǎn)生并積累大量活性氧引發(fā)了膜脂的過氧化也有上升的趨勢。

2.2 不同As3+濃度對麻風(fēng)樹幼苗葉片可溶性蛋白、脯氨酸（Pro）含量的影響 可溶性蛋白和脯氨酸含量是了解植物生理生化變化的重要途徑。脯氨酸的積累在一定程度上反映了植物受重金屬脅迫情況及其對重金屬的忍耐和抵抗力[12]。由表1看出，隨著砷濃度的增加，麻風(fēng)樹幼苗葉片可溶性蛋白呈先上升后下降的趨勢，而脯氨酸含量則呈上升的趨勢。說明麻風(fēng)樹幼苗對砷較敏感，且一定濃度的砷脅迫在幼苗體內(nèi)產(chǎn)生了一定程度的損害。

2.3 不同As3+濃度對麻風(fēng)樹幼苗葉片POD活性的影響 過氧化物酶（POD）與植物抗性密切相關(guān)，是植物體內(nèi)的保護(hù)酶，也是重要的抗氧化酶類，可以將植物體內(nèi)的H2O2有效地清除[13-14]。過氧化物酶活性高，抗逆性強(qiáng)，反之則弱，其活性值在一定程度上反應(yīng)了植物對逆境的耐受能力。由表1看出，隨著砷濃度脅迫程度加大，麻風(fēng)樹幼苗葉片的POD活性呈先上升后下降的趨勢，但變化程度小。

3 結(jié)論與討論

植物通常是通過調(diào)節(jié)體內(nèi)的代謝活動來適應(yīng)外界環(huán)境的變化。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的必需物質(zhì)，是反應(yīng)植物葉片生理生化的重要指標(biāo)[15]。本實驗結(jié)果表明，砷脅迫對麻風(fēng)樹幼苗葉片葉綠素含量有顯著影響，當(dāng)植株受到低濃度砷脅迫時，葉綠素含量有小幅上升，但隨著砷濃度增加，葉綠素含量又呈下降趨勢。說明高濃度As3+在幼苗體內(nèi)產(chǎn)生一定的毒害作用，As3+可能與葉綠體中蛋白質(zhì)上的巰基結(jié)合或取代其中的Fe2+、Zn2+和Mg2+，破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能[16]，從而使幼苗葉片內(nèi)葉綠素含量降低。

可溶性糖是植物體滲透調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)，有維持植物細(xì)胞和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的作用[17]。本實驗結(jié)果表明，麻風(fēng)樹幼苗葉片的可溶性糖含量隨As3+濃度的升高呈上升的趨勢。說明一定濃度的砷在麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)可促進(jìn)植物的代謝活動，從而促進(jìn)可溶性糖的合成。

丙二醛（MDA）是生物體內(nèi)自由基作用于脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，如細(xì)胞膜脂過氧化作用的產(chǎn)物中就含有MDA，它的產(chǎn)生還能加劇膜的損傷[18]。因而MDA含量的高低一定程度上可表示細(xì)胞膜的損傷程度，也間接的反映植物組織的抗氧化能力的強(qiáng)弱[19]。本實驗結(jié)果表明，受砷脅迫的麻風(fēng)樹幼苗葉片中的MDA含量隨砷濃度升高而升高，說明砷脅迫使麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)產(chǎn)生過多的活性自由基而導(dǎo)致脂質(zhì)過氧化，細(xì)胞膜系統(tǒng)也受到不同程度的損傷。但隨著砷濃度逐漸升高，幼苗葉片內(nèi)的MDA含量也在增加，一定程度上表明麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)的生理應(yīng)答機(jī)制在砷脅迫下作出較有效的反應(yīng)且逐步適應(yīng)砷污染的環(huán)境。

脯氨酸在逆境條件下的作用是作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[20]，保持原生質(zhì)與環(huán)境的滲透平衡，防止水分散失，逆境下可用作反映植物抗逆性的參考性生理指標(biāo)[21]。本實驗結(jié)果表明，受砷脅迫后麻風(fēng)樹幼苗葉片的可溶性蛋白呈先上升后下降的趨勢，而脯氨酸含量則呈上升的趨勢。說明麻風(fēng)樹幼苗對砷的較敏感，這可能是由于砷在麻風(fēng)樹幼苗的體內(nèi)大量積累，導(dǎo)致脯氨酸和蛋白質(zhì)的合成及外源吸收途徑遭到破壞[22]，從而使麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)脯氨酸及蛋白質(zhì)含量產(chǎn)生一定的變化。

在植物體內(nèi)，POD在機(jī)體清除有毒物質(zhì)的過程中具有重要的意義[23]。本實驗結(jié)果顯示，隨著砷濃度脅迫加重，麻風(fēng)樹幼苗葉片的POD活性呈略微的先上升后下降的趨勢?？赏茰y在砷脅迫下，麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)多種功能膜及酶系統(tǒng)有相應(yīng)的防御反應(yīng)，但是由于砷濃度較小，其對麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)酶系統(tǒng)的破壞程度較小，因而POD活性變化較小。

綜上，麻風(fēng)樹幼苗在砷脅迫環(huán)境中生長，其主要生理生化指標(biāo)如可溶性蛋白、葉綠素含量以及過氧化物酶（POD）的活性呈先上升后下降的趨勢，且POD活性變化較小，而游離脯氨酸（Pro）、可溶性糖、MDA含量則有上升的趨勢，說明低濃度的砷在麻風(fēng)樹幼苗體內(nèi)產(chǎn)生的毒害作用較小，對其生長發(fā)育并沒有出現(xiàn)明顯的抑制作用，而麻風(fēng)樹幼苗對高濃度砷則表現(xiàn)出較高的耐受性。

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（責(zé)編：張宏民）