重金屬對日本楤木內滲透調節物質的影響

李德生，何 安，彭 玲，王 碩，王 靜

(天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津 300381)

土壤重金屬污染是一個嚴重且普遍存在的問題，尤其是重金屬對農田和作物的影響日趨嚴重[1-2]。由于重金屬具有毒性和不易被生物降解的特性[3-4]，一旦土壤被其污染，會長期停留在土壤中并且對生態系統造成嚴重的威脅，甚至會通過食物鏈被人體吸收而致病[1-2，5]，因此解決土壤重金屬污染問題已成為全球性的任務[6]。不少學者發現，利用植物來治理重金屬污染土壤比物理方法、化學方法更具有經濟、生態等效益[7-8]，然而重金屬會對植物的生長和代謝產生不利影響，甚至會導致植物死亡。因此植物自身對重金屬的抵抗能力成為學者研究的熱點。

目前，學者們將研究方向主要集中在重金屬對植物體內的滲透調節物質[9]、抗氧化系統[10]的影響方面，但大部分偏向于蔬菜[11]、大型木本植物[12]的研究，很少針對木本蔬菜的研究。日本楤木是一種重要的木本蔬菜，其根系發達、抗逆性強、容易栽培[13]。另外，日本楤木的嫩芽中含有9種人體必需的氨基酸和微量元素，含量比人參中的含量高，還具有提高人體免疫力、防治老年性疾病的作用，增強腦功能、延緩衰老等功能，是食用兼藥用于一身的植物。因此，研究重金屬對日本楤木的影響具有重要的意義，能為日本楤木的安全生產提供參考。

本研究采用盆栽試驗法，研究單一(Pb、Cd、Zn)及復合(Cd+Zn、Pb+Zn)重金屬脅迫下，日本楤木體內滲透調節物質的變化，分析重金屬對植物葉片內可溶性蛋白質、可溶性糖和脯氨酸含量的影響，同時探討重金屬Pb+Zn、Cd+Zn之間的相互關系，觀察重金屬Zn的添加是否有利于促進單一重金屬脅迫(Pb、Cd)下日本楤木葉片內滲透調節物質的積累。本研究結果能為日本楤木應用于重金屬污染土壤修復的研究提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗于2014年12月進行，將取自天津理工大學的校園地表土(0～20 cm)置于實驗室內風干處理。風干后，將該土壤與購自河北省興農生物工程開發有限公司的營養土以質量比20 ∶1的比例進行混合，過篩后取小于2 mm部分作為供試土壤。將供試土壤置于直徑20 cm、高15 cm的塑料花盆中，每盆裝土2.5 kg。將大小、長勢一致的二年生日本楤木幼苗扦插于花盆中，并置于溫度為(25±2) ℃，光—暗處理為12 h光照—12 h黑暗，濕度為85%的人工氣候室中進行培養。

待幼苗恢復生長7 d后，將化學試劑CdCl2·2.5H2O(分析純)、Pb(NO3)2(分析純)、ZnSO4·7H2O(分析純)以溶液的形式均勻地加入供試土壤中進行重金屬脅迫處理。每個重金屬共設4個濃度梯度，每個濃度梯度均設3個平行樣，并以不加重金屬的空白樣作為對照(表1)。

表1 復合重金屬污染方案設計

1.2 指標測定及方法

2015年6月進行可溶性蛋白質含量、可溶性糖含量以及脯氨酸含量的測定，采用的方法分別為考馬斯亮藍G-250法[14]、蒽酮比色法[15]、乙醇提取法[14]。

1.3 數據分析

試驗數據均采用Excel 2007軟件進行整理，數據以平均值表示，并采用Origin 8.5進行制圖。

2 結果與分析

滲透調節物質主要包括脯氨酸、可溶性蛋白質和可溶性糖等[16-17]。在重金屬或其他脅迫下，植物體內的一些物質如脯氨酸、可溶性蛋白質和可溶性糖會積累來調節細胞內的滲透勢，從而維持水的平衡[18]。另外，植物體內的滲透調節物質還可以保護參與新陳代謝等重要機體活動的酶[19]。因此，植物體內可以通過自身的滲透調節物質來提高抗脅迫能力。

2.1 可溶性蛋白質含量的變化

可溶性蛋白質在植物的生長過程中有著至關重要的作用[20]。大多數蛋白質都是參與植物新陳代謝的酶，因此可溶性蛋白質的含量可以表征出植物新陳代謝的強度[21]。在重金屬脅迫下日本楤木葉片內可溶性蛋白質含量的變化如圖1、圖2所示。單一重金屬脅迫下，可溶性蛋白質的含量隨著重金屬濃度的增加先增加后減少，其變化趨勢和諶金吾研究的結果[22]一樣。在土壤中重金屬Cd、Pb、Zn濃度分別達到0.25、100.00、100.00 mg/kg(T1處理)時，日本楤木葉片內可溶性蛋白質的含量達到最高，分別為對照組的105%、108%、106%。隨著重金屬濃度的增加，可溶性蛋白質含量被抑制。當重金屬Cd、Pb、Zn分別達到相應的最高濃度時，可溶性蛋白質含量分別達到最低，分別為對照組的80%、89%、93%。在重金屬復合脅迫下，可溶性蛋白質含量均隨重金屬濃度的增加而逐漸降低，當復合重金屬Cd+Zn、Pb+Zn濃度達到最高時，日本楤木葉片內可溶性蛋白質含量達到最低，分別為對照組的83.3%、82.5%。由此可以發現，復合重金屬脅迫下，日本楤木內可溶性蛋白質含量隨著濃度的增加呈下降趨勢，但變化不明顯。

2.2 可溶性糖含量的變化

植物的光合作用通過體內的二氧化碳和水將太陽能轉化為化學能，同時產生氧氣和碳水化合物。碳水化合物大多數是可溶性糖，因此可溶性糖是植物生長和能量的重要來源和物質基礎[23-24]，同時在維持植物細胞滲透平衡中起著關鍵的作用。可溶性糖含量的變化可以反映植物在逆境脅迫下的適應能力。日本楤木對重金屬單一及復合脅迫下可溶性糖的含量變化如圖3、圖4所示。在重金屬Cd、Pb的脅迫下，日本楤木葉片內可溶性糖含量隨著重金屬濃度的增加呈先增加后減少的趨勢，這種變化趨勢和吳桂容等報道的重金屬Cd對桐花可溶性糖含量的變化[25]和鄭世英等研究的鉛脅迫下玉米中可溶性糖含量的變化趨勢[26]一致。同時還可以明顯發現，受重金屬脅迫后日本楤木葉片內可溶性糖含量高于空白對照組。當重金屬Cd、Pb的濃度分別達到5(T3處理)、100(T1處理) mg/kg時，可溶性糖含量分別比對照組高39%、27%。在復合污染初期，隨著重金屬濃度的增加，可溶性糖含量也隨之升高，當土壤中復合重金屬Cd+Zn、Pb+Zn濃度達到 1 mg/kg+500 mg/kg(T2處理)、100 mg/kg+100 mg/kg(T1處理) 時，日本楤木葉片內的可溶性糖含量達到最高，分別為對照組的153%、127%。隨后，可溶性糖含量隨重金屬濃度的增加而降低。

2.3 脯氨酸含量的變化

脯氨酸是調節細胞滲透壓的一種重要物質，脯氨酸含量的增加在一定程度上意味著對逆境脅迫的適應性，因此脯氨酸含量常被用來衡量對逆境脅迫適應的一項重要指標。日本楤木在重金屬單一及復合脅迫下，葉片內的脯氨酸含量變化如圖5、圖6所示。在重金屬Cd的脅迫下，日本楤木葉片內脯氨酸含量在脅迫初期呈下降趨勢，當土壤中Cd的濃度為0.25 mg/kg時，脯氨酸含量達到最低，為60.54 μg/g，隨著重金屬濃度的進一步增加，脯氨酸含量逐漸增加，當重金屬濃度達到10 mg/kg時，脯氨酸含量達到最高，比對照組高38%。在重金屬Pb脅迫初期，相比對照組脯氨酸含量變化不是很明顯。當土壤中重金屬Pb濃度達到500 mg/kg時，脯氨酸含量開始增加，當重金屬Pb濃度達到最大時，脯氨酸含量也達到最高，為對照組的158%。隨著重金屬Zn濃度的增加，日本楤木葉片內脯氨酸含量也相應增加，當濃度達到最高時，脯氨酸含量也達到最高，為對照組的152%。在重金屬Cd和Zn復合脅迫下，脯氨酸含量的變化趨勢和單一重金屬Zn脅迫下的變化趨勢相同。當重金屬Cd+Zn的濃度達到10 mg/kg+1 500 mg/kg 時，日本楤木葉片內脯氨酸含量達到最大，為121.69 μg/g。復合重金屬Pb+Zn脅迫下脯氨酸含量的變化趨勢和復合重金屬Cd+Zn脅迫下的變化趨勢一樣，但是當Pb+Zn的濃度在100 mg/kg+100 mg/kg(T1處理)、500 mg/kg+500 mg/kg(T2處理)時，日本楤木葉片內脯氨酸的含量增長幅度較大。胡春霞等在水培試驗研究中發現，在重金屬Pb和Zn共同脅迫下，蒲公英中脯氨酸含量有明顯的提高[27]，本試驗的變化趨勢與之一樣，故推測重金屬的脅迫可能促進了脯氨酸的形成，從而降低了日本楤木葉片細胞的滲透勢來維持細胞的滲透平衡。

3 結論與討論

植物主要通過滲透調節物質如可溶性蛋白質、可溶性糖、脯氨酸等來調節細胞內的滲透平衡，間接保護那些參與新陳代謝的酶，從而增強植物對逆境脅迫的抵抗能力[28-30]。

可溶性蛋白質是植物進行新陳代謝和檢測生理狀態的一項重要指標[31]。在單一重金屬脅迫下，日本楤木葉片內可溶性蛋白質含量均隨著重金屬濃度的增加先增加后減少，這與洪任遠等的研究[32]類似，說明在脅迫初期，重金屬可能促進了絡合蛋白的產生，從而降低重金屬對植物的毒害，這可能是植物抵抗重金屬毒害的一種解毒機制。但是蛋白質含量的增加是有限的，隨著重金屬濃度的進一步增加，加速了蛋白質的分解，對合成系統造成了不可挽回的傷害，從而使可溶性蛋白質含量下降[33]。然而，在重金屬復合脅迫下，植物體內的可溶性蛋白質含量隨著重金屬濃度的增加而逐漸降低，可以推測出復合重金屬脅迫對蛋白質的合成產生了抑制作用。

可溶性糖的提高有助于維持細胞的新陳代謝，從而提高植物的抗逆境脅迫能力[31]。在重金屬單一及復合脅迫下，日本楤木內的可溶性糖含量隨著重金屬濃度的增加先增加后減少，可能是因為在重金屬脅迫初期，由于碳水化合物積累，促進淀粉水解，導致可溶性糖含量增加，從而維持細胞的滲透平衡。然而，隨著重金屬濃度的進一步增加，由于水分的缺失，使得葉綠體和類囊體的結構遭到破壞，導致氣孔關閉，從而使光合速率受到抑制，光合作用產物減少，因此日本楤木葉片內可溶性糖含量降低[34]。在復合重金屬Pb+Zn的污染下，日本楤木可溶性糖含量要高于相應的單一重金屬脅迫下的含量，可能是因為復合重金屬更有利于維持日本楤木葉片內細胞的滲透平衡，還可以推測出重金屬Pb+Zn表現為協同作用，這與郭曉音研究的復合重金屬脅迫下，秋茄葉片內可溶性糖含量降低，重金屬元素之間表現為拮抗作用這一結果[9]相反。

脯氨酸是植物體內具有親和性的滲透調節物質，在植物抵抗逆境脅迫中發揮著重要的作用[23-24]。除了單一重金屬Cd脅迫下，日本楤木內脯氨酸含量均隨著Cd濃度的增加而增加，這可能是因為蛋白質的合成速率減慢從而促進了脯氨酸的合成，導致脯氨酸含量增加，也可能是因為重金屬使脯氨酸氧化酶減少而使得脯氨酸的氧化分解減慢，脯氨酸含量增加[16-17，19]。還可以推測出復合重金屬脅迫下，脯氨酸含量仍然在體內積累，故重金屬Pb+Zn、Cd+Zn之間表現為協同作用。在重金屬Cd脅迫下，隨著重金屬濃度的增加，脯氨酸含量先增加后減少，可能是因為植物體內脯氨酸含量的增長是有限的，當植物體內的重金屬Cd濃度過高時會對植物產生毒害作用。

綜上所述，在重金屬單一及復合脅迫下，日本楤木內的滲透調節物質都會得到一定的積累，并且發現重金屬Zn有助于促進日本楤木葉片內脯氨酸的積累，但具體情況還需要進一步研究。本研究為日本楤木的后續使用提供了較全面系統的參考。

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