重金屬銅、鋅、鉛脅迫對長鬃蓼部分抗性生理指標(biāo)的影響

摘要：以野生長鬃蓼（Polygonum longisetum De Br.）幼苗為試驗材料，研究了不同濃度的Cu2+、Zn2+、Pb2+單一脅迫對植物葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)以及游離脯氨酸含量的影響。結(jié)果表明，隨著Cu2+、Zn2+、Pb2+濃度的升高，葉綠素含量呈先增加后減少的變化趨勢，葉綠素（a/b）值的變化則不同。3種重金屬對可溶性糖含量的影響程度為Pb2+>Cu2+>Zn2+；可溶性蛋白質(zhì)含量隨著Cu2+、Zn2+濃度的升高呈先升高后降低的趨勢，隨著Pb2+濃度的升高則逐漸下降；低濃度Cu2+、Zn2+、Pb2+脅迫增加了葉片游離脯氨酸含量，高濃度的Pb2+、較高濃度的Cu2+、Zn2+處理使游離脯氨酸含量下降更為顯著?？偟膩碚f，長鬃蓼對3種重金屬脅迫的耐性由強(qiáng)到弱依次為Zn2+、Cu2+、Pb2+。因此，長鬃蓼是修復(fù)重金屬污染特別是Zn2+污染的潛力野生草本植物。

關(guān)鍵詞：長鬃蓼（Polygonum longisetum De Br.）；重金屬；脅迫；抗性生理

中圖分類號：X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）11-2751-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.11.010

隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，重金屬污染日益嚴(yán)重，已對生態(tài)平衡造成了嚴(yán)重破壞。目前，中國受重金屬污染的耕地面積已達(dá)2 000萬hm2，每年出產(chǎn)受重金屬污染的糧食約1 200萬t，嚴(yán)重威脅著人類的生命安全。因此，修復(fù)受重金屬污染的土地已迫在眉睫。重金屬會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生不利的影響，并通過植物體的一些生理生化活動反映出來，同時，植物也可利用其一系列的生理生化過程部分或完全修復(fù)和消除被污染空氣、水體、土壤中特定有毒物質(zhì)的毒害作用[1-4]。因此，開展重金屬脅迫下植物生長的研究對探索超富集植物和提高修復(fù)效果具有重要意義。

長鬃蓼（Polygonum longisetum De Br. ）為蓼科（Polygonaceae）蓼屬（Polygonum L.）一年生草本植物，是成都地區(qū)一種常見的野生植物[5]。長鬃蓼花序密集，花期持久，覆蓋性好，宜成片栽植用于裸地、荒坡的綠化覆蓋；其適應(yīng)性強(qiáng)，常生于山谷水邊、河邊草地，可用于濕地公園植物造景，以彌補(bǔ)當(dāng)前在濕地過多應(yīng)用千屈菜、再力花、美人蕉等所造成的弊端[6]。長鬃蓼不僅是良好的園林綠化植物，還具有解毒、除濕等藥物功效，并在水土保持以及污染治理上也起著重要作用[7-9]。目前，有關(guān)長鬃蓼的研究報道多集中在種質(zhì)資源和藥用功效方面，關(guān)于長鬃蓼對Cu、Zn、Pb脅迫的抗性生理研究未見報道。

通過本試驗研究了長鬃蓼對Cu、Zn、Pb脅迫的生理生化響應(yīng)及其適應(yīng)機(jī)制，不僅有助于深入了解Cu、Zn、Pb的毒害機(jī)理和植物的適應(yīng)機(jī)制，更可為篩選培育Cu、Zn、Pb富集植物用于污染地修復(fù)提供一定的理論依據(jù)。根據(jù)成都地區(qū)土壤重金屬污染情況[10]，研究了不同濃度的Cu、Zn、Pb單一脅迫對長鬃蓼生理的影響，以期為深入探討江安河野生雜草類物種的耐Cu、Zn、Pb毒害機(jī)制打下基礎(chǔ)，并為沿河的生態(tài)修復(fù)工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試長鬃蓼幼苗采自成都溫江綠道江安河河灘（103°E，30°N），選取長勢一致的標(biāo)準(zhǔn)樣苗共480株。試驗所用分析純重金屬試劑CuSO4·5H2O、Pb（NO3）2、ZnSO4·7H2O由成都市科龍化工試劑廠提供。

1.2 試驗方法

盆栽試驗在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田進(jìn)行，重金屬Cu、Zn、Pb濃度梯度的設(shè)定參考成都地區(qū)土壤中相應(yīng)重金屬含量而擬定[11-13]，Cu2+濃度梯度為5、10、20、40、80 mg/L，Zn2+濃度梯度為10、50、100、150、200 mg/L，Pb2+濃度梯度為10、20、50、100、150 mg/L，對照組采用等量去離子水處理。挑選健康、長勢一致的幼苗，種植于黑色營養(yǎng)缽，緩苗20 d后每盆保留3株大小一致的幼苗，待幼苗恢復(fù)生長后開始處理。試驗采用完全隨機(jī)設(shè)計，每個處理3個重復(fù)，每重復(fù)2盆。采取分期澆灌的處理方法，每隔1周澆灌1次，每次150 mL/盆，共處理4次。重金屬脅迫期間，定期定量澆水，以平衡蒸發(fā)量，同時在盆下墊塑料盤，以防止處理液流失[14]。

1.3 測定指標(biāo)及方法

處理30 d后采樣測定各項生理指標(biāo)，每組剪取第3至第4對成熟葉片（從頂部往下數(shù)）測定葉綠素和游離脯氨酸含量，用相應(yīng)部位的莖測定可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量。其中，葉綠素含量采用丙酮-乙醇混合液浸提法[15]測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測定，游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法[16]測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，用最小顯著差法（LSD法）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cu2+、Zn2+、Pb2+脅迫對長鬃蓼葉片葉綠素含量的影響

從表1可以看出，與對照組相比，長鬃蓼葉片葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）含量隨著Cu2+、Zn2+、Pb2+濃度的升高呈先增加后減少的變化趨勢。低濃度的Cu2+處理顯著提高了葉綠素a、葉綠素（a+b）含量，在Cu2+濃度為40、80 mg/L時，葉綠素a與對照組間差異不顯著，而葉綠素b與對照組間差異顯著。當(dāng)Zn2+濃度達(dá)100 mg/L時，葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）含量開始下降，當(dāng)Zn2+濃度達(dá)200 mg/L時顯著低于對照組。低濃度的Pb2+處理顯著提高了葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）含量，而高濃度的Pb2+處理則顯著降低了其含量，當(dāng)Pb2+濃度達(dá)到150 mg/L時，長鬃蓼的葉綠素a、葉綠素b及葉綠素（a+b）分別為對照組的64.32%、69.07%和65.88%。葉綠素（a+b）含量在Cu2+、Pb2+處理濃度為10 mg/L時達(dá)到最高，在Zn2+處理濃度為50 mg/L時達(dá)到最高。不同重金屬的不同濃度處理對長鬃蓼葉片葉綠素含量有著不同程度的影響，但對葉綠素（a/b）值的影響相對較小。在不同濃度Cu2+、Zn2+處理下，葉綠素（a/b）值較對照組均有提高，而在Pb2+濃度達(dá)50 mg/L后，葉綠素（a/b）值則略低于對照組。

2.2 Cu2+、Zn2+、Pb2+脅迫對長鬃蓼莖中可溶性糖含量的影響

如表2所示，與對照相比，長鬃蓼莖的可溶性糖含量隨著Cu2+、Zn2+、Pb2+濃度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢。其中，Cu2+、Pb2+濃度為10 mg/L及Zn2+濃度為50 mg/L時，可溶性糖含量達(dá)到最高，分別為對照的1.87、1.70、1.94倍。當(dāng)Cu2+濃度達(dá)80 mg/L、Zn2+濃度達(dá)150 mg/L、Pb2+濃度達(dá)50 mg/L時，可溶性糖含量分別為對照的95.99%、97.09%和68.67%。在Pb2+濃度為150 mg/L時，可溶性糖含量顯著低于對照組，僅為對照的40.98%。由此可知，3種重金屬對長鬃蓼莖中可溶性糖含量的影響程度為Pb2+>Cu2+>Zn2+。

2.3 Cu2+、Zn2+、Pb2+脅迫對長鬃蓼莖中可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

由表2可知，與對照相比，長鬃蓼莖中可溶性蛋白質(zhì)含量隨著Cu2+、Zn2+濃度的增加先升高后降低，而Pb2+脅迫下可溶性蛋白質(zhì)含量則逐漸下降。當(dāng)Cu2+濃度為10 mg/L、Zn2+濃度為100 mg/L時，可溶性蛋白質(zhì)含量達(dá)到最高，分別為對照的1.75倍和1.27倍。此外，在不同濃度Cu2+、Zn2+處理下，除Zn2+濃度達(dá)到200 mg/L時可溶性蛋白質(zhì)含量低于對照外，其余各濃度處理下均高于對照。當(dāng)Pb2+濃度為150 mg/L時，可溶性蛋白質(zhì)含量顯著低于對照，為對照的58.58%?？扇苄缘鞍踪|(zhì)含量隨著Pb2+濃度的升高而下降，說明較低濃度的Pb2+脅迫也會影響長鬃蓼蛋白質(zhì)的生物合成。

2.4 Cu2+、Zn2+、Pb2+脅迫對長鬃蓼葉片中游離脯氨酸含量的影響

從表2可以看出，長鬃蓼葉片中游離脯氨酸含量隨著Cu2+、Zn2+、Pb2+濃度的升高先上升后下降，在Cu2+濃度為20 mg/L、Zn2+與Pb2+濃度為10 mg/L時，游離脯氨酸含量最高，分別為對照的1.24、1.17、1.06倍。當(dāng)Cu2+濃度達(dá)80 mg/L、Zn2+濃度達(dá)200 mg/L、Pb2+濃度達(dá)150 mg/L時，游離脯氨酸含量分別為對照的86.67%、74.13%和44.00%。在Cu2+濃度為40 mg/L、Zn2+濃度為100 mg/L時，長鬃蓼葉片中游離脯氨酸含量低于對照；當(dāng)Pb2+濃度達(dá)到20 mg/L時，長鬃蓼葉片中游離脯氨酸含量低于對照，且隨著Pb2+濃度的上升而顯著下降，說明高濃度的Pb2+脅迫使游離脯氨酸合成受到影響，保護(hù)機(jī)制不能正常啟動。

3 小結(jié)與討論

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量的變化可以反映植物的光合能力及營養(yǎng)狀況。本試驗表明，低濃度Cu2+、Zn2+、Pb2+處理對長鬃蓼葉綠素的合成有一定促進(jìn)作用，高濃度則會抑制葉綠素的合成，這與喬琳等[17]研究結(jié)果一致。高濃度的Pb2+更為顯著地抑制了葉綠素的合成，可能是大量的Pb2+進(jìn)入植物體內(nèi)以后，與葉綠素合成相關(guān)的幾種富含-SH的酶肽鏈形成絡(luò)合物，抑制了酶的活性，阻礙了葉綠素的合成[18]。同時，重金屬脅迫還會使葉綠體膜結(jié)構(gòu)受到破壞，造成葉綠體不可逆損傷，導(dǎo)致葉綠體含量下降。此外，在不同濃度Cu2+、Zn2+處理下，葉綠素（a/b）值較對照組均有提高，說明長鬃蓼葉片葉綠素b對Cu2+、Zn2+的反應(yīng)比葉綠素a更敏感；而在Pb2+濃度達(dá)50 mg/L后，葉綠素（a/b）值則略低于對照組，說明較高濃度的Pb2+處理對葉綠素a和葉綠素b的影響均增大[19]。

可溶性糖和游離脯氨酸都是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，與植物體內(nèi)有機(jī)物的轉(zhuǎn)化及植物的抗性等密切相關(guān)。本試驗中，低濃度Cu2+、Zn2+、Pb2+脅迫下長鬃蓼可溶性糖和游離脯氨酸都有明顯的積累，但隨著濃度的增加可溶性糖和游離脯氨酸含量又開始降低，且Pb2+對長鬃蓼可溶性糖和游離脯氨酸含量的影響大于Cu2+、Zn2+?？扇苄蕴堑倪@種表現(xiàn)，可能是低濃度重金屬脅迫加速了植物體內(nèi)高分子碳水化合物如淀粉的分解而使其合成受到抑制，使光合產(chǎn)物形成過程中直接轉(zhuǎn)向形成低分子質(zhì)量物質(zhì)如蔗糖等而導(dǎo)致可溶性糖增加[20]。高濃度重金屬脅迫則抑制了植物的合成代謝和生長，降低了光合能力，從而導(dǎo)致可溶性糖含量降低。低濃度Cu2+、Zn2+、Pb2+脅迫使游離脯氨酸含量積累，一定程度上緩解了膜質(zhì)損傷對植物造成的傷害，有利于維持植物體內(nèi)的代謝平衡。高濃度的脅迫則會損傷細(xì)胞內(nèi)多種功能膜及酶系統(tǒng)，造成脯氨酸合成代謝紊亂。

蛋白質(zhì)關(guān)系著植物的養(yǎng)分循環(huán)、代謝作用以及生長發(fā)育等，其含量變化對植物體受到逆境脅迫的強(qiáng)弱起到了指示作用。本試驗表明，在低濃度的Cu2+、Zn2+脅迫下，長鬃蓼莖的可溶性蛋白質(zhì)含量上升，可能是增加了細(xì)胞滲透濃度和功能蛋白質(zhì)的數(shù)量，有助于維持細(xì)胞的正常代謝。當(dāng)Cu2+、Zn2+濃度升高到一定程度時，則開始抑制蛋白質(zhì)的生物合成，從而影響其生長發(fā)育。此外，較低濃度的Pb2+脅迫也會影響蛋白質(zhì)的生物合成，說明Pb2+對長鬃蓼莖中可溶性蛋白質(zhì)含量的抑制作用大于Cu2+、Zn2+。

綜合分析表明，長鬃蓼對Cu2+、Zn2+、Pb2+脅迫都有一個積極響應(yīng)和逐漸傷害受損的過程，初步認(rèn)為長鬃蓼對3種重金屬脅迫的耐性為Zn2+>Cu2+>Pb2+。因此，長鬃蓼是修復(fù)重金屬污染特別是Zn2+污染的潛力野生草本植物。至于長鬃蓼對重金屬的吸收及富集的機(jī)理還有待于在今后的研究中繼續(xù)探索和發(fā)現(xiàn)。

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