萱草品種對Hg2+脅迫的生理響應(yīng)

付寶春

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所，山西太原030031）

由于我國工業(yè)科技水平的快速提高，環(huán)境惡化已成為當(dāng)前突出的社會問題。汞作為一種慢性劇毒重金屬，雖然在人們的日常生產(chǎn)和生活中有著廣泛用途，但也因其被長期應(yīng)用和過度排放，使得環(huán)境汞污染問題日益嚴(yán)重，再加上可用自然資源的逐年減少、退化，持續(xù)擴(kuò)大的汞污染范圍，導(dǎo)致部分土壤、水體Hg2+濃度超標(biāo)。若不能對Hg2+進(jìn)行有效處理，殘留于土壤、水體當(dāng)中的Hg2+不僅會對植物造成生理功能紊亂，濃度過高時可致其死亡，而且還會對當(dāng)?shù)鼐用窠】诞a(chǎn)生較大威脅。在這期間已發(fā)生了許多影響較大的汞污染事件，甚至還出現(xiàn)了更為嚴(yán)重的甲基汞污染。

已有研究發(fā)現(xiàn)，部分植物在長期的演化過程中，逐漸形成了對重金屬的適應(yīng)性，其中不乏能在體內(nèi)大量吸收、蓄積環(huán)境中Hg2+后仍可正常生長，具有修復(fù)汞污染環(huán)境的植物，以及通過某些保護(hù)機(jī)制降低對生境中汞元素的吸收，避免遭受Hg2+毒害的種質(zhì)。隨著環(huán)境汞毒害效應(yīng)的備受關(guān)注，篩選耐汞植物資源，并探討其適應(yīng)機(jī)制已成為當(dāng)前植物應(yīng)用研究的焦點。

萱草（Hemerocallissp.），作為萱草科萱草屬地被花卉，因其自身花色豐富，抗逆性強(qiáng)，管理粗放，已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)城市建設(shè)當(dāng)中。我國擁有豐富的萱草種質(zhì)，概覽萱草屬植物的研究歷史，國內(nèi)外已在生理生化[1-2]、分類鑒定[3-6]、組培繁育[7-9]等領(lǐng)域?qū)ζ溥M(jìn)行了大量研究，但對該屬植物逆境脅迫的研究相對較少[10-12]，關(guān)于萱草對汞脅迫的生理響應(yīng)相關(guān)文獻(xiàn)更鮮有報道。

本試驗采用盆栽法，研究不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)Hg2+對萱草品種生理生化特征的影響，探究萱草屬植物在Hg2+脅迫條件下的生理生化變化，不僅可為研究萱草耐汞機(jī)制提供一定的參考依據(jù)，同時也對開展萱草品種引種栽培、園林應(yīng)用、新品種選育具有極其重要的意義。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗以萱草紅霞（Hemerocallis'Red clouds'）為研究對象，該品種栽植于山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所試驗基地，苗木管理和生長正常。

1.2 試驗方法

試驗采用盆栽法，將等量風(fēng)干的土壤裝入盆（25 cm×20 cm）中，以HgCl2為外源汞，設(shè)置Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0（CK），1（處理 1），5（處理 2），10（處理 3），50 mg/kg（處理 4），將 HgCl2配制成相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的溶液，均勻噴灑于泥土中，每個處理設(shè)置5盆。種植前，選取生長整齊一致的萱草植株，將其裝盆轉(zhuǎn)入日光溫室，每盆栽植3株萱草，正常水分管理，培養(yǎng)3個月至植株恢復(fù)正常狀態(tài)后開始試驗，15 d后測定各項生理指標(biāo)，每次測定3次重復(fù)。

1.3 測定項目及方法

丙二醛（MDA）含量采用TBA[13]法測定。過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法[14]測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性測定方法參照文獻(xiàn)[14]進(jìn)行?？扇苄缘鞍缀浚⊿P）采用考馬思亮藍(lán)法[13]檢測，脯氨酸（Pro）通過酸性茚三酮法[13]檢測。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及繪圖，數(shù)據(jù)采用SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Hg2+脅迫對萱草Pro含量的影響

由圖1可知，在Hg2+脅迫下，萱草Pro含量隨著Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而不斷增大。當(dāng)Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于5 mg/kg時，萱草葉片Pro含量變化不大（P＞0.05）；當(dāng)Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 mg/kg時，萱草葉片Pro含量相比CK增加了25.87%；Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到50 mg/kg時，萱草葉片的Pro含量增加幅度較大，達(dá)到CK的163.64%。

2.2 Hg2+脅迫對萱草MDA含量的影響

由圖2可知，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Hg2+脅迫均可引起細(xì)胞膜受損，當(dāng)Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1mg/kg時，MDA含量為CK的105.76%，隨著Hg2+脅迫濃度的增加，萱草葉片MDA含量顯著升高，當(dāng)Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5，10mg/kg時，其葉片MDA含量與CK相比差異顯著（P＜0.05），分別為 CK 的 150.62%，172.02%；當(dāng)Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50 mg/kg時，萱草葉片MDA含量相比CK增加了119.75%，達(dá)到534 μmol/L。

2.3 Hg2+脅迫對萱草POD，SOD活性的影響

在各Hg2+脅迫水平下，SOD和POD活性的整體趨勢有所差異，SOD活性表現(xiàn)為先升高后下降，而POD活性則持續(xù)升高。由圖3，4可知，當(dāng)Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜10 mg/kg時，2種酶活性均表現(xiàn)為逐漸上升趨勢，其中，SOD活性上升幅度較快。在Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 10 mg/kg時，SOD 活性與 0，1，5 mg/kg之間均表現(xiàn)為差異顯著（P＜0.05），并達(dá)到最大值，為CK的483.81%。當(dāng)Hg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50 mg/kg時，POD活性達(dá)到最大值，為CK的182.03%，與其差異顯著（P＜0.05），而SOD活性則降低到略高于CK（P＞0.05），僅為CK的134.95%。

2.4 Hg2+脅迫對萱草SP含量的影響

由圖5可知，SP含量變化趨勢表現(xiàn)為倒“U”型，較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)Hg2+脅迫（1 mg/kg）可以使萱草葉片內(nèi)SP含量少量增加（P＜0.05），而當(dāng)Hg2+脅迫程度逐漸增加時，萱草葉片內(nèi)SP含量有所下降，但在5，10mg/kg的Hg2+脅迫下，SP含量差異不大（P＞0.05），分別為 CK 的 91.02%，87.35%，當(dāng) 50 mg/kg Hg2+脅迫時，SP含量相比CK下降了23.67%（P＜0.05），僅為CK的76.33%。

3 討論與結(jié)論

重金屬脅迫能夠引起植物細(xì)胞膜受損，致使膜上結(jié)合酶和胞內(nèi)酶失調(diào)，膜透性升高，胞內(nèi)脫水、營養(yǎng)物質(zhì)外漏，而有毒物質(zhì)可無限制的流入胞內(nèi)，引起代謝紊亂，嚴(yán)重時還會對植株造成不同程度的損傷[15]，但植物在演變進(jìn)程中，也出現(xiàn)了許多生理生化變化來適應(yīng)不良環(huán)境對自身生長發(fā)育產(chǎn)生的負(fù)面影響。

脯氨酸（Pro）和可溶性蛋白（SP）作為調(diào)節(jié)植物細(xì)胞滲透勢的理想物質(zhì)，具有降低細(xì)胞水勢，平衡細(xì)胞內(nèi)外滲透勢的功能，其中，Pro的累積對植物適應(yīng)逆境具有重要意義，而可溶性蛋白又是植物有機(jī)結(jié)構(gòu)的重要組成成分。有研究發(fā)現(xiàn)，植物在遭受Cd，Pb，Hg等脅迫后，其自身蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象會遭到嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致折疊變性，造成植物體內(nèi)蛋白質(zhì)含量的下降[16]，這就意味著植物在Hg2+脅迫下受到的傷害程度與植物SP含量的下降具有一定的相關(guān)關(guān)系。本研究結(jié)果表明，萱草葉片Pro含量隨著Hg2+脅迫程度的增加表現(xiàn)出迅速增加趨勢，而SP含量在經(jīng)過稍許增加后又逐漸下降。說明萱草在受到Hg2+脅迫后能通過積累Pro來調(diào)節(jié)細(xì)胞水勢，避免細(xì)胞脫水和營養(yǎng)物質(zhì)外滲，且在一定程度上防止蛋白質(zhì)脫水變性，但隨著Hg2+脅迫程度的加深，細(xì)胞中的核糖體受損，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變，使其變性凝固，導(dǎo)致SP含量下降，影響萱草正常生長。

Hg2+脅迫使植物產(chǎn)生大量活性氧，造成植物體內(nèi)活性氧動態(tài)失衡，發(fā)生膜脂過氧化，引起植物生物大分子氧化損傷，產(chǎn)生的MDA又致使質(zhì)膜系統(tǒng)受到損傷，引起電解質(zhì)外漏[17]。而POD，SOD作為具有活性氧（ROS）清除功能的酶類，在一定程度上可以消除由Hg2+脅迫所產(chǎn)生的超量ROS，使植物體內(nèi)ROS恢復(fù)平衡，以加強(qiáng)其對Hg2+脅迫的抵御水平[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，高濃度Hg2+脅迫導(dǎo)致萱草葉片MDA含量迅速上升，而此時SOD活性大幅下降，表明Hg2+脅迫，尤其是高濃度Hg2+可能超出了萱草對Hg2+脅迫的忍受范圍，即提高植物自身酶活性仍不能有效緩解萱草體內(nèi)ROS快速增加，以致其ROS代謝嚴(yán)重紊亂，而過量的ROS又促使酶活性下降，細(xì)胞膜受損，致使Hg2+脅迫對萱草的傷害程度更加嚴(yán)重，這與孫延?xùn)|等[19]在Cd，Cu脅迫下對黃菖蒲以及過昱辰等[20]在Hg脅迫下對暖季型草坪草的研究結(jié)果一致。