銅脅迫對麻瘋樹幼苗生理生化特性的影響

周運鴻 曾小飚 高麗梅

摘要 [目的]研究Cu2+脅迫對麻瘋樹幼苗生理生化特性的影響。[方法]以麻瘋樹幼苗為材料，測定不同濃度Cu2+脅迫下麻瘋樹幼苗生理生化指標的變化。[結果]隨著Cu2+濃度的增加，可溶性糖含量增加；過氧化物酶活性呈先下降后上升的趨勢；根系活力先上升后下降；葉片葉綠素含量呈下降趨勢，丙二醛含量、蛋白質含量、電導率、脯氨酸含量均有不同程度的增加。[結論]在一定濃度的Cu2+脅迫下，麻瘋樹各生理生化特征發生變化，在低濃度時植株表現出一定的自我保護能力，高濃度脅迫將嚴重損害植株的各項機能。

關鍵詞 麻瘋樹；Cu2+；脅迫；生理生化

中圖分類號 S718.43 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）20-0089-03

Abstract [Objective] To study effects of heavy metals on plant physiological and biochemical characteristics.[Method]Jatropha curcas was used as material，and the changes of physiological and biochemical indexes of Jatropha curcas seedlings under different concentrations of Cu2+ stress were determined.[Result]The soluble sugar increased with the increase of Cu2+ concentration，and the activity of peroxidase decreased first and then increased.The content of chlorophyll in leaves showed a decreasing trend，and the contents of malondialdehyde，protein，electrical conductivity and proline increased in varying degrees.Under certain concentration of heavy metal Cu2+，the content of chlorophyll was decreased，and the content of malondialdehyde （MDA），protein，electrical conductivity and proline increased in different degree.[Conclusion]The physiological and biochemical characteristics of Jatropha curcas changed，and the plant showed certain selfprotection ability at low concentration，and the high concentration stress would seriously damage the function of the plant.

Key words Jatropha curcas；Cu2+；Stress；Physiological and biochemical

銅是植物體必需的微量元素，既參與植物呼吸作用、光合作用、木質化等過程，對植物新陳代謝起重要作用，又是目前環境污染的重金屬元素[1]。隨著現代經濟的發展，銅礦冶煉、電鍍、銅制品生產和印染業的發展，農業生產環境中銅含量不斷升高。銅含量較低時對植物生長發育的影響較小[2]，但超過一定濃度，會抑制植物光合作用，抑制酶的活性、根系生長和營養成分的吸收[3]。銅可在土壤中富集并被農作物吸收；在靠近銅冶煉廠附近，巖石風化和含銅廢水灌溉均可使銅在土壤中積累并長期保留，土壤含銅量為正常土壤的3～232倍。在銅污染的土壤中生長的植物，含銅量為正常植物的33～50倍，銅污染已成為世界各國高度重視的環境問題。

麻瘋樹（Jatropha curcas），又名小桐子、膏桐、黑皂樹等，為大戟科麻瘋樹屬落葉灌木或小喬木。其原產熱帶美洲，廣泛分布在世界熱帶地區[4-5]，目前主要分布于熱帶和亞熱帶地區，在我國分布于云南、廣西、廣東、四川、貴州、臺灣、福建等地[6]，在廣西主要分布在南寧、百色、河池、容縣等縣。麻瘋樹具有很高的價值，具有防止沙化、構建防護林、保水固土等功能[7]，麻瘋樹種子含油率在40%～60%[8]，在當今原油匱乏的時代備受關注，也是聯合國對非洲扶貧的重要項目之一。麻瘋樹種子還具有清熱解毒、消腫散淤和明顯的抗癌功效。

筆者利用不同濃度的銅溶液對麻瘋樹幼苗進行重金屬脅迫試驗，觀察種子萌發情況，測定脅迫麻瘋樹幼苗的各項生理響應指標，分析其生理生化特性的變化，研究在銅脅迫下麻瘋樹的抗逆機制和自我修復能力，以期為今后生態建設及生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

麻瘋樹種子購自云南壯大科技有限公司，品系為TB2號。

1.2 試驗方法

1.2.1 麻瘋樹種子消毒試驗。

選取飽滿種子500顆，放入燒杯中用蒸餾水浸泡12 h，再用0.2 g/L KMnO4溶液浸泡消毒10 min，用蒸餾水反復沖洗，然后將其倒入墊有棉花和定性濾紙的培養皿中。放入25 ℃恒溫培養箱中培養，培養條件設定為溫度25 ℃、濕度85%、光照1 000 lx。為了保持種子的濕度，每天定時澆灌溶液，定時觀察，并做好記錄。

1.2.2 不同濃度重金屬脅迫麻瘋樹種子試驗。每種重金屬各設置6個處理，其中一個為對照，當種子開始發芽，且芽長為2～3 cm時，將種子轉移至塑料杯中，用充分清洗吹干后的無機質沙子覆蓋并固定好，每天澆灌定量的1/2霍格蘭培養液（pH 6.4），保證種子可以充分吸收營養。

每天分別用不同濃度Cu2+的1/2完全培養液進行澆灌，其中Cu2+濃度分別為0（對照組）、25、50、100、200、400 mg/L，在室內培養至第15天，在同組中選取長勢一致的3株麻瘋樹幼苗進行各項生理指標的測定。

1.3 測定項目與方法

丙二醛與可溶性糖含量采用硫代巴比妥酸法測定；過氧化物酶（POD）活性采用愈創木酚法測定；根系活力采用氯化三苯基四氮唑法測定；細胞膜滲透壓采用外滲液電導率變化測定；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定；葉片光合色素含量采用80%丙酮萃取法測定；可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍法測定[9]。

1.4 數據分析 每組試驗重復3次，計算3次數據的平均值，然后采用Excel進行統計分析、做圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度Cu2+脅迫對麻瘋樹幼苗丙二醛含量的影響

丙二醛在重金屬脅迫下，會產生不溶性物質，影響細胞的生命活動。其含量越高，說明膜脂過氧化程度越高，植物受害程度越高[10]。從圖1可以看出，在25 mg/L Cu2+處理下，麻瘋樹丙二醛含量出現較小程度的下降，隨著Cu2+濃度的增加，丙二醛含量逐漸增多，這表明25 mg/L Cu2+處理下細胞膜維持了穩定性，對麻瘋樹幼苗生長產生一定的促進作用，高濃度金屬脅迫處理導致植株幼苗代謝機能發生紊亂。

2.2 不同濃度Cu2+脅迫對麻瘋樹幼苗可溶性糖含量的影響

可溶性糖是細胞內主要的滲透調節物質之一，是植株應對逆境的一種適應性物質，其含量隨植物細胞受傷害程度的增大而不斷增多。從圖2可以看出，可溶性糖含量在25 mg/L Cu2+時增長幅度較大，隨著Cu2+濃度的增大，可溶性糖含量不斷增多，但增長幅度不大。

2.3 不同濃度Cu2+脅迫對麻瘋樹幼苗過氧化物酶活性的影響

從圖3可以看出，Cu2+濃度低于25 mg/L時，麻瘋樹幼苗體內的過氧化物酶活性隨著Cu2+濃度的增加迅速增加，之后呈較穩定的增長趨勢。這表明在重金屬高濃度脅迫時，麻瘋樹通過增加過氧化物酶含量來抵抗外界環境。過氧化物酶是植物體內一種主要抗氧化酶之一，起到保護細胞、避免植株受到傷害的作用。在逆境條件下，通過增加其活性來提高植株的抗逆能力[11]。

2.4 不同濃度Cu2+脅迫對麻瘋樹幼苗根系活力的影響

根系活力是指整個根系的代謝狀態，通過測定其活力能夠掌握植物本身的生理生化狀況。從圖4可以看出，在Cu2+濃度25 mg/L時麻瘋樹幼苗根系活力迅速上升，表明在低濃度Cu2+脅迫時植物的某些生理生化反應加強；隨著Cu2+脅迫濃度的增加根系活力快速下降，幾乎接近死亡狀態。說明高濃度Cu2+脅迫會損害植物的根系，抑制根系代謝，根系活力降低，植株矮小。

2.5 不同濃度Cu2+脅迫對麻瘋樹幼苗葉片葉綠素含量的影響

從圖5可以看出，隨著Cu2+濃度的不斷增加，麻瘋樹幼苗葉片葉綠素含量不斷減少。在Cu2+濃度50～100、200～400 mg/L時葉綠素含量下降趨勢更明顯，變化幅度最大。由此可知，Cu2+破壞了植物的光合作用，抑制葉綠素的生成，導致植物葉片出現枯黃現象。

2.6 不同濃度Cu2+脅迫對麻瘋樹幼苗蛋白質含量的影響

可溶性蛋白質含量的變化可以作為植物抗逆性的一個指標[12]，其含量隨著麻瘋樹抗逆性的增加而增多，對植物抗逆性具有重要意義。從圖6可以看出，隨著Cu2+脅迫濃度的不斷增加，麻瘋樹幼苗蛋白質含量逐漸增加，接近直線增加的趨勢，由此可推測Cu2+對幼苗的脅迫更明顯，說明幼苗在脅迫過程中通過增加體內蛋白質含量，表現出一定的抗逆性，起到自我保護的效果。

2.7 不同濃度Cu2+脅迫對麻瘋樹幼苗電導率的影響

從圖7可以看出，在不同濃度Cu2+脅迫時，隨著Cu2+濃度的不斷增加，麻瘋樹幼苗的相對電導率均呈不斷上升趨勢，但相對而言Cu2+對細胞膜的破壞性更大，電導率上升趨勢更明顯。在重金屬脅迫時，植物細胞膜受到破壞，導致細胞內物質流失，電導率增大。

2.8 不同濃度Cu2+脅迫對麻瘋樹幼苗脯氨酸含量的影響

脯氨酸是植物體內一種重要的滲透調節物質。正常情況下，植物體內的脯氨酸含量相對較少，但在逆境脅迫下，為了保護自身體內的代謝功能，其含量會有所增加。因此，通過脯氨酸含量的變化可以了解植物在逆境條件下植物受傷害程度。從圖8可以看出，在Cu2+脅迫下，脯氨酸含量增加，特別是在高濃度時，增長速度更快。由此說明重金屬脅迫激發了幼苗的抗毒機制，這是植物在逆境下的適應表現，即防護反應。

3 結論與討論

該試驗通過測定麻瘋樹幼苗在重金屬Cu2+脅迫下各生理生化指標的變化，了解植株被脅迫后各種生理響應以及抗逆性。植物體內丙二醛含量的積累可以反映植物膜脂受傷害的程度，植物體內丙二醛含量越多，植物受傷害程度越大。該研究結果表明，在低濃度Cu2+脅迫下，麻瘋樹幼苗表現出一定的自我保護能力，丙二醛含量小幅度下降；但隨著Cu2+脅迫濃度的增加，細胞膜透性增大，膜脂過氧化水平升高，丙二醛含量不斷增多。

可溶性糖與游離脯氨酸相同，在植物對脅迫的適應性調節中，是增加滲透性溶質的重要組成成分，保持生物大分子結構的穩定和細胞膜結構的完整性，調節植株的光合作用[13]。該試驗結果表明，隨著Cu2+濃度的不斷增加，可溶性糖、脯氨酸含量都有一定程度的增加，在高濃度Cu2+最為明顯。這表明麻瘋樹幼苗在高濃度Cu2+影響下已造成一定程度的傷害，植株通過增加游離脯氨酸和可溶性糖含量提高細胞液濃度，降低細胞內外的滲透壓，保護細胞免受傷害。該結果與Bassi等[13]和劉登義等[14]的研究結果一致。

正常情況下，植株體內產生的活化氧和自由基可以起到維持體內動態平衡的作用，降低外界不良環境對植物造成的損害，遭受重金屬毒害時，活性氧和自由基會在體內大量積累，傷害植物體本身[15]。該試驗結果表明，過氧化物酶活性、根系活力和葉綠素含量，均隨Cu2+濃度的增加先下降后升高，呈負相關關系。麻瘋樹幼苗體內活性物質含量隨著Cu2+脅迫濃度的增加而大量積累，表明植物抗逆性不斷增強，這是植物自我保護的體現。

該試驗結果表明，麻瘋樹幼苗在Cu2+逆境脅迫環境中具有一定的抗逆性，具有自我保護和修復能力，但隨著Cu2+脅迫濃度的不斷增加，幼苗各生理生化指標出現異常，嚴重威脅幼苗的生命力。

參考文獻

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