狹葉香蒲對Cu2+脅迫的生理反應(yīng)研究

王習(xí)習(xí)

摘要 在水培條件下研究了不同濃度Cu2+脅迫下狹葉香蒲（Typha angustifolia）生理生化指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，探討?yīng)M葉香蒲對Cu2+脅迫的抗性機(jī)理，結(jié)果表明，在所有處理Cu2+濃度（1、35、60 mg/L）范圍內(nèi)，葉片與根系的過氧化物酶（POD）活性隨著時(shí)間的延長均表現(xiàn)為上升趨勢，在第7天達(dá)到最大，之后下降；相同時(shí)間不同Cu2+濃度處理的植株P(guān)OD活性隨Cu2+濃度增加呈上升趨勢，Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)POD活性最大。葉片和根系中超氧化物岐化酶（SOD）活性也隨著時(shí)間的延長表現(xiàn)為先上升后下降的趨勢，在第7天達(dá)到最大；相同時(shí)間不同Cu2+濃度處理的植株SOD活性隨Cu2+濃度增加呈先上升后下降趨勢，當(dāng)Cu2+濃度為35 mg/L時(shí)SOD活性最大。脯氨酸含量隨著時(shí)間的延長表現(xiàn)為先增加后減少的趨勢，在第7天達(dá)到最多；相同時(shí)間不同Cu2+濃度處理的植株脯氨酸含量隨Cu2+濃度增加呈增加趨勢，Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)脯氨酸含量最多。根系中的POD、SOD活性及脯氨酸含量均大于葉片；低濃度Cu2+脅迫使根系活力上升，高濃度Cu2+脅迫和低濃度脅迫后期根系活力受到抑制。綜合分析上述結(jié)果，可以推斷狹葉香蒲能夠忍耐35 mg/L的Cu2+脅迫。

關(guān)鍵詞 狹葉香蒲；Cu2+脅迫；生理反應(yīng)

中圖分類號 Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）07-0199-03

Abstract Dynamic changes of physiological indexes of Typha angustifolia in different concentration of Cu2+ stress were studied by hydroponic culture method，resistance mechanism of T.angustifolia to Cu2+ stress were discussed.The results showed that in scope of all the concentration of Cu2+（1 mg/L，35 mg/L，60 mg/L），with time continued，activity of peroxidase（POD）in leaves and root increased，activity of POD reached maximum in 7th day，then decreased；with the increase of different concentration of Cu2+，activity of POD increased in same time，activity of POD was maximum when Cu2+ concentration was 60 mg/L.With time continued，activity of superoxide dismutase（SOD）in leaves and root increased first，then decreased，activity of SOD reached maximum in 7th day；with the increase of different concentration of Cu2+ activity of SOD increased first，then decreased in same time，activity of SOD was maximum when Cu2+ concentration was 35 mg/L.With time continued，content of praline increased first and then reduced，content of praline was most in 7th day；with the increase of different concentration of Cu2+，content of praline increased in same time，content of praline was most when Cu2+ concentration was 60 mg/L.Activity of SOD，POD in root were higher than in leaves，content of praline in root was also more than in leaves；activity of root increased in low concentration of Cu2+，and decreased in high concentration of Cu2+ or in later period of low concentration of Cu2+.Results above were analysed，inferred that the concentration of Cu2+ that Typha angustifolia could endure was 35 mg/L.

Key words Typha angustifolia；Cu2+ stress；physiological responses

近年來，由于工業(yè)的迅速發(fā)展，大量重金屬進(jìn)入水中導(dǎo)致水體污染，其中Cu2+以污染面積大、影響廣而受到人們的關(guān)注。水生生物可以富集Cu2+，通過食物鏈的富集，最終使大量Cu2+進(jìn)入人體，當(dāng)Cu2+在體內(nèi)蓄積到一定程度后即可對人體健康產(chǎn)生危害。1983年，Chaney首次提出了利用某些能夠富集重金屬的植物來清除重金屬的設(shè)想，該技術(shù)已經(jīng)逐步發(fā)展成當(dāng)今環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而，由于該項(xiàng)技術(shù)起步時(shí)間不長，在基礎(chǔ)理論、修復(fù)機(jī)理及技術(shù)方面，還需進(jìn)行大量研究。國際上關(guān)于超富集植物吸收重金屬的研究只是集中在Zn和Ni的超富集植物[1-6]，對于Cu2+等其他重金屬的研究尚無明顯進(jìn)展。再者，植物修復(fù)的基礎(chǔ)是超富集植物，但這些植物一般生長速度緩慢，生物量小，不利于機(jī)械化操作，因而限制了它們在凈化重金屬污染上的應(yīng)用[7-9]。因此，一些生物量大、生長快的富集型植物在實(shí)際應(yīng)用中很有潛力。香蒲屬植物為多年生草本，生物量大，能形成水生植物凈化塘中占絕對優(yōu)勢的種群，國內(nèi)外都有廣泛分布，是富集重金屬的理想植物。國內(nèi)外對寬葉香蒲等香蒲屬植物已有大量的研究[10-14]，但對狹葉香蒲的研究甚少。狹葉香蒲（Typha angustifolia）是香蒲科香蒲屬植物，生于池沼、湖泊、河邊、水稻田及水濕地[15]。本研究以狹葉香蒲為試驗(yàn)材料，在水培條件下研究狹葉香蒲在不同濃度Cu2+脅迫下生理生化指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，探討?yīng)M葉香蒲對Cu2+脅迫的抗性機(jī)理，從而進(jìn)一步研究Cu2+污染的植物材料修復(fù)技術(shù)及其生物治理技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為狹葉香蒲，栽培于上海鮮花港企業(yè)發(fā)展有限公司展示園水塘，在同一地點(diǎn)采集生長健壯并且長勢一致的狹葉香蒲幼苗，用去離子水沖洗干凈，置于塑料箱內(nèi)培養(yǎng)，以0.5 cm厚的白色硬泡沫板為蓋，用少許海綿將植株基部固定于泡沫板的小孔中，用l/4 Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)。每3 d更換營養(yǎng)液1次，培養(yǎng)30 d后，選取長勢一致的植株備用。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理（Cu2+濃度分別為1、35、60 mg/L）和1個(gè)對照（CK）。使用1倍Hoagland營養(yǎng)液將無水硫酸銅配成Cu2+濃度處理分別為1、35、60 mg/L質(zhì)量濃度梯度的營養(yǎng)液，以營養(yǎng)液為對照（其中Cu2+濃度為0.019 mg/L，可不考慮其影響），每個(gè)處理定植3株苗，各設(shè)重復(fù)3次。分別于處理后第1、4、7、10天取樣，測定狹葉香蒲植株中的生理生化指標(biāo)。過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[16]，超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用氮藍(lán)四唑（NBT）比色法[17]，脯氨酸含量測定采用茚三酮比色法[18]，根系活力測定采用TTC法[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用STST軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu2+脅迫對POD活性的影響

由圖1可知，在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲葉片的POD活性在Cu2+脅迫初期呈上升趨勢，在第7天達(dá)到最大，之后隨著脅迫處理時(shí)間的延長而呈下降趨勢；在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲葉片的POD活性均大于CK，相同時(shí)間不同Cu2+濃度脅迫處理的葉片POD活性隨Cu2+濃度增加呈上升趨勢，以Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)活性最大，35 mg/L次之，而1 mg/L Cu2+脅迫下POD活性最低。說明狹葉香蒲葉片的POD能夠忍耐60 mg/L的Cu2+脅迫。

由圖2可知，不同濃度Cu2+脅迫下根系與葉片POD活性變化基本一致，在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲根系的POD活性在Cu2+脅迫初期呈上升趨勢，在第7天達(dá)到最大，之后隨著脅迫處理時(shí)間的延長而呈下降趨勢；在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲根系的POD活性均大于CK，相同時(shí)間不同Cu2+濃度脅迫處理的根系POD活性隨Cu2+濃度增加呈上升趨勢，以Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)活性最大，35 mg/L次之，而1 mg/L Cu2+脅迫下POD活性最低。在第7天時(shí)且當(dāng)Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)POD活性達(dá)到最大。

圖1和圖2說明狹葉香蒲中POD在Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)抗脅迫能力達(dá)到最大，說明POD能夠忍耐35 mg/L的Cu2+脅迫。相同時(shí)間相同Cu2+濃度脅迫條件下根系中POD活性比葉片大。

2.2 Cu2+脅迫對SOD活性的影響

由圖3可知，在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲葉片的SOD活性在Cu2+脅迫初期呈上升趨勢，在第7天達(dá)到最大，之后隨著脅迫處理時(shí)間的延長而呈下降趨勢；在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲葉片的SOD活性均大于CK，相同時(shí)間不同Cu2+濃度脅迫處理的葉片SOD活性，隨Cu2+濃度增加呈先上升后下降趨勢，以Cu2+濃度為35 mg/L時(shí)活性最大，1 mg/L次之，而60 mg/L Cu2+脅迫下SOD活性最低。在第7天時(shí)且當(dāng)Cu2+濃度為35 mg/L時(shí)SOD活性達(dá)到最大。

由圖4可知，不同濃度Cu2+脅迫下根系與葉片SOD活性變化基本一致，在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲根系的SOD活性在Cu2+脅迫初期呈上升趨勢，在第7天達(dá)到最大，之后隨著脅迫處理時(shí)間的延長而呈下降趨勢；在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲根系的SOD活性均大于CK，相同時(shí)間不同Cu2+濃度脅迫處理的根系SOD活性隨Cu2+濃度增加呈先上升后下降趨勢，以Cu2+濃度為35 mg/L時(shí)活性最大，1 mg/L次之，而60 mg/L Cu2+脅迫下SOD活性最低。在第7天時(shí)且當(dāng)Cu2+濃度為35 mg/L時(shí)SOD活性達(dá)到最大。

圖3和圖4說明SOD在Cu2+濃度為35 mg/L時(shí)抗脅迫能力達(dá)到最大，SOD能夠忍耐35 mg/L的Cu2+脅迫。當(dāng)濃度大于35 mg/L，可能因?yàn)殡SCu2+濃度的提高，高濃度Cu2+對植株造成生理傷害。這表明黃菖蒲在低濃度Cu2+脅迫下SOD抗脅迫能力較大。相同時(shí)間相同Cu2+濃度條件下根系中SOD活性比葉片大。

2.3 Cu2+脅迫對脯氨酸含量的影響

由圖5可知，在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲葉片的脯氨酸含量在Cu2+脅迫初期呈增加趨勢，在第7天達(dá)到最大，之后隨著脅迫處理時(shí)間的延長而呈減少趨勢；相同時(shí)間不同Cu2+濃度脅迫處理的葉片脯氨酸含量隨Cu2+濃度增加呈增加趨勢，以Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)最大，35 mg/L次之，而1 mg/L Cu2+脅迫下POD活性最低。在第7天時(shí)且當(dāng)Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)脯氨酸含量達(dá)到最大。

由圖6可知，不同濃度Cu2+脅迫下根系與葉片脯氨酸含量變化基本一致，在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下的1～10 d，狹葉香蒲根系的脯氨酸含量在Cu2+脅迫初期呈上升趨勢，在第7天達(dá)到最大，之后隨著脅迫處理時(shí)間的延長而呈下降趨勢，說明第7天后脯氨酸已不發(fā)揮抗脅迫作用；相同時(shí)間不同Cu2+濃度脅迫處理的根系脯氨酸含量隨Cu2+濃度增加呈增加趨勢，以Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)活性最大，35 mg/L次之，而1 mg/L Cu2+脅迫下脯氨酸含量最低。在第7天時(shí)且當(dāng)Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)脯氨酸含量達(dá)到最大。

圖5和圖6說明脯氨酸在Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)抗脅迫能力達(dá)到最大，脯氨酸能夠忍耐60 mg/L的Cu2+脅迫。相同時(shí)間相同Cu2+濃度條件下根系中脯氨酸含量比葉片多。

2.4 Cu2+脅迫對根系活力的影響

為了研究Cu2+對狹葉香蒲根系生長發(fā)育的影響，采用TTC法測定不同質(zhì)量濃度Cu2+處理的香蒲根系的還原力。結(jié)果如圖7所示，在所有處理濃度Cu2+脅迫下的前10 d，狹葉香蒲根系的活力在Cu2+脅迫初期呈上升趨勢，之后隨著脅迫處理時(shí)間的延長而呈下降趨勢；低濃度Cu2+（1 mg/L和35 mg/L）處理的植株根系活力分別在處理前7 d和4 d根系活力高于CK（CK與處理都呈現(xiàn)上升的趨勢），分別在第7天和第4天根系活力達(dá)到了最大值，之后植株根系活力呈現(xiàn)下降趨勢，35 mg/L處理下降幅度大于1 mg/L處理，且第10天均低于CK（CK植株根系活力仍呈現(xiàn)上升趨勢）。高濃度60 mg/L Cu2+處理的植株根系活力始終低于CK，說明此濃度下根系生長受到了抑制。根系是植物生命活動(dòng)中的重要器官，根系活力泛指根系的吸收、合成、氧化和還原能力等，是用來衡量根系長勢好壞的重要生理指標(biāo)[19]。根系活力大小反映了根系代謝強(qiáng)度的大小，活力越高，則根系代謝就越旺盛，根系就健壯，這對整個(gè)植株的生長是有利的?？梢钥闯?，Cu2+濃度越大，Cu2+對根系活力抑制作用急劇增加而根系的抵抗作用逐漸消失，因而對根系生長發(fā)育產(chǎn)生了顯著抑制作用。由此也說明35 mg/L Cu2+濃度是根系生長的臨界濃度。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明，在所有處理濃度（1、35、60 mg/L）Cu2+脅迫下，隨Cu2+濃度的增加，SOD、POD活性和脯氨酸含量均表現(xiàn)為上升趨勢，在第7天達(dá)到最大，之后下降。酶活性的提高是由于Cu2+進(jìn)人植物體后，通過一系列生理生化反應(yīng)，產(chǎn)生了一些過氧化物，造成底物濃度提高[20]，在脅迫后期，特別是在高濃度脅迫后期，由于植株細(xì)胞內(nèi)Cu2+的不斷增加，植株受到嚴(yán)重的毒害，導(dǎo)致抗氧化酶基因轉(zhuǎn)錄水平表達(dá)量下降[21]，生理代謝發(fā)生紊亂，酶活性降低。脯氨酸積累有多種生理意義，如作為細(xì)胞質(zhì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)等[22]。大量的研究資料證實(shí)[23-24]在脅迫條件下其含量上升，以維持細(xì)胞正常的生理代謝。但是脅迫后期，脯氨酸含量卻呈現(xiàn)下降的趨勢，主要是植物正常的生命活動(dòng)已經(jīng)遭到抑制，出現(xiàn)了傷害的癥狀，植物已經(jīng)失去了抗脅迫的能力。

相同時(shí)間不同Cu2+濃度處理的植株P(guān)OD活性隨Cu2+濃度增加呈上升趨勢，Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)POD活性最大，相同時(shí)間不同Cu2+濃度處理的植株SOD活性隨Cu2+濃度增加呈先上升后下降趨勢，Cu2+濃度為35 mg/L時(shí)POD活性最大，相同時(shí)間不同Cu2+濃度處理的植株脯氨酸含量隨Cu2+濃度增加呈上升趨勢，Cu2+濃度為60 mg/L時(shí)脯氨酸含量最多。Cu2+作為SOD、POD等的輔基而參與呼吸代謝，微量Cu2+會(huì)促進(jìn)酶與底物結(jié)合，而過量Cu2+顯著降低酶的活性[20]。SOD在低濃度Cu2+脅迫下活性較大，而POD和脯氨酸在高濃度Cu2+脅迫下活性較大，含量較高，反映出了狹葉香蒲體內(nèi)不同物質(zhì)對Cu2+協(xié)迫的抗性具有相互協(xié)調(diào)的特性。POD、SOD活性，脯氨酸含量在根系中均大于葉片。這可能與Cu2+脅迫特別是高濃度Cu2+脅迫下，地上部生物量降低程度大于地下部且有相關(guān)性[21]。

低濃度Cu2+脅迫使根系活力上升，高濃度Cu2+脅迫使根系活力受到抑制。這可能是根系對低濃度Cu2+脅迫有一定的應(yīng)激能力，通過提高根系中SOD、POD等抗氧化酶的活力及脯氨酸含量等生理代謝來緩解Cu2+脅迫的傷害[25]，但是隨著處理時(shí)間的延長，強(qiáng)的呼吸代謝造成能量的過多消耗，最終致使植物生長受抑制，根系代謝活力降低。說明抗氧化防御系統(tǒng)的保護(hù)作用是有一定局限的。

SOD可忍耐的Cu2+臨界濃度為35 mg/L，而POD和脯氨酸為60 mg/L，甚至可能更大。SOD與Cu2+關(guān)系密切，對Cu2+脅迫敏感，在抗氧化系統(tǒng)中，SOD處于第一道防線。史吉平等[26]建議用SOD活性作為植物抗重金屬毒害的重要生理指標(biāo)。根系生長的臨界濃度也為35 mg/L。因此，綜上可以推斷狹葉香蒲可忍耐的Cu2+臨界濃度為35 mg/L。

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