李氏禾對(duì)重金屬鉻脅迫的耐受性及其生理生化響應(yīng)

＊張政 溫智峰 趙嘉雪 王淇婷 黃展桂 李林

（桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 廣西 541004）

隨著農(nóng)業(yè)、輕重工業(yè)的不斷壯大，不同形態(tài)的重金屬加速進(jìn)入到環(huán)境中。尋找治理環(huán)境重金屬污染物的途徑和方法十分緊急。植物重金屬修復(fù)技術(shù)因具有成本低、不破壞土壤和河流生態(tài)環(huán)境、不引起二次污染等優(yōu)點(diǎn)[1]，成為了環(huán)境污染治理研究領(lǐng)域的一個(gè)前沿性課題[2-3]。

在我國(guó)土壤和水體重金屬污染中，鉻超標(biāo)點(diǎn)位最高，對(duì)生物的毒害性很強(qiáng)[4]，所以對(duì)鉻污染水體和土壤的生物修復(fù)研究十分急迫。李氏禾是一種多金屬富集植物，對(duì)鉻有超富集效果[5]，是一種理想的用于土壤和水體重金屬修復(fù)的植物材料。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)李氏禾在重金屬污染治理方面的研究主要集中在植株對(duì)鉻、鎳、銅等重金屬的耐受性和受脅迫后生理指標(biāo)的變化[6]，對(duì)重金屬的富集特性以及外源物質(zhì)對(duì)李氏禾富集重金屬的影響等方面[7-8]。李氏禾在受到鉻脅迫時(shí)，植株體內(nèi)的抗氧化酶活性、可溶性糖、可溶性蛋白含量以及葉片葉綠素含量均會(huì)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)，來(lái)維持植株生長(zhǎng)狀態(tài)[9]，不同器官對(duì)重金屬的富集程度存在差異[10]。李氏禾作為對(duì)鉻富集作用突出的物種，對(duì)其進(jìn)行重金屬鉻脅迫的耐受性及其脅迫后生理生化響應(yīng)的研究是十分必要的。

1.材料與方法

(1)材料的獲取途徑及培養(yǎng)方法

實(shí)驗(yàn)用李氏禾植株采摘自桂林市靈川縣靈田鎮(zhèn)花江河段非污染區(qū)。采集后各部位清洗干凈，加入改良的霍格蘭氏培養(yǎng)液[10]，放入培養(yǎng)箱培養(yǎng)。培養(yǎng)箱溫度設(shè)置為25℃，相對(duì)濕度為80%，光照時(shí)間10h，每5天更換一次培養(yǎng)液，每天添加一次蒸餾水以維持液體體積。培養(yǎng)25天后將長(zhǎng)勢(shì)良好的李氏禾植株分為4組，每組5杯，每杯10株，分別使用質(zhì)量濃度為0（對(duì)照CK）、100μmol·L-1、150μmol·L-1、200μmol·L-1的重鉻酸鉀溶液對(duì)4組李氏禾進(jìn)行脅迫處理，每5天對(duì)其各項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定并記錄觀測(cè)值。

(2)測(cè)定項(xiàng)目與方法

①抗氧化物酶（POD、SOD、CAT）活性的測(cè)定

過(guò)氧化物酶（POD）的活性采用愈創(chuàng)木酚法進(jìn)行測(cè)定；超氧化物歧化酶（SOD）的活性采用氮藍(lán)四唑光還原法進(jìn)行測(cè)定；過(guò)氧化氫酶（CAT）的活性采用紫外吸收法進(jìn)行測(cè)定[11]。

②其他生理指標(biāo)的測(cè)定

可溶性蛋白的含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定；可溶性糖含量采用蒽酮法進(jìn)行測(cè)定。

(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采取3個(gè)樣本平行測(cè)定數(shù)值的平均值來(lái)表示。數(shù)據(jù)處理使用SPSS 26.0進(jìn)行單因素方差分析，并用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行顯著性比較。

2.結(jié)果和分析

(1)鉻脅迫對(duì)李氏禾不同器官抗氧化酶活性的影響

在3個(gè)脅迫濃度梯度上，莖和葉的SOD酶活性均隨著脅迫時(shí)間增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)（圖1）。根部的SOD酶活性表現(xiàn)有差異。最小顯著差異法（LSD）檢測(cè)顯示：相同脅迫濃度與時(shí)間根、莖、葉SOD酶活性之間具有顯著的差異（P＜0.05）。不同脅迫濃度梯度處理的各個(gè)器官SOD酶活性變化差異顯著（P＜0.05）。

圖1 不同脅迫濃度李氏禾各器官SOD酶活性的變化

表1統(tǒng)計(jì)了在脅迫后期（25天）李氏禾各器官的SOD酶活性與未脅迫的酶活性的變化量以及根、莖、葉之間的相對(duì)變化量。在不同鉻脅迫濃度下，SOD酶活性對(duì)脅迫均有響應(yīng)，表現(xiàn)為酶活性的上升或下降，在鉻脅迫濃度200μmol·L-1時(shí)，根、莖、葉三個(gè)器官的SOD酶活性均呈現(xiàn)大幅度下降。相同脅迫濃度下，李氏禾葉片的SOD酶活性受到鉻脅迫影響變化最大。

表1 脅迫后期（25天）不同脅迫處理與未脅迫SOD酶活性變化量

在3個(gè)脅迫濃度梯度上，根和莖的POD酶活性均隨著脅迫時(shí)間增加而下降（圖2），葉片的POD酶活性先上升后降低。LSD檢測(cè)顯示：相同脅迫時(shí)間與濃度處理下各器官之間POD酶活性均差異顯著（P＜0.05）。相同脅迫時(shí)間不同脅迫濃度處理下，除脅迫5天時(shí)100μmol·L-1與150μmol·L-1處理下根部的POD酶活性差異不明顯（P=0.206＞0.05），其余各器官的POD酶活性變化差異顯著（P＜0.05），說(shuō)明鉻脅迫對(duì)李氏禾各器官的POD活性影響不同。

圖2 不同脅迫濃度李氏禾各器官POD酶活性的變化

在脅迫后期（25天）李氏禾各器官的POD酶活性與未脅迫酶活性的變化量以及根、莖、葉之間的相對(duì)變化量（表2），葉片POD酶活性對(duì)鉻脅迫的響應(yīng)更明顯，其次是莖部。響應(yīng)程度隨脅迫濃度梯度的提高影響逐漸加大。

表2 脅迫后期（25天）不同脅迫處理與未脅迫POD酶活性變化量

在3個(gè)脅迫濃度梯度上，各器官的CAT酶活性均下降（圖3），且李氏禾各器官的CAT酶活性在脅迫初期就低于未脅迫的酶活性，說(shuō)明鉻脅迫對(duì)李氏禾體內(nèi)的CAT酶活性有抑制作用。LSD檢測(cè)顯示：除100μmol·L-1脅迫處理25天時(shí)根和莖CAT酶活性差異不顯著（P=0.967＞0.05），其余相同脅迫時(shí)間與濃度處理下不同器官之間CAT酶活性均差異顯著（P＜0.05）。相同脅迫時(shí)間不同脅迫濃度時(shí)，根部CAT酶活性在脅迫中后期（15-25天）100μmol·L-1、150μmol·L-1與200μmol·L-1處理下差異顯著（P＜0.05），100μmol·L-1、150μmol·L-1與200μmol·L-1處理下的莖部CAT酶活性差異顯著（P＜0.05），而葉片除脅迫5天時(shí)100μmol·L-1與150μmol·L-1處理的CAT酶活性不具顯著差異（P=0.158＞0.05），其余均差異顯著（P＜0.05）。

圖3 不同脅迫濃度李氏禾各器官CAT酶活性的變化

表3統(tǒng)計(jì)了在脅迫后期（25天）李氏禾各器官的CAT酶活性與未脅迫酶活性的變化量以及根、莖、葉之間的相對(duì)變化量，葉片的CAT酶活性對(duì)鉻脅迫的響應(yīng)最明顯，其次是根部，莖部最弱。

表3 脅迫后期（25天）不同脅迫處理與未脅迫CAT酶活性變化量

(2)鉻脅迫對(duì)李氏禾可溶性蛋白含量的影響

圖4 鉻脅迫對(duì)李氏禾莖部和葉片可溶性蛋白含量的影響

在100μmol·L-1和150μmol·L-1脅迫下，李氏禾莖部的可溶性蛋白含量呈明顯的上升趨勢(shì)，隨著脅迫時(shí)間的增加上升趨勢(shì)逐漸平緩；200μmol·L-1處理下的莖部可溶性蛋白含量為先增大后降低。不同脅迫濃度對(duì)葉片可溶性蛋白含量趨勢(shì)變化差異很大LSD檢測(cè)結(jié)果顯示：相同脅迫時(shí)間不同脅迫濃度下的李氏禾莖部可溶性蛋白含量差異極其顯著（P＜0.01）；3個(gè)脅迫濃度梯度上，除脅迫5天時(shí)100μmol·L-1與150μmol·L-1處理的葉片可溶性蛋白含量差異不明顯（P=0.553＞0.05），其余葉片可溶性蛋白含量差異極其顯著（P＜0.01）。

(3)鉻脅迫對(duì)李氏禾可溶性糖含量的影響

脅迫濃度為100μmol·L-1、150μmol·L-1的李氏禾莖部可溶性糖含量變化為先降低后升高（圖5），脅迫濃度為200μmol·L-1的莖部可溶性糖含量變化為先增高后下降；3個(gè)脅迫濃度梯度上，葉片可溶性糖含量均呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)。LSD檢測(cè)顯示：除脅迫10天時(shí)100μmol·L-1與150μmol·L-1處理的莖部可溶性糖含量不具顯著差異（P=0.059＞0.05），其余相同脅迫時(shí)間不同脅迫濃度的莖部可溶性糖含量均差異顯著（P＜0.05）。3種脅迫濃度梯度處理的李氏禾葉片可溶性糖含量均差異顯著（P＜0.05）。說(shuō)明一定程度的鉻脅迫能夠促進(jìn)李氏禾可溶性糖的合成，促進(jìn)效果隨脅迫時(shí)間減弱。

圖5 鉻脅迫對(duì)李氏禾莖部和葉片可溶性糖含量的影響

3.結(jié)論和討論

李氏禾在脅迫初期仍能提高SOD酶活性來(lái)清除因鉻脅迫而產(chǎn)生的過(guò)量自由基，在脅迫后期產(chǎn)生的自由基超過(guò)植物正常歧化能力，自由基不能被抗氧化物酶系統(tǒng)清除而積累，使細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，導(dǎo)致SOD、POD、CAT酶活性下降。李氏禾各器官抗氧化物酶系統(tǒng)的酶活性受脅迫影響水平隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)而增大。

可溶性蛋白是植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，植物體內(nèi)可溶性糖含量代表內(nèi)部碳水化合物的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，可以反映重金屬污染對(duì)植物的毒害作用。本研究中低濃度的鉻脅迫可以促進(jìn)李氏禾體內(nèi)可溶性蛋白的合成，促進(jìn)作用隨脅迫時(shí)間減??；高濃度鉻脅迫會(huì)抑制李氏禾可溶性蛋白的合成，減小可溶性蛋白的含量?？赡茉谥械蜐舛让{迫下李氏禾體內(nèi)可溶性蛋白可以與鉻離子結(jié)合來(lái)減輕脅迫對(duì)細(xì)胞的毒害。李氏禾莖部、葉片的可溶性糖含量均呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，說(shuō)明一定程度的鉻脅迫能夠促進(jìn)李氏禾可溶性糖的合成，隨著脅迫時(shí)間的增加促進(jìn)效果逐漸減弱直至可溶性糖含量開(kāi)始降低。

綜上所述，高富集重金屬鉻的李氏禾植株對(duì)鉻脅迫的生理生化響應(yīng)如下：（1）李氏禾對(duì)鉻脅迫具有一定程度的耐受性，高濃度的鉻脅迫可以顯著抑制李氏禾抗氧化物酶系統(tǒng)的活性。（2）李氏禾不同器官的抗氧化物酶系統(tǒng)活性受到鉻脅迫的毒害程度不同，對(duì)SOD酶活性的影響程度為葉片＞莖部＞根部；對(duì)POD酶活性的影響程度為葉片＞莖部＞根部；對(duì)CAT酶活性的影響程度為葉片＞根部＞莖部。（3）中低濃度的鉻脅迫可以促進(jìn)李氏禾體內(nèi)可溶性蛋白的合成，脅迫時(shí)間越長(zhǎng)促進(jìn)作用越小；高濃度的鉻脅迫會(huì)抑制可溶性蛋白的合成。（4）適當(dāng)濃度的鉻脅迫能夠促進(jìn)李氏禾可溶性糖的合成，促進(jìn)效果隨脅迫時(shí)間的增加而減弱。