銅脅迫對黃瓜幼苗光合色素、保護酶及膜透性的影響

蔣英 姜曉君

摘 ? ?要：為深入研究銅脅迫對黃瓜幼苗的影響，試驗以‘魯春32黃瓜品種為試材，設置0，2，8，16，32 μmol·L-1 5個 銅梯度，通過日光溫室沙培的方式對黃瓜幼苗進行脅迫處理，測定黃瓜幼苗光合色素含量（葉綠素a和葉綠素b）、保護酶活性[超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）]及細胞膜透性[丙二醛（MDA）]等相關指標。結果表明，隨銅濃度的增加，黃瓜幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素含量及SOD、POD、CAT和APX活性均呈現先升高后降低的單峰變化趨勢，其中光合色素含量均于銅濃度2 μmol·L-1時值達到最大值，而保護酶活性依次于8，8，2，8 μmol·L-1時達到最大值;MDA含量則表現出先降低再升高的變化趨勢，且在銅濃度2 μmol·L-1時最低，較對照（0 ?μmol·L-1）降低8.98%。綜合而言，本試驗所設的銅濃度梯度，2 μmol·L-1處理對黃瓜幼苗光合色素含量的增加、細胞膜結構的穩(wěn)定及保護酶活性的提高有一定的促進作用，但8 μmol·L-1及以上的濃度處理均產生不利影響。

關鍵詞：銅脅迫;黃瓜;光合色素;保護酶;膜透性

中圖分類號：S642.2 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.08.002

Abstract： The effects of copper stress on photosynthetic pigments content， protective enzymes activity and membrane permeability of cucumber seedlings were studied by using 'Luchun 32' cucumber cultivars as test materials. 5 copper concentrations including 0， 2， 8， 16， 32 μmol·L-1 were set， the photosynthetic pigment content （chlorophyll a and chlorophyll b）， protective enzyme activity [superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD）， catalase （CAT） and ascorbic acid peroxidase （APX）] and membrane permeability [malondialdehyde （MDA）] of cucumber seedlings were determined. The results showed that with the increasing of copper concentration， the content of chlorophyll a， chlorophyll b， chlorophyll （a+b） and carotenoids， and the activity of SOD， POD， CAT， and APX were first increasing and then decreasing， which the maximum value of photosynthetic pigment content was at the treatment of 2 μmol·L-1 copper concentration， and the maximum value of protective enzyme activities were at the treatments of 8， 8， 2， 8 μmol·L-1 copper concentration， respectively; the MDA content decreased first and then increased， and the minimum value was at the treatment of 2 μmol·L-1 copper concentration， which was 8.98% lower than the control（0 ?μmol·L-1）. In the copper concentrations gradients of the experiment， the treatment of 2 μmol·L-1 copper concentration could promote the photosynthetic pigments content， cell membrane structure stability and protective enzyme activity in cucumber seedlings， but when copper concentration was 8 μmol·L-1 or more， the negative effects to cucumber seedlings were occurred.

Key words： copper stress; cucumber; photosynthetic pigments; protective enzymes; membrane permeability

銅是植物生長發(fā)育必需的微量元素，是多種酶的重要組成部分，對于維持植物的新陳代謝有重要作用[1]。但植物本身對銅的需求范圍較窄，稍微過量的銅就會對植物造成毒害，如葉片皺縮失綠、植株矮小、品質降低等[2]。而銅又具有累積性的特點，使得銅被吸收后很難被代謝到植株體外，進一步加重了銅對植物的毒害[3]。在現實生產生活中，工業(yè)“三廢”的排放，高銅殺菌劑、殺蟲劑和除草劑的大量使用，及食用高銅飼料的牲畜糞便大量涌入農田，致使許多農田銅含量超標，既影響了農作物的產量和品質，又造成了環(huán)境污染[4]。當前有關銅污染在園林作物[5]、糧食作物[6]的研究報道較多，在蔬菜方面的報道較少，而有關銅污染對黃瓜的影響更是鮮見報道。

黃瓜是我國人民喜食的蔬菜作物，一年四季均有較大的市場需求，復種指數高，化肥和農藥投入量大，化肥和農藥的殘留使土壤中尤其是日光溫室土壤中的銅不斷得到積累[7]，對黃瓜品質及食用安全帶來隱患。但我國人口眾多，糧食供應壓力較大，很難通過休耕等方式來保證蔬菜供應的安全。因此，進行銅脅迫對黃瓜生理方面的研究，對于確保其食用安全及保證營養(yǎng)品質有重要意義。

本試驗通過研究不同強度的銅脅迫對黃瓜幼苗光合色素、保護酶和膜透性的影響，以探尋黃瓜對銅的耐受范圍，為進一步探究銅對黃瓜的傷害機理提供數據參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試黃瓜品種為‘魯春32。

1.2 試驗設計

試驗于2018年3月在商丘市農林科學院雙八試驗站日光溫室內進行。將自根苗黃瓜在基質穴盤中培養(yǎng)至2葉1心，選取長勢一致的幼苗，用清水洗去根部基質，栽培于長60 cm、寬50 cm、高20 cm的栽培槽內，栽培槽內填充洗凈、消毒后的河沙，每槽栽培6株，每處理3個栽培槽，作為3次重復。移栽后，澆灌Hoagland營養(yǎng)液進行自適應培養(yǎng)4 d，放出營養(yǎng)液，再分別澆灌Cu2+含量（以純Cu計）為0，2，8，16，32 μmol·L-1的Hoagland營養(yǎng)液作為5個銅濃度梯度的處理，其中0 ?μmol·L-1。銅濃度用CuSO4·5H2O配制，用H2SO4調節(jié)pH值至5.5～6.5范圍內。每6 d更換1次營養(yǎng)液，銅脅迫培養(yǎng)10 d后測定黃瓜幼苗光合色素含量、保護酶活性和丙二醛（Malonaldehyde，MDA）含量。

1.3 測定項目及方法

采用乙醇丙酮浸提法測定葉綠素含量[8]。采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定MDA含量，分別采用愈創(chuàng)木酚法、NBT還原法、高錳酸鉀滴定法和紫外分光光度法測定超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）活性[9]。

1.4 數據分析

用DPS6.55軟件進行統(tǒng)計分析，通過Microsoft excel 2007進行制圖。

2 ?結果與分析

2.1 銅脅迫對黃瓜幼苗葉片光合參數的影響

由表1可知，隨著銅脅迫強度的增加，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素均呈現先升高再顯著降低的變化趨勢，且均于銅濃度2 μmol·L-1時達到最大值，其中葉綠素a和葉綠素（a+b）含量顯著高于對照（P<0.05），而葉綠素b和類胡蘿卜素含量與對照差異不顯著（P>0.05），在銅濃度8，16，32 μmol·L-1時，光合色素指標均顯著低于對照（P<0.05），說明低濃度的銅能促進黃瓜幼苗葉片光合色素合成，但超過閾值后則會抑制其合成。

2.2 銅脅迫對黃瓜幼苗葉片MDA含量的影響

由圖1可以看出，隨著銅脅迫強度的增加，黃瓜幼苗葉片MDA含量呈先降低再顯著升高的變化趨勢，在2 μmol·L-1時達到最小值，與對照差異顯著（P<0.05），且二者均顯著低于其他濃度處理（P<0.05），這說明低濃度的銅脅迫不會對黃瓜葉片細胞膜的完整性造成損傷，而超過閾值則會隨著脅迫濃度的增加加劇黃瓜葉片細胞膜的損傷。

2.3 銅脅迫對黃瓜幼苗葉片保護酶活性的影響

由表2可知，隨著銅濃度的增加，SOD、POD、CAT和APX活性均呈先升高后顯著降低的趨勢，且分別于8，8，2，8 μmol·L-1時達到最大值，均顯著高于對照（P<0.05）。其中，SOD和POD活性在2，

16 μmol·L-1處理與對照差異均不顯著（P>0.05），在32 μmol·L-1處理顯著低于對照（P<0.05）;CAT活性在8 μmol·L-1處理與對照差異不顯著（P>0.05），16，32 μmol·L-1處理顯著低于對照（P<0.05）;APX活性在2 μmol·L-1處理與對照差異不顯著（P>0.05），而16 ，32 μmol·L-1處理分別顯著高于和低于對照（P<0.05）。

3 結論與討論

葉綠素是綠色植物進行光合作用的色素，其含量高低可表征植物光合性能的強弱。儲玲[10]等研究指出，三葉草經銅處理后，葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素含量均在銅濃度低于10 mg·L-1時增高，然后隨銅濃度增加而遞減。本試驗結果表明，葉綠素含量在低濃度（0～2 μmol·L-1）的銅脅迫下呈增加趨勢，高濃度（8～32 μmol·L-1）的銅脅迫下呈降低趨勢，可能是因為低銅脅迫下植物體可通過重金屬結合蛋白束縛一部分重金屬離子，避免了重金屬毒害，而銅含量較高時，銅能取代葉綠體中蛋白質巰基上的Mg2+、Zn2+、Fe2+，使蛋白質失活，葉綠素分解加快[11]。

當植株遭受重金屬脅迫時，保護酶SOD、POD、CAT和APX的活性升高，提高活性氧清除速度，以清除活性氧對機體的毒害[12]，維持細胞穩(wěn)態(tài)[13]。本試驗結果表明，黃瓜幼苗葉片SOD、POD、CAT和APX活性隨銅脅迫強度的增加呈現先升高再降低的變化趨勢，這可能是因為在一定銅脅迫范圍內，抗氧化酶系統(tǒng)可通過提高保護酶活性來有效清除機體內積累的活性氧，如SOD可通過Haber-Weiss反應清除植物體內多余O2 -，而當重金屬脅迫強度達到一定閾值，超出保護酶清對活性氧的清除能力時，活性氧開始大量積累，細胞膜在活性氧的作用下發(fā)生膜脂過氧化反應，細胞膜結構受損[14]。

細胞膜的主要功能是調節(jié)和控制細胞內外正常的物質運輸和交換，常被用來作為評定植物對污染物反應的指標。細胞膜主要是由雙層磷脂和蛋白質構成，含有大量不飽和脂肪酸，而植物在遭受重金屬脅迫時產生的自由基對細胞膜上的不飽和脂肪酸有氧化作用，使細胞膜結構受損，金屬離子進入細胞內對植物造成毒害作用。MDA是膜脂過氧化的重要產物，是重金屬脅迫的一個普遍反應[15]。本試驗條件下，當銅濃度高于8 μmol·L-1時，MDA含量逐漸增加，這可能是因為較高強度的銅脅迫破壞了活性氧保護酶系統(tǒng)，使活性氧大量產生并積累，誘發(fā)膜系統(tǒng)產生膜脂過氧化反應，MDA含量隨之升高;8 μmol·L-1的濃度雖然提高了SOD、POD等保護酶的活性，但MDA含量的顯著升高，說明這一濃度的銅脅迫已對黃瓜幼苗葉片造成很大的氧化損傷。

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