Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮幼苗生理生化特性的影響*

黃雅瓊，張榮琮，鄭志宏

（福建戴云山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，福建 德化 362500）

隨著礦產(chǎn)資源的大量開發(fā)，農(nóng)藥、化肥的廣泛使用以及城市污泥、污水的農(nóng)用，重金屬對(duì)土壤、水體的污染越來越嚴(yán)重。過量重金屬進(jìn)入環(huán)境，參與水體—土壤—生物系統(tǒng)的循環(huán)，通過植物的吸收在植物體內(nèi)大量積累，還可通過食物鏈危及動(dòng)物和人類健康。鋅是環(huán)境中的主要重金屬污染物[1-2]。

鳳眼蓮（Eichhornia crassipes），系多年生單子葉植物，屬雨久花科鳳眼蘭屬，原產(chǎn)于巴西[3]。近年來隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高度發(fā)展，內(nèi)河內(nèi)湖日益富營養(yǎng)化，導(dǎo)致鳳眼蓮的生長速度近乎瘋狂而大面積覆蓋水面，給環(huán)境、水利和漁業(yè)造成極大的危害[4-5]?，F(xiàn)成為世界上危害最嚴(yán)重的雜草之一。但鳳眼蓮在凈化水體重金屬污染、有機(jī)污染、富營養(yǎng)化污染等方面有強(qiáng)大作用。

通過水培試驗(yàn)，研究了重金屬Zn2+脅迫于20 h 和20 d 時(shí)間點(diǎn)對(duì)鳳眼蓮幼苗一些生理生化特性的影響。本實(shí)驗(yàn)采用盆栽水培鳳眼蓮的方式，通過室內(nèi)模擬不同濃度的Zn2+于20 h 和20 d 兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，分別對(duì)鳳眼蓮生長量、根系活力、鈣含量、蛋白質(zhì)含量進(jìn)行測(cè)定分析，研究重金屬對(duì)鳳眼蓮根系活力和鈣含量的影響，為研究鳳眼蓮對(duì)Zn2+的凈化機(jī)制及探索利用鳳眼蓮解決Zn2+污染的實(shí)際問題提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 材料

本實(shí)驗(yàn)所選用的鳳眼蓮采集于泉州洛陽江水域，植株健壯無病去掉枯枝殘葉，在實(shí)驗(yàn)室暫養(yǎng)3d。

1.2 方法

1.2.1 材料的處理培養(yǎng)

培養(yǎng)鳳眼蓮的水為普通自來水，在實(shí)驗(yàn)室暫養(yǎng)3d 后進(jìn)行脅迫處理。本試驗(yàn)設(shè)1 組無毒處理作對(duì)照（CK）、2個(gè)濃度的鋅元素處理組。參考趙愛紅[5]等的試驗(yàn)方法，具體為在規(guī)格一致的塑料盆（h 為15 cm，d 為35 cm）中各放置培養(yǎng)水4 L，在脅迫處理盆中分別一次性施ZnSO4·7H2O，使水中重金屬離子的質(zhì)量濃度分別為:CK、0.5 mmol·L-1Zn2+、5.0 mmol·L-1Zn2+，對(duì)照組和處理組均做 3 個(gè)重復(fù)培養(yǎng)，培養(yǎng)水為 0.5 g·L-1Ca2+營養(yǎng)液[6]。每盆培養(yǎng)大小基本一致的鳳眼蓮幼苗4 株，使其根部全部浸入到水中，共36 株。貼上標(biāo)簽，并在盆子的外面沿著液面做上記號(hào)，之后以清水加入使液面一直保持在同一高度，以保證重金屬離子的濃度前后一致。重金屬脅迫20 h 和20 d后[6]，取鳳眼蓮葉片和根組織進(jìn)行測(cè)試分析。

1.2.2 測(cè)定方法

鮮物質(zhì)量的變化情況測(cè)定：處理前和20 d 后，稱取各個(gè)濃度中的一盆中的鳳眼蓮的鮮重。小心快速將鳳眼蓮根部的水用吸水紙吸干，于電子天平稱重，讀數(shù)完迅速放到培養(yǎng)液中，作好記號(hào)，以處理前后的鮮物質(zhì)量的差值作為鮮物質(zhì)量的變化。

采用α- 萘胺測(cè)定法進(jìn)行測(cè)定鳳眼蓮根系活力[7]；鳳眼蓮組織鈣含量的測(cè)定采用甲基百里香酚藍(lán)比色法[8]；蛋白質(zhì)含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250 比色法[9]。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)都在Excel 2000 中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析，用SPSS 軟件對(duì)不同處理進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果分析

2.1 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮幼苗鮮物質(zhì)量的影響

表2 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮鮮物質(zhì)量的影響

由表2可知，與對(duì)照組比較，于20 d 內(nèi)，鋅脅迫對(duì)鳳眼蓮幼苗生長的抑制強(qiáng)度為：5.0 mmol·L-1Zn2+＞0.5 mmol·L-1Zn2+，0.5 mmol·L-1Zn2+作用時(shí)鳳眼蓮的鮮物質(zhì)量增長了5.671%，5.0 mmol·L-1Zn2+處理鮮重降低了18.768%。

2.2 Zn2+污染對(duì)鳳眼蓮根系活力的的影響

表3 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮幼苗根系活力的影響

由表3可知，在短期（20 h），與對(duì)照組比，0.5 mmol·L-1Zn2+對(duì)根系活力的影響不顯著性，5.0 mmol·L-1Zn2+對(duì)根系活力有顯著性的抑制作用，其根系活力降低28.79%；隨著時(shí)間延長到20 d 時(shí)，對(duì)照組的根系活力有所上升；2 個(gè)濃度處理對(duì)根系活力均有顯著性的抑制作用，且對(duì)比20 h 的幅度更大。

2.3 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮根和葉鈣含量的的影響

2.3.1 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮幼苗葉片中鈣含量的影響

由表4可知，急性試驗(yàn)（20 h），5.0 mmol·L-1Zn2+對(duì)比 0.5 mmol·L-1Zn2+脅迫鈣含量顯著下降；20 d 脅迫后，2個(gè)濃度處理對(duì)比20 h，鈣含量均表現(xiàn)為顯著性降低。

2.3.2 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮幼苗根中鈣含量的影響

表5 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮幼苗根中鈣含量的影響

由表5可知，短期急性處理（20 h），5.0 mmol·L-1Zn2+對(duì)比對(duì)照使鳳眼蓮幼苗根中鈣含量發(fā)生顯著性增加，0.5 mmol·L-1Zn2+對(duì)比對(duì)照組沒有使其鈣含量發(fā)生顯著性變化；但在處理20d 后，0.5 mmol·L-1Zn2+對(duì)比對(duì)照組沒有發(fā)生顯著性變化，5.0mmol·L-1Zn2+處理使鈣含量顯著性增加。

2.4 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮根和葉蛋白質(zhì)含量的的影響

2.4.1 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮幼苗葉中蛋白質(zhì)含量的影響

由表6可知，這組重金屬處理在20 h 急性試驗(yàn)中對(duì)比對(duì)照組，鳳眼蓮葉中蛋白質(zhì)含量均發(fā)生顯著性的降低；當(dāng)脅迫天數(shù)延長到20 d 時(shí)，各組對(duì)比對(duì)照組，蛋白質(zhì)含量亦顯著性降低；5.0mmol/L Zn2+對(duì)比0.5 mmol/L Zn2+，蛋白質(zhì)含量顯著性增加；5.0mmol/L Zn2+對(duì)比20 h 時(shí)上升了5.99%。

2.4.2 Zn2+脅迫對(duì)鳳眼蓮幼苗根中蛋白質(zhì)含量的影響

由表7可知，2個(gè)濃度鋅處理使鳳眼蓮幼苗根中蛋白質(zhì)含量在短時(shí)間20 h內(nèi)有所上升，0.5 mmol/LZn2+和5.0mmol/LZn2+急性脅迫對(duì)照對(duì)照組分別使根中蛋白含量上升9.99%和38.92%；20 d后，2個(gè)濃度處理組的蛋白質(zhì)含量進(jìn)一步下降；0.5mmol/LZn2+對(duì)比對(duì)照組蛋白質(zhì)含量顯著性增加，5.0mmol/LZn2+對(duì)比0.5mmol/LZn2+蛋白質(zhì)含量顯著性減少。

3 討論

Zn2+處理對(duì)鳳眼蓮幼苗的生長發(fā)育具有不同程度的抑制作用[10-12]。隨著Zn2+脅迫濃度的升高，鳳眼蓮鮮物質(zhì)量降低，不同的重金屬造成鳳眼蓮鮮物質(zhì)量的下降幅度由大到小的順序?yàn)?.0 mmol·L-1Zn2+＞0.5mmol·L-1Zn2+。

測(cè)定根系活力實(shí)際是測(cè)定根中脫氫酶的活性。根系活力降低表明根中的能量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程受阻。這樣勢(shì)必干擾根中的代謝，使物質(zhì)代謝與能量轉(zhuǎn)化不能正常進(jìn)行，最終使鳳眼蓮幼苗生長受阻。外源添加重金屬Zn2+破壞了植株根細(xì)胞結(jié)構(gòu)，引起自由基過氧化損傷，并刺激根系分泌酚酸物質(zhì)而抑制根系生長，使鳳眼蓮受到不可逆的傷害[13]根系活力是反應(yīng)根系生命活動(dòng)強(qiáng)弱的一個(gè)生理指標(biāo)。不同重金屬以及不同濃度對(duì)鳳眼蓮幼苗根系的影響不同。

本試驗(yàn)中，0.5 mmol·L-1Zn2+的處理，與對(duì)照組比，在20 h 內(nèi)增大35.43%，20 d內(nèi)降低73.57%，這表明低濃度Zn2+可能對(duì)根系活力有促進(jìn)作用。這可能是根系對(duì)低濃度重金屬脅迫有一定的應(yīng)激能力，通過提高代謝作用來緩解重金屬脅迫的傷害，但是隨著處理時(shí)間的延長，強(qiáng)的呼吸代謝造成能量的過多消耗，抑制了植株的生長，導(dǎo)致根系活力下降，且時(shí)間越長，根系活力下降幅度越大。說明隨著時(shí)間推移，重金屬污染對(duì)鳳眼蓮幼苗根系活力抑制作用急劇增加，而根系的抵抗作用逐漸消失，因而對(duì)根系生長發(fā)育產(chǎn)生了顯著抑制作用。

蛋白質(zhì)是細(xì)胞中最重要的含氮生物大分子之一，承擔(dān)著各種生物功能。重金屬Zn2+低濃度處理于短期20h內(nèi)，鳳眼蓮根內(nèi)蛋白質(zhì)含量高于對(duì)照，可能是由于重金屬單獨(dú)處理能增加鳳眼蓮根內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，也可能是低濃度的重金屬蛋白質(zhì)的少量合成[14-16]；在20d時(shí)，Zn2+處理導(dǎo)致鳳眼蓮根蛋白含量顯著低于對(duì)照。這表明，Zn2+隨著時(shí)間的延長能抑制鳳眼蓮根內(nèi)蛋白質(zhì)的合成。

而Zn2+處理導(dǎo)致鳳眼蓮幼苗葉內(nèi)蛋白含量顯著（p＜0.05）低于對(duì)照。這表明，Zn2+能抑制小麥葉內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，且重金屬濃度越大，其抑制作用越強(qiáng)。

重金屬可影響蛋白質(zhì)含量，其作用機(jī)理尚不十分清楚，可能與干擾蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)的Mg2+和K+有關(guān)，也可能直接以DNA為靶子，干擾基因表達(dá)，從而影響蛋白質(zhì)合成[17]重金屬脅迫的鳳眼蓮幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量在實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)逐漸減少，這可能是因?yàn)橹亟饘倜{迫導(dǎo)致鳳眼蓮幼苗可溶性蛋白質(zhì)合成受阻或分解加速，并隨著脅迫天數(shù)的延長而加劇，詳細(xì)機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

在本試驗(yàn)中重金屬的脅迫作用使鳳眼蓮幼苗葉和根中鈣含量分別呈增加和降低的趨勢(shì)。這可能是因?yàn)殁}在鳳眼蓮植物體內(nèi)可以促進(jìn)其增強(qiáng)抗逆性有關(guān)。鈣是體內(nèi)的“第二信使”，鈣調(diào)素（Calmodulin，CaM）是普遍存在于真核細(xì)胞中的一種重要的多功能鈣受體蛋白，Ca2+能與CaM結(jié)合，進(jìn)一步激活CaM依賴體系，共同完成諸如肌肉收縮、細(xì)胞增殖、離子通透、細(xì)胞分泌、胞吐胞飲、糖脂代謝、受精等幾十種重要的生理功能以及體內(nèi)3多種酶活性的調(diào)節(jié)。因此，Ca2+與CaM結(jié)合導(dǎo)致CaM活性構(gòu)象的生成是CaM發(fā)揮功能的前提。由于Zn2+能夠在一定程度上與CaM結(jié)合，盡管結(jié)合方式不盡相同，但仍能產(chǎn)生類似于Ca2+的作用，從而能夠激活CaM的靶酶，大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Zn2+離子能在低濃度時(shí)通過活化CaM激活CaM靶酶，高濃度時(shí)，則通過抑制酶的基礎(chǔ)活力抑制CaM靶酶，即所謂“雙相效應(yīng)”[18，19]。

鈣可以緩解重金屬對(duì)鳳眼蓮幼苗造成的毒害，其機(jī)理[20]在于一方面通過與重金屬競爭質(zhì)膜上的吸附，減少鳳眼蓮對(duì)重金屬的吸收。表現(xiàn)在鈣降低鳳眼蓮各亞細(xì)胞組分中的重金屬含量，且具有一定的時(shí)間效應(yīng)。另一方面，鈣不僅作為一種植物必需的大量營養(yǎng)元素，更重要的是作為細(xì)胞內(nèi)的第二信使，啟動(dòng)一系列的生理過程，形成細(xì)胞的逆境傷害和適應(yīng)機(jī)制。表現(xiàn)在鈣調(diào)節(jié)鳳眼蓮體內(nèi)重金屬的亞細(xì)胞分布，促進(jìn)合成植物絡(luò)合素、促進(jìn)鳳眼蓮光合作用、提高抗氧化酶系的活性和促進(jìn)鳳眼蓮有效成分的合成等方面。

4 結(jié)語

Zn2+處理一定時(shí)間（20 d）均可造成鳳眼蓮幼苗生長緩慢。

在急性試驗(yàn)20 h 內(nèi)，低濃度Zn2+處理可以促進(jìn)鳳眼蓮幼苗的根系活力，高濃度Zn2+直接抑制鳳眼蓮幼苗根系活力。在處理20 d 后，其根系活力均表現(xiàn)為降低。

Zn2+處理在急性試驗(yàn)20 h 內(nèi)和處理20 d 后，均可造成鳳眼蓮幼苗葉和根中蛋白質(zhì)含量的降低。

在急性試驗(yàn)20 h 內(nèi)，Zn2+處理使鳳眼蓮幼苗葉中鈣含量增加，根中鈣含量減少；在處理20 d 后，各處理組對(duì)鳳眼蓮組織中鈣含量影響不同，有的增加，有的減少。