汞脅迫對(duì)水葫蘆光合特性和生理生化特征的影響

王賽　王瑞瑩　錢(qián)蘭華　王利芬　朱培淼　王波

摘 要：當(dāng)前我國(guó)水體汞污染日益嚴(yán)重，由于其易遷移性和毒性，嚴(yán)重威脅著生態(tài)環(huán)境和人類的健康，尋找對(duì)汞脅迫具有一定抗性的水生植物已經(jīng)刻不容緩。試驗(yàn)采用溶液培養(yǎng)法研究不同質(zhì)量濃度的HgCl2（0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0 mg·L-1）對(duì)水葫蘆幼苗生長(zhǎng)和發(fā)育的影響。結(jié)果表明，水葫蘆鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量、葉綠素含量、Pn值和SOD活性在低質(zhì)量濃度的HgCl2溶液中隨著汞質(zhì)量濃度的升高而增加，在質(zhì)量濃度為5 mg·L-1時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)；但隨著HgCl2質(zhì)量濃度進(jìn)一步增大，這些指標(biāo)值反而持續(xù)下降。Pro和SP含量在HgCl2質(zhì)量濃度為10 mg·L-1時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，但當(dāng)HgCl2質(zhì)量濃度達(dá)到20 mg·L-1時(shí)較對(duì)照顯著下降；而Gs，Ci，Tr值表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，但各處理間差異不顯著，其中，Ci，Tr值在HgCl2質(zhì)量濃度為5 mg·L-1時(shí)達(dá)到最低值，Gs在10 mg·L-1時(shí)達(dá)到最低值；MDA含量和POD活性則隨著HgCl2質(zhì)量濃度的升高而上升。水葫蘆對(duì)10 mg·L-1 以下的HgCl2脅迫具有較好的適應(yīng)性，且可促進(jìn)水葫蘆的生長(zhǎng)；但高質(zhì)量濃度HgCl2對(duì)水葫蘆的生長(zhǎng)則有抑制作用。研究結(jié)果可為水葫蘆對(duì)Hg2+脅迫的適應(yīng)機(jī)制提供一定理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水葫蘆；汞脅迫；葉綠素含量；光合特性；生理生化特征

中圖分類號(hào)：S555+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.05.002

Abstract： The water mercury pollution has been seriously polluted in recently years in our country， because of its easy mobility and toxicity serious threat to the ecological environment and human health seriously， therefore to search for the hydrophyte with some resistance to mercury stress was extremely urgent. The aim of the study was to investigate the influence that HgCl2 under various concentrations（0， 2.5， 5.0 10.0， 20.0， 40 mg·L-1） on the growth and development of Eichhornia crassipes seedlings with hydroponics. The results indicated the FW increment， chlorophyll content， Pn value， SOD activities of Eichhornia crassipes increased first and then decreased with the increasing of HgCl2 stress. The highest value at 5 mg·L-1， but as HgCl2 concentration increased further， these indicators continued to decline inversely. Pro and SP reached to the highest point at the 10 mg·L-1 concentration， and they continued to decline at the concentration more than 20 mg·L-1 significantly. While Gs， Ci， Tr showed the opposite tendency compared with Pn. But it was not significant between difference HgCl2 stress. Ci， Tr reached to the highest point at the 5 mg·L-1 concentration， but Gs at 10 mg·L-1. The MAD content and POD activity significantly rose with the increasing of HgCl2 stress. The conclusion was that it was beneficial to Eichhornia crassipes when HgCl2 stress was below to 10 mg·L-1， meanwhile high concentration HgCl2 could be harmful to Eichhornia crassipes. The results of this research could provide a theoretical basis for exploring the adaptation mechanism of Eichhornia crassipes under HgCl2 stress.

Key words： Eichhornia crassipes； mercury stresses； chlorophyll content； photosynthetic characteristics； physiological and biochemical characteristics

水葫蘆（Eichhornia crassipes）為雨久花科、鳳眼蓮屬的一種漂浮性水生植物。已有研究表明，水葫蘆可以吸收污水中的重金屬、放射性污染物和有機(jī)污染物質(zhì)，并將其富集體內(nèi)，是一種良好的耐污染材料。由于汞污染制毒性強(qiáng)、易遷移和易轉(zhuǎn)化等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為全球最關(guān)心的問(wèn)題[1]。汞有單質(zhì)態(tài)、無(wú)機(jī)汞和有機(jī)汞3種形式。其中，有機(jī)汞是其最毒形式，在一定條件下無(wú)機(jī)汞和單質(zhì)態(tài)汞可以轉(zhuǎn)化為有機(jī)汞。大量數(shù)據(jù)表明，我國(guó)水體汞污染比較嚴(yán)重，如20世紀(jì)70年代松花江流域就開(kāi)始發(fā)現(xiàn)有汞污染，江水平均汞含量為5 600 ng·L-1，雖然經(jīng)過(guò)20多年的治理，但仍高于背景含量[2]。黃浦江中汞的平均含量則超過(guò)了400 ng·L-1 [3]。葫蘆島市五里河水中汞污染也非常嚴(yán)重，汞含量為84～10 446 ng·L-1，平均值為1 395 ng·L-1，遠(yuǎn)高于國(guó)家III類水標(biāo)準(zhǔn)（100 ng·L-1）[4]。許多植物對(duì)水體汞污染具有攝取并在體內(nèi)富集的能力。已有研究表明，眼子菜、金魚(yú)藻[5]、慈姑[6]、水稻[7]等水生植物對(duì)水體重金屬污染都具有耐受性和富集能力。

本研究以水葫蘆為試驗(yàn)材料，測(cè)定不同濃度Hg2+ 脅迫對(duì)水葫蘆部分光合特性和葉片部分生理生化的影響，以期為進(jìn)一步發(fā)掘水葫蘆對(duì)汞污染修復(fù)能力方面提供科學(xué)理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

將打撈上來(lái)的水葫蘆幼苗于1/2霍格蘭氏培養(yǎng)液中馴化7 d測(cè)量其鮮質(zhì)量，挑選個(gè)體、長(zhǎng)勢(shì)以及鮮質(zhì)量接近的水葫蘆幼苗作為研究材料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)定0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0 mg·L-1梯度HgCl2質(zhì)量濃度處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)3株幼苗，并盡量避免3株幼苗葉片不重疊。每天加2～5滴雙氧水以增加培養(yǎng)液中溶氧量。連續(xù)培養(yǎng)30 d后測(cè)定其鮮質(zhì)量，并計(jì)算其鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量、部分光合參數(shù)、部分生理生化指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 葉綠素含量 葉綠素含量的測(cè)定采用丙酮乙烯混合液法——丙酮與乙醇的比例為1∶1，全程在暗光條件下操作，并在663，645 nm波長(zhǎng)下比色，并通過(guò)計(jì)算求得葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量[8]。

1.3.2 部分光合指標(biāo) Pn（凈光合速率）、Gs（氣孔導(dǎo)度）、Ci（胞間二氧化碳濃度）和Tr（蒸騰速率）值采用LI-6400便攜式光合測(cè)定儀（LI-COR， USA）進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)采用自然光源，設(shè)定樣品室流速為500 μmol·s-1。測(cè)定選擇在溫度25～27 ℃的8：30—11：30進(jìn)行。

1.3.3 生理生化指標(biāo) 采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA（丙二醛）含量，采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定SP（可溶性蛋白）含量，采用磺基水楊酸法測(cè)定Pro（脯氨酸）含量。采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD（過(guò)氧化物酶）活性，采用氮藍(lán)四唑法測(cè)定SOD（超氧化物歧化酶）活性[9]，采用紫外吸收法測(cè)定CAT（過(guò)氧化氫酶）活性[10]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

3個(gè)重復(fù)數(shù)據(jù)的平均值為試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和繪圖采用Excel軟件；顯著性差異分析和方差分析采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同質(zhì)量濃度HgCl2對(duì)水葫蘆鮮質(zhì)量增長(zhǎng)量的影響

由表1可知，在不同質(zhì)量濃度HgCl2 處理30 d后，隨著質(zhì)量濃度的增加，水葫蘆鮮質(zhì)量的增長(zhǎng)量分別為對(duì)照（CK）的125.85%，126.83%，114.04%，71.62%，56.13%，呈先上升后下降的趨勢(shì)；當(dāng)HgCl2質(zhì)量濃度較低時(shí)，顯著促進(jìn)水葫蘆生物量的增加，當(dāng)HgCl2的濃度達(dá)到20.0 mg·L-1時(shí)，水葫蘆生物量的增長(zhǎng)量顯著低于CK。

2.2 不同質(zhì)量濃度HgCl2對(duì)水葫蘆葉綠素含量的影響

由表2可知，處理30 d后，隨著HgCl2質(zhì)量濃度的增加水葫蘆葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量均呈先升高后降低的趨勢(shì)；與對(duì)照相比，較低質(zhì)量濃度（2.5，5.0，10.0 mg·L-1 ）的HgCl2顯著增加水葫蘆葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量；而20.0，40.0 mg·L-1 的HgCl2 處理可顯著降低葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量；不同質(zhì)量濃度HgCl2對(duì)水葫蘆葉綠素a/b的影響不大，總體在平均值左右。

2.3 不同質(zhì)量濃度HgCl2對(duì)水葫蘆光合特性的影響

由表3可知，水葫蘆在不同質(zhì)量濃度HgCl2處理下，其各處理間的Pn 呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，且除了CK與10.0 mg·L-1的HgCl2處理外，其余各處理間差異均達(dá)顯著水平，在5.0 mg·L-1的處理下達(dá)到最高值，表明較低質(zhì)量濃度HgCl2 對(duì)其Pn的升高具有促進(jìn)作用；而對(duì)于Gs的影響總體呈下降趨勢(shì)，但各組間差異不顯著；對(duì)于Ci，Tr則呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，僅40 mg·L-1處理下的Ci與其他處理間差異達(dá)到顯著水平。

2.4 不同質(zhì)量濃度HgCl2對(duì)水葫蘆生理生化特征的影響

由圖1可知，HgCl2質(zhì)量濃度為2.5，5.0， 10.0，20.0，40.0 mg·L-1處理的MDA含量分別是0 mg·L-1（CK）的121.16%，208.28%，384.54%，501.38%和696.41%，各組間MDA含量的變化除2.5 mg·L-1處理外，其他各組間差異均達(dá)到顯著水平；汞脅迫還會(huì)影響水葫蘆生物大分子含量的變化。隨著HgCl2質(zhì)量濃度的升高，Pro和SP均呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，且均在HgCl2質(zhì)量濃度為10.0 mg·L-1時(shí)達(dá)到最高值，且與其他各處理間差異均達(dá)顯著水平。在汞脅迫下，水葫蘆的三大抗氧化酶的活性都會(huì)受到不同程度的影響，其中，SOD，CAT的活性隨著汞脅迫質(zhì)量濃度的升高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，分別在5.0，2.5 mg·L-1處理時(shí)達(dá)到最大值，而POD則隨著汞質(zhì)量濃度的升高而升高。

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，低質(zhì)量濃度的HgCl2脅迫水葫蘆后，對(duì)其生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，高質(zhì)量濃度處理則顯著降抑制其生長(zhǎng)；隨著汞質(zhì)量濃度的增加，對(duì)其生物量增長(zhǎng)的抑制作用越來(lái)越明顯，這與高大翔等[11]研究汞脅迫對(duì)水稻生長(zhǎng)的影響結(jié)果相一致。

光合作用的強(qiáng)弱反映了植物同化能力的大小，主要表現(xiàn)為有機(jī)物的積累。Pn的大小可以反映植物吸收和利用二氧化碳能力的大小。低質(zhì)量濃度的HgCl2可以促進(jìn)水葫蘆的光合作用，而較高質(zhì)量濃度的HgCl2則會(huì)抑制水葫蘆凈光合速率，從而影響水葫蘆生物量的增加。葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的最基本單位，植物葉片單位面積葉綠素含量也能反映出植物光合能力的強(qiáng)弱。葉綠素a/b是體現(xiàn)植物葉片衰老的指標(biāo)，本研究結(jié)果表明，不同質(zhì)量濃度HgCl2對(duì)葉綠素a/b影響不明顯，說(shuō)明高濃度的HgCl2并未引起水葫蘆葉片的衰老，這與侯明等[12]就適量釩脅迫對(duì)菜心幼苗的葉綠素影響研究的結(jié)果相一致。在汞脅迫下，水葫蘆葉綠素含量的變化則體現(xiàn)出與Pn一致的規(guī)律。氣孔是植物葉片與外界進(jìn)行氣體交換的主要通道，由于通過(guò)氣孔擴(kuò)散的主要?dú)怏w有氧氣、水、二氧化碳。因此，氣體的開(kāi)閉情況則直接影響植物的光合作用、蒸騰作用、及胞間二氧化碳濃度。本研究結(jié)果表明，汞脅迫并不會(huì)顯著影響水葫蘆Gs，Ci及Tr，而Pn則出現(xiàn)顯著變化，可能是由于引起Pn發(fā)生改變的主導(dǎo)因素是非氣孔限制因素。

植物在逆境條件下或衰老時(shí)，往往發(fā)生膜脂氧化作用，MDA是其最重要的產(chǎn)物之一，因此，通過(guò)測(cè)定植物MDA的含量了解膜脂過(guò)氧化的程度，以間接測(cè)定系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性[9]。本研究結(jié)果表明，隨著汞濃度的升高，水葫蘆葉片MDA含量也會(huì)不同程度增加，這與徐金波等[13]研究的結(jié)果相一致。表明在不同質(zhì)量濃度汞脅迫下，水葫蘆的膜系統(tǒng)均受到不同程度的破壞。而植物在逆境中主要有兩大抗衰老機(jī)制，一種是通過(guò)生物大分子增加體內(nèi)滲透保護(hù)物質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外的滲透平衡，主要有SP，Pro等；另一類則是通過(guò)其自身的抗氧化酶系統(tǒng)主要有SOD，POD，CAT，這類酶能夠在一定程度上清除植物由于逆境產(chǎn)生的過(guò)量超氧自由基，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)。本研究結(jié)果表明，低質(zhì)量濃度的HgCl2可以顯著提高水葫蘆SOD，CAT的活性，當(dāng)HgCl2質(zhì)量濃度較高時(shí)，其活性則持續(xù)下降，而POD的含量則持續(xù)升高，經(jīng)汞脅迫后水葫蘆葉片的SOD，CAT，POD 均顯著高于對(duì)照，說(shuō)明機(jī)體啟動(dòng)了抗氧化酶保護(hù)機(jī)制，在低汞脅迫可以顯著增加水葫蘆的SP，Pro含量，但是當(dāng)汞質(zhì)量濃度較高時(shí)，水葫蘆葉片SP，Pro含量則持續(xù)下降?？赡苁怯捎诘唾|(zhì)量濃度的汞脅迫誘導(dǎo)了水葫蘆體內(nèi)生物大分子SP，Pro和抗氧化酶SOD，CAT的表達(dá)，此時(shí)水葫蘆體滲透勢(shì)調(diào)節(jié)內(nèi)活性氧代謝尚處于正常水平，隨著汞質(zhì)量濃度的增加，代謝平衡被打破，葉片膜質(zhì)氧化系統(tǒng)加劇，導(dǎo)致SP，Pro含量下降，SOD，CAT活性降低。并且汞離子可能會(huì)與SOD，CAT結(jié)合進(jìn)而改變SOD，CAT蛋白的空間構(gòu)型。而POD則表現(xiàn)出持續(xù)上升的現(xiàn)象，可能是由于汞脅迫對(duì)水葫蘆POD影響的機(jī)制沒(méi)有SOD靈敏，當(dāng)汞質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加時(shí)，POD活性可能也會(huì)出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，這還有待于進(jìn)一步研究。

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