銅脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗生理生化特性的影響

周運(yùn)鴻 曾小飚 高麗梅

摘要 [目的]研究Cu2+脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗生理生化特性的影響。[方法]以麻瘋樹幼苗為材料，測(cè)定不同濃度Cu2+脅迫下麻瘋樹幼苗生理生化指標(biāo)的變化。[結(jié)果]隨著Cu2+濃度的增加，可溶性糖含量增加；過(guò)氧化物酶活性呈先下降后上升的趨勢(shì)；根系活力先上升后下降；葉片葉綠素含量呈下降趨勢(shì)，丙二醛含量、蛋白質(zhì)含量、電導(dǎo)率、脯氨酸含量均有不同程度的增加。[結(jié)論]在一定濃度的Cu2+脅迫下，麻瘋樹各生理生化特征發(fā)生變化，在低濃度時(shí)植株表現(xiàn)出一定的自我保護(hù)能力，高濃度脅迫將嚴(yán)重?fù)p害植株的各項(xiàng)機(jī)能。

關(guān)鍵詞 麻瘋樹；Cu2+；脅迫；生理生化

中圖分類號(hào) S718.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2018）20-0089-03

Abstract [Objective] To study effects of heavy metals on plant physiological and biochemical characteristics.[Method]Jatropha curcas was used as material，and the changes of physiological and biochemical indexes of Jatropha curcas seedlings under different concentrations of Cu2+ stress were determined.[Result]The soluble sugar increased with the increase of Cu2+ concentration，and the activity of peroxidase decreased first and then increased.The content of chlorophyll in leaves showed a decreasing trend，and the contents of malondialdehyde，protein，electrical conductivity and proline increased in varying degrees.Under certain concentration of heavy metal Cu2+，the content of chlorophyll was decreased，and the content of malondialdehyde （MDA），protein，electrical conductivity and proline increased in different degree.[Conclusion]The physiological and biochemical characteristics of Jatropha curcas changed，and the plant showed certain selfprotection ability at low concentration，and the high concentration stress would seriously damage the function of the plant.

Key words Jatropha curcas；Cu2+；Stress；Physiological and biochemical

銅是植物體必需的微量元素，既參與植物呼吸作用、光合作用、木質(zhì)化等過(guò)程，對(duì)植物新陳代謝起重要作用，又是目前環(huán)境污染的重金屬元素[1]。隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，銅礦冶煉、電鍍、銅制品生產(chǎn)和印染業(yè)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中銅含量不斷升高。銅含量較低時(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響較小[2]，但超過(guò)一定濃度，會(huì)抑制植物光合作用，抑制酶的活性、根系生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)成分的吸收[3]。銅可在土壤中富集并被農(nóng)作物吸收；在靠近銅冶煉廠附近，巖石風(fēng)化和含銅廢水灌溉均可使銅在土壤中積累并長(zhǎng)期保留，土壤含銅量為正常土壤的3～232倍。在銅污染的土壤中生長(zhǎng)的植物，含銅量為正常植物的33～50倍，銅污染已成為世界各國(guó)高度重視的環(huán)境問(wèn)題。

麻瘋樹（Jatropha curcas），又名小桐子、膏桐、黑皂樹等，為大戟科麻瘋樹屬落葉灌木或小喬木。其原產(chǎn)熱帶美洲，廣泛分布在世界熱帶地區(qū)[4-5]，目前主要分布于熱帶和亞熱帶地區(qū)，在我國(guó)分布于云南、廣西、廣東、四川、貴州、臺(tái)灣、福建等地[6]，在廣西主要分布在南寧、百色、河池、容縣等縣。麻瘋樹具有很高的價(jià)值，具有防止沙化、構(gòu)建防護(hù)林、保水固土等功能[7]，麻瘋樹種子含油率在40%～60%[8]，在當(dāng)今原油匱乏的時(shí)代備受關(guān)注，也是聯(lián)合國(guó)對(duì)非洲扶貧的重要項(xiàng)目之一。麻瘋樹種子還具有清熱解毒、消腫散淤和明顯的抗癌功效。

筆者利用不同濃度的銅溶液對(duì)麻瘋樹幼苗進(jìn)行重金屬脅迫試驗(yàn)，觀察種子萌發(fā)情況，測(cè)定脅迫麻瘋樹幼苗的各項(xiàng)生理響應(yīng)指標(biāo)，分析其生理生化特性的變化，研究在銅脅迫下麻瘋樹的抗逆機(jī)制和自我修復(fù)能力，以期為今后生態(tài)建設(shè)及生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

麻瘋樹種子購(gòu)自云南壯大科技有限公司，品系為TB2號(hào)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 麻瘋樹種子消毒試驗(yàn)。

選取飽滿種子500顆，放入燒杯中用蒸餾水浸泡12 h，再用0.2 g/L KMnO4溶液浸泡消毒10 min，用蒸餾水反復(fù)沖洗，然后將其倒入墊有棉花和定性濾紙的培養(yǎng)皿中。放入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件設(shè)定為溫度25 ℃、濕度85%、光照1 000 lx。為了保持種子的濕度，每天定時(shí)澆灌溶液，定時(shí)觀察，并做好記錄。

1.2.2 不同濃度重金屬脅迫麻瘋樹種子試驗(yàn)。每種重金屬各設(shè)置6個(gè)處理，其中一個(gè)為對(duì)照，當(dāng)種子開始發(fā)芽，且芽長(zhǎng)為2～3 cm時(shí)，將種子轉(zhuǎn)移至塑料杯中，用充分清洗吹干后的無(wú)機(jī)質(zhì)沙子覆蓋并固定好，每天澆灌定量的1/2霍格蘭培養(yǎng)液（pH 6.4），保證種子可以充分吸收營(yíng)養(yǎng)。

每天分別用不同濃度Cu2+的1/2完全培養(yǎng)液進(jìn)行澆灌，其中Cu2+濃度分別為0（對(duì)照組）、25、50、100、200、400 mg/L，在室內(nèi)培養(yǎng)至第15天，在同組中選取長(zhǎng)勢(shì)一致的3株麻瘋樹幼苗進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

丙二醛與可溶性糖含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定；過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定；根系活力采用氯化三苯基四氮唑法測(cè)定；細(xì)胞膜滲透壓采用外滲液電導(dǎo)率變化測(cè)定；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測(cè)定；葉片光合色素含量采用80%丙酮萃取法測(cè)定；可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析 每組試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算3次數(shù)據(jù)的平均值，然后采用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cu2+脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗丙二醛含量的影響

丙二醛在重金屬脅迫下，會(huì)產(chǎn)生不溶性物質(zhì)，影響細(xì)胞的生命活動(dòng)。其含量越高，說(shuō)明膜脂過(guò)氧化程度越高，植物受害程度越高[10]。從圖1可以看出，在25 mg/L Cu2+處理下，麻瘋樹丙二醛含量出現(xiàn)較小程度的下降，隨著Cu2+濃度的增加，丙二醛含量逐漸增多，這表明25 mg/L Cu2+處理下細(xì)胞膜維持了穩(wěn)定性，對(duì)麻瘋樹幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用，高濃度金屬脅迫處理導(dǎo)致植株幼苗代謝機(jī)能發(fā)生紊亂。

2.2 不同濃度Cu2+脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗可溶性糖含量的影響

可溶性糖是細(xì)胞內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，是植株應(yīng)對(duì)逆境的一種適應(yīng)性物質(zhì)，其含量隨植物細(xì)胞受傷害程度的增大而不斷增多。從圖2可以看出，可溶性糖含量在25 mg/L Cu2+時(shí)增長(zhǎng)幅度較大，隨著Cu2+濃度的增大，可溶性糖含量不斷增多，但增長(zhǎng)幅度不大。

2.3 不同濃度Cu2+脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗過(guò)氧化物酶活性的影響

從圖3可以看出，Cu2+濃度低于25 mg/L時(shí)，麻瘋樹幼苗體內(nèi)的過(guò)氧化物酶活性隨著Cu2+濃度的增加迅速增加，之后呈較穩(wěn)定的增長(zhǎng)趨勢(shì)。這表明在重金屬高濃度脅迫時(shí)，麻瘋樹通過(guò)增加過(guò)氧化物酶含量來(lái)抵抗外界環(huán)境。過(guò)氧化物酶是植物體內(nèi)一種主要抗氧化酶之一，起到保護(hù)細(xì)胞、避免植株受到傷害的作用。在逆境條件下，通過(guò)增加其活性來(lái)提高植株的抗逆能力[11]。

2.4 不同濃度Cu2+脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗根系活力的影響

根系活力是指整個(gè)根系的代謝狀態(tài)，通過(guò)測(cè)定其活力能夠掌握植物本身的生理生化狀況。從圖4可以看出，在Cu2+濃度25 mg/L時(shí)麻瘋樹幼苗根系活力迅速上升，表明在低濃度Cu2+脅迫時(shí)植物的某些生理生化反應(yīng)加強(qiáng)；隨著Cu2+脅迫濃度的增加根系活力快速下降，幾乎接近死亡狀態(tài)。說(shuō)明高濃度Cu2+脅迫會(huì)損害植物的根系，抑制根系代謝，根系活力降低，植株矮小。

2.5 不同濃度Cu2+脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗葉片葉綠素含量的影響

從圖5可以看出，隨著Cu2+濃度的不斷增加，麻瘋樹幼苗葉片葉綠素含量不斷減少。在Cu2+濃度50～100、200～400 mg/L時(shí)葉綠素含量下降趨勢(shì)更明顯，變化幅度最大。由此可知，Cu2+破壞了植物的光合作用，抑制葉綠素的生成，導(dǎo)致植物葉片出現(xiàn)枯黃現(xiàn)象。

2.6 不同濃度Cu2+脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗蛋白質(zhì)含量的影響

可溶性蛋白質(zhì)含量的變化可以作為植物抗逆性的一個(gè)指標(biāo)[12]，其含量隨著麻瘋樹抗逆性的增加而增多，對(duì)植物抗逆性具有重要意義。從圖6可以看出，隨著Cu2+脅迫濃度的不斷增加，麻瘋樹幼苗蛋白質(zhì)含量逐漸增加，接近直線增加的趨勢(shì)，由此可推測(cè)Cu2+對(duì)幼苗的脅迫更明顯，說(shuō)明幼苗在脅迫過(guò)程中通過(guò)增加體內(nèi)蛋白質(zhì)含量，表現(xiàn)出一定的抗逆性，起到自我保護(hù)的效果。

2.7 不同濃度Cu2+脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗電導(dǎo)率的影響

從圖7可以看出，在不同濃度Cu2+脅迫時(shí)，隨著Cu2+濃度的不斷增加，麻瘋樹幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率均呈不斷上升趨勢(shì)，但相對(duì)而言Cu2+對(duì)細(xì)胞膜的破壞性更大，電導(dǎo)率上升趨勢(shì)更明顯。在重金屬脅迫時(shí)，植物細(xì)胞膜受到破壞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)流失，電導(dǎo)率增大。

2.8 不同濃度Cu2+脅迫對(duì)麻瘋樹幼苗脯氨酸含量的影響

脯氨酸是植物體內(nèi)一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。正常情況下，植物體內(nèi)的脯氨酸含量相對(duì)較少，但在逆境脅迫下，為了保護(hù)自身體內(nèi)的代謝功能，其含量會(huì)有所增加。因此，通過(guò)脯氨酸含量的變化可以了解植物在逆境條件下植物受傷害程度。從圖8可以看出，在Cu2+脅迫下，脯氨酸含量增加，特別是在高濃度時(shí)，增長(zhǎng)速度更快。由此說(shuō)明重金屬脅迫激發(fā)了幼苗的抗毒機(jī)制，這是植物在逆境下的適應(yīng)表現(xiàn)，即防護(hù)反應(yīng)。

3 結(jié)論與討論

該試驗(yàn)通過(guò)測(cè)定麻瘋樹幼苗在重金屬Cu2+脅迫下各生理生化指標(biāo)的變化，了解植株被脅迫后各種生理響應(yīng)以及抗逆性。植物體內(nèi)丙二醛含量的積累可以反映植物膜脂受傷害的程度，植物體內(nèi)丙二醛含量越多，植物受傷害程度越大。該研究結(jié)果表明，在低濃度Cu2+脅迫下，麻瘋樹幼苗表現(xiàn)出一定的自我保護(hù)能力，丙二醛含量小幅度下降；但隨著Cu2+脅迫濃度的增加，細(xì)胞膜透性增大，膜脂過(guò)氧化水平升高，丙二醛含量不斷增多。

可溶性糖與游離脯氨酸相同，在植物對(duì)脅迫的適應(yīng)性調(diào)節(jié)中，是增加滲透性溶質(zhì)的重要組成成分，保持生物大分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，調(diào)節(jié)植株的光合作用[13]。該試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Cu2+濃度的不斷增加，可溶性糖、脯氨酸含量都有一定程度的增加，在高濃度Cu2+最為明顯。這表明麻瘋樹幼苗在高濃度Cu2+影響下已造成一定程度的傷害，植株通過(guò)增加游離脯氨酸和可溶性糖含量提高細(xì)胞液濃度，降低細(xì)胞內(nèi)外的滲透壓，保護(hù)細(xì)胞免受傷害。該結(jié)果與Bassi等[13]和劉登義等[14]的研究結(jié)果一致。

正常情況下，植株體內(nèi)產(chǎn)生的活化氧和自由基可以起到維持體內(nèi)動(dòng)態(tài)平衡的作用，降低外界不良環(huán)境對(duì)植物造成的損害，遭受重金屬毒害時(shí)，活性氧和自由基會(huì)在體內(nèi)大量積累，傷害植物體本身[15]。該試驗(yàn)結(jié)果表明，過(guò)氧化物酶活性、根系活力和葉綠素含量，均隨Cu2+濃度的增加先下降后升高，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。麻瘋樹幼苗體內(nèi)活性物質(zhì)含量隨著Cu2+脅迫濃度的增加而大量積累，表明植物抗逆性不斷增強(qiáng)，這是植物自我保護(hù)的體現(xiàn)。

該試驗(yàn)結(jié)果表明，麻瘋樹幼苗在Cu2+逆境脅迫環(huán)境中具有一定的抗逆性，具有自我保護(hù)和修復(fù)能力，但隨著Cu2+脅迫濃度的不斷增加，幼苗各生理生化指標(biāo)出現(xiàn)異常，嚴(yán)重威脅幼苗的生命力。

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