砷脅迫對向日葵幼苗生長影響的研究

曾小飚 黃開騰 唐鑫 陸全杰

摘要：利用沙培盆栽試驗(yàn)培育向日葵幼苗，用含不同濃度As3+的霍格蘭營養(yǎng)液對幼苗進(jìn)行脅迫處理，研究砷脅迫對向日葵幼苗生長的影響。結(jié)果表明：隨著砷脅迫濃度的不斷升高，向日葵幼苗葉片葉綠素含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，而根系活力則呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢;較高濃度的砷脅迫使植株較早萎蔫死亡。

關(guān)鍵詞：砷脅迫;向日葵;葉綠素;根系活力

中圖分類號 X503.23; S565.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號1007-7731（2020）16-0028-03

近年來，含重金屬的工業(yè)污水大量排放引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問題。在大自然的自我修復(fù)循環(huán)過程中，土壤中的重金屬污染物不能被自然降解而消除，只能從A形態(tài)轉(zhuǎn)變到B形態(tài)，從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。目前，我國土壤重金屬污染情況不容樂觀，開展專項(xiàng)治理改良重金屬污染土壤工作，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)、保障食品衛(wèi)生安全已刻不容緩。砷（As）屬于類金屬。當(dāng)生物體食入微量砷時(shí)，可促進(jìn)機(jī)體新陳代謝，但當(dāng)每晝夜食入量>0.1mg時(shí)，就會對機(jī)體產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重者甚至?xí)猩ｋU(xiǎn)。植物修復(fù)也稱為綠色修復(fù)，是美國Chaney等在1983年提出的，是指通過植物濾除、植物穩(wěn)定、植物揮發(fā)和植物提取等技術(shù)，去除環(huán)境中的污染物或減輕其危害性的一種環(huán)境污染治理技術(shù)[1-2]。與其他方法相比，植物修復(fù)具有成本低、污染少、操作簡便、不破壞土壤本身結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，因此利用植物修復(fù)技術(shù)治理重金屬污染已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[3]。向日葵（Helianthus annuus）生長速度快，在重金屬污染土壤中的耐受性較強(qiáng)[4]，推測有較強(qiáng)的吸收凈化能力，有可能成為修復(fù)污染土壤的植物之一。筆者通過模擬砷污染逆境，探討砷污染對向日葵幼苗生長的影響，以期為開展向日葵修復(fù)重金屬污染土壤的相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 金星1號向日葵種子在百色市城西種子店購買。

1.2 試驗(yàn)方法 挑選個(gè)大粒滿的向日葵種子，用蒸餾水沖洗干凈，1%的高錳酸鉀溶液浸泡消毒1h，流水沖洗后置于培養(yǎng)箱萌發(fā)。幼苗在含砂石的培養(yǎng)杯中培育，用改良的霍格蘭培養(yǎng)液澆灌，室內(nèi)自然環(huán)境下生長。培育21d后挑選長勢基本一致的幼苗均分成6組，分別用As3+含量為0（對照）、1、2、5、20、40mg/L的霍格蘭培養(yǎng)液進(jìn)行脅迫處理;3次重復(fù)，8d后剪取葉片測定葉綠素含量，取根系測定根系活力。葉綠素含量采用分光光度法測定[5]，根系活力采用TTC法測定[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度砷脅迫對向日葵生長的影響 向日葵幼苗在As3+濃度為1mg/L的培養(yǎng)液下生長，第4天開始葉色稍微變淡，但是植株莖桿與對照相比顯得更加粗壯，總體表現(xiàn)生命力旺盛;As3+濃度為2 mg/L的處理植株從第3天開始，部分葉子綠中帶黃，與對照相比，莖桿柔弱，植株較矮;當(dāng)脅迫濃度達(dá)到5mg/L時(shí)，植株莖桿更為柔弱，第4天開始莖桿出現(xiàn)微微彎曲，而葉色卻比低濃度下生長的植株翠綠;As3+濃度為20mg/L的處理向日葵幼苗第2天即出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，第3天根部開始出現(xiàn)褐色枯萎現(xiàn)象，第4天植株死亡;當(dāng)As3+濃度為40mg/L時(shí)，向日葵幼苗4h后葉子即出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，次日根部開始出現(xiàn)褐色枯萎現(xiàn)象，第3天植株死亡。由于高濃度的砷脅迫使植株較早萎蔫死亡，導(dǎo)致后續(xù)試驗(yàn)中無法測定2組幼苗相應(yīng)的生理指標(biāo)。

2.2 不同濃度砷脅迫對向日葵葉片葉綠素含量的影響作為植物光合作用的重要色素，葉綠素的含量高一定程度上表示植物光合作用強(qiáng)，植物體生長旺盛;含量低則反映植物體光合作用能力弱，植物生長發(fā)育緩慢。圖1表示向日葵葉片中的總?cè)~綠素含量在不同濃度砷脅迫處理下的變化情況。由圖1可知，隨著不斷增大脅迫液里As3+濃度，向日葵幼苗體內(nèi)總?cè)~綠素含量的變化趨勢為先降低后上升。As3+濃度在0～2mg/L時(shí)，總?cè)~綠素含量呈下降趨勢，且當(dāng)As3+濃度在2mg/L時(shí)含量降到最低值，比對照減少51.56%; As3+濃度為1mg/L時(shí)，向日葵葉片中的葉綠素含量比對照減少27.89%，這可能與向日葵自身的保護(hù)系統(tǒng)有關(guān)。較低濃度的As3+還不能刺激向日葵啟動(dòng)體內(nèi)的保護(hù)系統(tǒng)，反而使葉綠素分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，且葉綠素的合成功能受到影響，導(dǎo)致其含量呈現(xiàn)降低趨勢。但隨著脅迫液中As3+濃度逐漸增大，當(dāng)濃度達(dá)到了向日葵體內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)閾值時(shí)，就會觸發(fā)向日葵的保護(hù)系統(tǒng)開始工作，大量解毒物質(zhì)被誘導(dǎo)產(chǎn)生，以降低As3+的毒害作用，葉綠素合成系統(tǒng)的工作效率也得以恢復(fù)，因此葉綠素含量也開始呈上升趨勢（圖1）。

由圖2、3可以看出，葉綠素a和葉綠素b含量也呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢。向日葵幼苗體內(nèi)葉綠素a和葉綠素b的含量分別在As3+濃度為1.79mg/L和1.5mg/L時(shí)達(dá)到最低值，此后As3+濃度越高，葉綠素a和葉綠素b的含量也越高。當(dāng)植物生長處于不利條件時(shí)，植物體生理生化特性會發(fā)生不同程度的改變，植物體內(nèi)各物質(zhì)的合成速度都會受到一定影響，最終直接或間接影響植物體內(nèi)葉綠素含量。

2.3 不同濃度砷脅迫對向日葵根系活力的影響 根系是植物維持正常生命活動(dòng)的重要保證，其合成與吸收能力的強(qiáng)弱直接反映了植物生命活動(dòng)的強(qiáng)弱。由圖4可以看出，當(dāng)As3+脅迫濃度為1mg/L時(shí)，向日葵根系活力最大，顯著高于對照，是對照的1.37倍，表明低濃度的As3+—定程度上可以增強(qiáng)根系活力;之后，隨著As3+脅迫濃度的增大，向日葵根系活力則表現(xiàn)出下降趨勢;As3+脅迫濃度超過20mg/L時(shí)，植株很快萎蔫并最終死亡，表明大劑量的砷脅迫對植物表現(xiàn)出強(qiáng)烈的毒性，嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育。

3 結(jié)論與討論

植物光合作用可提供植物體維持生命活動(dòng)所需的有機(jī)物質(zhì)，而光合作用能力的大小又主要取決于植物體內(nèi)光合色素的多少，因此可通過測定植物體內(nèi)的葉綠素含量了解植物的生長發(fā)育情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：在低濃度的砷脅迫下，向日葵體內(nèi)的保護(hù)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)，但葉綠素的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致葉綠素合成系統(tǒng)紊亂，不能正常有序地工作，所以一開始向日葵葉片葉綠素含量出現(xiàn)逐漸降低的現(xiàn)象;隨著砷脅迫濃度逐漸升高，當(dāng)濃度達(dá)到了向日葵體內(nèi)保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)的臨界值時(shí)，向日葵自身的保護(hù)系統(tǒng)就會從休眠狀態(tài)被激活成活躍狀態(tài)，這時(shí)大量的解毒物質(zhì)被誘導(dǎo)產(chǎn)生，使葉綠素的合成系統(tǒng)恢復(fù)正常，葉綠素合成效率提高，從而使葉綠素含量呈上升趨勢。在低濃度的含砷營養(yǎng)液中，向日葵根系活力隨脅迫濃度增加呈上升趨勢，表明低濃度的砷脅迫對向日葵根系的生長及生理活性具有激活效應(yīng)。這與努扎艾提·艾比布等對香根草的研究結(jié)論一致[7]。但稍高濃度砷脅迫下，砷即表現(xiàn)出對向日葵的毒害作用，且毒性隨著砷脅迫濃度的逐漸增大而不斷增強(qiáng)，根系活力明顯下降，根系表現(xiàn)受毒害嚴(yán)重并最終死亡。究其原因可能在于重金屬脅迫下產(chǎn)生的自由基超過植物自身抗氧化系統(tǒng)酶的清除能力，過多的自由基會對根系代謝中的琥珀酸脫氫酶等造成傷害，從而使根系活力下降|7]。

由此可見，低濃度的砷脅迫使向日葵幼苗葉綠素含量降低，但能增強(qiáng)根系活力，一定程度上使植株生長旺盛;稍高濃度處理的根系活力呈下降趨勢，植株則較快萎蔫死亡，表明類金屬砷對植物毒害作用明顯。

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基金項(xiàng)目：地方高校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201810609020;201910609082）;2015廣西高校優(yōu)勢特色專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目——百色學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)專業(yè)群[桂教高教〔2015〕41號]66。

作者簡介：曾小飚（1971-），男，廣西百色人，教授，研究方向：植物逆境生理。 收稿日期：2020-07-24