多環芳烴脅迫菜心葉片上下表皮對其生理特性的影響

李朋欣　龍明華　喬雙雨　唐璇　張會敏　梁勇生

摘要：以菜心為試驗材料，設定對照（CK）與低、中、高4個不同的多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，簡稱PAHs）濃度：0.0（CK）、0.3、0.6、0.9 mg/L，分別脅迫菜心葉片上表皮（A1處理）和下表皮（A2處理），比較不同濃度的PAHs及脅迫部位對菜心生理特性的影響。結果表明，A1、A2處理均使菜心株高降低，且隨著處理濃度的增加，株高逐漸降低，A1處理比A2處理降低得更多。A1處理在高濃度PAHs處理下的葉綠素含量達到最大值，A2處理在低濃度PAHs處理下的葉綠素含量達到最大值。A1、A2處理的丙二醛（MDA）含量增加，且在中、高濃度下，A2處理比A1處理的MDA含量增加得更多。A1處理的可溶性蛋白含量有所增加，A2處理的中、低濃度可溶性蛋白含量有所減少，但與對照組相比無明顯差異。A1、A2處理的過氧化物酶（POD）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性均降低，且A2處理比A1處理的APX活性降低得更為明顯，A1、A2處理的過氧化氫酶（CAT）活性均增高。由結果可知，在不同濃度的PAHs和不同脅迫部位處理下，菜心的株高均降低，葉表比葉背處理降低得更多;用0.0～0.9 mg/L PAHs處理葉表和葉背，對菜心葉片葉綠素含量均有促進作用。中、高濃度PAHs處理葉背比處理葉表的MDA含量增加得更多。PAHs處理對菜心可溶性蛋白含量無明顯影響。總體看出，在PAHs處理下，POD、APX活性降低，CAT活性提高，且處理葉背的APX活性降低得更為明顯。

關鍵詞：多環芳烴;菜心;上表皮;下表皮;生理特性

中圖分類號： TQ450.1+2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0175-04

多環芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，簡稱PAHs）是一類分子中包含2個及2個以上苯環的碳氫化合物的總稱，是有機物在沒有充分燃燒的條件下產生的，它是當前自然環境污染與食品污染的罪魁禍首之一[1-3]。1979年美國環境保護局發布的129種優先監測的污染物中，就有16種是PAHs[4-7]。PAHs在環境中難以降解，由于它們具有半揮發性、脂溶性特點，因而可以通過大氣沉降作用經過植物葉片進入植物體內或者進入土壤中被植物根系吸收，并在植物體內遷移、代謝和積累，進而通過食物鏈危害人們的身體健康[8]。疏水性較強且亨利系數>10-4的有機污染物易從土壤中揮發至空氣中，進而通過葉面吸收進入植物體內[9]。葉片對大氣中PAHs的吸收主要是通過蠟狀葉表面對大氣沉降物中顆粒態PAHs的攝取或者葉片角質層和氣孔對氣態PAHs的吸收進行的[10-11]。Howsam等研究發現，植物葉片中的脂肪含量與葉表皮的蠟質對親脂性PAHs的富集具有重要影響[12]。

目前，國內外的研究多集中在PAHs的環境行為方面，關于PAHs對蔬菜影響的研究較少。菜心（Brassica campestris L. ssp. chinensis var. utilis Tsen et Lee）在我國華南地區分布較廣，本試驗擬研究不同濃度PAHs脅迫菜心葉片上表皮、下表皮對菜心生理特性的影響，分析上表皮、下表皮吸收PAHs量的不同而導致菜心生理特性的差異，以期為評估菜心葉片上表皮、下表皮分別吸收PAHs后的生理特征響應變化提供一些基礎數據，從而為菜心乃至蔬菜PAHs污染物的防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采用廣州市愛普農農業科技有限公司研制的超純種501柳葉油綠甜菜心品種為供試材料。選用廣州大觀農化科技有限公司生產的泥炭作為基質。營養液配方參考華南農業大學研究得出的葉菜類營養液配方[13]。PAHs混合液選用16種PAHs中的5種：萘（NAP）、菲（PHE）、熒蒽（FLA）、苯并（a）蒽（BaA）、苯并（a）芘（BaP）。10 mg/L PAHs混合液的配制方法如下：用精確度為0.1 mg的電子天平分別稱取 0.002 0 g 萘、菲、熒蒽、苯并（a）蒽、苯并（a）芘，加入丙酮進行充分溶解并定容至1 L，將配制好的PAHs混合液裝入棕色瓶中密封保存，并放入4 ℃冰箱中保存備用，使用時稀釋成0.3、0.6、0.9 mg/L濃度的溶液，以蒸餾水為對照。

1.2 試驗方法

2017年2月22日將超純種501柳葉油綠甜菜心播種于廣西大學農學院蔬菜基地的溫室大棚中，采用穴盤育苗。待菜心幼苗長至2葉1心時，定植于上口直徑15 cm、下口直徑13 cm、高16 cm的塑料花盆中，每盆種3株，采用盆栽基質栽培，澆灌營養液。以后每7 d澆灌1次營養液，其他管理措施與常規栽培措施相同。3月31日用不同濃度的PAHs混合液分別對菜心葉片上表皮（A1處理）和下表皮（A2處理）進行涂抹處理。隔2 d處理1次，共處理3次，每個處理設3個重復。

1.3 指標測定

最后1次處理完成后，第3天進行株高的測定。之后采集菜心的地上部分帶回實驗室，用清水清洗葉片表面并用濾紙吸干表面的水分。根據所測定生理指標的需要，分別稱取葉片鮮樣并用錫箔紙包好，用液氮迅速冷卻后，置于-40 ℃冰箱中保存備用。

葉綠素含量采用丙酮提取法[14]測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法[14]測定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法[15]測定，過氧化物酶（POD）活性采用氧化愈創木酚法[15]測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度法[15]測定，抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性采用Nakano等的方法[16]測定。每個處理重復測定3次。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2003進行計算并制圖，根據制作的折線圖進行數據結果的分析。

2 結果與分析

2.1 PAHs脅迫對菜心株高的影響

由圖1可以看出，隨著PAHs處理濃度的增加，菜心的株高逐漸降低，A1處理組的株高在不同PAHs濃度下分別比對照組（CK）下降了5.36%、6.92%、7.59%，A2處理組的株高分別下降了5.01%、5.16%、6.92%，說明PAHs脅迫濃度越高，對株高的抑制作用越強，A1處理組的株高比A2處理組下降得更多，說明用PAHs處理上表皮比處理下表皮對菜心株高的抑制作用更強。處理組與對照組相比株高均明顯下降，各處理組間無明顯差異。

2.2 PAHs脅迫對菜心葉綠素含量的影響

由圖2、圖3、圖4可以看出，菜心葉片中的葉綠素a含量比葉綠素b含量高;隨著PAHs處理濃度的增加，A1處理組的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量都有上升的趨勢，在用 0.9 mg/L PAHs處理時，葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量達到最大值，分別比對照組升高了55.07%、44.19%、52.05%，并且在中濃度和高濃度處理之間無明顯差異。A2處理組的葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量都呈現先上升后下降的趨勢，在 0.9 mg/L PAHs處理下，葉綠素含量仍高于對照組，在 0.3 mg/L PAHs處理下，葉綠素含量達到最大值，分別比對照組升高了55.76%、79.63%、62.19%。以上結果說明，用 0.3～0.9 mg/L PAHs處理菜心葉片上表皮、下表皮，對菜心葉片葉綠素的含量都有促進作用。

2.3 PAHs脅迫對菜心丙二醛含量的影響

丙二醛是膜脂過氧化作用最重要的產物之一，其含量在一定程度上反映了膜系統的受損程度及植物的抗逆性。由圖5可以看出，與對照組相比，A1處理組的丙二醛含量增加，且低濃度PAHs處理組明顯高于對照組，比對照組提高了 35.67%。隨著PAHs濃度的增加，A2處理組的丙二醛含量逐漸增加，高濃度PAHs處理組的丙二醛含量比對照組提高了59.06%。以上結果表明，在不同脅迫部位和不同PAHs濃度處理下，菜心葉片的丙二醛含量都增加了，可見用低濃度PAHs處理葉片上表皮和用高濃度PAHs處理葉片下表皮會對葉片的膜系統產生較大傷害。

2.4 PAHs脅迫對菜心可溶性蛋白含量的影響

植物體內的可溶性蛋白大多是參與各種代謝活動的酶類，其含量是反映植物總體代謝活動的重要指標之一。由圖6[CM（25*8]可以看出，與對照組相比，A1處理組的可溶性蛋白含量均

有增加，低、高濃度PAHs處理的可溶性蛋白含量分別比對照組提高了8.61%、9.84%。A2處理組的低、中濃度PAHs處理的可溶性蛋白含量低于對照組，0.6 mg/L PAHs組較對照下降了5.32%。由以上結果可知，用PAHs處理菜心葉片上表皮，可以使菜心葉片的可溶性蛋白含量增加，從而使植物總體代謝活動增強。

2.5 PAHs脅迫對菜心POD活性的影響

由圖7可以看出，A1、A2處理組的POD活性與對照組相比都有所下降。當A1處理組的PAHs濃度分別為0.3、0.6、0.9 mg/L時，POD活性分別比對照組下降了46.17%、45.87%、50.18%，低、中濃度處理組之間差異不明顯。A2處理組中的PAHs濃度為0.6 mg/L處理組的POD活性最低，比對照組下降了47.27%，而高濃度PAHs處理組的POD活性比對照組下降了29.50%，說明用PAHs脅迫菜心葉片上表皮、下表皮后，均使菜心的POD活性降低。與其他處理組相比，用 0.9 mg/L PAHs處理菜心葉片下表皮后，POD活性有所提高。

2.6 PAHs脅迫對菜心CAT活性的影響

由圖8可以看出，A1的低濃度、高濃度PAHs處理組的CAT活性均明顯高于對照組，分別比對照組提高了 42.22%、34.41%，與對照組相比，中濃度PAHs處理組的CAT活性略微上升，但是差異不明顯。A2處理組的CAT活性先升高后下降，在0.6 mg/L PAHs處理下的CAT活性達到最大值，比對照組提高了65.80%，且在此濃度下，A1、A2處理組間的CAT活性差異最明顯。分析以上結果可知，用低濃度和高濃度PAHs脅迫菜心葉片上表面，可以使葉片的CAT活性增強;用0.6 mg/L PAHs脅迫菜心葉片下表面，對菜心CAT活性的促進作用最強。

2.7 PAHs脅迫對菜心APX活性的影響

由圖9可以看出，A1、A2處理組的APX活性明顯低于對照組，且A2處理組比A1處理組的APX活性下降得更多。A1的中濃度PAHs處理的APX活性最低，比對照組降低了49.30%，低、高濃度PAHs處理之間差異不明顯。A2處理組中，低濃度PAHs處理的APX活性最低，比對照組下降了63.38%，隨著處理濃度的增加，APX活性有升高的趨勢。

3 結論與討論

植物葉片的表皮可以分為上表皮和下表皮，植物葉片表皮由角質層覆蓋，起著保護葉片和降低水分揮發損失的作用，一般上表皮具有比下表皮更厚的角質層。角質層由角質和覆蓋于角質上的蠟質共同構成[17]。植物的角質層在化學組成上主要是一些脂肪物質，這些囤積于葉片表面的脂肪物質是揮發半揮發性有機污染物進入植物體內的主要途徑[18]。由此可知，植物葉片上表皮含有的脂肪物質比下表皮的多，葉片上表皮吸收的揮發、半揮發性有機污染物比下表皮的多。植物葉片上也分布著較多的氣孔，一般而言陽生植物葉片的下表皮上有較多的氣孔，有機污染物也可以通過氣孔途徑進入植物體內[17]。大多數揮發、半揮發性有機污染物主要通過角質層被吸收進入植物葉片中，通過氣孔吸收的量微不足道[19-20]。Barber等研究發現，角質層較難穿透，且氣孔密度較高時，氣孔的吸收途徑相對重要;而當角質層極易穿透時，氣孔的作用幾乎為零[21]。

本研究分析了用不同濃度PAHs脅迫菜心葉片上下表皮對菜心生理特性的影響。結果表明，PAHs脅迫對菜心株高有一定的抑制作用，隨著濃度的增加，菜心株高逐漸降低。處理葉片上表皮比處理葉片下表皮對菜心株高的降低作用更大，可能是由于菜心葉片上表皮比下表皮含更多的脂肪，吸收的PAHs較多，因而對株高的抑制作用更強。用高濃度PAHs處理葉片上表皮和用低濃度PAHs處理葉片下表皮對菜心葉片葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素含量均有明顯的促進作用，當處理葉片下表皮的PAHs濃度在0.3 mg/L以上時，葉綠素含量有下降趨勢，而葉片上表皮處理組的葉綠素含量仍然升高，說明在一定的PAHs濃度范圍內，處理上表皮比處理下表皮使菜心葉片葉綠素含量增加得更多。

用不同濃度PAHs處理菜心葉片上表皮和下表皮，均使菜心葉片內的MDA含量增加，導致葉片膜脂過氧化，并且用PAHs處理菜心葉片下表皮時，隨著處理濃度的增加，膜脂過氧化增強，膜受損傷的程度增強。可溶性蛋白具有較強的親水膠體性質，能夠影響細胞的保水力，植物可以通過可溶性蛋白的主動積累來降低滲透勢，進行滲透調節[22]。在菜心葉片上表皮、下表皮分別受到PAHs脅迫后，處理葉片上表皮的菜心可溶性蛋白含量有所增加，處理下表皮的則相反。可能由于上表皮細胞受到脅迫后，細胞滲透勢增強，可溶性蛋白含量增加而降低了其滲透勢。

當植物處于逆境條件時，會導致活性氧在體內的過量積累，從而對植物造成傷害。而植物體為了保護自身免受活性氧的傷害，形成了內源保護系統，包括植物細胞膜的酶保護系統、非酶抗氧化劑[23]。本研究表明，菜心葉片上表皮、下表皮受到PAHs脅迫后，葉片中的POD、APX活性均降低，并且處理下表皮比處理上表皮后APX活性降低得更明顯，原因可能是在逆境環境下，菜心葉片中的POD、APX作用于PAHs脅迫產生的H2O2，將其轉化為其他活性較低的物質，從而使植株能夠正常生長，且下表皮受到PAHs脅迫后，APX發揮保護機體的作用更加明顯。用PAHs處理菜心葉片上表皮和下表皮均使CAT活性提高，且處理下表皮的CAT活性先升高后降低，說明用0.0～0.6 mg/L PAHs處理菜心下表皮對CAT的活性有一定的促進作用，而高濃度PAHs使CAT蛋白受到了破壞或產生了抑制作用。

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