萘脅迫對菖蒲生長和生理特性的影響

賴聞玲，賴姝靈，張曉媛，方 蕾

(贛南師范學院生命與環境科學學院，江西贛州 341000)

?

萘脅迫對菖蒲生長和生理特性的影響

賴聞玲，賴姝靈，張曉媛，方 蕾

(贛南師范學院生命與環境科學學院，江西贛州 341000)

摘要[目的]探尋菖蒲應用于多環芳烴污染修復的可行性。[方法]用人工配制不同濃度的含萘廢水培養菖蒲，研究了萘脅迫對菖蒲生長和葉片葉綠素、脯氨酸、丙二醛含量的影響。[結果]萘脅迫下，菖蒲的株高和生物量增長均顯著降低，葉片葉綠素含量顯著上升，而脯氨酸含量和丙二醛含量在低濃度(5.0 和10.0 mg/L)萘脅迫下變化不顯著，在高濃度(20.0 mg/L)萘脅迫下顯著上升。[結論]萘脅迫下菖蒲生長受到抑制，但菖蒲能抵抗較高濃度的萘脅迫，可以作為多環芳烴污染修復的植物種。

關鍵詞萘；菖蒲；生長；葉綠素；脯氨酸；丙二醛

多環芳烴(PAHs)作為一類持久性有機污染物，在環境中很難降解，其中一些種類具有強烈的致癌、致畸和致突變性，因此被很多國家列為優先控制污染物。其中，NAP(萘)及其衍生物是化工、農業、醫藥產業中重要的原料和中間體，這些產業的廢水中含有較高濃度的NAP，排放進入環境會造成不同環境介質的污染，是最常見的PAHs 污染物[1-2]。已有大量的研究利用水生植物來凈化污水中的重金屬、各種有機污染物，但水生植物對水體中多環芳烴的凈化研究還很少。菖蒲(AcoruscalamusL.)，天南星科菖蒲屬多年生植物，常用作人工濕地植物和水生造景植物，具有形態美觀適于觀賞、生長適應性強、管理粗放的特點，并且對污染水體有較強的凈化能力[3-5]。為探尋菖蒲實際應用于含PAHs廢水植物修復的可行性，筆者以萘為多環芳烴的代表物質，模擬含萘廢水，研究了萘脅迫下菖蒲葉片葉綠素、脯氨酸和丙二醛3種生理指標的變化，以期為含PAHs廢水的植物修復提供理論依據和數據參考。

1材料與方法

1.1試驗材料和處理菖蒲(AcoruscalamusL.)取自試驗儲備池，洗凈泥土，在自然光照下，經自來水、1/4和1/2濃度Hongland營養液預培養后，選擇生長勢較為一致的植株移入裝有等量營養液(3 L)的塑料桶中，以打有孔洞的泡沫塑料板作為漂浮載體。溶液中萘濃度分別為0、5.0、10.0、20.0 mg/L(丙酮用作助溶劑)，每個濃度設置3個重復。塑料桶外用黑色塑料袋包裹，以避免根系和溶液見光。分別在加萘后的第2、第5、第10天取樣，選取每株植物正常的葉片0.5 g，相同處理的樣品混勻用于測定各項生理指標。

1.2測定方法植物的生長情況以試驗結束時株高和生物量的增長量表示。試驗開始和結束時用直尺測量株高，計算株高增長量。移栽時稱量整株鮮重，另取同一批3株植物于80 ℃下烘至恒重后稱其干重，計算含水量，以此換算植物的干重；試驗結束時收獲植物，于80 ℃下烘至恒重后稱其干重，精確至0.001 g。葉綠素含量采用分光光度計法[6]測定，單位mg/g FW；脯氨酸(PRO)含量采用酸性茚三酮法[6]測定，單位μg/g FW；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸顯色法[6]測定，單位μmol/g FW。

1.3數據處理運用SPSS 16.0和EXCEL軟件進行統計分析，其中不同濃度和時間之間的方差分析及差異性分析采用One-Way ANOVA和LSD檢驗(雙尾)。

2結果與分析

2.1萘脅迫對菖蒲生長的影響萘脅迫顯著抑制了菖蒲的生長(圖1)。從株高增長看，受不同濃度萘脅迫10 d，菖蒲株高增長都極顯著低于對照(P< 0.01)，并且萘濃度越高，株高生長越受限制，其中較低濃度5.0和10.0 mg/L之間差異不顯著，高濃度(20.0 mg/L)時的株高增長量最低，極顯著低于其他濃度(P<0.01)。萘脅迫同樣顯著抑制了菖蒲生物量的積累，低濃度的萘脅迫就使得菖蒲的生物量增長極顯著低于對照(P<0.01)，并隨萘脅迫的加劇生物量增長顯著降低。相關性分析顯示，株高和生物量的增長量都與萘濃度呈極顯著負相關(P<0.01)。

圖1　萘對菖蒲生長的影響

2.2萘脅迫對菖蒲葉片葉綠素含量的影響萘脅迫快速引起菖蒲葉綠素含量的升高，隨著時間的推移，萘脅迫的影響逐漸減弱(圖2)。受萘脅迫的第2天，各濃度萘脅迫下的葉綠素含量極顯著增加(P<0.01)，并且脅迫越強，葉綠素含量越高，此時葉綠素含量與萘濃度呈極顯著正相關(P<0.01)，但不同萘濃度處理間差異不顯著。隨著脅迫時間延長，受脅迫菖蒲葉片的葉綠素含量逐漸降低接近對照，其中低濃度(5.0 mg/L)降低的最快，第5天時比第2天下降了44%；到第10天，所有濃度萘脅迫下菖蒲葉片葉綠素含量仍顯著高于對照(P<0.01)，但低濃度(5.0 mg/L)下的葉綠素含量僅比對照高9%。

圖2　萘對菖蒲葉片葉綠素的影響

2.3萘脅迫對菖蒲葉片脯氨酸含量的影響 萘脅迫對菖蒲葉片中游離脯氨酸含量的影響與脅迫強度有關(圖3)。低濃度(5.0 mg/L)萘脅迫下，短時間內游離脯氨酸含量上升，隨著時間的推移，脯氨酸含量逐漸下降，但與對照的差異都不顯著；較高濃度(10.0 mg/L)萘脅迫下，短時間內(2 d)脯氨酸含量略微下降，隨著時間推移，脯氨酸含量緩慢上升，期間變化趨勢和含量都接近對照；高濃度(20.0 mg/L)脅迫對脯氨酸含量的影響較明顯，初期含量顯著低于對照(P<0.05)，隨著時間推移，脯氨酸含量快速升高，不同時間處理間的差異極顯著(P<0.01)，到第10天已極顯著高于對照(P<0.01)，為對照的167%。

圖3　萘對菖蒲葉片脯氨酸含量的影響

2.4萘脅迫對菖蒲葉片丙二醛含量的影響高濃度(20.0 mg/L)萘脅迫對菖蒲葉片丙二醛含量的影響較大，初期(2 d)丙二醛含量略高于對照，差異不顯著(P>0.05)，隨著時間的推移影響逐漸顯現，丙二醛含量在脅迫的中后期顯著高于對照(P<0.05)，而中、低濃度萘脅迫(10.0和5.0 mg/L)對菖蒲葉片中丙二醛含量影響不顯著(圖4)。

圖4　萘對菖蒲葉片丙二醛含量的影響

3討論

3.1萘脅迫下菖蒲的生長狀況植物受脅迫最直接的表現就是生長受抑制、生理指標發生變化。該研究中，萘脅迫下菖蒲的株高和生物量的增長都受到抑制，并且抑制作用隨脅迫強度而增強，這與其他受多環芳烴脅迫的植物表現一致[7-10]。

3.2萘脅迫下菖蒲葉片葉綠素含量的變化葉綠素是葉綠體中主要的色素成分，在光能的吸收、傳遞和轉換中起著重要的作用。葉綠素的含量是影響光合作用的物質基礎，直接影響植物光合效率。葉綠素含量減少是衡量葉片衰老的重要生理指標。人們普遍認為外界脅迫會破壞葉綠素合成酶，或者激活葉綠素降解酶，從而導致葉綠素含量的下降。鹽脅迫使大黃龍船花幼苗[11]、沙棘幼苗[12]和西瓜幼苗[13]、木薯幼苗[14]、咖啡葉[15]等葉綠素含量下降，水分脅迫如淹水使得鋪地木藍[16]、金桔[17]葉綠素含量降低。有些植物在重金屬和金屬離子脅迫下葉綠素含量降低[18-19]，也有些品種在金屬離子脅迫下葉綠素增加[19]。關于多環芳烴脅迫的研究中，許多植物如擬南芥[10]、水葫蘆[20]和狐尾藻[9]等水生植物的葉綠素含量都因多環芳烴脅迫而降低，且降低程度隨脅迫強度的增強而上升。但也有研究發現，玉米幼苗受萘脅迫的刺激，葉綠素含量顯著增加[21]。該研究中，菖蒲葉片受萘脅迫反應迅速，短期內葉綠素含量急劇上升，而后慢慢恢復，這可能是菖蒲對抗萘脅迫的反應。葉綠素含量增加，意味著植物的光合效率加強，累積生物量應增多，但試驗結果卻相反，意味著菖蒲受萘脅迫時，可能其他光合作用的因素如ATT受到抑制，或者植物生長過程的其他條件受到影響，從而導致生物量積累減少，還需通過試驗進一步研究。

3.3萘脅迫下菖蒲葉片脯氨酸含量的變化植物的脯氨酸可以調節細胞滲透，并幫助清除多余氧自由基，許多植物在受到逆境脅迫時都能積累高水平的脯氨酸，如鋁脅迫[19]、鹽脅迫[11]、萘脅迫[20]都促使植物葉片中脯氨酸含量升高，因此脯氨酸積累常常作為植物受到脅迫的一種信號和抗脅迫的指標。該研究中，10.0和5.0 mg/L的萘脅迫對菖蒲葉片中脯氨酸含量沒有顯著影響，只有高濃度20.0 mg/L且長時間脅迫時脯氨酸含量才顯著增加，說明菖蒲可以較好地適應萘脅迫。

3.4萘脅迫下菖蒲葉片丙二醛含量的變化植物在逆境條件下容易產生大量活性氧，使植物細胞膜產生脂質過氧化，丙二醛是其產物。大多數研究都以MDA 的積累來表征植物在脅迫因子作用下的損傷程度[19-20]。該試驗中，菖蒲葉片中MDA含量變化類似于脯氨酸，在10.0和5.0 mg/L的萘脅迫下，菖蒲葉片中MDA含量沒有顯著變化，只在高濃度20.0 mg/L且長時間脅迫時MDA含量才顯著增加，說明菖蒲在萘脅迫下產生的活性氧較少、脂質過氧化程度低，可適應較高濃度的萘脅迫。

4結論

萘脅迫下菖蒲生長受到抑制，但葉片葉綠素含量隨脅迫強度的增強而增加；從脯氨酸和丙二醛含量的變化來看，菖蒲能夠抵抗較高濃度的萘脅迫，可以作為多環芳烴污染修復的植物種。

參考文獻

[1] 段永紅，陶澍，王學軍，等.天津表層土壤中多環芳烴的主要來源[J].環境科學，2006，27(3)：524-527.

[2] WILCKE W，KRAUSS M，SAFRONOV G，et al.Polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs)in soils of the moscow region-concentrations，temporal trends，and small-scale distribution[J].Environmental quality，2005，34：1581-1590.

[3] LAI W L，WANG S Q，PENG C L，et al.Root characteristics related to plant growth and nutrient removal of 35 wetland plants[J].Water research，2011，45：3941-3950.

[4] 李莎莎，田昆．不同空間配置的濕地植物群落對生活污水的凈化作用研究[J].生態環境學報，2010，19(8)：1951-1955.

[5] MA B，WANG J J，XU M M，et al.Evaluation of dissipation gradients of Polycyclic aromatic hydro in rice rhizosphere utilizing a sequential extraction procedure[J].Environmental pollution，2012，162：413-421.

[6] 王學奎.植物生理生化實驗原理和技術[M].2版.北京：高等教育出版社，2006.

[7] 蔡順香，何盈，蘭忠明，等.小白菜葉內葉綠素和抗氧化系統對芘脅迫的動態響應[J].農業環境科學學報，2009，28(3)：460-465.

[8] 劉建武，林逢凱，王郁，等.多環芳烴(萘)污染對水生植物生理指標的影響[J].華東理工大學學報，2002，28(10)：520-524.

[9] 周晶，苑芳惠，劉春辰，等.多環芳烴(萘)污染對南四湖狐尾藻生理指標的影響[J].曲阜師范大學學報，2013，39(2)：86-90.

[10] 葉媛蓓.擬南芥對多環芳烴脅迫的生理響應[D].福州：福建農林大學，2007.

[11] 陸鑾眉，吳福妹，張瓊，等.NaCl脅迫對大黃龍船花生長及生理生化的影響[J].熱帶亞熱帶植物學報，2015，23(3)：262-267.

[12] 秦景，董雯怡，賀康寧，等.鹽脅迫對沙棘幼苗生長與光合生理特征的影響[J].生態環境學報，2009，18(3)：1031-1036.

[13] 朱紅菊，劉文革，趙勝杰，等.NaCl脅迫對不同倍性西瓜幼苗葉片葉綠素含量的影響[J].中國瓜果，2015(9)：75-78.

[14] 安飛飛，簡純平，楊龍，等.木薯幼苗葉綠素含量及光合特性對鹽脅迫的響應[J].江蘇農業學報，2015(3)：500-504.

[15] FRANCK N，VAAST P.Limitation of coffee leaf photosynthesis by stomatal conductance and light availability under different shade levels[J].Trees，2009(4)：978-982.

[16] 黃白飛，辛俊亮，袁劍剛，等.鋪地木藍對不同水質淹水脅迫的生理響應[J].生態科學，2014(4)：267-273.

[17] 鐘娟，鐘俊榮.水分脅迫對金桔光合特性的影響[J].北方園藝，2015(6)：112-116.

[18] 代惠萍，趙樺，曹婷，等.Zn2+脅迫對4種紫花苜蓿光合色素的影響[J].西北農業學報，2014(3)：54-59.

[19] 胡雪華，李蘊，鄒天才.車前對鋁脅迫生理響應的研究[J].熱帶亞熱帶植物學報，2014，22(5)：495-501.

[20] 劉建武，林逢凱，王郁，等.多環芳烴(萘)污染對水生植物生理指標的影響[J].華東理工大學學報，2002，28(5)：520-536.

[21] 孫成芬.土壤萘污染對玉米生長發育的影響-污染途徑和機理的初步研究[D].長春：東北師范大學，2007.

Effects of Naphthalene Stress on Growth and Physiological Properties ofAcoruscalamusL.

LAI Wen-ling, LAI Shu-ling, ZHANG Xiao-yuan et al(College of Life and Environmental Science, Gannan Normal University, Ganzhou, Jiangxi 341000)

Abstract[Objective] The aim was to discuss the feasibility of usingAcoruscalamusto restore PAHs pollution. [Method]A.calamusL. was cultured in synthetic wastewater containing different concentrations of naphthalene. The effects of naphthalene stress on growth, chlorophyll content, PRO content and MDA content in leaves ofA.calamuswere studied. [Result] The height and biomass growth ofA.calamusdecreased significantly under naphthalene stress, while chlorophyll content in the leaves increased significantly; PRO and MDA content did not change obviously under low-concentration naphthalene stress (5.0 and 10.0 mg/L) and increased significantly under high-concentration naphthalene stress (20.0 mg/L). [Conclusion] Naphthalene stress can inhibite the growth ofA.calamus, butA.calamuscan resist high-concentration naphthalene stress, so it can be used for biodegradation of PAHs.

Key wordsNaphthalene;AcoruscalamusL.; Growth; Chlorophyll; PRO; MDA

收稿日期2015-11-23

作者簡介賴聞玲(1973- )，女，江西贛州人，副教授，博士，從事植物資源與水環境保護研究。

基金項目國家自然科學基金(51309054)；江西省自然科學基金項目(2011ZBAB204015；20122BAB204006)；江西省教育廳科學技術研究項目(GJJ12565)。

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)36-151-03