錳脅迫對向日葵幼苗葉片葉綠素及膜脂過氧化的影響

楊秀德 區善曉 吳松琦 曾小飚 黃開騰 童振樊

摘 要：采用砂培實驗法，以向日葵作為試驗材料，研究不同濃度的錳脅迫對向日葵植株幼苗葉片葉綠素及膜脂過氧化的影響。結果表明：隨著錳脅迫濃度的不斷升高，向日葵幼苗葉片內葉綠素含量呈先升高再下降的趨勢，丙二醛含量則呈不斷上升的趨勢;低濃度的錳脅迫在一定程度上促進了向日葵幼苗的生長發育，高濃度的錳脅迫則嚴重破壞了生物膜的功能特性，阻礙了向日葵幼苗的生長。

關鍵詞：錳脅迫;向日葵;葉綠素;丙二醛

中圖分類號 S565.5文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2019）16-0010-03

伴隨著全球經濟的高速發展，環境問題越來越嚴重，尤其是工農業的發展，使得土壤-植物環境系統中的錳、鎳、汞、鎘等重金屬的污染日益嚴重。錳作為主要的土壤重金屬污染物之一，一旦進入土壤則很難被降解，還會通過“土壤-植物-動物”這一食物鏈不斷在生物體內富集[1]。錳是植物生長發育過程中是必不可缺的元素之一，它不僅參與了植物的光合作用、氧化還原反應，還參與多種酶代謝的過程，在生物化學過程中起著非常重要的作用[2]。作為土壤中存在的重金屬，錳對植物的影響很大，當土壤中的錳含量超過一定濃度時，植物就會發生錳中毒[3]。一旦植物發生錳中毒，則不僅僅是產量減少，更為嚴重的是導致其品質下降。近年來，眾多學者就錳對植物的生理影響進行了研究，主要從生理生化角度研究錳對植物的影響，并探究了植物對錳脅迫的響應機制[4]。

向日葵（Helianthus annuus L.）有著十分發達的根系，具有較好的抗旱耐瘠能力，且生長周期較短，對重金屬的耐受性和富集能力均較強，是理想的土壤修復植物。有研究表明，隨著鎘脅迫濃度的不斷增加，向日葵幼苗吸收鎘的能力明顯提高，但是鎘脅迫會抑制向日葵幼苗的生長，阻礙葉綠素的合成，使向日葵幼苗的游離脯氨酸和丙二醛含量升高[12]。目前，有關錳對向日葵的生長影響的研究還尚未見報道。為此，本試驗以向日葵為實驗材料，探究向日葵在不同濃度錳脅迫下葉片葉綠素的變化規律及膜脂過氧化程度，以期為重金屬生態毒理學的研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 向日葵種子金星1號，從百色市城西市場種子店購得。

1.2 試驗方法

1.2.1 浸種催芽 篩選出籽粒飽滿的優質種子，用高錳酸鉀溶液浸泡消毒、清水洗凈，然后均勻的撒在事先準備好的鋪有較厚1層紗布的托盤上，再蓋上1層紗布。用蒸餾水噴灑，使下層紗布充分濕潤，每天早晚澆灌蒸餾水，保持充足的水分，放在培養箱中發芽。

1.2.2 培育幼苗 待大部分種子萌發出芽，并且幼苗長至一定程度后，選取發芽狀況良好的種子，移栽到充滿沙礫的塑料杯中，每天用霍格蘭（Hoagland）培養液澆灌，保持杯中有充足的培養液，自然條件下培育。

1.2.3 向日葵幼苗的脅迫處理 用霍格蘭培養液培養幼苗7d后，挑選生長健壯且長勢一致的幼苗分為6組，并編號。然后用含Mn2+濃度為0mg/L（對照）、20mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、300mg/L的Hoagland培養液分別澆灌6組幼苗，進行脅迫處理，脅迫7d后，剪取向日葵幼苗葉片測定葉綠素、丙二醛（MDA）含量。3次重復。

1.2.4 測定方法 丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸法測定[5];葉綠素的含量采用分光光度計法測定[6]。

2 結果與分析

2.1 不同濃度的錳脅迫對向日葵葉片葉綠素含量的影響 如圖1所示，隨著錳脅迫濃度的不斷升高，向日葵幼苗體內的總葉綠素含量呈現出先升高、達到最大值后開始下降的趨勢。當錳脅迫濃度在20～100mg/L，葉綠素的含量呈上升趨勢，并且上升的趨勢逐漸變緩;當錳脅迫濃度在100mg/L時，向日葵幼苗中葉綠素的值達到最大，是對照組的1.58倍;Mn2+濃度為50mg/L時，向日葵中的葉綠素的含量是對照組的1.47倍，Mn2+濃度為20mg/L時，向日葵幼苗中的葉綠素的含量是對照組的1.33倍。Mn2+濃度從0mg/L升到20mg/L，向日葵幼苗中的葉綠素的含量增加33%;Mn2+濃度從20mg/L上升到50mg/L，向日葵幼苗中的葉綠素的含量增加11%;Mn2+濃度從50mg/L升到100mg/L，向日葵幼苗中的葉綠素含量增加7%。可以看出，低濃度的Mn2+可以促進向日葵幼苗體內葉綠素含量生成，促進了光合作用，從而促進了向日葵幼苗的生長。當Mn2+濃度超過100mg/L時，向日葵體內的葉綠素含量開始逐漸降低，其主要原因是較高濃度的Mn2+會阻礙向日葵幼苗對鐵（Fe）和鎂（Mg）的吸收，導致向日葵幼苗的葉綠素的合成受阻[7]，而且高濃度的Mn2+會破壞葉綠素的結構。

從圖2和圖3可以看出，向日葵體內的葉綠素a和葉綠素b含量也表現出隨著錳脅迫濃度的不斷升高，呈先上升再下降的變化趨勢，反映出低濃度的Mn2+可以促使向日葵幼苗葉片內葉綠素含量不斷增加，對促進向日葵的生長發育很有意義。當Mn2+濃度達到100mg/L時，向日葵幼苗葉綠素含量達到最高，繼續升高Mn2+濃度，則導致含量開始下降。試驗結果顯示，當植物處于生長的不利條件下時，會導致植物體內的理化性質改變，使植物體內各物質的含量都發生改變，最終直接或者間接的影響植物體內葉綠素的含量。

2.2 錳脅迫對向日葵幼苗中丙二醛（MDA）含量的影響 當植物處在不良環境中或者衰老時，植物體內的毒害物質不斷富集堆積，導致植物體內代謝混亂，引發一系列的生理生化反應，使植物受到傷害[8]。在不良環境中生長時，會生成大量的ROS（活性氧），而這些ROS則會致使膜脂發生過氧化不良反應，丙二醛（MDA）是膜脂過氧化反應的產物。從圖4可以看出，隨著錳脅迫濃度的不斷升高，向日葵幼苗中丙二醛（MDA）的含量呈現出不斷上升的趨勢，且一開始丙二醛含量的增加不是很明顯，但當Mn2+的濃度超過20mg/L時，丙二醛的含量開始快速增加，Mn2+的濃度為20mg/L、50mg/L、100mg/L、200mg/L、300mg/L，分別比對照組上升了2%、12%、30%、45%、57%。表明向日葵幼苗在錳脅迫下，隨著脅迫濃度升高，受到的傷害越加嚴重，ROS不斷在體內積累，使體內的膜脂發生氧化反應或者脫脂，生成大量的MDA，隨著錳脅迫濃度的不斷升高，向日葵體內的MDA的含量不斷升高。

3 結論與討論

植物體內的葉綠素含量的高低，會直接影響植物光合作用的強弱，從而影響阻礙植物的正常生長代謝。本試驗結果顯示，向日葵葉綠素含量隨著Mn2+濃度的不斷升高，呈現先上升，達到最大值后再下降的變化趨勢。反映出低濃度的錳脅迫可以促進植物生長發育，使向日葵幼苗體內的葉綠素的含量增加，促進向日葵幼苗的生長代謝;但當錳脅迫濃度超過100mg/L時，葉綠素的含量開始下降，其主要原因是因為高濃度的錳脅迫抑制了Fe和Mg的吸收，導致葉綠素的合成受阻，而且高濃度的Mn2+會破壞植物體內的葉綠素的結構。當植物處于生長的不利條件下時，會導致植物體內的理化性質改變，使植物體內各物質的含量都發生改變，最終直接或者間接的影響植物體內葉綠素的含量。

當植物處于逆境時，植物體內的自由基、活性氧會大量生成，毒害物質不斷的在植物體內積累，導致代謝混亂，從而引發一系列的生理生化反應。大量的活性氧和自由基存在植物體內，致使膜脂發生一系列的不良反應，產生丙二醛。本試驗結果顯示，隨著Mn2+濃度升高，向日葵中丙二醛含量呈不斷升高的趨勢，一開始升高的趨勢不是明顯，而當Mn2+的濃度超過20mg/L時，丙二醛的含量急劇升高。表明低濃度的錳脅迫對向日葵的影響不是很大，當脅迫濃度超過20mg/L時，則嚴重破壞了向日葵的生理生化反應，導致膜脂反應不斷加劇，生成了大量的丙二醛，從而阻礙了向日葵幼苗的生長發育。

參考文獻

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[3]朱瑞衛，成瑞喜，劉景福，等.土壤酸化與油菜錳毒的關系[J].熱帶亞熱帶土壤科學，1998，7（4）：280-283.

[4]任立民，劉鵬.錳毒及植物耐性機理研究進展[J].生態學報，2007，27（1）：357-360.

[5]郝再斌，蒼晶，徐仲.植物生理實驗技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004：113-114.

[6]李合生.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京：高等教育出版社，2003.

[7]向言詞，馮濤，劉炳榮，等.錳尾渣改良對4種植物吸收錳的影響[J].水土保持學報，2007，21（3）：77-80.

[8]陳少裕.膜脂過氧化對植物細胞的傷害[J].植物生理學通訊，1992，27（2）：84-89.

（責編：張宏民）