汞脅迫對水葫蘆光合特性和生理生化特征的影響

王賽　王瑞瑩　錢蘭華　王利芬　朱培淼　王波

摘 要：當前我國水體汞污染日益嚴重，由于其易遷移性和毒性，嚴重威脅著生態環境和人類的健康，尋找對汞脅迫具有一定抗性的水生植物已經刻不容緩。試驗采用溶液培養法研究不同質量濃度的HgCl2（0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0 mg·L-1）對水葫蘆幼苗生長和發育的影響。結果表明，水葫蘆鮮質量增長量、葉綠素含量、Pn值和SOD活性在低質量濃度的HgCl2溶液中隨著汞質量濃度的升高而增加，在質量濃度為5 mg·L-1時達到最高點；但隨著HgCl2質量濃度進一步增大，這些指標值反而持續下降。Pro和SP含量在HgCl2質量濃度為10 mg·L-1時達到最高點，但當HgCl2質量濃度達到20 mg·L-1時較對照顯著下降；而Gs，Ci，Tr值表現出先下降后上升的趨勢，但各處理間差異不顯著，其中，Ci，Tr值在HgCl2質量濃度為5 mg·L-1時達到最低值，Gs在10 mg·L-1時達到最低值；MDA含量和POD活性則隨著HgCl2質量濃度的升高而上升。水葫蘆對10 mg·L-1 以下的HgCl2脅迫具有較好的適應性，且可促進水葫蘆的生長；但高質量濃度HgCl2對水葫蘆的生長則有抑制作用。研究結果可為水葫蘆對Hg2+脅迫的適應機制提供一定理論依據。

關鍵詞：水葫蘆；汞脅迫；葉綠素含量；光合特性；生理生化特征

中圖分類號：S555+.5 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.05.002

Abstract： The water mercury pollution has been seriously polluted in recently years in our country， because of its easy mobility and toxicity serious threat to the ecological environment and human health seriously， therefore to search for the hydrophyte with some resistance to mercury stress was extremely urgent. The aim of the study was to investigate the influence that HgCl2 under various concentrations（0， 2.5， 5.0 10.0， 20.0， 40 mg·L-1） on the growth and development of Eichhornia crassipes seedlings with hydroponics. The results indicated the FW increment， chlorophyll content， Pn value， SOD activities of Eichhornia crassipes increased first and then decreased with the increasing of HgCl2 stress. The highest value at 5 mg·L-1， but as HgCl2 concentration increased further， these indicators continued to decline inversely. Pro and SP reached to the highest point at the 10 mg·L-1 concentration， and they continued to decline at the concentration more than 20 mg·L-1 significantly. While Gs， Ci， Tr showed the opposite tendency compared with Pn. But it was not significant between difference HgCl2 stress. Ci， Tr reached to the highest point at the 5 mg·L-1 concentration， but Gs at 10 mg·L-1. The MAD content and POD activity significantly rose with the increasing of HgCl2 stress. The conclusion was that it was beneficial to Eichhornia crassipes when HgCl2 stress was below to 10 mg·L-1， meanwhile high concentration HgCl2 could be harmful to Eichhornia crassipes. The results of this research could provide a theoretical basis for exploring the adaptation mechanism of Eichhornia crassipes under HgCl2 stress.

Key words： Eichhornia crassipes； mercury stresses； chlorophyll content； photosynthetic characteristics； physiological and biochemical characteristics

水葫蘆（Eichhornia crassipes）為雨久花科、鳳眼蓮屬的一種漂浮性水生植物。已有研究表明，水葫蘆可以吸收污水中的重金屬、放射性污染物和有機污染物質，并將其富集體內，是一種良好的耐污染材料。由于汞污染制毒性強、易遷移和易轉化等特點，現已成為全球最關心的問題[1]。汞有單質態、無機汞和有機汞3種形式。其中，有機汞是其最毒形式，在一定條件下無機汞和單質態汞可以轉化為有機汞。大量數據表明，我國水體汞污染比較嚴重，如20世紀70年代松花江流域就開始發現有汞污染，江水平均汞含量為5 600 ng·L-1，雖然經過20多年的治理，但仍高于背景含量[2]。黃浦江中汞的平均含量則超過了400 ng·L-1 [3]。葫蘆島市五里河水中汞污染也非常嚴重，汞含量為84～10 446 ng·L-1，平均值為1 395 ng·L-1，遠高于國家III類水標準（100 ng·L-1）[4]。許多植物對水體汞污染具有攝取并在體內富集的能力。已有研究表明，眼子菜、金魚藻[5]、慈姑[6]、水稻[7]等水生植物對水體重金屬污染都具有耐受性和富集能力。

本研究以水葫蘆為試驗材料，測定不同濃度Hg2+ 脅迫對水葫蘆部分光合特性和葉片部分生理生化的影響，以期為進一步發掘水葫蘆對汞污染修復能力方面提供科學理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

將打撈上來的水葫蘆幼苗于1/2霍格蘭氏培養液中馴化7 d測量其鮮質量，挑選個體、長勢以及鮮質量接近的水葫蘆幼苗作為研究材料。

1.2 試驗設計

設定0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0 mg·L-1梯度HgCl2質量濃度處理，每個處理3個重復，每個重復3株幼苗，并盡量避免3株幼苗葉片不重疊。每天加2～5滴雙氧水以增加培養液中溶氧量。連續培養30 d后測定其鮮質量，并計算其鮮質量增長量、部分光合參數、部分生理生化指標。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 葉綠素含量 葉綠素含量的測定采用丙酮乙烯混合液法——丙酮與乙醇的比例為1∶1，全程在暗光條件下操作，并在663，645 nm波長下比色，并通過計算求得葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量[8]。

1.3.2 部分光合指標 Pn（凈光合速率）、Gs（氣孔導度）、Ci（胞間二氧化碳濃度）和Tr（蒸騰速率）值采用LI-6400便攜式光合測定儀（LI-COR， USA）進行測定，測定時采用自然光源，設定樣品室流速為500 μmol·s-1。測定選擇在溫度25～27 ℃的8：30—11：30進行。

1.3.3 生理生化指標 采用硫代巴比妥酸法測定MDA（丙二醛）含量，采用考馬斯亮藍G-250法測定SP（可溶性蛋白）含量，采用磺基水楊酸法測定Pro（脯氨酸）含量。采用愈創木酚法測定POD（過氧化物酶）活性，采用氮藍四唑法測定SOD（超氧化物歧化酶）活性[9]，采用紫外吸收法測定CAT（過氧化氫酶）活性[10]。

1.4 數據分析

3個重復數據的平均值為試驗結果，數據庫的建立和繪圖采用Excel軟件；顯著性差異分析和方差分析采用SPSS 17.0統計軟件。

2 結果與分析

2.1 不同質量濃度HgCl2對水葫蘆鮮質量增長量的影響

由表1可知，在不同質量濃度HgCl2 處理30 d后，隨著質量濃度的增加，水葫蘆鮮質量的增長量分別為對照（CK）的125.85%，126.83%，114.04%，71.62%，56.13%，呈先上升后下降的趨勢；當HgCl2質量濃度較低時，顯著促進水葫蘆生物量的增加，當HgCl2的濃度達到20.0 mg·L-1時，水葫蘆生物量的增長量顯著低于CK。

2.2 不同質量濃度HgCl2對水葫蘆葉綠素含量的影響

由表2可知，處理30 d后，隨著HgCl2質量濃度的增加水葫蘆葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量均呈先升高后降低的趨勢；與對照相比，較低質量濃度（2.5，5.0，10.0 mg·L-1 ）的HgCl2顯著增加水葫蘆葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量；而20.0，40.0 mg·L-1 的HgCl2 處理可顯著降低葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素總量；不同質量濃度HgCl2對水葫蘆葉綠素a/b的影響不大，總體在平均值左右。

2.3 不同質量濃度HgCl2對水葫蘆光合特性的影響

由表3可知，水葫蘆在不同質量濃度HgCl2處理下，其各處理間的Pn 呈現出先升高后降低的趨勢，且除了CK與10.0 mg·L-1的HgCl2處理外，其余各處理間差異均達顯著水平，在5.0 mg·L-1的處理下達到最高值，表明較低質量濃度HgCl2 對其Pn的升高具有促進作用；而對于Gs的影響總體呈下降趨勢，但各組間差異不顯著；對于Ci，Tr則呈現出先降低后升高的趨勢，僅40 mg·L-1處理下的Ci與其他處理間差異達到顯著水平。

2.4 不同質量濃度HgCl2對水葫蘆生理生化特征的影響

由圖1可知，HgCl2質量濃度為2.5，5.0， 10.0，20.0，40.0 mg·L-1處理的MDA含量分別是0 mg·L-1（CK）的121.16%，208.28%，384.54%，501.38%和696.41%，各組間MDA含量的變化除2.5 mg·L-1處理外，其他各組間差異均達到顯著水平；汞脅迫還會影響水葫蘆生物大分子含量的變化。隨著HgCl2質量濃度的升高，Pro和SP均呈現出先升高后降低的趨勢，且均在HgCl2質量濃度為10.0 mg·L-1時達到最高值，且與其他各處理間差異均達顯著水平。在汞脅迫下，水葫蘆的三大抗氧化酶的活性都會受到不同程度的影響，其中，SOD，CAT的活性隨著汞脅迫質量濃度的升高呈現出先升高后降低的趨勢，分別在5.0，2.5 mg·L-1處理時達到最大值，而POD則隨著汞質量濃度的升高而升高。

3 結論與討論

本試驗結果表明，低質量濃度的HgCl2脅迫水葫蘆后，對其生長有促進作用，高質量濃度處理則顯著降抑制其生長；隨著汞質量濃度的增加，對其生物量增長的抑制作用越來越明顯，這與高大翔等[11]研究汞脅迫對水稻生長的影響結果相一致。

光合作用的強弱反映了植物同化能力的大小，主要表現為有機物的積累。Pn的大小可以反映植物吸收和利用二氧化碳能力的大小。低質量濃度的HgCl2可以促進水葫蘆的光合作用，而較高質量濃度的HgCl2則會抑制水葫蘆凈光合速率，從而影響水葫蘆生物量的增加。葉綠體是植物進行光合作用的最基本單位，植物葉片單位面積葉綠素含量也能反映出植物光合能力的強弱。葉綠素a/b是體現植物葉片衰老的指標，本研究結果表明，不同質量濃度HgCl2對葉綠素a/b影響不明顯，說明高濃度的HgCl2并未引起水葫蘆葉片的衰老，這與侯明等[12]就適量釩脅迫對菜心幼苗的葉綠素影響研究的結果相一致。在汞脅迫下，水葫蘆葉綠素含量的變化則體現出與Pn一致的規律。氣孔是植物葉片與外界進行氣體交換的主要通道，由于通過氣孔擴散的主要氣體有氧氣、水、二氧化碳。因此，氣體的開閉情況則直接影響植物的光合作用、蒸騰作用、及胞間二氧化碳濃度。本研究結果表明，汞脅迫并不會顯著影響水葫蘆Gs，Ci及Tr，而Pn則出現顯著變化，可能是由于引起Pn發生改變的主導因素是非氣孔限制因素。

植物在逆境條件下或衰老時，往往發生膜脂氧化作用，MDA是其最重要的產物之一，因此，通過測定植物MDA的含量了解膜脂過氧化的程度，以間接測定系統受損程度以及植物的抗逆性[9]。本研究結果表明，隨著汞濃度的升高，水葫蘆葉片MDA含量也會不同程度增加，這與徐金波等[13]研究的結果相一致。表明在不同質量濃度汞脅迫下，水葫蘆的膜系統均受到不同程度的破壞。而植物在逆境中主要有兩大抗衰老機制，一種是通過生物大分子增加體內滲透保護物質來調節細胞內外的滲透平衡，主要有SP，Pro等；另一類則是通過其自身的抗氧化酶系統主要有SOD，POD，CAT，這類酶能夠在一定程度上清除植物由于逆境產生的過量超氧自由基，保護膜結構。本研究結果表明，低質量濃度的HgCl2可以顯著提高水葫蘆SOD，CAT的活性，當HgCl2質量濃度較高時，其活性則持續下降，而POD的含量則持續升高，經汞脅迫后水葫蘆葉片的SOD，CAT，POD 均顯著高于對照，說明機體啟動了抗氧化酶保護機制，在低汞脅迫可以顯著增加水葫蘆的SP，Pro含量，但是當汞質量濃度較高時，水葫蘆葉片SP，Pro含量則持續下降。可能是由于低質量濃度的汞脅迫誘導了水葫蘆體內生物大分子SP，Pro和抗氧化酶SOD，CAT的表達，此時水葫蘆體滲透勢調節內活性氧代謝尚處于正常水平，隨著汞質量濃度的增加，代謝平衡被打破，葉片膜質氧化系統加劇，導致SP，Pro含量下降，SOD，CAT活性降低。并且汞離子可能會與SOD，CAT結合進而改變SOD，CAT蛋白的空間構型。而POD則表現出持續上升的現象，可能是由于汞脅迫對水葫蘆POD影響的機制沒有SOD靈敏，當汞質量濃度進一步增加時，POD活性可能也會出現下降的現象，這還有待于進一步研究。

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