土壤鉛脅迫對紫金牛生理特性的影響

王佳星，余國源，謝 瑛，黃琛斐，廖飛勇

(1.中南林業(yè)科技大學(xué) 風(fēng)景園林學(xué)院，湖南 長沙 410004； 2.中南林業(yè)科技大學(xué) 外國語學(xué)院，湖南 長沙 410004)

在眾多重金屬中，鉛不是生物代謝所必須的元素，因此，當(dāng)土壤中的鉛積累時，會因其自身具有的難轉(zhuǎn)移、毒性強的特點對植物產(chǎn)生較大的毒害作用[1]。目前，全世界每年排放廢料中的鉛大部分進入土壤，致使世界各國都出現(xiàn)了土壤鉛污染。我國重金屬超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與面積約占污染物超標(biāo)農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)量與總面積的80%以上，其中，鉛是最主要的污染物之一[2]。受鉛脅迫時，植物的生長發(fā)育和生理代謝均會受到影響。研究表明，當(dāng)鉛質(zhì)量分數(shù)達到1 500 mg/kg時，茼麻的生長高度及生物量干質(zhì)量變化趨勢相似，均受到顯著抑制[3]。在蠶豆的鉛脅迫試驗中，通過添加離子態(tài)的重金屬鉛，使土壤長期保持在一定的鉛濃度范圍，隨著脅迫時間的延長，其保護酶合成系統(tǒng)遭到破壞，代謝能力逐漸減弱[4]。土壤鉛污染不僅對生態(tài)系統(tǒng)的正常功能造成破壞，同時也會通過食物鏈危害人的身體健康，因此，選擇耐鉛脅迫能力強、觀賞效果良好的園林植物進行鉛污染土地綠化及土壤修復(fù)已成為研究熱點。

紫金牛(Ardisiajaponica)為紫金牛科紫金牛屬常綠小灌木或亞灌木植物，在我國分布廣泛，全株及根部均可作藥用[5]。其植株低矮，枝葉常綠，秋冬果色艷麗，掛果持久，觀賞價值極佳，且具有良好的耐陰性，于密林之下也能生長，可作為優(yōu)良的地被植物與室內(nèi)觀賞植物等，用途廣泛[6]。但目前對于紫金牛的研究多集中在藥用價值的開發(fā)[7-8]等方面，對于其重金屬抗性方面的研究少見探討。鑒于此，研究土壤中不同質(zhì)量分數(shù)的鉛離子對紫金牛各生理指標(biāo)的影響，旨在探討紫金牛對于重金屬鉛脅迫的適應(yīng)性和生長表現(xiàn)，進一步探索其抗性機制及耐受能力，為其在重金屬鉛污染地區(qū)進行土地綠化及土壤修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

選取中南林業(yè)科技大學(xué)校園內(nèi)3年生紫金牛苗作為試驗材料，將其移入直徑168 mm、高138 mm的塑料花盆中，每盆1株，每盆干土質(zhì)量1 kg[V(黃土)∶V(泥炭土)=1∶1]。培育60 d后選擇生長一致的25株進行試驗，室內(nèi)碘鎢燈人工照光，照光時間為8:00—18:00，自然溫度和濕度[9]。

將土壤中鉛質(zhì)量分數(shù)[以干土中純Pb2+計，藥品為Pb(CH3COO)2·3H2O]設(shè)置5個處理組：對照(0 mg/kg,CK)、處理Ⅰ(500 mg/kg)、處理Ⅱ(800 mg/kg)、處理Ⅲ(1 200 mg/kg)和處理Ⅳ(1 800 mg/kg)，每組5株，每次測量重復(fù)3次采樣(保證植株不因過度采樣影響生長)。常規(guī)澆水保證土壤濕潤，并將花盆底托內(nèi)滲出液倒回盆中，防止重金屬離子流失。每15 d記錄植物的生長情況并測定各項指標(biāo)，60 d后結(jié)束試驗[10]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)[PSⅡ最大原初光化學(xué)量子效率Fv/Fm、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、電子傳遞效率(ETR)]、凈光合速率使用美國生產(chǎn)的LI-6400 XTR便攜式光合儀進行測定[11]，葉綠素總量測定采用分光光度法[12]，丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸法[13]，可溶性糖含量測定采用蒽酮法，可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍法[14]，超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑法[15]。

采用SPSS 22.0和Excel軟件對數(shù)據(jù)進行分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛脅迫對紫金牛葉綠素總量的影響

葉綠素含量的高低反映植物的光合作用能力強弱[16]。由表1可知，受鉛脅迫15 d后，與對照相比，各鉛脅迫處理組葉綠素總量均呈下降趨勢，但差異不顯著。處理后30 d，各鉛脅迫處理組與對照間差異仍不顯著，但處理Ⅰ與處理Ⅱ葉綠素總量已大于對照。處理后60 d，處理Ⅰ與處理Ⅱ葉綠素總量繼續(xù)上升，為對照的1.06倍和1.22倍，而處理Ⅲ和處理Ⅳ葉綠素總量則持續(xù)下降，僅為對照的82.83%和77.39%，處理Ⅱ、處理Ⅳ與對照差異顯著。

2.2 鉛脅迫對紫金牛熒光參數(shù)的影響

Fv/Fm為PSⅡ最大原初光化學(xué)量子效率[17]。由表2可知，處理后15 d，與對照相比，各鉛脅迫處理組Fv/Fm呈下降趨勢，且處理Ⅳ與對照差異顯著。處理后30 d，處理Ⅱ、處理Ⅳ的Fv/Fm較15 d略升高，但仍低于對照，說明鉛脅迫對紫金牛光系統(tǒng)Ⅱ的原初光能轉(zhuǎn)換效率造成影響。至處理后45 d，處理Ⅰ、處理Ⅱ的Fv/Fm大于對照。處理后60 d，各鉛脅迫處理組與對照差異顯著，處理 Ⅰ 的Fv/Fm升至最高，為對照的1.03倍，處理Ⅳ的Fv/Fm降至最低，為對照的92.16%。

qP為光化學(xué)猝滅系數(shù)，其值越高，說明植物對于光能的利用效率越高。由表2可知，至處理后30 d，與對照相比，各鉛脅迫處理組qP持續(xù)下降，處理Ⅳ與對照差異顯著。處理后45 d，處理Ⅰ、處理ⅡqP高于對照。處理后60 d，處理ⅡqP升至最高，而處理Ⅲ、處理ⅣqP在脅迫過程中則持續(xù)降低，說明低質(zhì)量分數(shù)鉛脅迫在一定程度上促進了紫金牛對光能的利用效率，而較高質(zhì)量分數(shù)的鉛脅迫則產(chǎn)生抑制作用。

ETR表示電子傳遞效率。由表2可知，處理后15 d，與對照相比，各鉛脅迫處理組ETR降低，處理Ⅳ與對照差異顯著。處理后30 d，各鉛脅迫處理組ETR上升，處理Ⅰ、處理ⅡETR高于對照。至處理后45 d，處理Ⅰ—Ⅳ ETR達到脅迫周期內(nèi)最高值，分別為對照的110.40%、107.54%、87.69%、78.18%。處理后60 d，各鉛脅迫處理組ETR下降，處理Ⅳ ETR降到最低并與對照差異顯著，僅為對照的72.46%。

表1 鉛脅迫對紫金牛葉綠素總量的影響Tab.1 Effects of Pb stress on total chlorophyll content of Ardisia japonica mg/g

注：同列不同小寫字母表示差異達顯著水平(P<0.05)，下同。

Note:Different lowercase letters in the same column indicate significant differences(P<0.05),the same below.

表2 鉛脅迫對紫金牛熒光參數(shù)的影響Tab.2 Effects of Pb stress on fluorescence parameters of Ardisia japonica

2.3 鉛脅迫對紫金牛凈光合速率的影響

由表3可知，脅迫開始后15 d，各鉛脅迫處理組凈光合速率呈下降趨勢。至處理后30 d，處理Ⅰ、處理Ⅱ和處理Ⅲ凈光合速率有所上升。處理后60 d，處理Ⅰ凈光合速率升至最高，為對照組的1.23倍，且與對照差異顯著。在60 d的脅迫過程中，處理Ⅰ和處理Ⅱ凈光合速率由15 d的低于對照逐漸升高，處理Ⅳ凈光合速率則始終保持下降趨勢，說明較高質(zhì)量分數(shù)的鉛脅迫對紫金牛的光合產(chǎn)生抑制作用。

2.4 鉛脅迫對紫金?？扇苄蕴呛康挠绊?/h3>

可溶性糖是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，當(dāng)植物受到逆境脅迫時，植物體可通過積累可溶性糖來調(diào)節(jié)體內(nèi)滲透勢[18]。由表4可知，處理后15 d，各鉛脅迫處理組可溶性糖含量上升，均達到脅迫周期內(nèi)各組最高值，說明在短期鉛脅迫下，植物加強可溶性糖的積累，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化，其中，處理Ⅲ可溶性糖含量較對照提高38.58%，升幅最高。處理后30 d，各鉛脅迫處理組可溶性糖含量下降。至處理后60 d，各組可溶性糖含量降至最低，處理Ⅲ、處理Ⅳ與對照差異顯著，僅為對照的54.15%、41.96%。表明短時間內(nèi)鉛脅迫可促進可溶性糖的形成，且較高質(zhì)量分數(shù)脅迫的促進作用優(yōu)于低質(zhì)量分數(shù)，但隨著脅迫時間的延長，可溶性糖的合成受到阻礙。

表3 鉛脅迫對紫金牛凈光合速率的影響Tab.3 Effects of Pb stress on net photosynthetic rate of Ardisia japonica μmol/(m2·s)

表4 鉛脅迫對紫金?？扇苄蕴呛康挠绊慣ab.4 Effects of Pb stress on soluble sugar content of Ardisia japonica %

2.5 鉛脅迫對紫金牛可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白含量是衡量植物抗逆性的一個重要指標(biāo)[19]。表5表明，脅迫開始后各鉛脅迫處理組可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趨勢。處理后15 d，各鉛脅迫處理組可溶性蛋白含量均高于對照，處理Ⅲ、處理Ⅳ與對照差異顯著。處理后45 d，處理Ⅰ與處理Ⅱ可溶性蛋白含量持續(xù)升高，而處理Ⅲ與處理Ⅳ則開始下降。至處理后60 d，各鉛脅迫處理組可溶性蛋白含量均下降至低于對照，且鉛質(zhì)量分數(shù)越高，下降幅度越大。

表5 鉛脅迫對紫金?？扇苄缘鞍缀康挠绊慣ab.5 Effects of Pb stress on soluble protein content of Ardisia japonica mg/g

2.6 鉛脅迫對紫金牛MDA含量的影響

MDA的產(chǎn)生會加劇膜的損傷，因此，在植物抗性生理研究中其含量是衡量植物抗逆性的一個常用指標(biāo)。由表6可知，在整個脅迫周期中，MDA含量的變化整體呈上升趨勢。處理后15 d，各處理組MDA含量略有升高，但均與對照差異不顯著。處理后45 d，處理Ⅳ與對照差異顯著。處理后60 d，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ各處理組的MDA含量達到最大值，分別為對照的1.16、1.57、1.61、2.00倍。

表6 鉛脅迫對紫金牛MDA含量的影響Tab.6 Effects of Pb stress on MDA content of Ardisia japonica μmol/g

2.7 鉛脅迫對紫金牛SOD活性的影響

SOD能保護細胞對抗活性氧的傷害[20]。由表7可知，在60 d的脅迫周期中，處理Ⅰ、處理Ⅱ和處理Ⅲ的SOD活性呈先升后降的趨勢，處理Ⅳ的SOD活性由15 d的高于對照持續(xù)下降至低于對照。處理后15 d，各鉛脅迫處理組SOD活性高于對照，但與對照差異不顯著。處理后30 d，處理ⅠSOD活性達到最高值，為對照的1.58倍。至處理后60 d，各鉛脅迫處理組SOD活性降至脅迫周期內(nèi)最低值，處理Ⅳ與對照差異顯著，說明長期的鉛脅迫已對植物細胞造成傷害。

表7 鉛脅迫對紫金牛SOD活性的影響Tab.7 Effects of Pb stress on SOD activity of Ardisia japonica U/g

3 結(jié)論與討論

葉綠素含量往往與植物對于光能的捕獲能力呈正相關(guān)，并可以反映出植物受重金屬脅迫的毒害程度。蔡思琪[10]研究表明，雙莢決明在吸收重金屬鉛離子后其植株內(nèi)葉綠素含量呈先升后降的趨勢，低質(zhì)量分數(shù)鉛在短期內(nèi)可以促進雙莢決明葉綠素的合成，而在長期脅迫下，葉綠素合成的酶活性受到抑制，葉綠素合成受阻。本試驗結(jié)果表明，在整個脅迫周期內(nèi)，低質(zhì)量分數(shù)鉛處理下的紫金牛由開始的葉綠素含量低于對照逐漸升高，到處理后60 d高于對照，說明在較長期低質(zhì)量分數(shù)鉛處理下，紫金牛的葉綠素合成仍得到促進，其對于鉛脅迫的抵抗能力較強。而高質(zhì)量分數(shù)處理組中隨著脅迫時間的增長，紫金牛葉片的葉綠素含量持續(xù)降低，紫金牛光合作用受到影響，其原因是鉛的積累影響了葉綠素合成過程中重要酶的活性，從而間接影響葉綠素的形成,也有可能是脅迫影響了植物對于Mg、N、Fe等元素的吸收，從而降低葉綠素合成。

光系統(tǒng)Ⅱ吸收的光能主要有3個去向：轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能存貯、轉(zhuǎn)變成熱散失、以熒光的形式散發(fā)出來。植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化可以反映出其對光能的利用情況，從而判斷植物是否遭受逆境脅迫。植物在未受脅迫時Fv/Fm值一般在0.75～0.85，其值降低，說明植物受到損傷[21]。由本試驗結(jié)果可知，短期內(nèi)鉛脅迫下紫金牛PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)光能轉(zhuǎn)換效率受到影響，隨著脅迫時間的增長，低質(zhì)量分數(shù)處理組的光化學(xué)量子效率得到促進，而高質(zhì)量分數(shù)的鉛脅迫則使PSⅡ反應(yīng)中心內(nèi)光能轉(zhuǎn)換效率持續(xù)降低，說明在長期高質(zhì)量分數(shù)鉛處理下，光合作用的原初反應(yīng)受到抑制。ETR可用于度量光化學(xué)反應(yīng)中碳固定的電子傳遞情況，其數(shù)值的變化直接影響植物對于活躍化學(xué)能的轉(zhuǎn)換能力[22]。脅迫45 d，低質(zhì)量分數(shù)處理組ETR有所升高，但在60 d試驗結(jié)束后，各鉛脅迫處理組ETR均低于對照，且鉛質(zhì)量分數(shù)越高，下降幅度越大，說明脅迫時間超出一定范圍之后，紫金牛的表觀光合電子傳遞效率受到影響。qP反映了PSⅡ反應(yīng)中心的開放程度，qP數(shù)值越高，說明植物光能被存儲為化學(xué)能的比例越高[23]。本試驗結(jié)果表明，脅迫結(jié)束后，低質(zhì)量分數(shù)鉛脅迫處理組qP值高于對照，而高質(zhì)量分數(shù)鉛脅迫處理組qP值則持續(xù)降低，說明高質(zhì)量分數(shù)鉛脅迫下紫金牛部分光能以熱量的形式散失，用于化學(xué)合成的光能減少，植物光合能力受到影響。以上結(jié)果表明，隨著脅迫的進行，高質(zhì)量分數(shù)鉛脅迫處理組紫金牛PSⅡ功能受損，電子傳遞速率下降，導(dǎo)致光能轉(zhuǎn)換率降低，植物化學(xué)能的固定能力下降，這與其凈光合速率變化趨勢一致。而在低質(zhì)量分數(shù)鉛脅迫下，紫金牛光化學(xué)量子效率、光化學(xué)猝滅系數(shù)和凈光合速率均得到一定程度的促進。

MDA是膜脂過氧化的重要產(chǎn)物，逆境中其含量升高說明植物細胞正受到膜脂過氧化的傷害[24-28]。本試驗結(jié)果表明，隨著紫金牛脅迫程度的加深，MDA含量不斷升高，植物受到迫害的程度不斷加重，逆境改變了生物膜的通透性和流動性，造成其功能受損，正常的機體平衡被打破。

植物在逆境環(huán)境中，細胞內(nèi)的滲透勢和機體內(nèi)超氧自由基升高，細胞水勢平衡受損，活性氧對植物造成毒害作用。脅迫初期，植物葉片受到刺激使可溶性糖積累來降低細胞滲透勢，后期數(shù)值下降，說明可溶性糖合成機制受到破壞。葉片可溶性蛋白含量和SOD活性變化趨勢相似，說明初期細胞保水能力下降，超氧自由基增加，機體啟動防御機制，增強合成可溶性蛋白并使SOD活性增加，增強保水力，降低滲透勢，清除超氧自由基的危害,而隨著脅迫周期的增長，其可溶性蛋白合成機制可能受到破壞，抗氧化酶活性受到抑制，導(dǎo)致植物生理代謝紊亂，這與前人研究結(jié)果一致[29]。

綜合以上分析可知，紫金牛對于土壤鉛脅迫的抗性較強，從葉綠素總量、凈光合速率、Fv/Fm、qP的變化趨勢來看，低質(zhì)量分數(shù)的鉛脅迫可在60 d內(nèi)促進紫金牛生長，且就可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和SOD活性來說，植株體在低質(zhì)量分數(shù)長時間脅迫下其調(diào)節(jié)細胞滲透勢和清除活性氧的能力下降未達到顯著水平。在土壤鉛質(zhì)量分數(shù)達到1 800 mg/kg時，其植株黃斑較重，但也不至死亡，說明紫金牛對于高質(zhì)量分數(shù)鉛脅迫耐受力顯著，具有長期在鉛污染地區(qū)生長的基礎(chǔ)，可為土壤重金屬鉛污染區(qū)綠化花卉苗木的培育提供理論參考。