重金属铜、锌、铅胁迫对长鬃蓼部分抗性生理指标的影响

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摘要：以野生长鬃蓼（Polygonum longisetum De Br.）幼苗为试验材料，研究了不同浓度的Cu2+、Zn2+、Pb2+单一胁迫对植物叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白质以及游离脯氨酸含量的影响。结果表明，随着Cu2+、Zn2+、Pb2+浓度的升高，叶绿素含量呈先增加后减少的变化趋势，叶绿素（a/b）值的变化则不同。3种重金属对可溶性糖含量的影响程度为Pb2+>Cu2+>Zn2+；可溶性蛋白质含量随着Cu2+、Zn2+浓度的升高呈先升高后降低的趋势，随着Pb2+浓度的升高则逐渐下降；低浓度Cu2+、Zn2+、Pb2+胁迫增加了叶片游离脯氨酸含量，高浓度的Pb2+、较高浓度的Cu2+、Zn2+处理使游离脯氨酸含量下降更为显著。总的来说，长鬃蓼对3种重金属胁迫的耐性由强到弱依次为Zn2+、Cu2+、Pb2+。因此，长鬃蓼是修复重金属污染特别是Zn2+污染的潜力野生草本植物。

关键词：长鬃蓼（Polygonum longisetum De Br.）；重金属；胁迫；抗性生理

中图分类号：X53 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）11-2751-04

DOI：10.14088/ki.issn0439-8114.2016.11.010

随着工农业的迅速发展，重金属污染日益严重，已对生态平衡造成了严重破坏。目前，中国受重金属污染的耕地面积已达2 000万hm2，每年出产受重金属污染的粮食约1 200万t，严重威胁着人类的生命安全。因此，修复受重金属污染的土地已迫在眉睫。重金属会对植物的生长发育产生不利的影响，并通过植物体的一些生理生化活动反映出来，同时，植物也可利用其一系列的生理生化过程部分或完全修复和消除被污染空气、水体、土壤定有毒物质的毒害作用[1-4]。因此，开展重金属胁迫下植物生长的研究对探索超富集植物和提高修复效果具有重要意义。

长鬃蓼（Polygonum longisetum De Br. ）为蓼科（Polygonaceae）蓼属（Polygonum L.）一年生草本植物，是成都地区一种常见的野生植物[5]。长鬃蓼花序密集，花期持久，覆盖性好，宜成片栽植用于裸地、荒坡的绿化覆盖；其适应性强，常生于山谷水边、河边草地，可用于湿地公园植物造景，以弥补当前在湿地过多应用千屈菜、再力花、美人蕉等所造成的弊端[6]。长鬃蓼不仅是良好的园林绿化植物，还具有解毒、除湿等药物功效，并在水土保持以及污染治理上也起着重要作用[7-9]。目前，有关长鬃蓼的研究报道多集中在种质资源和药用功效方面，关于长鬃蓼对Cu、Zn、Pb胁迫的抗性生理研究未见报道。

通过本试验研究了长鬃蓼对Cu、Zn、Pb胁迫的生理生化响应及其适应机制，不仅有助于深入了解Cu、Zn、Pb的毒害机理和植物的适应机制，更可为筛选培育Cu、Zn、Pb富集植物用于污染地修复提供一定的理论依据。根据成都地区土壤重金属污染情况[10]，研究了不同浓度的Cu、Zn、Pb单一胁迫对长鬃蓼生理的影响，以期为深入探讨江安河野生杂草类物种的耐Cu、Zn、Pb毒害机制打下基础，并为沿河的生态修复工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试长鬃蓼幼苗采自成都温江绿道江安河河滩（103°E，30°N），选取长势一致的标准样苗共480株。试验所用分析纯重金属试剂CuSO4・5H2O、Pb（NO3）2、ZnSO4・7H2O由成都市科龙化工试剂厂提供。

1.2 试验方法

盆栽试验在四川农业大学试验田进行，重金属Cu、Zn、Pb浓度梯度的设定参考成都地区土壤中相应重金属含量而拟定[11-13]，Cu2+浓度梯度为5、10、20、40、80 mg/L，Zn2+浓度梯度为10、50、100、150、200 mg/L，Pb2+浓度梯度为10、20、50、100、150 mg/L，对照组采用等量去离子水处理。挑选健康、长势一致的幼苗，种植于黑色营养钵，缓苗20 d后每盆保留3株大小一致的幼苗，待幼苗恢复生长后开始处理。试验采用完全随机设计，每个处理3个重复，每重复2盆。采取分期浇灌的处理方法，每隔1周浇灌1次，每次150 mL/盆，共处理4次。重金属胁迫期间，定期定量浇水，以平衡蒸发量，同时在盆下垫塑料盘，以防止处理液流失[14]。

1.3 测定指标及方法

处理30 d后采样测定各项生理指标，每组剪取第3至第4对成熟叶片（从顶部往下数）测定叶绿素和游离脯氨酸含量，用相应部位的茎测定可溶性糖和可溶性蛋白质含量。其中，叶绿素含量采用丙酮-乙醇混合液浸提法[15]测定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定，可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝G-250法测定，游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法[16]测定。

1.4 数据分析

所有试验数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS 20.0软件进行统计分析，用最小显著差法（LSD法）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 Cu2+、Zn2+、Pb2+胁迫对长鬃蓼叶片叶绿素含量的影响

从表1可以看出，与对照组相比，长鬃蓼叶片叶绿素a、叶绿素b及叶绿素（a+b）含量随着Cu2+、Zn2+、Pb2+浓度的升高呈先增加后减少的变化趋势。低浓度的Cu2+处理显著提高了叶绿素a、叶绿素（a+b）含量，在Cu2+浓度为40、80 mg/L时，叶绿素a与对照组间差异不显著，而叶绿素b与对照组间差异显著。当Zn2+浓度达100 mg/L时，叶绿素a、叶绿素b及叶绿素（a+b）含量开始下降，当Zn2+浓度达200 mg/L时显著低于对照组。低浓度的Pb2+处理显著提高了叶绿素a、叶绿素b及叶绿素（a+b）含量，而高浓度的Pb2+处理则显著降低了其含量，当Pb2+浓度达到150 mg/L时，长鬃蓼的叶绿素a、叶绿素b及叶绿素（a+b）分别为对照组的64.32%、69.07%和65.88%。叶绿素（a+b）含量在Cu2+、Pb2+处理浓度为10 mg/L时达到最高，在Zn2+处理浓度为50 mg/L时达到最高。不同重金属的不同浓度处理对长鬃蓼叶片叶绿素含量有着不同程度的影响，但对叶绿素（a/b）值的影响相对较小。在不同浓度Cu2+、Zn2+处理下，叶绿素（a/b）值较对照组均有提高，而在Pb2+浓度达50 mg/L后，叶绿素（a/b）值则略低于对照组。

2.2 Cu2+、Zn2+、Pb2+胁迫对长鬃蓼茎中可溶性糖含量的影响

如表2所示，与对照相比，长鬃蓼茎的可溶性糖含量随着Cu2+、Zn2+、Pb2+浓度的升高呈现先升高后降低的变化趋势。其中，Cu2+、Pb2+浓度为10 mg/L及Zn2+浓度为50 mg/L时，可溶性糖含量达到最高，分别为对照的1.87、1.70、1.94倍。当Cu2+浓度达80 mg/L、Zn2+浓度达150 mg/L、Pb2+浓度达50 mg/L时，可溶性糖含量分别为对照的95.99%、97.09%和68.67%。在Pb2+浓度为150 mg/L时，可溶性糖含量显著低于对照组，仅为对照的40.98%。由此可知，3种重金属对长鬃蓼茎中可溶性糖含量的影响程度为Pb2+>Cu2+>Zn2+。

2.3 Cu2+、Zn2+、Pb2+胁迫对长鬃蓼茎中可溶性蛋白质含量的影响

由表2可知，与对照相比，长鬃蓼茎中可溶性蛋白质含量随着Cu2+、Zn2+浓度的增加先升高后降低，而Pb2+胁迫下可溶性蛋白质含量则逐渐下降。当Cu2+浓度为10 mg/L、Zn2+浓度为100 mg/L时，可溶性蛋白质含量达到最高，分别为对照的1.75倍和1.27倍。此外，在不同浓度Cu2+、Zn2+处理下，除Zn2+浓度达到200 mg/L时可溶性蛋白质含量低于对照外，其余各浓度处理下均高于对照。当Pb2+浓度为150 mg/L时，可溶性蛋白质含量显著低于对照，为对照的58.58%。可溶性蛋白质含量随着Pb2+浓度的升高而下降，说明较低浓度的Pb2+胁迫也会影响长鬃蓼蛋白质的生物合成。

2.4 Cu2+、Zn2+、Pb2+胁迫对长鬃蓼叶片中游离脯氨酸含量的影响

从表2可以看出，长鬃蓼叶片中游离脯氨酸含量随着Cu2+、Zn2+、Pb2+浓度的升高先上升后下降，在Cu2+浓度为20 mg/L、Zn2+与Pb2+浓度为10 mg/L时，游离脯氨酸含量最高，分别为对照的1.24、1.17、1.06倍。当Cu2+浓度达80 mg/L、Zn2+浓度达200 mg/L、Pb2+浓度达150 mg/L时，游离脯氨酸含量分别为对照的86.67%、74.13%和44.00%。在Cu2+浓度为40 mg/L、Zn2+浓度为100 mg/L时，长鬃蓼叶片中游离脯氨酸含量低于对照；当Pb2+浓度达到20 mg/L时，长鬃蓼叶片中游离脯氨酸含量低于对照，且随着Pb2+浓度的上升而显著下降，说明高浓度的Pb2+胁迫使游离脯氨酸合成受到影响，保护机制不能正常启动。

3 小结与讨论

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量的变化可以反映植物的光合能力及营养状况。本试验表明，低浓度Cu2+、Zn2+、Pb2+处理对长鬃蓼叶绿素的合成有一定促进作用，高浓度则会抑制叶绿素的合成，这与乔琳等[17]研究结果一致。高浓度的Pb2+更为显著地抑制了叶绿素的合成，可能是大量的Pb2+进入植物体内以后，与叶绿素合成相关的几种富含-SH的酶肽链形成络合物，抑制了酶的活性，阻碍了叶绿素的合成[18]。同时，重金属胁迫还会使叶绿体膜结构受到破坏，造成叶绿体不可逆损伤，导致叶绿体含量下降。此外，在不同浓度Cu2+、Zn2+处理下，叶绿素（a/b）值较对照组均有提高，说明长鬃蓼叶片叶绿素b对Cu2+、Zn2+的反应比叶绿素a更敏感；而在Pb2+浓度达50 mg/L后，叶绿素（a/b）值则略低于对照组，说明较高浓度的Pb2+处理对叶绿素a和叶绿素b的影响均增大[19]。

可溶性糖和游离脯氨酸都是植物体内重要的渗透调节物质，与植物体内有机物的转化及植物的抗性等密切相关。本试验中，低浓度Cu2+、Zn2+、Pb2+胁迫下长鬃蓼可溶性糖和游离脯氨酸都有明显的积累，但随着浓度的增加可溶性糖和游离脯氨酸含量又开始降低，且Pb2+对长鬃蓼可溶性糖和游离脯氨酸含量的影响大于Cu2+、Zn2+。可溶性糖的这种表现，可能是低浓度重金属胁迫加速了植物体内高分子碳水化合物如淀粉的分解而使其合成受到抑制，使光合产物形成过程中直接转向形成低分子质量物质如蔗糖等而导致可溶性糖增加[20]。高浓度重金属胁迫则抑制了植物的合成代谢和生长，降低了光合能力，从而导致可溶性糖含量降低。低浓度Cu2+、Zn2+、Pb2+胁迫使游离脯氨酸含量积累，一定程度上缓解了膜质损伤对植物造成的伤害，有利于维持植物体内的代谢平衡。高浓度的胁迫则会损伤细胞内多种功能膜及酶系统，造成脯氨酸合成代谢紊乱。

蛋白质关系着植物的养分循环、代谢作用以及生长发育等，其含量变化对植物体受到逆境胁迫的强弱起到了指示作用。本试验表明，在低浓度的Cu2+、Zn2+胁迫下，长鬃蓼茎的可溶性蛋白质含量上升，可能是增加了细胞渗透浓度和功能蛋白质的数量，有助于维持细胞的正常代谢。当Cu2+、Zn2+浓度升高到一定程度时，则开始抑制蛋白质的生物合成，从而影响其生长发育。此外，较低浓度的Pb2+胁迫也会影响蛋白质的生物合成，说明Pb2+对长鬃蓼茎中可溶性蛋白质含量的抑制作用大于Cu2+、Zn2+。

综合分析表明，长鬃蓼对Cu2+、Zn2+、Pb2+胁迫都有一个积极响应和逐渐伤害受损的过程，初步认为长鬃蓼对3种重金属胁迫的耐性为Zn2+>Cu2+>Pb2+。因此，长鬃蓼是修复重金属污染特别是Zn2+污染的潜力野生草本植物。至于长鬃蓼对重金属的吸收及富集的机理还有待于在今后的研究中继续探索和发现。

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