鋅脅迫對礬根生理生化響應(yīng)及富集作用的影響

朱志國

鋅脅迫對礬根生理生化響應(yīng)及富集作用的影響

朱志國

（蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林園藝學(xué)院，安徽蕪湖，241003）

研究人員通過盆栽試驗研究了在四種濃度的鋅污染下礬根的生長生理指標及其對重金屬的富集能力。研究結(jié)果表明：在設(shè)計的較低Zn2+處理濃度（＜200 mg/kg）下礬根能正常生長；隨著Zn2+處理濃度的增加，MDA和脯氨酸的含量表現(xiàn)出顯著升高的趨勢，細胞質(zhì)膜透性逐漸增加，而葉片葉綠素含量表現(xiàn)出明顯降低趨勢；葉片中CAT、POD及SOD活性均隨著Zn2+濃度的增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢；地下根系部分中重金屬離子的含量顯著高于地上的莖、葉部分。這表明礬根根系對鋅有較強的富集作用。綜上所述可知，礬根并不是鋅的超累積植物，但對鋅具有一定的耐性和適應(yīng)能力，可以作為較低濃度鋅污染的修復(fù)植物材料。

鋅脅迫；礬根；生理指標；富集作用

礬根（）是虎耳草科礬根屬多年生耐寒宿根草本植物[1]，又名珊瑚鈴，近年來在國內(nèi)廣泛應(yīng)用于林下地被、小型色塊、花境、庭院綠化及園林景觀中[2]。該植物青綠期長，能夠在－15℃以上的溫度下生長，喜富含腐殖質(zhì)的土壤，適宜的pH值為5.8 ～ 6.2[3]；可在坡地種植，冬季不落葉，枝條密集，株形圓整，覆蓋性強，具有耐干旱、喜半蔭、耐全光和耐寒性強等特點。目前，國內(nèi)外關(guān)于礬根的研究主要集中在繁殖方法、組織培養(yǎng)、光合特性、抗寒性比較和適應(yīng)性等方面[4]，而對鋅脅迫下礬根的生理指標、土壤酶活性及礬根生長狀態(tài)所受影響等方面的研究較少。本試驗研究了不同濃度的鋅脅迫對礬根生長的生理特性、重金屬富集能力及土壤酶活性的影響，旨在了解鋅脅迫下礬根生理指標變化與其生長及耐受性的關(guān)系，為礬根用于受鋅污染的土壤修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為市場購買的培養(yǎng)土，土壤質(zhì)地疏松、透氣。供試土壤的理化性質(zhì)如下：全氮8.73 g/kg，全磷3.54 g/kg，全鉀6.36 g/kg，速效鉀469.7 mg/kg，有機質(zhì)26.9 g/kg，電導(dǎo)率1.29 μs/cm，pH 6.35。供試礬根（）采于蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院南校區(qū)景觀綠地，為生長健壯、長勢均勻的健康植株。先將礬根幼苗在園藝實訓(xùn)基地預(yù)培養(yǎng)7天，再挑選枝葉比、高度基本相同的礬根幼苗進行盆栽試驗，試驗過程中各處理組保持常規(guī)的養(yǎng)護管理措施。

1.2 試驗設(shè)計

以水溶液形式一次加入ZnSO4·7H2O（AR）至供試培養(yǎng)土，使培養(yǎng)土Zn2+濃度（以純鋅計算）分別達到0 mg/kg（CK）、100 mg/kg、200 mg/kg、500 mg/kg和1000 mg/kg。將培養(yǎng)土攪拌均勻并在室溫下均衡一周后，裝在直徑18 cm的營養(yǎng)缽中，每個營養(yǎng)缽裝土3 kg；每盆栽種1株大小相當(dāng)?shù)牡\根進行試驗，每個濃度水平重復(fù)三次。試驗期間，將栽植好的礬根植株放置于溫室內(nèi)培養(yǎng)，盆內(nèi)持水量保持在70%。培養(yǎng)20天后，通過目測法觀察供試礬根植株的生長狀況，然后將礬根植株從營養(yǎng)缽中小心地連根取出，并進行相關(guān)指標的測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 Zn2+濃度對礬根植株生長的影響

從表1可知，隨著鋅濃度的不斷增加，礬根植株的形態(tài)發(fā)生明顯變化，植株變得低矮，葉片變黃缺綠。培養(yǎng)土中Zn2+濃度在200 mg/kg以下時，礬根植株生長正常，沒有出現(xiàn)明顯的外傷癥狀；當(dāng)培養(yǎng)土中Zn2+濃度增加到500 mg/kg時，礬根植株葉片的中心位置就有缺綠現(xiàn)象，葉色變淡；隨著培養(yǎng)土中Zn2+濃度的增加，這種缺綠現(xiàn)象越來越嚴重，葉片的顏色變得越來越淡。在Zn2+濃度上升至500 mg/kg和1000 mg/kg時，礬根植株變得矮小，葉片變黃，甚至有少部分葉片變軟，這表明礬根的生長受到了嚴重影響。在Zn2+濃度達到1000 mg/kg時，植株生長被抑制，受到嚴重的脅迫傷害。由此可見，土壤中高濃度的鋅對礬根的生長有抑制作用。

表1 Zn2+濃度對礬根生長的影響

2.2 Zn2+濃度對CAT、POD和SOD活性的影響

由圖1可知，隨著Zn2+濃度的增加，CAT、POD及SOD的活性呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，在1000 mg/kg濃度下均為最小值，分別為對照組的16.6%、46.9%和439.0%。盡管整體變化趨勢一致，但CAT、POD和SOD對不同濃度的反應(yīng)不同。CAT和SOD活性在Zn2+濃度為100 mg/kg時就達到最大值，分別為對照組的1.35倍和1.42倍；而POD活性在Zn2+濃度為200 mg/kg時達到最大值，為對照組的1.83倍。方差分析的結(jié)果表明：CAT在Zn2+為200 mg/kg和500 mg/kg濃度時，差異不顯著（p＞0.05值）。這一結(jié)果說明：在這一濃度區(qū)間內(nèi)，Zn2+濃度對CAT活性影響不明顯；POD活性酶在不同Zn2+濃度下都呈顯著性差異；SOD活性在Zn2+濃度為200 mg/kg時與對照組相比差異不顯著，可見SOD活性對鋅脅迫的耐受范圍在0 ～ 200 mg/kg。

圖1 Zn2+濃度對礬根植株CAT活性、POD活性及SOD活性的影響

注：采用Duncan's multiple range test方法分析，同一種酶不同的小寫字母表示顯著性差異（p＜0.05，n=3）

2.3 Zn2+濃度對MDA含量的影響

由圖2可知，隨著Zn2+濃度的增加，礬根的MDA含量也隨之升高。當(dāng)Zn2+濃度達到100 mg/kg、200 mg/kg、500 mg/kg和1000 mg/kg時，MDA含量分別為對照組的1123.00%、141.32%、197.09%和230.81%。Zn2+濃度為100 mg/kg和200 mg/kg時，處理間MDA含量表現(xiàn)出差異不顯著（p＞0.05）；而在其余各Zn2+濃度條件下，處理間MDA含量表現(xiàn)出差異顯著，這表明礬根受到Zn2+濃度的傷害。

圖2 Zn2+濃度對礬根MDA含量的影響

注：采用Duncan's multiple range test方法分析，同一種酶不同的小寫字母表示顯著性差異（p＜0.05，n=3）

2.4 Zn2+濃度對脯氨酸含量的影響

由圖3可知，隨著Zn2+濃度的升高，礬根葉片中脯氨酸含量總體呈上升趨勢。當(dāng)Zn2+濃度達到1000 mg/kg時，礬根植株中脯氨酸濃度為對照的714.9%。這表明礬根不耐受Zn2+的高濃度脅迫，植株體細胞防御系統(tǒng)從Zn2+濃度升高伊始便一直處于抵抗防御的狀態(tài)。

圖3 Zn2+濃度對礬根脯氨酸含量的影響

注：采用Duncan's multiple range test方法分析，同一種酶不同的小寫字母表示顯著性差異（p＜0.05，n=3）

2.5 Zn2+濃度對礬根葉片質(zhì)膜透性的影響

由圖4可知，相對電導(dǎo)率隨著Zn2+濃度的升高而呈上升趨勢。當(dāng)處理濃度達到1000 mg/kg時，相對電導(dǎo)率為對照組的308%；處理濃度在100 mg/kg時，相對電導(dǎo)率與對照組相比無顯著差異（p＞0.05）；在其余處理濃度條件下，相對電導(dǎo)率與對照組相比均存在顯著差異。當(dāng)Zn2+濃度達到500 ～ 1000mg/kg時，相對電導(dǎo)率差異不顯著，并保持在較高水平。這表明高濃度Zn2+破壞了礬根葉片的細胞膜透性。

圖4 Zn2+濃度對礬根葉片質(zhì)膜透性的影響

注：采用Duncan's multiple range test方法分析，不同的小寫字母表示顯著性差異（p＜0.05，n=3）

2.6 Zn2+濃度對礬根光合色素含量的影響

由圖5可知，隨著Zn2+濃度的增加，葉綠素a和葉綠素總量呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，當(dāng)Zn2+濃度在100 mg/kg時達到最高值，分別為對照組的1.13倍和1.09倍；當(dāng)Zn2+濃度為1000 mg/kg時最小，分別是對照組的48.44%和50.69%。葉綠素b的含量則隨著Zn2+濃度的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)Zn2+濃度為1000 mg/kg時含量最小，是對照組的75.42%。葉綠素a的變化趨勢與葉綠素總量變化趨勢相類似，這表明葉綠素總量的變化是由葉綠素a的變化引起的。對單因素進行方差分析的結(jié)果顯示：葉綠素a在各Zn2+濃度均差異顯著；葉綠素b在各Zn2+濃度均與對照組表現(xiàn)顯著差異，但Zn2+濃度在200 mg/kg、500 mg/kg及1000 mg/kg時，各處理之間并無顯著差異；而葉綠素總量則只有在Zn2+濃度為200 mg/kg時與對照組相比無顯著差異（p＞0.05），而在其余Zn2+濃度條件下和對照組相比均表現(xiàn)出極顯著差異。不同Zn2+濃度引起的礬根光合色素的含量變化情況與上述不同鋅濃度對礬根植株生長的外傷癥狀影響一致。

葉綠素a/b的比值代表類囊體的垛疊程度，比值高說明類囊體結(jié)構(gòu)完整，能夠更加有效地進行光反應(yīng)。當(dāng)Zn2+濃度為100 mg/kg和200 mg/kg時，葉綠素a/b的比值與對照組相比表現(xiàn)為不顯著，表明Zn脅迫對礬根葉片光化學(xué)效率沒有造成損害；Zn2+濃度增加到500 mg/kg時，葉綠素a/b的比值與前面的梯度相比表現(xiàn)為顯著降低，表明礬根葉片的光抑制程度增加，葉綠素合成效率降低。因此。Zn2+濃度超過500 mg/kg時，葉片的光合作用受到了明顯的影響。

圖5 Zn2+濃度對礬根葉綠素含量的影響

注：采用Duncan's multiple range test方法分析，同種葉綠素不同的小寫字母表示顯著性差異（p＜0.05，n=3）

2.7 Zn2+濃度對礬根植株內(nèi)鋅富集狀況的影響

由表2可知，隨Zn2+濃度的增加，礬根的根系和地上部分中的鋅含量都呈上升趨勢。當(dāng)Zn2+濃度為1000 mg/kg時達到最大值。此時，礬根根系和地上部分中的鋅含量分別為15.454 mg/kg和11.867 mg/kg，分別為對照組的22.62倍和25.04倍。這表明在礬根植株內(nèi)鋅累積的主要部位是根系（地下部分）。

表2 鋅在礬根植株內(nèi)的累積及分布情況

注：數(shù)據(jù)為平均值±標準誤，不同小寫字母代表在0.05水平上顯著性差異。

3 討論與結(jié)論

在500 mg/kg以下Zn2+處理濃度時，礬根植株所受的影響不大，未表現(xiàn)出不良生長狀況；但隨著Zn2+處理濃度的逐步增加，礬根的生長受到抑制，耐性逐漸降低，植株受到不同程度的傷害。

在不同Zn2+處理濃度的脅迫下，礬根植株的各項生理生化指標變化表現(xiàn)出明顯差異。當(dāng)Zn2+處理濃度在較低水平時，礬根保護酶的活性上升，從而減少自由基對植物細胞的傷害；但隨著Zn2+處理濃度逐漸增加，SOD、POD和CAT的空間結(jié)構(gòu)受到影響，酶活性明顯下降，對其生長和生理代謝活動產(chǎn)生影響。高濃度鋅嚴重抑制了礬根植株的生長，并且會給植株帶來不可逆轉(zhuǎn)的傷害。

當(dāng)Zn2+處理濃度增加時，MDA和脯氨酸的含量呈上升趨勢；當(dāng)Zn2+處理濃度達到1000 mg/kg時，MDA和脯氨酸的含量均達到最大值。

試驗中，葉綠素含量隨著Zn2+處理濃度的增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢。葉綠素含量之所以下降，主要是因為在葉綠素合成過程中必需的原葉綠素酸酯還原酶受到重金屬鋅的抑制，從而導(dǎo)致葉綠素合成量減少[5]。

在不同Zn2+處理濃度下，礬根對鋅的富集能力與對照組相比有顯著差異。同時，礬根的富集系數(shù)隨Zn2+處理濃度的增加而減小，即在較低Zn2+濃度時礬根對鋅的富集能力較強，因此礬根在低Zn2+濃度范圍內(nèi)更易富集鋅。本實驗研究中，隨著Zn2+處理濃度的增大，礬根植株地上部分的轉(zhuǎn)移系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，但均小于1，這不符合超積累植物轉(zhuǎn)移系數(shù)大于1的標準。由此表明，礬根不是鋅超積累植物。

[1] 許紅娟,張麗, 陳之林,等. 不同彩葉礬根品種苗期在貴州冬季生長適應(yīng)性比較[J]. 種子, 2016,35(9):104-107.

[2] 韶月. 花園使者——礬根[J]. 中國花卉園藝, 2016 (24):1-1.

[3] 張德祥,張君艷. 新優(yōu)觀葉花卉礬根的栽培管理技術(shù)[J]. 林業(yè)實用技術(shù), 2014(4):62-63.

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On the Influence by Zinc Stress on the Physiological and Biochemical Responses as well as the Concentration of

ZHU Zhiguo

Through the pot experiment, the physiological index of the growth ofand its ability in concentrating heavy metals in the environments contaminated by four concentrations of Zn2+were studied. The results showed as following: thecan grow normally at the lower concentration of Zn2+(<200 mg/kg); as the concentration of Zn2+increases, the contents of MDA and proline remarkably increase as well, and the permeability of cytoplasmic membrane also increases gradually, while the content of chlorophyll in the leaves significantly decreased; the activity of CAT, POD and SOD in the leaves increased firstly and then decreased as the concentration of Zn2+increases; the content of heavy metal ions in the underground roots is significantly higher than that in the aboveground stems and leaves, indicating that the root system ofhas strong concentration of Zinc. In conclusion, it can be known thatis not a super-accumulative plant of Zinc, but has certain tolerance and adaptability to this element, so it can be used as a kind of bioremediation plant for the environment contaminated by lower concentration of Zinc.

Zinc tress;; physiological index; concentration

Q945.78

A

1009-1114（2020）04-0011-04

2020-08-20

朱志國（1976—），安徽肥西人，碩士，蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向為園林植物遺傳育種及生理生態(tài)。

研究項目：蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技創(chuàng)新服務(wù)平臺培育項目（Kjcxpt202007）；蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授科研啟動基金（jsgc201605）。

特約文稿責(zé)編 胡好遠