Zn2+脅迫對鳳眼蓮幼苗生理生化特性的影響*

黃雅瓊，張榮琮，鄭志宏

（福建戴云山國家級自然保護區管理局，福建 德化 362500）

隨著礦產資源的大量開發，農藥、化肥的廣泛使用以及城市污泥、污水的農用，重金屬對土壤、水體的污染越來越嚴重。過量重金屬進入環境，參與水體—土壤—生物系統的循環，通過植物的吸收在植物體內大量積累，還可通過食物鏈危及動物和人類健康。鋅是環境中的主要重金屬污染物[1-2]。

鳳眼蓮（Eichhornia crassipes），系多年生單子葉植物，屬雨久花科鳳眼蘭屬，原產于巴西[3]。近年來隨著農業生產的高度發展，內河內湖日益富營養化，導致鳳眼蓮的生長速度近乎瘋狂而大面積覆蓋水面，給環境、水利和漁業造成極大的危害[4-5]?，F成為世界上危害最嚴重的雜草之一。但鳳眼蓮在凈化水體重金屬污染、有機污染、富營養化污染等方面有強大作用。

通過水培試驗，研究了重金屬Zn2+脅迫于20 h 和20 d 時間點對鳳眼蓮幼苗一些生理生化特性的影響。本實驗采用盆栽水培鳳眼蓮的方式，通過室內模擬不同濃度的Zn2+于20 h 和20 d 兩個時間點，分別對鳳眼蓮生長量、根系活力、鈣含量、蛋白質含量進行測定分析，研究重金屬對鳳眼蓮根系活力和鈣含量的影響，為研究鳳眼蓮對Zn2+的凈化機制及探索利用鳳眼蓮解決Zn2+污染的實際問題提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 材料

本實驗所選用的鳳眼蓮采集于泉州洛陽江水域，植株健壯無病去掉枯枝殘葉，在實驗室暫養3d。

1.2 方法

1.2.1 材料的處理培養

培養鳳眼蓮的水為普通自來水，在實驗室暫養3d 后進行脅迫處理。本試驗設1 組無毒處理作對照（CK）、2個濃度的鋅元素處理組。參考趙愛紅[5]等的試驗方法，具體為在規格一致的塑料盆（h 為15 cm，d 為35 cm）中各放置培養水4 L，在脅迫處理盆中分別一次性施ZnSO4·7H2O，使水中重金屬離子的質量濃度分別為:CK、0.5 mmol·L-1Zn2+、5.0 mmol·L-1Zn2+，對照組和處理組均做 3 個重復培養，培養水為 0.5 g·L-1Ca2+營養液[6]。每盆培養大小基本一致的鳳眼蓮幼苗4 株，使其根部全部浸入到水中，共36 株。貼上標簽，并在盆子的外面沿著液面做上記號，之后以清水加入使液面一直保持在同一高度，以保證重金屬離子的濃度前后一致。重金屬脅迫20 h 和20 d后[6]，取鳳眼蓮葉片和根組織進行測試分析。

1.2.2 測定方法

鮮物質量的變化情況測定：處理前和20 d 后，稱取各個濃度中的一盆中的鳳眼蓮的鮮重。小心快速將鳳眼蓮根部的水用吸水紙吸干，于電子天平稱重，讀數完迅速放到培養液中，作好記號，以處理前后的鮮物質量的差值作為鮮物質量的變化。

采用α- 萘胺測定法進行測定鳳眼蓮根系活力[7]；鳳眼蓮組織鈣含量的測定采用甲基百里香酚藍比色法[8]；蛋白質含量測定采用考馬斯亮藍G-250 比色法[9]。

1.2.3 數據分析處理

所有試驗數據都在Excel 2000 中進行統計和相關分析，用SPSS 軟件對不同處理進行多重比較分析。

2 結果分析

2.1 Zn2+脅迫對鳳眼蓮幼苗鮮物質量的影響

表2 Zn2+脅迫對鳳眼蓮鮮物質量的影響

由表2可知，與對照組比較，于20 d 內，鋅脅迫對鳳眼蓮幼苗生長的抑制強度為：5.0 mmol·L-1Zn2+＞0.5 mmol·L-1Zn2+，0.5 mmol·L-1Zn2+作用時鳳眼蓮的鮮物質量增長了5.671%，5.0 mmol·L-1Zn2+處理鮮重降低了18.768%。

2.2 Zn2+污染對鳳眼蓮根系活力的的影響

表3 Zn2+脅迫對鳳眼蓮幼苗根系活力的影響

由表3可知，在短期（20 h），與對照組比，0.5 mmol·L-1Zn2+對根系活力的影響不顯著性，5.0 mmol·L-1Zn2+對根系活力有顯著性的抑制作用，其根系活力降低28.79%；隨著時間延長到20 d 時，對照組的根系活力有所上升；2 個濃度處理對根系活力均有顯著性的抑制作用，且對比20 h 的幅度更大。

2.3 Zn2+脅迫對鳳眼蓮根和葉鈣含量的的影響

2.3.1 Zn2+脅迫對鳳眼蓮幼苗葉片中鈣含量的影響

由表4可知，急性試驗（20 h），5.0 mmol·L-1Zn2+對比 0.5 mmol·L-1Zn2+脅迫鈣含量顯著下降；20 d 脅迫后，2個濃度處理對比20 h，鈣含量均表現為顯著性降低。

2.3.2 Zn2+脅迫對鳳眼蓮幼苗根中鈣含量的影響

表5 Zn2+脅迫對鳳眼蓮幼苗根中鈣含量的影響

由表5可知，短期急性處理（20 h），5.0 mmol·L-1Zn2+對比對照使鳳眼蓮幼苗根中鈣含量發生顯著性增加，0.5 mmol·L-1Zn2+對比對照組沒有使其鈣含量發生顯著性變化；但在處理20d 后，0.5 mmol·L-1Zn2+對比對照組沒有發生顯著性變化，5.0mmol·L-1Zn2+處理使鈣含量顯著性增加。

2.4 Zn2+脅迫對鳳眼蓮根和葉蛋白質含量的的影響

2.4.1 Zn2+脅迫對鳳眼蓮幼苗葉中蛋白質含量的影響

由表6可知，這組重金屬處理在20 h 急性試驗中對比對照組，鳳眼蓮葉中蛋白質含量均發生顯著性的降低；當脅迫天數延長到20 d 時，各組對比對照組，蛋白質含量亦顯著性降低；5.0mmol/L Zn2+對比0.5 mmol/L Zn2+，蛋白質含量顯著性增加；5.0mmol/L Zn2+對比20 h 時上升了5.99%。

2.4.2 Zn2+脅迫對鳳眼蓮幼苗根中蛋白質含量的影響

由表7可知，2個濃度鋅處理使鳳眼蓮幼苗根中蛋白質含量在短時間20 h內有所上升，0.5 mmol/LZn2+和5.0mmol/LZn2+急性脅迫對照對照組分別使根中蛋白含量上升9.99%和38.92%；20 d后，2個濃度處理組的蛋白質含量進一步下降；0.5mmol/LZn2+對比對照組蛋白質含量顯著性增加，5.0mmol/LZn2+對比0.5mmol/LZn2+蛋白質含量顯著性減少。

3 討論

Zn2+處理對鳳眼蓮幼苗的生長發育具有不同程度的抑制作用[10-12]。隨著Zn2+脅迫濃度的升高，鳳眼蓮鮮物質量降低，不同的重金屬造成鳳眼蓮鮮物質量的下降幅度由大到小的順序為5.0 mmol·L-1Zn2+＞0.5mmol·L-1Zn2+。

測定根系活力實際是測定根中脫氫酶的活性。根系活力降低表明根中的能量轉化和物質轉化過程受阻。這樣勢必干擾根中的代謝，使物質代謝與能量轉化不能正常進行，最終使鳳眼蓮幼苗生長受阻。外源添加重金屬Zn2+破壞了植株根細胞結構，引起自由基過氧化損傷，并刺激根系分泌酚酸物質而抑制根系生長，使鳳眼蓮受到不可逆的傷害[13]根系活力是反應根系生命活動強弱的一個生理指標。不同重金屬以及不同濃度對鳳眼蓮幼苗根系的影響不同。

本試驗中，0.5 mmol·L-1Zn2+的處理，與對照組比，在20 h 內增大35.43%，20 d內降低73.57%，這表明低濃度Zn2+可能對根系活力有促進作用。這可能是根系對低濃度重金屬脅迫有一定的應激能力，通過提高代謝作用來緩解重金屬脅迫的傷害，但是隨著處理時間的延長，強的呼吸代謝造成能量的過多消耗，抑制了植株的生長，導致根系活力下降，且時間越長，根系活力下降幅度越大。說明隨著時間推移，重金屬污染對鳳眼蓮幼苗根系活力抑制作用急劇增加，而根系的抵抗作用逐漸消失，因而對根系生長發育產生了顯著抑制作用。

蛋白質是細胞中最重要的含氮生物大分子之一，承擔著各種生物功能。重金屬Zn2+低濃度處理于短期20h內，鳳眼蓮根內蛋白質含量高于對照，可能是由于重金屬單獨處理能增加鳳眼蓮根內蛋白質的合成，也可能是低濃度的重金屬蛋白質的少量合成[14-16]；在20d時，Zn2+處理導致鳳眼蓮根蛋白含量顯著低于對照。這表明，Zn2+隨著時間的延長能抑制鳳眼蓮根內蛋白質的合成。

而Zn2+處理導致鳳眼蓮幼苗葉內蛋白含量顯著（p＜0.05）低于對照。這表明，Zn2+能抑制小麥葉內蛋白質的合成，且重金屬濃度越大，其抑制作用越強。

重金屬可影響蛋白質含量，其作用機理尚不十分清楚，可能與干擾蛋白質合成系統的Mg2+和K+有關，也可能直接以DNA為靶子，干擾基因表達，從而影響蛋白質合成[17]重金屬脅迫的鳳眼蓮幼苗可溶性蛋白質含量在實驗時間內逐漸減少，這可能是因為重金屬脅迫導致鳳眼蓮幼苗可溶性蛋白質合成受阻或分解加速，并隨著脅迫天數的延長而加劇，詳細機理有待于進一步研究。

在本試驗中重金屬的脅迫作用使鳳眼蓮幼苗葉和根中鈣含量分別呈增加和降低的趨勢。這可能是因為鈣在鳳眼蓮植物體內可以促進其增強抗逆性有關。鈣是體內的“第二信使”，鈣調素（Calmodulin，CaM）是普遍存在于真核細胞中的一種重要的多功能鈣受體蛋白，Ca2+能與CaM結合，進一步激活CaM依賴體系，共同完成諸如肌肉收縮、細胞增殖、離子通透、細胞分泌、胞吐胞飲、糖脂代謝、受精等幾十種重要的生理功能以及體內3多種酶活性的調節。因此，Ca2+與CaM結合導致CaM活性構象的生成是CaM發揮功能的前提。由于Zn2+能夠在一定程度上與CaM結合，盡管結合方式不盡相同，但仍能產生類似于Ca2+的作用，從而能夠激活CaM的靶酶，大量實驗結果表明，Zn2+離子能在低濃度時通過活化CaM激活CaM靶酶，高濃度時，則通過抑制酶的基礎活力抑制CaM靶酶，即所謂“雙相效應”[18，19]。

鈣可以緩解重金屬對鳳眼蓮幼苗造成的毒害，其機理[20]在于一方面通過與重金屬競爭質膜上的吸附，減少鳳眼蓮對重金屬的吸收。表現在鈣降低鳳眼蓮各亞細胞組分中的重金屬含量，且具有一定的時間效應。另一方面，鈣不僅作為一種植物必需的大量營養元素，更重要的是作為細胞內的第二信使，啟動一系列的生理過程，形成細胞的逆境傷害和適應機制。表現在鈣調節鳳眼蓮體內重金屬的亞細胞分布，促進合成植物絡合素、促進鳳眼蓮光合作用、提高抗氧化酶系的活性和促進鳳眼蓮有效成分的合成等方面。

4 結語

Zn2+處理一定時間（20 d）均可造成鳳眼蓮幼苗生長緩慢。

在急性試驗20 h 內，低濃度Zn2+處理可以促進鳳眼蓮幼苗的根系活力，高濃度Zn2+直接抑制鳳眼蓮幼苗根系活力。在處理20 d 后，其根系活力均表現為降低。

Zn2+處理在急性試驗20 h 內和處理20 d 后，均可造成鳳眼蓮幼苗葉和根中蛋白質含量的降低。

在急性試驗20 h 內，Zn2+處理使鳳眼蓮幼苗葉中鈣含量增加，根中鈣含量減少；在處理20 d 后，各處理組對鳳眼蓮組織中鈣含量影響不同，有的增加，有的減少。