錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗生理生化指標的影響

曾小飚　張肅杰　寧莞權(quán)

摘 要：該文采用砂培試驗研究不同濃度錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗葉片生理生化指標的影響，為探索重金屬復合污染對作物的毒害機理提供科學依據(jù)。結(jié)果表明：隨著錳、汞復合脅迫濃度的逐漸加大，向日葵幼苗葉片的過氧化物酶活性、蛋白質(zhì)含量、葉綠素含量表現(xiàn)出先升高后下降的規(guī)律；游離脯氨酸和丙二醛含量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

關(guān)鍵詞：錳；汞；向日葵；復合脅迫；生理生化指標

中圖分類號 S727.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）02-0017-03

向日葵（Helianthus annuus L.）是一年生的菊科向日葵屬草本植物，根系發(fā)達，具有耐貧瘠、耐旱、生長快、生物量大、對重金屬富集能力強、耐受性強等特性。近年來已有一些向日葵對抗重金屬脅迫生理反應(yīng)的研究報道[1-5]，而有關(guān)Hg和Mn復合污染對向日葵生理生化指標的影響尚未見報道。為此，本實驗以向日葵為試驗材料，研究了Mn和Hg復合污染對向日葵幼苗葉片葉綠素含量、丙二醛含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、過氧化物酶活性等生理生化指標的影響，為探索重金屬復合污染對作物的毒害機理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗用向日葵（Helianthus annuus）種子金星1號購于百色城西蔬菜種子店。

1.2 試驗方法

1.2.1 砂培試驗 選取大小均勻、籽粒飽滿的向日葵種子，消毒并萌發(fā)，然后用Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)至長出4～6片真葉，選取發(fā)長勢一致的幼苗作為供試材料。設(shè)5組處理，以Hoagland溶液培養(yǎng)為對照（用T0表示），錳、汞復合脅迫濃度設(shè)為Mn20mg/L+Hg1mg/L、Mn50mg/L+Hg5mg/L、Mn100mg/L+Hg10mg/L、Mn200mg/L+Hg50mg/L、Mn300mg/L+Hg100mg/L（各處理組分別用T1、T2、T3、T4、T5來表示）。Mn以MnSO4形式提供，Hg以HgCl2形式提供。自然條件下脅迫培養(yǎng)12d后取葉片進行生理生化指標測試。試驗設(shè)3次重復。

1.2.2 生理指標測定方法 葉綠素含量、游離脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）含量的測定均參照李合生編的《植物生理生化實驗原理和技術(shù)》[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗葉綠素含量的影響 葉綠素是植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物葉片中葉綠素含量可以作為植物遭受逆境傷害程度的重要指標[7]。由圖1可知，在錳、汞脅迫濃度較低時，會促使向日葵葉綠素含量增加。T2組處理時，葉綠素含量達最大值，相比對照組增加了23.02%。當錳、汞濃度繼續(xù)增加時，葉綠素含量即呈下降趨勢。T5組處理時，與對照組相比，葉綠素含量降低了20.05%，說明高濃度錳和汞聯(lián)合脅迫對向日葵幼苗葉片葉綠素的合成有抑制作用，會導致葉綠素含量下降進而影響植物的光合作用。

2.2 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗游離脯氨酸含量的影響 脯氨酸是植物體內(nèi)水溶性最大的氨基酸，有著較強的水合能力，是細胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。脯氨酸含量的增加可以降低細胞滲透勢，起到維持水勢平衡的作用，可保持細胞膜的正常功能[7]。正常生長的向日葵葉片的游離脯氨酸含量較低。從圖2可知，錳、汞復合脅迫后，向日葵幼苗葉片中游離脯氨酸含量逐漸升高。處理12d后，T1、T2、T3、T4、T5組分別比同期對照組增加了2.76%、89.31%、127.07%、127.99%、1038.67%。這是向日葵在逆境脅迫下的正常生理反應(yīng)。錳、汞復合脅迫導致向日葵幼苗葉片中游離脯氨酸大量積累，脯氨酸含量升高，這樣可降低水勢，保持植物體內(nèi)水分平衡，確保植物細胞正常的生理活動。

2.3 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗可溶性蛋白含量的影響 植物葉片中可溶性蛋白含量與細胞內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)密切相關(guān)。由圖3可看出，在較低濃度錳、汞復合脅迫處理時，向日葵幼苗葉片內(nèi)可溶性蛋白含量迅速上升，在T2組處理時，蛋白質(zhì)含量上升到最大值，比對照組高8.96%，隨后隨著錳、汞復合脅迫濃度的增加而呈逐漸下降的趨勢。T5組處理時，蛋白質(zhì)含量比對照組下降了0.30%。

2.4 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗POD活性的影響

POD能有效清除O2-、OH-、H2O2等自由基，是細胞活性氧保護酶系統(tǒng)的成員之一，在防止自由基傷害中起著重要作用。從圖4可看出，在錳、汞復合脅迫下向日葵幼苗體內(nèi)POD活性均比對照組升高，這應(yīng)該是植物對重金屬脅迫的主動適應(yīng)，向日葵幼苗體內(nèi)的POD活性加強，在一定程度上有效清除了O-、OH-、H2O2等的傷害，以抵抗重金屬的脅迫。T3組處理時，POD活性達到最大值，表明此時向日葵幼苗通過POD活性調(diào)節(jié)來減輕氧化傷害的能力已經(jīng)達到最大限度，之后，隨著脅迫濃度的增大，POD活性逐漸下降，表明高濃度重金屬脅迫對向日葵造成了較大的傷害。

2.5 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗MDA含量的影響 丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的重要產(chǎn)物，是由植物在衰老或逆境條件下發(fā)生質(zhì)膜過氧化作用產(chǎn)生，其含量變化可作為檢測植物受逆境脅迫損壞程度的重要指標，表示植物細胞過氧化程度和植物遭受重金屬毒害程度[8]。由圖5可知，向日葵幼苗在受到錳、汞復合脅迫后，MDA含量呈先增高后下降的規(guī)律，并且各處理MDA含量都比對照組高，分別高出11.82%、12.02%、16.30%、44.08%、27.71%，表明重金屬錳和汞對向日葵幼苗產(chǎn)生了一定的傷害作用。

3 討論

自然條件下，單種重金屬污染土壤的情況少有發(fā)生，很多情況下是多種元素之間以及不同重金屬與重金屬聯(lián)合作用構(gòu)成復合污染。本文討論錳和汞復合脅迫對向日葵的生理生化影響。

光合作用是植物生長的物質(zhì)保證，植物體內(nèi)葉綠素通過吸收傳遞光能參與光合作用反應(yīng)過程。葉綠素含量高低影響植物的光合速率，可反映葉片光合作用功能的強弱和植物在逆境條件下組織、器官的衰老情況，因此植物體內(nèi)葉綠素含量的變化可以作為衡量光合作用能力強弱的一個重要指標[8]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著錳和汞復合脅迫濃度增加，向日葵幼苗中葉綠素含量呈先上升后下降的趨勢，表明低濃度重金屬脅迫會刺激向日葵幼苗使其葉綠素合成加速，葉綠素含量呈上升趨勢。隨著錳和汞復合脅迫濃度進一步加大，會導致葉綠體色素分解加速，葉綠素含量降低，造成了向日葵幼苗光合作用下降，導致植株衰老甚至死亡[9]。

MDA是脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物之一，常作為膜脂過氧化程度和膜透性強弱的重要指標[10]。當向日葵受到重金屬脅迫時其細胞膜的選擇透過性能受損，體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除平衡受到破壞，引起膜脂過氧化反應(yīng)，細胞膜透過性改變，細胞內(nèi)電解質(zhì)外滲量增加，從而打破了細胞的滲透壓平衡，損傷細胞內(nèi)生物膜。本試驗發(fā)現(xiàn)，隨著錳和汞復合脅迫濃度的增加，MDA含量均高于對照組，且呈逐漸遞增的趨勢，說明在細胞膜在重金屬脅迫濃度高時受傷害程度加大，可能是細胞內(nèi)有害物質(zhì)不斷積累，使膜脂過氧化反應(yīng)更為激烈，膜系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，細胞膜通透性增加。

可溶性蛋白在植物體內(nèi)是多種活性酶的總稱。酶活性容易受重金屬毒害而變形甚至降解，從而影響了酶參與的許多生理活動，可溶性蛋白含量變化水平可反映葉片功能性蛋白功能的變化[10]。本研究發(fā)現(xiàn)，在低濃度脅迫下，隨著復合脅迫濃度升高，葉片內(nèi)可溶性蛋白總量逐漸增加，說明向日葵葉片內(nèi)各種代謝酶類對錳、汞復合脅迫反應(yīng)敏感。植物可通過增加可溶性蛋白含量來對抗重金屬脅迫，將重金屬脅迫傷害降至最低。當重金屬脅迫濃度超出一定限度時，隨著脅迫濃度的提高可溶性蛋白含量逐漸下降，表明高濃度重金屬脅迫導致植物葉片衰老加速，葉片功能減退。

正常生長情況下植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除處于動態(tài)平衡，其作用可以有效防止植物體內(nèi)膜系統(tǒng)受到過氧化傷害，在逆境條件下這種動態(tài)平衡受到破壞，活性氧不斷積累，如果重金屬濃度超出植物抗逆境能力時會使植物細胞內(nèi)的大分子發(fā)生過氧化反應(yīng)，植物因受傷害而生長異常[11]。有研究表明，植物隨著重金屬的脅迫體內(nèi)POD活性不斷增強[12]。本試驗結(jié)果表明，向日葵幼苗POD活性在低濃度錳、汞復合脅迫下，酶活性升高，而后隨著脅迫濃度增加，酶活性逐漸下降。此現(xiàn)象可能是，在較低濃度重金屬脅迫范圍內(nèi)，植株體內(nèi)活性氧的增多啟動了細胞的防御反應(yīng)，通過提升POD活性來清除過多的自由基，從而增加植物對重金屬脅迫的適應(yīng)能力[13-14]。在較高濃度脅迫下，植物體內(nèi)重金屬離子積累過多，導致植物受到的毒害加深，細胞內(nèi)大量積累自由基。當細胞內(nèi)產(chǎn)生的活性氧自由基過量時，保護酶系統(tǒng)失效，破壞細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能，使細胞遭受過氧化傷害，因此，逆境脅迫下植物體內(nèi)POD對膜的保護作用是有限度的。

植物體內(nèi)的游離脯氨酸與膜脂過氧化作用關(guān)系密切，其作為細胞內(nèi)主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，起平衡細胞液、阻止氧自由基增加和細胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用 [15]，因此脯氨酸的積累對植物適應(yīng)逆境有著重要的意義。植物在正常生長條件下體內(nèi)含較少的脯氨酸。植物在干旱、鹽、低溫等逆境條件下，植物體內(nèi)脯氨酸合成會增加，同時氧化分解受阻，使得植物體內(nèi)脯氨酸的含量升高。本研究結(jié)果印證了這一觀點。

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（責編：張宏民）