銅、水分脅迫下金屬型植物海洲香薷水分代謝的變化

李民敬，余發新，丁建南，熊治廷

(1.江西省科學院生物資源研究所，江西 南昌330029;2.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢430074; 3.武漢大學資源與環境學院，湖北 武漢430072)

0 前言

自然界有一類抗性植物，能生長在重金屬嚴重污染的土壤(如礦脈露頭和古礦遺址)而代代繁衍不息，被稱為金屬型植物［1］。在其原生土壤中，重金屬(如Cu、Zn、Pb、Cd等)含量可達10 000 mg/kg或更高，是非污染土壤的100～1 000倍以上。依據生態分布特點，該類植物分為專性和兼性兩類［1］。前者僅限于污染區;后者可分布于重金屬污染區和非污染區，分別形成抗性和非抗性種群。

海洲香薷(Elsholtzia haichowensis Sun)，唇型科一年生草本植物，俗稱“銅草”或“銅花”，是銅礦區生長茂盛的優勢種之一［2，3］。該植物對Cu有很好的蓄積和耐受性，是一種我國原生的金屬型植物，可應用于銅污染土壤植物修復［3，4］。同時也是銅礦區的先鋒植物，在銅礦區和其它銅污染區的植被恢復中具有重要作用。該植物在非污染區也有分布，但是并不常見，也不是優勢種［4］。

金屬型植物生長土壤大多土層薄，砂礫含量高，保水性和持水能力差，易造成重金屬和干旱復合脅迫［5～7］。金屬型植物在這種異常生境中能正常生長和繁殖，除對重金屬有抗性外，對干旱可能也有較強的抵抗能力。但是目前金屬型植物相關研究側重于重金屬蓄積性能及其抗性兩個方面［8～10］，在重金屬、水分脅迫共同作用下其生理生化代謝的變化及其機理研究較少［6，7，11～13］。本項目選用污染區、非污染區海洲香薷為試材，以水培方法構成Cu、水分脅迫，研究植物蒸騰速率、水分利用效率、葉片相對含水量、根自然含水量的變化，揭示Cu、水分脅迫下污染區、非污染區金屬型植物水分代謝的差異，為尾礦庫復墾和礦山生態恢復提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 植物材料的培養以及銅、PEG6000處理

污染區海洲香薷種子采自已有3000多年采礦歷史的湖北大冶銅錄山古銅礦遺址，土壤總銅含量6 303.6 mg/kg干土;非污染區海洲香薷種子采自湖北紅安，土壤總銅含量51.6 mg/kg干土。

海洲香薷種子消毒、清洗后置于25℃、黑暗的條件下萌發。將剛萌發的幼苗溫室自然光照下砂質培養，用1/2Hoagland營養液澆灌。待幼苗長出4對復葉時，轉移至室內人工培養室內用1/ 2Hoagland營養液培養。培養室用鈉燈和白熾燈提供光照，用空調調節溫度使室溫保持在25℃左右。水培恢復培養一周后加入氯化銅、PEG6000，分別形成Cu0.16 μM(Control)、Cu20 μM、5%(w/v) PEG6000(模擬水分脅迫)、Cu20 μM+5%PEG6000 (Cu+水分脅迫)處理，每個處理3個重復。每3 d更換一次營養液并重新染毒。

1.2 蒸騰速率和葉片水分利用效率的測定

按照LI-6400便攜式光合儀的測定步驟，測定海洲香薷成熟葉片的蒸騰速率和凈光合速率等。其中測定過程:植物幼苗在固定光源(高壓鈉燈)下進行，Tair 33.40～38.08℃，Tleaf 32.39～38.33℃，Tblock 33.21～37.97℃，CO2R 430.71～483.35 μmolCO2mol－1，H2OR 14.555～14.854 mmol H2Omol－1，RH_R%21.84～28.66，Flow499.2～501.1 μmol s－1，ParIn721～830 μmol m－2s－1，Press 100.8～100.9 kPa。如果葉片沒有完全充滿葉室，那么需用葉面積掃描儀(LC-2400P)掃描葉片，然后手動輸入葉面積至光合儀軟件重新計算相關參數。根據所獲數據計算葉片水分利用效率。

葉片水分利用效率=凈光合速率/蒸騰速率

1.3 葉片相對含水量和根自然含水量

取下植物葉片，電子天平(0.1 mg)稱鮮重，然后浸入去離子水中，浸泡6 h;把葉片取出并吸干上面的水分，稱飽和鮮重;然后在60℃的烘箱中烘48 h，稱干重。此外，同時稱量根的鮮重和干重。葉片的相對含水量和根的自然含水量采用下列公式:

葉片相對含水量=100×(葉片鮮重－葉片干重)/(葉片飽和鮮重－葉片干重)

根自然含水量=100×(根鮮重－根干重)/根鮮重

1.4 統計分析

實驗結果均為平均值±標準偏差(n=3)。實驗結果用SPSS10.0統計軟件進行統計分析。運用多因素統計分析(Multi-way ANOVA)檢驗CS/NCS、Cu和水分脅迫的顯著性差異。假如F值有顯著性差異(P＜0.05)，那么對測定指標進行多重比較。多重比較采用Duncan新復極差法。圖表中不同字母代表達到顯著性差異(P＜0.05)。

2 實驗結果

2.1 蒸騰速率

圖1表明，在對照下NCS蒸騰速率明顯高于CS，說明NCS對水分的需求更為旺盛。20 μMCu處理下，分別與其對照相比，NCS的Tr下降了79.0%，CS的Tr上升了22.9%，并且均達到顯著性差異，此外CS的Tr明顯高于NCS;說明Cu明顯抑制了NCS的蒸騰作用，但是對CS蒸騰作用有刺激作用。在水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，CS和NCS的Tr均明顯下降，且兩者之間沒有顯著差異，但是下降的幅度不同。在水分脅迫下，分別與其對照相比，NCS的Tr下降了47.5%，CS的Tr下降了34.0%。在Cu+水分脅迫下，NCS的Tr下降了76.6%，CS的Tr下降了48.2%。

圖1 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷蒸騰速率的差異

2.2 葉片水分利用效率

圖2表明，與對照相比，NCS在Cu、水分脅迫以及Cu+水分脅迫下的葉片水分利用效率均明顯增加，而CS僅在水分脅迫下的WUE明顯增加，在Cu以及Cu+水分脅迫下無明顯變化。此外，在Cu以及Cu+水分脅迫下，NCS的WUE顯著高于CS，在其它處理下兩者之間WUE沒有明顯差異。

圖2 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷葉片水分利用效率的差異

2.3 葉片相對含水量和根自然含水量

圖3表明，在20 μM銅處理下，NCS和CS葉片相對含水量僅有輕微變化。在水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，NCS的RWC高于CS，且NCS和CS的RWC均明顯下降，但是下降的幅度不同。在水分脅迫下，分別與其對照相比，NCS的RWC下降了11.5%，CS的下降了39.1%。在Cu +水分脅迫下，NCS的下降了42.2%，CS的下降了47.5%。

圖3 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷葉片相對含水量的差異

圖4表明，與對照相比，NCS根自然含水量在20 μMCu處理以及Cu+水分脅迫下均明顯下降，在水分脅迫下輕微下降;CS根NWC在Cu+水分脅迫下明顯下降，但是在其它脅迫下僅有輕微變化。

3 討論

蒸騰速率反映的是植物地上部分水分通過葉片等散失的速度，是反映植物地上部分失水快慢的指標。Tr直接影響著植物體內水分平衡的保持，進而影響著植物生理生化代謝的正常進行。20 μM銅處理下NCS的Tr明顯降低但CS的Tr明顯升高(圖1)，表明銅對NCS蒸騰作用有顯著的抑制作用，而對CS蒸騰作用有一定的刺激作用，CS適宜于銅污染區生長。水分脅迫、銅+水分脅迫對NCS蒸騰作用的抑制作用明顯強于CS (圖1)，說明對水分脅迫、銅和水分復合脅迫而言CS有強于NCS的適應能力，這與CS能耐短期干旱脅迫的結果是相一致的［6］。在干旱脅迫下，砷超蓄積植物蜈蚣草Tr也明顯下降［12］。不同基因型西紅柿的Tr對水分脅迫的反映也不同［14］。

圖4 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷根自然含水量的差異

植物葉片水分利用效率是評價植物生長適宜程度的綜合生理生態指標，它實質上反映了植物耗水與其干物質生產之間的關系。NCS的WUE在3種脅迫下均明顯增加，但是CS的WUE僅在水分脅迫下明顯增加，在其它處理下無明顯變化(圖2)。WUE反應差異表明NCS和CS對3種脅迫的敏感度不同，NCS更為敏感;NCS需要比CS消耗更多的水分才能產生同樣的干物質積累。類似的是，金屬型植物蜈蚣草的WUE在輕度干旱下也明顯升高［12］，橄欖WUE在水分脅迫下也上升［15］。

葉片相對含水量是植物水分狀況的重要指標。在水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，NCS和CS的RWC均明顯下降，且CS下降的幅度大于NCS(圖3)。這與進行土培干旱實驗時觀察到的現象相一致，即在同等干旱程度下，CS葉片發生萎蔫，而NCS沒有萎蔫。CS和NCS對水分脅迫以及Cu+水分脅迫的反應方式不同，CS采取葉片萎蔫的方式自我保護(葉片萎蔫是植物在水分脅迫下自我保護的一種方式)。

4 結論

在Cu、水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，銅污染區和非污染區海洲香薷水分代謝存在明顯差異;與非污染區海洲香薷相比，銅污染區海洲香薷水分代謝受到的抑制作用偏輕。其結果可為尾礦庫復墾以及礦山生態恢復提供科學依據。

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