鹽及重金屬脅迫對龜背竹生理抗性的影響

鮮靖蘋

摘要：通過盆栽試驗法，研究土壤外源鹽、重金屬及其復合因素脅迫對龜背竹生理指標的影響。結果表明，不同處理組在20、40 d 2個處理時期，其葉片可溶性糖、可溶性蛋白含量隨著處理周期的延長而下降，而游離脯氨酸、丙二醛含量上升。單因素或復合因素脅迫條件下，隨著鹽、重金屬濃度的遞增，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛含量基本上先增加后降低，與對照相比有不同程度上升。由結果可知，龜背竹在一定鹽和重金屬脅迫范圍內可通過改變葉片滲透調節物質含量來適應由脅迫帶來的代謝失衡和缺水對植株的傷害。研究結果可為植物生長代謝過程中適應和抵御鹽與重金屬污染的損傷機制提供理論依據。

關鍵詞：龜背竹；鹽脅迫；鉛脅迫；鎘脅迫；可溶性糖；丙二醛

中圖分類號： X53 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0241-03

重金屬是造成環境污染的重要因素之一，其中鉛（Pb）、鎘（Cd）毒性特別強，危害較大，是環境污染理論研究及治理實踐中備受關注的對象，同在5大污染毒物[Cd、汞（Hg）、砷（As）、鉻（Cr）、Pb]之列[1-2]。隨著我國人口的大幅度增長，采礦、冶煉和制造等工業的迅速發展，農用化學品的過量使用及城市污水污物的排放，致使Cd、Pb、Hg等有毒重金屬元素在環境中迅速、大量積累，參與土壤-水體-生物系統的循環，通過植物的吸收在根、莖、葉及籽粒中大量累積[3]，從而對植物生長發育產生抑制和毒害，并經過食物鏈的傳遞危及動物和人類的身體健康。

大氣中的鉛作為主要的污染物之一，也是植物吸收鉛的一個重要來源。研究證實，公路旁的植物都具有吸收鉛的能力，只要不超過一定的限度，植物不會出現傷害癥狀[4-6]。自發現Cd以來，其產量逐年增加。相當數量的Cd通過廢氣、廢水、廢渣排入環境，造成污染。Cd隨廢氣擴散到工廠周圍并自然沉降，蓄積于工廠周圍的土壤中，有的污染范圍可達數千米[7]。土壤鹽堿化是影響生態與農業的一個全球化的重要問題，也是當前中國經濟發展所面臨的生態危機之一，據統計，我國有鹽堿耕地660萬hm2。隨著工業的發展，植被破壞以及大量蓄水水庫的建成，灌溉地和塑料大棚面積的不斷擴大，鹽堿地面積還有繼續擴大的趨勢，對農業威脅成為一個嚴重的問題[8-9]。本試驗通過研究鉛、鎘和鹽脅迫下龜背竹生理指標的變化，探尋植物生理抗性和解毒機制，為利用植物修復土壤重金屬污染與鹽漬化提供相關理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試植物屬天南星科（Araceae）龜背竹屬（Monstera）龜背竹（M. deliciosa Liebm），由筆者于當地花卉市場統一采購，盆栽培養在新鄉學院植物實驗室。將試驗所用植物材料分別標記為1～15號預培養20 d。以Pb（NO3）2為Pb源。

1.2 試驗設計

設計Pb濃度分別為200 mg/kg（Pb1）、1 500 mg/kg（Pb2）；以CdCl為Cd源，濃度分別為20 mg/kg（Cd1）、200 mg/kg（Cd2）；NaCl濃度分別為50 mmol/L（Na1）、100 mmol/L（Na2）。以不加Pb、Cd、NaCl為對照（CK），設Pb1、Pb2、Pb1+Na1、Pb2+Na1、Pb1+Na2、Pb2+Na2、Na1、Na2、Cd1、Cd2、Cd1+Na1、Cd2+Na1、Cd1+Na2、Cd2+Na2共14個處理，每個處理重復3次，處理周期分別設為20、40 d。

1.3 測定項目與方法

分別于處理后的20、40 d測定每盆植物的可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛含量4項生理指標。用蒽酮法測定可溶性糖含量，用考馬斯亮藍染色法測定可溶性蛋白含量，用酸性茚三酮法檢測游離的脯氨酸含量，用硫代巴比妥酸法檢測丙二醛含量，分析龜背竹在Cd、Pb、NaCl及其交互脅迫下不同生理指標的響應。

2 結果與分析

2.1 鹽和重金屬脅迫對可溶性糖含量的影響

可溶性糖是很多非鹽生植物的主要滲透調節劑，也是合成其他有機溶質的碳架保護和能量來源，對細胞膜和原生質膠體也有穩定作用，在細胞內無機離子濃度高時起保護作用。在滲透脅迫下，植物可以通過在體內積累可溶性糖方式來降低滲透勢，以適應外界環境的變化[10-12]。從圖1至圖3可以看出，鹽及重金屬單因素處理組在20、40 d 2個處理時期，葉片可溶性糖含量隨著處理時間的延長而呈下降趨勢。在單因素脅迫條件下，處理20 d時，可溶性糖含量與對照相比均有不同程度的增加，Pb2處理增幅較大，達180.0%；處理40 d時，Pb2處理增幅最大，達114.8%。單因素處理20 d時，隨著濃度的增加，不同處理組可溶性糖含量呈上升趨勢；單因素處理40 d或復合處理時，隨著濃度的遞增（復合處理組中Pb2+Na2與Pb1+Na1比較），不同處理組可溶性糖含量呈減少態勢，但均高于對照。

2.2 鹽和重金屬脅迫對可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白一般為與膜系統特異性結合的酶，在一定脅迫條件下，植物體內可溶性蛋白質含量越高，該部位的生理生化反應與代謝活動就越旺盛[13-14]，可作為植物相對抗性的一項指標，從圖4至圖6可以看出，鹽及重金屬單因子及其復合因素處理組在20、40 d 2個處理時期，其葉片可溶性蛋白含量隨著處理時間的延長而下降，表明短時間鹽及重金屬處理可能通過誘導龜背竹葉片中可溶性蛋白的合成以抵抗逆境脅迫。無論單因素脅迫還是復合因素脅迫處理，龜背竹葉片的可溶性蛋白含量都高于對照；隨著脅迫濃度的增加，單因素處理組可溶性蛋白含量上升，復合因素處理組卻下降，表明高濃度的復合處理在一定程度上傷害了植物生理機能。

2.3 鹽和重金屬脅迫對游離脯氨酸含量的影響

游離脯氨酸是植物體內最重要的滲透調節物質之一，游離脯氨酸積累對細胞的滲透調節、細胞結構的穩定、氧化的降低具有非常重要的作用[15-16]。植物在正常生長條件下，游離脯氨酸含量一般維持在相對較低的水平，但在鹽堿、干旱、重金屬污染等逆境下，游離脯氨酸會在細胞質內積累以進行滲透調節抵抗脅迫。從圖7至圖9可以看出，鹽及重金屬單因子及其復合因素處理組在20、40 d 2個處理時期，其葉片游離脯氨酸含量大體隨著處理時間的延長和處理濃度的增加而增加，如Pb1單因素脅迫或Pb2+Na1復合因素脅迫下，處理 40 d 時龜背竹葉片的游離脯氨酸含量遠高于20 d處理，表明隨著處理時間的延長，龜背竹的適應能力增強。本研究支持了以往對于游離脯氨酸具有清除活性氧的作用，與植物抗氧化關系十分密切，是植物對鹽堿、重金屬污染等逆境的一種適應性反應。單因素脅迫條件下，處理20 d時，與對照相比龜背竹葉片內游離脯氨酸均有不同程度的增加，Pb2處理增幅最大，達59.0%；處理40 d時，與對照相比植物葉片游離脯氨酸遞增范圍26.3%～54.1%。

2.4 鹽和重金屬脅迫對丙二醛含量的影響

丙二醛是膜脂過氧化物酶作用的主要分解產物，是反映膜系統受傷害程度的重要指標之一。從圖10至圖12可以看出，無論是鹽、鉛和鎘單因素脅迫還是重金屬、鹽復合因素脅迫，龜背竹葉片內丙二醛含量均高于對照，說明重金屬和鹽脅迫對龜背竹均產生了不同程度的傷害。在鹽和重金屬單因素脅迫下，龜背竹葉片丙二醛含量高于對照7.6%～98.8%，在復合因素脅迫下，高于對照3.7%～88.6%。在20、40 d 2個處理時期，其葉片丙二醛含量隨著處理時間的延長而上升，表明隨著時間的延長，細胞膜脂過氧化傷害程度加劇，清除活性氧的能力有所降低。在單因素或者復合因素脅迫條件下，隨處理濃度的增加，丙二醛含量多數表現為增加，表明龜背竹生長受到一定的抑制。

3 討論與結論

本研究表明，游離脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白3種滲透物質在鹽和重金屬脅迫下能在龜背竹葉片內迅速積累，降低細胞內滲透勢，增強植物滲透調節能力，促進植物吸收水分，保證植物能夠正常生長，但當處理濃度較高時，單因素處理20 d時可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸含量升高；但可溶性糖、可溶性蛋白含量在復合處理和單因素處理40 d時均會降低，可能是復合因素處理或者單因素處理時間過長，植物生理機能受到一定破壞，可溶性糖、可溶性蛋白含量積累受到抑制，分解速度加快，含量相對降低。可溶性糖含量升高的原因是通過升高可溶性糖含量調節細胞滲透勢，用于減少外界對植物造成的傷害，大量增加的可溶性糖等有機小分子溶質，可以降低細胞內的水勢，從而達到從周圍細胞吸水的目的。另一個可能的原因是在鹽及重金屬脅迫下，植物對一些必需離子的吸收減弱，淀粉、蛋白質和核酸等物質的分解加速，因而植物的生長可能會受到抑制。植物在鹽及重金屬脅迫處理40 d時可溶性糖含量較處理20 d減少，可能是隨著時間的延長，植物呼吸作用消耗所致。單因素鉛處理或復合因素 Pb1+Na1處理、Cd1+Na2處理龜背竹葉片可溶性糖含量相對較高，這些處理可能提高了植物抗逆境能力，而相應處理的游離脯氨酸仍能維持較高的濃度。有研究表明，逆境脅迫下可溶性蛋白分解加速，分解為游離脯氨酸等各種氨基酸，使脯氨酸含量升高。在鹽和重金屬脅迫下，由于外界滲透勢較低，植物會發生失水現象，為了避免滲透傷害，植物細胞會主動吸收和積累一些無機鹽和可溶性物質如游離脯氨酸來降低胞內滲透勢，避免因失水而導致的傷害。本研究中較高濃度的鹽和重金屬脅迫下游離脯氨酸含量較高可能與此有關，具體原因仍須進一步分析。脅迫作用使植物的物質代謝發生改變，某些滲透調節物質相繼生成并積累，大分子物質如淀粉、蛋白質等分解為小分子物質（可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸）。這些小分子物質具有較強的親水性，可以穩定膠體性質，在組織代謝中，使植物細胞免受傷害或減輕傷害。這些物質滲透調節能力的大小直接反映植物抗逆性的強弱。劉俊等研究鎘脅迫對大豆花莢期生理生態的影響表明，隨著鎘脅迫時間的延長，大豆植株體內累積的丙二醛量增加[17]，與本研究結論一致。

在一定范圍的鹽和重金屬脅迫下，龜背竹可以增加葉片滲透調節物質含量，并且誘導活性氧清除系統，從而減少后者引起的代謝失衡和由缺水對植株造成的傷害。由本研究可知，（1）不同處理組在20、40 d 2個處理時期，隨著處理周期的延長龜背竹葉片內可溶性糖、可溶性蛋白含量會隨之下降，而游離脯氨酸、丙二醛含量會隨之上升。（2）單因素或復合因素脅迫條件下，與對照相比，可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸、丙二醛含量遞增。（3）處理20 d時，單因素處理條件下，可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛、游離脯氨酸含量基本隨著濃度的遞增而增加；處理40 d時，可溶性糖、可溶性蛋白含量，隨著濃度的遞增而減少；Cd+Na復合因素處理時丙二醛含量變化不明顯。

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