鹽及重金屬脅迫對(duì)龜背竹生理抗性的影響

鮮靖蘋(píng)

摘要：通過(guò)盆栽試驗(yàn)法，研究土壤外源鹽、重金屬及其復(fù)合因素脅迫對(duì)龜背竹生理指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，不同處理組在20、40 d 2個(gè)處理時(shí)期，其葉片可溶性糖、可溶性蛋白含量隨著處理周期的延長(zhǎng)而下降，而游離脯氨酸、丙二醛含量上升。單因素或復(fù)合因素脅迫條件下，隨著鹽、重金屬濃度的遞增，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛含量基本上先增加后降低，與對(duì)照相比有不同程度上升。由結(jié)果可知，龜背竹在一定鹽和重金屬脅迫范圍內(nèi)可通過(guò)改變?nèi)~片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來(lái)適應(yīng)由脅迫帶來(lái)的代謝失衡和缺水對(duì)植株的傷害。研究結(jié)果可為植物生長(zhǎng)代謝過(guò)程中適應(yīng)和抵御鹽與重金屬污染的損傷機(jī)制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：龜背竹；鹽脅迫；鉛脅迫；鎘脅迫；可溶性糖；丙二醛

中圖分類號(hào)： X53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0241-03

重金屬是造成環(huán)境污染的重要因素之一，其中鉛（Pb）、鎘（Cd）毒性特別強(qiáng)，危害較大，是環(huán)境污染理論研究及治理實(shí)踐中備受關(guān)注的對(duì)象，同在5大污染毒物[Cd、汞（Hg）、砷（As）、鉻（Cr）、Pb]之列[1-2]。隨著我國(guó)人口的大幅度增長(zhǎng)，采礦、冶煉和制造等工業(yè)的迅速發(fā)展，農(nóng)用化學(xué)品的過(guò)量使用及城市污水污物的排放，致使Cd、Pb、Hg等有毒重金屬元素在環(huán)境中迅速、大量積累，參與土壤-水體-生物系統(tǒng)的循環(huán)，通過(guò)植物的吸收在根、莖、葉及籽粒中大量累積[3]，從而對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生抑制和毒害，并經(jīng)過(guò)食物鏈的傳遞危及動(dòng)物和人類的身體健康。

大氣中的鉛作為主要的污染物之一，也是植物吸收鉛的一個(gè)重要來(lái)源。研究證實(shí)，公路旁的植物都具有吸收鉛的能力，只要不超過(guò)一定的限度，植物不會(huì)出現(xiàn)傷害癥狀[4-6]。自發(fā)現(xiàn)Cd以來(lái)，其產(chǎn)量逐年增加。相當(dāng)數(shù)量的Cd通過(guò)廢氣、廢水、廢渣排入環(huán)境，造成污染。Cd隨廢氣擴(kuò)散到工廠周圍并自然沉降，蓄積于工廠周圍的土壤中，有的污染范圍可達(dá)數(shù)千米[7]。土壤鹽堿化是影響生態(tài)與農(nóng)業(yè)的一個(gè)全球化的重要問(wèn)題，也是當(dāng)前中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所面臨的生態(tài)危機(jī)之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有鹽堿耕地660萬(wàn)hm2。隨著工業(yè)的發(fā)展，植被破壞以及大量蓄水水庫(kù)的建成，灌溉地和塑料大棚面積的不斷擴(kuò)大，鹽堿地面積還有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)，對(duì)農(nóng)業(yè)威脅成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題[8-9]。本試驗(yàn)通過(guò)研究鉛、鎘和鹽脅迫下龜背竹生理指標(biāo)的變化，探尋植物生理抗性和解毒機(jī)制，為利用植物修復(fù)土壤重金屬污染與鹽漬化提供相關(guān)理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試植物屬天南星科（Araceae）龜背竹屬（Monstera）龜背竹（M. deliciosa Liebm），由筆者于當(dāng)?shù)鼗ɑ苁袌?chǎng)統(tǒng)一采購(gòu)，盆栽培養(yǎng)在新鄉(xiāng)學(xué)院植物實(shí)驗(yàn)室。將試驗(yàn)所用植物材料分別標(biāo)記為1～15號(hào)預(yù)培養(yǎng)20 d。以Pb（NO3）2為Pb源。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)Pb濃度分別為200 mg/kg（Pb1）、1 500 mg/kg（Pb2）；以CdCl為Cd源，濃度分別為20 mg/kg（Cd1）、200 mg/kg（Cd2）；NaCl濃度分別為50 mmol/L（Na1）、100 mmol/L（Na2）。以不加Pb、Cd、NaCl為對(duì)照（CK），設(shè)Pb1、Pb2、Pb1+Na1、Pb2+Na1、Pb1+Na2、Pb2+Na2、Na1、Na2、Cd1、Cd2、Cd1+Na1、Cd2+Na1、Cd1+Na2、Cd2+Na2共14個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，處理周期分別設(shè)為20、40 d。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

分別于處理后的20、40 d測(cè)定每盆植物的可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛含量4項(xiàng)生理指標(biāo)。用蒽酮法測(cè)定可溶性糖含量，用考馬斯亮藍(lán)染色法測(cè)定可溶性蛋白含量，用酸性茚三酮法檢測(cè)游離的脯氨酸含量，用硫代巴比妥酸法檢測(cè)丙二醛含量，分析龜背竹在Cd、Pb、NaCl及其交互脅迫下不同生理指標(biāo)的響應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽和重金屬脅迫對(duì)可溶性糖含量的影響

可溶性糖是很多非鹽生植物的主要滲透調(diào)節(jié)劑，也是合成其他有機(jī)溶質(zhì)的碳架保護(hù)和能量來(lái)源，對(duì)細(xì)胞膜和原生質(zhì)膠體也有穩(wěn)定作用，在細(xì)胞內(nèi)無(wú)機(jī)離子濃度高時(shí)起保護(hù)作用。在滲透脅迫下，植物可以通過(guò)在體內(nèi)積累可溶性糖方式來(lái)降低滲透勢(shì)，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化[10-12]。從圖1至圖3可以看出，鹽及重金屬單因素處理組在20、40 d 2個(gè)處理時(shí)期，葉片可溶性糖含量隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而呈下降趨勢(shì)。在單因素脅迫條件下，處理20 d時(shí)，可溶性糖含量與對(duì)照相比均有不同程度的增加，Pb2處理增幅較大，達(dá)180.0%；處理40 d時(shí)，Pb2處理增幅最大，達(dá)114.8%。單因素處理20 d時(shí)，隨著濃度的增加，不同處理組可溶性糖含量呈上升趨勢(shì)；單因素處理40 d或復(fù)合處理時(shí)，隨著濃度的遞增（復(fù)合處理組中Pb2+Na2與Pb1+Na1比較），不同處理組可溶性糖含量呈減少態(tài)勢(shì)，但均高于對(duì)照。

2.2 鹽和重金屬脅迫對(duì)可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白一般為與膜系統(tǒng)特異性結(jié)合的酶，在一定脅迫條件下，植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量越高，該部位的生理生化反應(yīng)與代謝活動(dòng)就越旺盛[13-14]，可作為植物相對(duì)抗性的一項(xiàng)指標(biāo)，從圖4至圖6可以看出，鹽及重金屬單因子及其復(fù)合因素處理組在20、40 d 2個(gè)處理時(shí)期，其葉片可溶性蛋白含量隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，表明短時(shí)間鹽及重金屬處理可能通過(guò)誘導(dǎo)龜背竹葉片中可溶性蛋白的合成以抵抗逆境脅迫。無(wú)論單因素脅迫還是復(fù)合因素脅迫處理，龜背竹葉片的可溶性蛋白含量都高于對(duì)照；隨著脅迫濃度的增加，單因素處理組可溶性蛋白含量上升，復(fù)合因素處理組卻下降，表明高濃度的復(fù)合處理在一定程度上傷害了植物生理機(jī)能。

2.3 鹽和重金屬脅迫對(duì)游離脯氨酸含量的影響

游離脯氨酸是植物體內(nèi)最重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，游離脯氨酸積累對(duì)細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、氧化的降低具有非常重要的作用[15-16]。植物在正常生長(zhǎng)條件下，游離脯氨酸含量一般維持在相對(duì)較低的水平，但在鹽堿、干旱、重金屬污染等逆境下，游離脯氨酸會(huì)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)積累以進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)抵抗脅迫。從圖7至圖9可以看出，鹽及重金屬單因子及其復(fù)合因素處理組在20、40 d 2個(gè)處理時(shí)期，其葉片游離脯氨酸含量大體隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)和處理濃度的增加而增加，如Pb1單因素脅迫或Pb2+Na1復(fù)合因素脅迫下，處理 40 d 時(shí)龜背竹葉片的游離脯氨酸含量遠(yuǎn)高于20 d處理，表明隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，龜背竹的適應(yīng)能力增強(qiáng)。本研究支持了以往對(duì)于游離脯氨酸具有清除活性氧的作用，與植物抗氧化關(guān)系十分密切，是植物對(duì)鹽堿、重金屬污染等逆境的一種適應(yīng)性反應(yīng)。單因素脅迫條件下，處理20 d時(shí)，與對(duì)照相比龜背竹葉片內(nèi)游離脯氨酸均有不同程度的增加，Pb2處理增幅最大，達(dá)59.0%；處理40 d時(shí)，與對(duì)照相比植物葉片游離脯氨酸遞增范圍26.3%～54.1%。

2.4 鹽和重金屬脅迫對(duì)丙二醛含量的影響

丙二醛是膜脂過(guò)氧化物酶作用的主要分解產(chǎn)物，是反映膜系統(tǒng)受傷害程度的重要指標(biāo)之一。從圖10至圖12可以看出，無(wú)論是鹽、鉛和鎘單因素脅迫還是重金屬、鹽復(fù)合因素脅迫，龜背竹葉片內(nèi)丙二醛含量均高于對(duì)照，說(shuō)明重金屬和鹽脅迫對(duì)龜背竹均產(chǎn)生了不同程度的傷害。在鹽和重金屬單因素脅迫下，龜背竹葉片丙二醛含量高于對(duì)照7.6%～98.8%，在復(fù)合因素脅迫下，高于對(duì)照3.7%～88.6%。在20、40 d 2個(gè)處理時(shí)期，其葉片丙二醛含量隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)而上升，表明隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)胞膜脂過(guò)氧化傷害程度加劇，清除活性氧的能力有所降低。在單因素或者復(fù)合因素脅迫條件下，隨處理濃度的增加，丙二醛含量多數(shù)表現(xiàn)為增加，表明龜背竹生長(zhǎng)受到一定的抑制。

3 討論與結(jié)論

本研究表明，游離脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白3種滲透物質(zhì)在鹽和重金屬脅迫下能在龜背竹葉片內(nèi)迅速積累，降低細(xì)胞內(nèi)滲透勢(shì)，增強(qiáng)植物滲透調(diào)節(jié)能力，促進(jìn)植物吸收水分，保證植物能夠正常生長(zhǎng)，但當(dāng)處理濃度較高時(shí)，單因素處理20 d時(shí)可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量升高；但可溶性糖、可溶性蛋白含量在復(fù)合處理和單因素處理40 d時(shí)均會(huì)降低，可能是復(fù)合因素處理或者單因素處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，植物生理機(jī)能受到一定破壞，可溶性糖、可溶性蛋白含量積累受到抑制，分解速度加快，含量相對(duì)降低?？扇苄蕴呛可叩脑蚴峭ㄟ^(guò)升高可溶性糖含量調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢(shì)，用于減少外界對(duì)植物造成的傷害，大量增加的可溶性糖等有機(jī)小分子溶質(zhì)，可以降低細(xì)胞內(nèi)的水勢(shì)，從而達(dá)到從周圍細(xì)胞吸水的目的。另一個(gè)可能的原因是在鹽及重金屬脅迫下，植物對(duì)一些必需離子的吸收減弱，淀粉、蛋白質(zhì)和核酸等物質(zhì)的分解加速，因而植物的生長(zhǎng)可能會(huì)受到抑制。植物在鹽及重金屬脅迫處理40 d時(shí)可溶性糖含量較處理20 d減少，可能是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，植物呼吸作用消耗所致。單因素鉛處理或復(fù)合因素 Pb1+Na1處理、Cd1+Na2處理龜背竹葉片可溶性糖含量相對(duì)較高，這些處理可能提高了植物抗逆境能力，而相應(yīng)處理的游離脯氨酸仍能維持較高的濃度。有研究表明，逆境脅迫下可溶性蛋白分解加速，分解為游離脯氨酸等各種氨基酸，使脯氨酸含量升高。在鹽和重金屬脅迫下，由于外界滲透勢(shì)較低，植物會(huì)發(fā)生失水現(xiàn)象，為了避免滲透?jìng)?，植物?xì)胞會(huì)主動(dòng)吸收和積累一些無(wú)機(jī)鹽和可溶性物質(zhì)如游離脯氨酸來(lái)降低胞內(nèi)滲透勢(shì)，避免因失水而導(dǎo)致的傷害。本研究中較高濃度的鹽和重金屬脅迫下游離脯氨酸含量較高可能與此有關(guān)，具體原因仍須進(jìn)一步分析。脅迫作用使植物的物質(zhì)代謝發(fā)生改變，某些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)相繼生成并積累，大分子物質(zhì)如淀粉、蛋白質(zhì)等分解為小分子物質(zhì)（可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸）。這些小分子物質(zhì)具有較強(qiáng)的親水性，可以穩(wěn)定膠體性質(zhì)，在組織代謝中，使植物細(xì)胞免受傷害或減輕傷害。這些物質(zhì)滲透調(diào)節(jié)能力的大小直接反映植物抗逆性的強(qiáng)弱。劉俊等研究鎘脅迫對(duì)大豆花莢期生理生態(tài)的影響表明，隨著鎘脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，大豆植株體內(nèi)累積的丙二醛量增加[17]，與本研究結(jié)論一致。

在一定范圍的鹽和重金屬脅迫下，龜背竹可以增加葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，并且誘導(dǎo)活性氧清除系統(tǒng)，從而減少后者引起的代謝失衡和由缺水對(duì)植株造成的傷害。由本研究可知，（1）不同處理組在20、40 d 2個(gè)處理時(shí)期，隨著處理周期的延長(zhǎng)龜背竹葉片內(nèi)可溶性糖、可溶性蛋白含量會(huì)隨之下降，而游離脯氨酸、丙二醛含量會(huì)隨之上升。（2）單因素或復(fù)合因素脅迫條件下，與對(duì)照相比，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛含量遞增。（3）處理20 d時(shí)，單因素處理?xiàng)l件下，可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛、游離脯氨酸含量基本隨著濃度的遞增而增加；處理40 d時(shí)，可溶性糖、可溶性蛋白含量，隨著濃度的遞增而減少；Cd+Na復(fù)合因素處理時(shí)丙二醛含量變化不明顯。

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