不同草本植物對(duì)銅鎳復(fù)合脅迫的生理耐受性

李景峰,郭全恩,梁鵬飛,何海鵬,南麗麗

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅 蘭州 730070;2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與節(jié)水農(nóng)業(yè)研究所,甘肅 蘭州 730070)

隨著人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展,礦山開(kāi)采、化肥農(nóng)藥施用、生活垃圾和交通運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中產(chǎn)生的大量重金屬元素被排放到土壤、水體中,導(dǎo)致土壤、生物和水資源受到不同程度的重金屬污染,造成土壤地力下降、農(nóng)作物被污染,生態(tài)環(huán)境遭到破壞[1-2]。銅(Cu)和鎳(Ni)是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中較為常見(jiàn)的2種重金屬元素,可被植物吸收積累在可食用部位,并通過(guò)食物鏈的傳遞進(jìn)入人及牲畜體內(nèi),危害人類健康[3]。因此,探索出科學(xué)、高效、合理的重金屬修復(fù)措施有利于人類健康和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展,而植物修復(fù)以其環(huán)保、高效、成本低等優(yōu)勢(shì),被廣泛用于重金屬污染土壤的修復(fù)[4]。近年來(lái),我國(guó)在Cu、Ni耐性及超累積植物研究方面取得了一定的進(jìn)展[5-6],但實(shí)際生產(chǎn)中需要修復(fù)的土壤多是2種或2種以上重金屬?gòu)?fù)合污染,復(fù)合污染的毒害作用比單一元素的污染復(fù)雜很多[7],大大增加了重金屬污染土壤的植物修復(fù)難度。因此,篩選耐復(fù)合銅鎳脅迫植物及與耐復(fù)合銅鎳性能相關(guān)的指標(biāo)已迫在眉睫。

Cu、Ni對(duì)植物產(chǎn)生的毒害首先會(huì)引起植物生理指標(biāo)變化,其可能與蛋白質(zhì)結(jié)合,抑制酶活性,也可能通過(guò)破壞質(zhì)膜的通透性阻礙植物的正常代謝,引起植物萎黃、根畸形和生長(zhǎng)遲緩[6,8-9]。大量研究發(fā)現(xiàn)Cu、Ni脅迫對(duì)植物光合作用、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、酶活性以及根系生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生影響,李芹梅等[10]針對(duì)Cu2+對(duì)滇水金鳳(Impatiensuliginosa)花色變化生理研究結(jié)果顯示,隨著Cu2+含量增加,植物花瓣可溶性糖和可溶性蛋白含量下降,而類胡蘿卜素和脯氨酸含量變化不明顯;劉麗杰等[11]研究表明,銅鎳復(fù)合脅迫造成車前草(Plantagoasiatica)株高和生物量顯著降低,葉綠素含量先升后降,MDA含量、POD、SOD活性和CAT活性顯著升高;朱成豪等[12]通過(guò)研究銅、鋅、鎘復(fù)合脅迫對(duì)麻瘋樹(shù)(Jatrophacurcas)幼苗生長(zhǎng)的影響發(fā)現(xiàn),麻風(fēng)樹(shù)幼苗可溶性糖含量和根系活力隨復(fù)合脅迫濃度增加呈先升后降趨勢(shì)。由此可見(jiàn),重金屬脅迫對(duì)植物生理指標(biāo)影響較為明顯,篩選與耐銅鎳復(fù)合脅迫密切相關(guān)的生理指標(biāo)較為重要,可為后期篩選更多的耐銅鎳復(fù)合脅迫植物提供捷徑。前人已研究發(fā)現(xiàn)了一些耐銅或耐鎳植物,但這些植物大多生物量小,修復(fù)土壤所需時(shí)間較長(zhǎng),修復(fù)效率較低[13]。因此本研究選用生物量大(清水苜蓿和鷹嘴紫云英)和可以多次刈割(黑麥草和早熟禾)的草本植物進(jìn)行銅鎳復(fù)合污染修復(fù)試驗(yàn),以篩選出對(duì)銅鎳復(fù)合脅迫耐受性較好的植物及其耐銅鎳指標(biāo),為土壤重金屬污染修復(fù)及尋找耐重金屬污染植物提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為苗期篩選的耐銅鎳植物[14]‘卡特’多年生黑麥草(Loliumperenne‘Cutter’),‘午夜草地’早熟禾(Poapratensis‘Midnight’),‘清水’紫花苜蓿(Medicagosativa‘Qingshui’),‘盧塔納’鷹嘴紫云英(Astragalussinicus‘Lutana’),種子由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供;供試土壤取自甘肅省金昌市金川礦區(qū)農(nóng)田土壤(Ni、Cu背景值含量分別為258.2 mg·kg-1和261.1 mg·kg-1),采集土樣經(jīng)自然風(fēng)干后去除雜物、研磨、過(guò)100目篩,待用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室進(jìn)行,將22.5 kg過(guò)篩土壤裝入口徑、底徑、高為34.5、23.0、44.5 cm的花盆中,于2021年4月23日播種經(jīng)10% H2O2溶液消毒后的供試植物種子,其中早熟禾和黑麥草播量為40 kg·hm-2,播深2～3 cm;鷹嘴紫云英和紫花苜蓿播量為20 kg·hm-2,播深1～2 cm。出苗后間苗,每盆保留生長(zhǎng)一致、分布均勻的幼苗30株,待生長(zhǎng)至開(kāi)花初期(10%開(kāi)花),設(shè)置6個(gè)銅鎳復(fù)合脅迫濃度梯度,各復(fù)合脅迫中銅和鎳濃度均為0(CK)、100、200、400、800、1 600 mg·kg-1,用CuCl2·2H2O和NiCl2·6H2O轉(zhuǎn)化成質(zhì)量,配成1 L溶液,每盆每5 d澆銅鎳復(fù)合液500 mL,待生長(zhǎng)20 d后采樣測(cè)定其相關(guān)生理指標(biāo),每個(gè)處理重復(fù)4次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

株高差:處理前后定株,用卷尺測(cè)10個(gè)植株株高取平均值,株高差=處理后株高-處理前株高。

地上、地下生物量及根冠比:每盆取10個(gè)植株,地上、地下部位分離后烘干,分別稱重,即為地上和地下生物量;根冠比=地下生物量/地上生物量。

生理指標(biāo)參考鄒琦[15]的方法進(jìn)行,其中可溶性糖(Soluble sugar)含量采取蒽酮比色法測(cè)定,可溶性蛋白(Soluble protein)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定,丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定,脯氨酸(Proline)含量采用酸性茚三酮比色法測(cè)定,過(guò)氧化物酶(Peroxidase,POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定,超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定,過(guò)氧化氫酶(Catalase,CAT)活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,根系活力(Root activity)采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測(cè)定,葉片相對(duì)含水量(Relative water content)采用飽和稱重法測(cè)定,葉綠素a(Chlorophyll a,Chl a)、葉綠素b(Chlorophyll b,Chl b)、類胡蘿卜素(Carotenoid)、葉綠體色素(Chloroplast pigment, Chl)含量采用分光光度法測(cè)定;植物葉、莖、根中的銅(Cu2+)、鎳(Ni2+)含量采用灰化消解處理及原子吸收分光光度計(jì)法[16]測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010進(jìn)行圖表制作,利用SPSS 20.0進(jìn)行方差、回歸分析。各指標(biāo)耐銅鎳系數(shù)=銅鎳脅迫下的測(cè)定值/CK測(cè)定值[17]。采用隸屬函數(shù)對(duì)供試植物進(jìn)行耐銅鎳綜合評(píng)價(jià),其中與銅鎳脅迫正相關(guān)的指標(biāo)采用公式Fij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)計(jì)算,與銅鎳脅迫負(fù)相關(guān)的指標(biāo)采用公式Fij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)計(jì)算,式中,Fij為i品種的j性狀測(cè)定的具體隸屬值;Xij為i品種j性狀測(cè)定值;Xjmin為j性狀中測(cè)定的最小值;Xjmax為j性狀中測(cè)定的最大值。

權(quán)重采用客觀賦權(quán)法進(jìn)行計(jì)算:正相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式為Ij=Cj/Sj,負(fù)相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式為Ij=Sj/Cj,式中,Ij是一個(gè)無(wú)量綱數(shù),反映該評(píng)價(jià)指標(biāo)CK與銅鎳處理下測(cè)定值之比;Cj為第j個(gè)指標(biāo)的CK測(cè)定值;Sj為第j個(gè)指標(biāo)在脅迫處理下的測(cè)定值。最后通過(guò)歸一化,計(jì)算出每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重Wj=Ij/∑Ij,綜合評(píng)價(jià)值D=∑(Fij×Wj)[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 銅鎳脅迫對(duì)供試植物生長(zhǎng)的影響

由圖1A可知,供試植物株高差均為正值,表明株高在銅鎳脅迫后較脅迫前均有所增加,但株高差隨銅鎳脅迫程度加劇呈降低趨勢(shì),表明銅鎳脅迫濃度越大,株高受抑制作用越明顯。當(dāng)銅鎳濃度為1 600 mg·kg-1時(shí),相比CK,株高降幅以黑麥草最大(90.54%),早熟禾最小(86.83%)。

銅鎳脅迫下,供試植物地上和地下生物量均隨銅鎳濃度增加呈減小趨勢(shì),在濃度為1 600 mg·kg-1時(shí),相比CK,黑麥草、早熟禾、紫花苜蓿和鷹嘴紫云英的地上和地下生物量分別降低53.60%和69.90%、61.50%和82.25、49.40%和44.44%、50.67%和62.94%,所有脅迫濃度下,鷹嘴紫云英的地上生物量和紫花苜蓿的地下生物量顯著(P<0.05)高于同一脅迫濃度下的其他植物(圖1C、1D)。

由圖1B可知,銅鎳脅迫下,除紫花苜蓿根冠比高于CK外,其余植物的根冠比呈先增后降趨勢(shì),其中黑麥草和紫花苜蓿的根冠比在銅鎳濃度為100 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最大,早熟禾和鷹嘴紫云英的根冠比在銅鎳濃度為200 mg·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,且紫花苜蓿的根冠比在銅鎳脅迫下均大于1,其余植物的根冠比則均小于1。

2.2 銅鎳脅迫對(duì)供試植物葉綠素含量的影響

圖2顯示,隨著銅鎳復(fù)合脅迫濃度增加,4種植物的葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)和葉綠體色素(Chl)含量均降低,類胡蘿卜素含量均逐漸增加,其中早熟禾的Chl含量呈波動(dòng)降低趨勢(shì)。與相應(yīng)CK相比,黑麥草、早熟禾、紫花苜蓿的Chl a含量,黑麥草、早熟禾、鷹嘴紫云英的Chl b含量以及4種植物的Chl含量均在脅迫濃度為100 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著降低(P<0.05),鷹嘴紫云英的Chl a含量及紫花苜蓿的Chl b含量均在脅迫濃度為200 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著降低(P<0.05);黑麥草、早熟禾、鷹嘴紫云英的類胡蘿卜素含量在脅迫濃度為100 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著增加(P<0.05),紫花苜蓿在脅迫濃度為200 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著增加(P<0.05)。當(dāng)脅迫濃度≤200 mg·kg-1時(shí),鷹嘴紫云英的Chl a含量顯著高于其他植物(P<0.05);所有脅迫濃度下,紫花苜蓿的Chl b含量顯著高于其他植物(P<0.05);當(dāng)脅迫濃度≤800 mg·kg-1時(shí),紫花苜蓿的Chl含量顯著高于其他植物(P<0.05);當(dāng)脅迫濃度≥400 mg·kg-1時(shí),早熟禾的類胡蘿卜素含量顯著高于其他植物(P<0.05)。當(dāng)脅迫濃度為1 600 mg·kg-1時(shí),與CK相比,Chl a、Chl b和Chl含量分別以紫花苜蓿(44.26%)、鷹嘴紫云英(70.22%和36.59%)降幅最大,以黑麥草(24.47%)、紫花苜蓿(45.91%)和黑麥草(25.04%)降幅最小;類胡蘿卜素含量以紫花苜蓿增加最多,是CK的13.83倍,黑麥草增加最少,是CK的6.76倍。

注:不同小寫(xiě)字母表示同一植物不同脅迫濃度之間差異顯著(P<0.05);不同大寫(xiě)字母表示同一濃度下不同植物間差異顯著(P<0.05)。下同。

圖2 銅鎳脅迫對(duì)供試植物葉綠素含量的影響

2.3 銅鎳脅迫對(duì)供試植物葉片相對(duì)含水量和根系活力的影響

由圖3可知,4種植物葉片相對(duì)含水量和根系活力均隨銅鎳復(fù)合脅迫濃度的升高而降低。與相應(yīng)CK相比,黑麥草的葉片相對(duì)含水量在所有脅迫濃度下均顯著降低(P<0.05),而其余植物在脅迫濃度為400 mg·kg-1時(shí)才開(kāi)始顯著下降(P<0.05)。不同植物根系活力均在脅迫濃度為100 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始較CK顯著降低(P<0.05);且在不同脅迫濃度下,早熟禾的根系活力均高于其他植物。當(dāng)脅迫濃度為1 600 mg·kg-1時(shí),與CK相比,葉片含水量降幅為紫花苜蓿最大(20.98%),黑麥草最小(17.59%);根系活力降幅則為鷹嘴紫云英最大(69.32%),黑麥草最小(14.71%)。

2.4 銅鎳脅迫對(duì)供試植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及MDA含量的影響

圖4顯示,隨銅鎳脅迫濃度的升高,供試植物的可溶性糖和可溶性蛋白含量呈先逐漸增大后減小的趨勢(shì)。與相應(yīng)CK相比,黑麥草和早熟禾的可溶性糖含量在脅迫濃度為100 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著增加(P<0.05),紫花苜蓿和鷹嘴紫云英的可溶性糖含量在脅迫濃度為400 mg·kg-1時(shí)顯著升高(P<0.05);4種植物在脅迫濃度為800 mg·kg-1時(shí)可溶性糖含量均顯著升高至最大值(P<0.05),黑麥草較CK增加最多(8.44倍),紫花苜蓿增加最少(3.65倍)(圖4A)。與相應(yīng)CK相比,黑麥草和鷹嘴紫云英的可溶性蛋白含量均在脅迫濃度為200 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著增加(P<0.05),早熟禾和紫花苜蓿則在脅迫濃度為100 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著升高(P<0.05),4種植物均在脅迫濃度為800 mg·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,與CK相比,早熟禾上升最多(327.81%),黑麥草上升最少(65.93%)(圖4B)。

供試植物的脯氨酸和MDA含量均隨銅鎳脅迫濃度的升高持續(xù)上升,且均在濃度為1 600 mg·kg-1時(shí)升至最高,此濃度下與CK相比,脯氨酸和MDA含量分別以早熟禾(11.60倍)和黑麥草(62.90%)增加最多,以紫花苜蓿(3.35倍和40.62%)增加最少。與相應(yīng)CK相比,黑麥草和鷹嘴紫云英的脯氨酸含量在脅迫濃度為200 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著增加(P<0.05),早熟禾和紫花苜蓿則在脅迫濃度為100 mg·kg-1時(shí)即開(kāi)始顯著上升(P<0.05);相同脅迫濃度下,紫花苜蓿的脯氨酸含量均顯著高于其他植物(P<0.05)(圖4C)。與CK相比,4種植物的MDA含量均在脅迫濃度為100 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著升高(P<0.05);所有脅迫濃度下,紫花苜蓿的MDA含量均高于相同濃度處理的其他植物(圖4D)。

2.5 銅鎳脅迫對(duì)供試植物抗氧化酶活性的影響

由圖5可知,供試植物的SOD、POD和CAT活性均隨銅鎳脅迫濃度的增加呈先升后降趨勢(shì),且均在脅迫濃度為100 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始顯著上升(P<0.05)。黑麥草的SOD活性在脅迫濃度為800 mg·kg-1時(shí)最大,早熟禾、紫花苜蓿、鷹嘴紫云英的SOD活性在脅迫濃度為400 mg·kg-1時(shí)升至最高;與CK相比,各植物SOD活性最大值增幅為黑麥草(107.55%)最大,早熟禾(30.20%)最小(圖5A)。4種植物的POD和CAT活性均在脅迫濃度為800 mg·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,之后隨脅迫濃度增加顯著下降(P<0.05),其峰值與CK相比,POD和CAT活性增幅分別以鷹嘴紫云英(176.93%)和紫花苜蓿(85.87%)最大,以黑麥草(131.65%)和鷹嘴紫云英(72.42%)最小(圖5B、5C)。

圖3 銅鎳脅迫對(duì)供試植物葉片相對(duì)含水量及根系活力的影響

圖4 銅鎳脅迫對(duì)供試植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及MDA含量的影響

圖5 銅鎳脅迫對(duì)供試植物抗氧化酶活性的影響

2.6 各供試植物根、莖、葉中Cu2+和Ni2+分布規(guī)律

由圖6、圖7可知,供試植物根、莖、葉中Cu2+和Ni2+含量均隨著銅鎳脅迫濃度的升高而升高。黑麥草和早熟禾植株體內(nèi)的Cu2+含量表現(xiàn)為根>莖>葉,紫花苜蓿體內(nèi)的Cu2+含量表現(xiàn)為葉>莖>根;當(dāng)銅鎳脅迫濃度≤100 mg·kg-1時(shí),鷹嘴紫云英體內(nèi)的Cu2+含量根略大于莖,其他脅迫濃度下其體內(nèi)的Cu2+含量表現(xiàn)為葉>莖>根(圖6)。各供試植物根、莖、葉中Ni2+含量分布不同,其中黑麥草在<800 mg·kg-1脅迫下各器官Ni2+含量表現(xiàn)為莖>葉>根,而在高濃度(≥800 mg·kg-1)脅迫下,各器官Ni2+含量表現(xiàn)為莖>根>葉;早熟禾的各器官Ni2+分布表現(xiàn)為根>莖>葉,紫花苜蓿和鷹嘴紫云英的各器官Ni2+分布表現(xiàn)為葉>莖>根(圖7)。

圖6 銅鎳脅迫下各供試植物體內(nèi)Cu2+含量分布規(guī)律

圖7 銅鎳脅迫下各供試植物體內(nèi)Ni2+含量分布規(guī)律

2.7 供試植物耐銅鎳性能評(píng)價(jià)及指標(biāo)篩選

利用19項(xiàng)生理指標(biāo)各脅迫濃度下的值進(jìn)行隸屬函數(shù)加權(quán)平均,對(duì)4種供試植物進(jìn)行耐銅鎳脅迫能力綜合評(píng)價(jià)(表1),其強(qiáng)弱表現(xiàn)為:紫花苜蓿(0.565)>鷹嘴紫云英(0.538)>早熟禾(0.449)>黑麥草(0.448)。

為分析各生理指標(biāo)與植物耐銅鎳性之間的關(guān)系,探討植物耐銅鎳鑒定指標(biāo),需建立可靠的耐銅鎳性評(píng)價(jià)模型。因此,對(duì)19個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行逐步線性回歸分析,以各脅迫濃度下耐銅鎳性評(píng)價(jià)值為因變量,各單項(xiàng)指標(biāo)耐銅鎳系數(shù)為自變量,進(jìn)行耐銅鎳指標(biāo)預(yù)測(cè),并建立最優(yōu)回歸方程[19]：Y=0.225X1-0.015X2-0.015X3-0.019X4+0.078X5-0.011X6+0.355(R2=0.989),其中,X1、X2、X3、X4、X5和X6分別代表地下生物量、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、SOD和Cu2+含量?？梢?jiàn),以上6個(gè)指標(biāo)對(duì)4種供試植物耐銅鎳性篩選具有指導(dǎo)作用,可作為其他耐銅鎳植物篩選的關(guān)鍵指標(biāo)。

表1 銅鎳脅迫下各指標(biāo)隸屬值及綜合評(píng)價(jià)

3 討 論

重金屬脅迫會(huì)阻礙植物的正常生長(zhǎng)和生理生化反應(yīng),引起植株根系活力下降、株高和生物量降低、組織脫水、葉綠素減少、呼吸光合作用減弱、代謝紊亂等變化,這些變化均可導(dǎo)致植物體蛋白質(zhì)性能和抗氧化系統(tǒng)酶功能的改變[13]。

根系作為直接接觸土壤的植物器官,會(huì)最先受到重金屬脅迫毒害,造成根系主根長(zhǎng)度變短、一級(jí)側(cè)根和根毛數(shù)量減少、根系活力下降等,最終表現(xiàn)為地下生物量降低[20],影響根系對(duì)土壤養(yǎng)分和水分的吸收,進(jìn)而導(dǎo)致植物株高、葉片相對(duì)含水量、地上生物量等降低[13]。因此根系形態(tài)可作為植物受重金屬脅迫的主要特征指標(biāo)。趙娜等[21]研究顯示,玉米根系受鎳脅迫后生長(zhǎng)變緩、根須變短、根毛變少、根系發(fā)達(dá)程度降低,最終表現(xiàn)為地下鮮質(zhì)量下降。本研究表明,銅鎳脅迫下4種供試植物均表現(xiàn)為根系活力下降,地下生物量、株高、地上生物量、葉片相對(duì)含水量降低,根冠比也發(fā)生相應(yīng)變化;此外,回歸分析得出地下生物量對(duì)植物耐銅鎳性能貢獻(xiàn)較大。因此,地下生物量可作為評(píng)價(jià)植物耐銅鎳性能強(qiáng)弱指標(biāo)之一。

Cu是植物葉綠體色素的重要組成成分,可參與植物光合電子的傳遞,同時(shí)也是葉綠素合成過(guò)程中部分酶的催化劑,過(guò)量的Cu會(huì)抑制葉綠素合成和破壞光合器官,從而影響光合速率;而Ni可以延緩植物葉片衰老,使葉片保持較高的葉綠素水平[22]。因此,Cu2+含量可表征植物受重金屬污染時(shí)的光合特性[13]。本研究顯示,隨著銅鎳脅迫濃度的增加,4種植物葉片的葉綠素a和葉綠素b含量逐漸下降,類胡蘿卜素含量逐漸增加,葉綠體色素含量均降低。究其原因可能是植物體內(nèi)高濃度的Cu破壞了葉片組織中的葉綠體結(jié)構(gòu),使葉綠素合成受阻,從而導(dǎo)致葉綠素a和葉綠素b含量降低;葉黃素是一種類胡蘿卜素,也是優(yōu)異的抗氧化劑[23],其在銅鎳脅迫下會(huì)為阻止細(xì)胞氧化而不斷增加,使類胡蘿卜素含量上升,但這不足以抵抗細(xì)胞衰老和氧化,葉綠素的降解大于抗氧化色素的合成,進(jìn)而導(dǎo)致葉綠體色素含量下降。因此,植物體內(nèi)Cu2+含量也可作為植物耐銅鎳性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

重金屬脅迫時(shí),植物會(huì)通過(guò)積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸)維持細(xì)胞滲透壓以減少傷害,其中可溶性糖可提高細(xì)胞保水和吸水能力,增加植物原生質(zhì)的彈性;可溶性蛋白具有維持細(xì)胞滲透壓、調(diào)節(jié)代謝和提高抗性的作用[24]。張?jiān)婗┑萚25]研究顯示,千屈菜(LythrumsalicariaLinnaeus)在重金屬銅和鉻脅迫下,可溶性糖和可溶性蛋白表現(xiàn)出一定的滲透調(diào)節(jié)抗性。本試驗(yàn)中,4種供試植物可溶性糖和可溶性蛋白含量均隨銅鎳濃度增加呈先升后降趨勢(shì),且均高于CK,說(shuō)明植物為保護(hù)自身不受傷害而積累了可溶性糖和可溶性蛋白;此外,紫花苜蓿和鷹嘴紫云英表現(xiàn)出更好的耐銅鎳特性,其體內(nèi)可溶性糖含量顯著增加時(shí)的脅迫濃度高于早熟禾和黑麥草,其可溶性蛋白總含量高于早熟禾和黑麥草。脯氨酸含量增加可增強(qiáng)植物對(duì)逆境的抵御作用,4種植物的脯氨酸含量隨銅鎳脅迫濃度增加而增加,且在高濃度時(shí)顯著增加,可能是可溶性糖和可溶性蛋白合成量減小所致,通過(guò)三者含量平衡消除重金屬對(duì)細(xì)胞的氧化損傷或維持胞內(nèi)外滲透勢(shì),表明脯氨酸有效抵御了銅鎳脅迫對(duì)植物的傷害[26]。結(jié)合線性回歸分析結(jié)果可知,可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量可作為植物耐銅鎳性能強(qiáng)弱的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

SOD是維持植物細(xì)胞氧化還原穩(wěn)定的關(guān)鍵酶,其催化細(xì)胞內(nèi)強(qiáng)氧化離子發(fā)生歧化反應(yīng)生成氧化性較弱的H2O2,H2O2又在POD和CAT的作用下形成H2O,以減少氧化脅迫對(duì)植物的毒害作用,因此SOD起著抵御重金屬脅迫的先導(dǎo)作用[27]。趙會(huì)君等[28]研究顯示,Cu、Zn、Mn脅迫處理顯著增加了SOD同工酶條帶數(shù)量和SOD活性,SOD可作為植物耐受重金屬污染的重要生理指標(biāo)。本研究表明,4種供試植物的SOD、POD和CAT活性均隨銅鎳脅迫濃度增加呈先升后降趨勢(shì),其中POD和CAT活性峰值變化相同;而SOD活性峰值有所不同,表現(xiàn)為早熟禾、紫花苜蓿和鷹嘴紫云英SOD活性先于黑麥草達(dá)到峰值,說(shuō)明4種植物的抗氧化系統(tǒng)產(chǎn)生適應(yīng)性誘導(dǎo)反應(yīng)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)不同,有較好耐銅鎳脅迫能力植物的SOD活性增加時(shí)間早于耐受能力差的植物[29]。

土壤重金屬污染的植物修復(fù)是指富累積植物將金屬污染物吸收于自身體內(nèi),通過(guò)對(duì)其不斷地刈割和集中處理,將重金屬帶出土壤的過(guò)程[30]。重金屬脅迫下,植物各器官對(duì)重金屬元素的吸收能力有所不同,周婷等[31]研究表明,芹菜對(duì)鎳的富集能力表現(xiàn)為根系>地上部植株,李媛等[32]研究表明,Cu在小麥各器官中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為根須>麥葉>麥殼>籽粒>莖桿,Ni表現(xiàn)為根須>麥葉>麥殼>莖桿>籽粒。本研究表明,Cu2+含量在黑麥草、早熟禾體內(nèi)表現(xiàn)為根>莖>葉,在紫花苜蓿、鷹嘴紫云英體內(nèi)表現(xiàn)為葉>莖>根;Ni2+含量在黑麥草、早熟禾體內(nèi)分別表現(xiàn)為莖>葉>根、莖>根>葉,在紫花苜蓿、鷹嘴紫云英體內(nèi)表現(xiàn)為葉>莖>根,可見(jiàn)紫花苜蓿、鷹嘴紫云英對(duì)銅鎳具有較好的轉(zhuǎn)移能力。

4 結(jié) 論

植物耐銅鎳性與其形態(tài)特征和生理指標(biāo)密切相關(guān)?；貧w分析表明,地下生物量、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、超氧化物歧化酶和Cu2+對(duì)4種供試植物耐銅鎳性影響較大;隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn),4種植物的耐銅鎳性強(qiáng)弱表現(xiàn)為:紫花苜蓿>鷹嘴紫云英>草地早熟禾>多年生黑麥草。本結(jié)果可為耐銅鎳或超富集植物的篩選及銅鎳污染土壤的生物修復(fù)提供材料并進(jìn)行推廣和應(yīng)用。