銅脅迫對(duì)黃瓜幼苗光合色素、保護(hù)酶及膜透性的影響

蔣英 姜曉君

摘 ? ?要：為深入研究銅脅迫對(duì)黃瓜幼苗的影響，試驗(yàn)以‘魯春32黃瓜品種為試材，設(shè)置0，2，8，16，32 μmol·L-1 5個(gè) 銅梯度，通過日光溫室沙培的方式對(duì)黃瓜幼苗進(jìn)行脅迫處理，測(cè)定黃瓜幼苗光合色素含量（葉綠素a和葉綠素b）、保護(hù)酶活性[超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）]及細(xì)胞膜透性[丙二醛（MDA）]等相關(guān)指標(biāo)。結(jié)果表明，隨銅濃度的增加，黃瓜幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素含量及SOD、POD、CAT和APX活性均呈現(xiàn)先升高后降低的單峰變化趨勢(shì)，其中光合色素含量均于銅濃度2 μmol·L-1時(shí)值達(dá)到最大值，而保護(hù)酶活性依次于8，8，2，8 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值;MDA含量則表現(xiàn)出先降低再升高的變化趨勢(shì)，且在銅濃度2 μmol·L-1時(shí)最低，較對(duì)照（0 ?μmol·L-1）降低8.98%。綜合而言，本試驗(yàn)所設(shè)的銅濃度梯度，2 μmol·L-1處理對(duì)黃瓜幼苗光合色素含量的增加、細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及保護(hù)酶活性的提高有一定的促進(jìn)作用，但8 μmol·L-1及以上的濃度處理均產(chǎn)生不利影響。

關(guān)鍵詞：銅脅迫;黃瓜;光合色素;保護(hù)酶;膜透性

中圖分類號(hào)：S642.2 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.08.002

Abstract： The effects of copper stress on photosynthetic pigments content， protective enzymes activity and membrane permeability of cucumber seedlings were studied by using 'Luchun 32' cucumber cultivars as test materials. 5 copper concentrations including 0， 2， 8， 16， 32 μmol·L-1 were set， the photosynthetic pigment content （chlorophyll a and chlorophyll b）， protective enzyme activity [superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD）， catalase （CAT） and ascorbic acid peroxidase （APX）] and membrane permeability [malondialdehyde （MDA）] of cucumber seedlings were determined. The results showed that with the increasing of copper concentration， the content of chlorophyll a， chlorophyll b， chlorophyll （a+b） and carotenoids， and the activity of SOD， POD， CAT， and APX were first increasing and then decreasing， which the maximum value of photosynthetic pigment content was at the treatment of 2 μmol·L-1 copper concentration， and the maximum value of protective enzyme activities were at the treatments of 8， 8， 2， 8 μmol·L-1 copper concentration， respectively; the MDA content decreased first and then increased， and the minimum value was at the treatment of 2 μmol·L-1 copper concentration， which was 8.98% lower than the control（0 ?μmol·L-1）. In the copper concentrations gradients of the experiment， the treatment of 2 μmol·L-1 copper concentration could promote the photosynthetic pigments content， cell membrane structure stability and protective enzyme activity in cucumber seedlings， but when copper concentration was 8 μmol·L-1 or more， the negative effects to cucumber seedlings were occurred.

Key words： copper stress; cucumber; photosynthetic pigments; protective enzymes; membrane permeability

銅是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的微量元素，是多種酶的重要組成部分，對(duì)于維持植物的新陳代謝有重要作用[1]。但植物本身對(duì)銅的需求范圍較窄，稍微過量的銅就會(huì)對(duì)植物造成毒害，如葉片皺縮失綠、植株矮小、品質(zhì)降低等[2]。而銅又具有累積性的特點(diǎn)，使得銅被吸收后很難被代謝到植株體外，進(jìn)一步加重了銅對(duì)植物的毒害[3]。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中，工業(yè)“三廢”的排放，高銅殺菌劑、殺蟲劑和除草劑的大量使用，及食用高銅飼料的牲畜糞便大量涌入農(nóng)田，致使許多農(nóng)田銅含量超標(biāo)，既影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，又造成了環(huán)境污染[4]。當(dāng)前有關(guān)銅污染在園林作物[5]、糧食作物[6]的研究報(bào)道較多，在蔬菜方面的報(bào)道較少，而有關(guān)銅污染對(duì)黃瓜的影響更是鮮見報(bào)道。

黃瓜是我國(guó)人民喜食的蔬菜作物，一年四季均有較大的市場(chǎng)需求，復(fù)種指數(shù)高，化肥和農(nóng)藥投入量大，化肥和農(nóng)藥的殘留使土壤中尤其是日光溫室土壤中的銅不斷得到積累[7]，對(duì)黃瓜品質(zhì)及食用安全帶來隱患。但我國(guó)人口眾多，糧食供應(yīng)壓力較大，很難通過休耕等方式來保證蔬菜供應(yīng)的安全。因此，進(jìn)行銅脅迫對(duì)黃瓜生理方面的研究，對(duì)于確保其食用安全及保證營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)有重要意義。

本試驗(yàn)通過研究不同強(qiáng)度的銅脅迫對(duì)黃瓜幼苗光合色素、保護(hù)酶和膜透性的影響，以探尋黃瓜對(duì)銅的耐受范圍，為進(jìn)一步探究銅對(duì)黃瓜的傷害機(jī)理提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試黃瓜品種為‘魯春32。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年3月在商丘市農(nóng)林科學(xué)院雙八試驗(yàn)站日光溫室內(nèi)進(jìn)行。將自根苗黃瓜在基質(zhì)穴盤中培養(yǎng)至2葉1心，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，用清水洗去根部基質(zhì)，栽培于長(zhǎng)60 cm、寬50 cm、高20 cm的栽培槽內(nèi)，栽培槽內(nèi)填充洗凈、消毒后的河沙，每槽栽培6株，每處理3個(gè)栽培槽，作為3次重復(fù)。移栽后，澆灌Hoagland營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行自適應(yīng)培養(yǎng)4 d，放出營(yíng)養(yǎng)液，再分別澆灌Cu2+含量（以純Cu計(jì)）為0，2，8，16，32 μmol·L-1的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液作為5個(gè)銅濃度梯度的處理，其中0 ?μmol·L-1。銅濃度用CuSO4·5H2O配制，用H2SO4調(diào)節(jié)pH值至5.5～6.5范圍內(nèi)。每6 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液，銅脅迫培養(yǎng)10 d后測(cè)定黃瓜幼苗光合色素含量、保護(hù)酶活性和丙二醛（Malonaldehyde，MDA）含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

采用乙醇丙酮浸提法測(cè)定葉綠素含量[8]。采用硫代巴比妥酸（TBA）法測(cè)定MDA含量，分別采用愈創(chuàng)木酚法、NBT還原法、高錳酸鉀滴定法和紫外分光光度法測(cè)定超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）活性[9]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用DPS6.55軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過Microsoft excel 2007進(jìn)行制圖。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 銅脅迫對(duì)黃瓜幼苗葉片光合參數(shù)的影響

由表1可知，隨著銅脅迫強(qiáng)度的增加，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素均呈現(xiàn)先升高再顯著降低的變化趨勢(shì)，且均于銅濃度2 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，其中葉綠素a和葉綠素（a+b）含量顯著高于對(duì)照（P<0.05），而葉綠素b和類胡蘿卜素含量與對(duì)照差異不顯著（P>0.05），在銅濃度8，16，32 μmol·L-1時(shí)，光合色素指標(biāo)均顯著低于對(duì)照（P<0.05），說明低濃度的銅能促進(jìn)黃瓜幼苗葉片光合色素合成，但超過閾值后則會(huì)抑制其合成。

2.2 銅脅迫對(duì)黃瓜幼苗葉片MDA含量的影響

由圖1可以看出，隨著銅脅迫強(qiáng)度的增加，黃瓜幼苗葉片MDA含量呈先降低再顯著升高的變化趨勢(shì)，在2 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最小值，與對(duì)照差異顯著（P<0.05），且二者均顯著低于其他濃度處理（P<0.05），這說明低濃度的銅脅迫不會(huì)對(duì)黃瓜葉片細(xì)胞膜的完整性造成損傷，而超過閾值則會(huì)隨著脅迫濃度的增加加劇黃瓜葉片細(xì)胞膜的損傷。

2.3 銅脅迫對(duì)黃瓜幼苗葉片保護(hù)酶活性的影響

由表2可知，隨著銅濃度的增加，SOD、POD、CAT和APX活性均呈先升高后顯著降低的趨勢(shì)，且分別于8，8，2，8 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大值，均顯著高于對(duì)照（P<0.05）。其中，SOD和POD活性在2，

16 μmol·L-1處理與對(duì)照差異均不顯著（P>0.05），在32 μmol·L-1處理顯著低于對(duì)照（P<0.05）;CAT活性在8 μmol·L-1處理與對(duì)照差異不顯著（P>0.05），16，32 μmol·L-1處理顯著低于對(duì)照（P<0.05）;APX活性在2 μmol·L-1處理與對(duì)照差異不顯著（P>0.05），而16 ，32 μmol·L-1處理分別顯著高于和低于對(duì)照（P<0.05）。

3 結(jié)論與討論

葉綠素是綠色植物進(jìn)行光合作用的色素，其含量高低可表征植物光合性能的強(qiáng)弱。儲(chǔ)玲[10]等研究指出，三葉草經(jīng)銅處理后，葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素（a+b）和類胡蘿卜素含量均在銅濃度低于10 mg·L-1時(shí)增高，然后隨銅濃度增加而遞減。本試驗(yàn)結(jié)果表明，葉綠素含量在低濃度（0～2 μmol·L-1）的銅脅迫下呈增加趨勢(shì)，高濃度（8～32 μmol·L-1）的銅脅迫下呈降低趨勢(shì)，可能是因?yàn)榈豌~脅迫下植物體可通過重金屬結(jié)合蛋白束縛一部分重金屬離子，避免了重金屬毒害，而銅含量較高時(shí)，銅能取代葉綠體中蛋白質(zhì)巰基上的Mg2+、Zn2+、Fe2+，使蛋白質(zhì)失活，葉綠素分解加快[11]。

當(dāng)植株遭受重金屬脅迫時(shí)，保護(hù)酶SOD、POD、CAT和APX的活性升高，提高活性氧清除速度，以清除活性氧對(duì)機(jī)體的毒害[12]，維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[13]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，黃瓜幼苗葉片SOD、POD、CAT和APX活性隨銅脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先升高再降低的變化趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樵谝欢ㄣ~脅迫范圍內(nèi)，抗氧化酶系統(tǒng)可通過提高保護(hù)酶活性來有效清除機(jī)體內(nèi)積累的活性氧，如SOD可通過Haber-Weiss反應(yīng)清除植物體內(nèi)多余O2 -，而當(dāng)重金屬脅迫強(qiáng)度達(dá)到一定閾值，超出保護(hù)酶清對(duì)活性氧的清除能力時(shí)，活性氧開始大量積累，細(xì)胞膜在活性氧的作用下發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受損[14]。

細(xì)胞膜的主要功能是調(diào)節(jié)和控制細(xì)胞內(nèi)外正常的物質(zhì)運(yùn)輸和交換，常被用來作為評(píng)定植物對(duì)污染物反應(yīng)的指標(biāo)。細(xì)胞膜主要是由雙層磷脂和蛋白質(zhì)構(gòu)成，含有大量不飽和脂肪酸，而植物在遭受重金屬脅迫時(shí)產(chǎn)生的自由基對(duì)細(xì)胞膜上的不飽和脂肪酸有氧化作用，使細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受損，金屬離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)對(duì)植物造成毒害作用。MDA是膜脂過氧化的重要產(chǎn)物，是重金屬脅迫的一個(gè)普遍反應(yīng)[15]。本試驗(yàn)條件下，當(dāng)銅濃度高于8 μmol·L-1時(shí)，MDA含量逐漸增加，這可能是因?yàn)檩^高強(qiáng)度的銅脅迫破壞了活性氧保護(hù)酶系統(tǒng)，使活性氧大量產(chǎn)生并積累，誘發(fā)膜系統(tǒng)產(chǎn)生膜脂過氧化反應(yīng)，MDA含量隨之升高;8 μmol·L-1的濃度雖然提高了SOD、POD等保護(hù)酶的活性，但MDA含量的顯著升高，說明這一濃度的銅脅迫已對(duì)黃瓜幼苗葉片造成很大的氧化損傷。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘瑞熾.植物生理學(xué)[M].第4版.北京：高等教育出版社，2001.

[2]李華.嫁接對(duì)Cu脅迫下黃瓜幼苗生理生化指標(biāo)和根系分泌物的影響[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015：1-52.

[4]周啟星，唐世榮，王校常.健康土壤學(xué)——土壤健康質(zhì)量與農(nóng)產(chǎn)品安全[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3]王友保，劉登義.Cu、As及其復(fù)合污染對(duì)小麥生理生態(tài)指標(biāo)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2001，12（5）：773-776.

[5]李永杰，李吉躍，方曉娟，等.銅脅迫對(duì)白蠟幼苗葉綠素含量及光合特性影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38（6）：35-37.

[6]劉帥，高永光.銅脅迫下玉米葉綠素質(zhì)量比與光譜反射率關(guān)系[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，27（1）：125-128.

[7]林義章，徐磊.銅污染對(duì)高等植物的生理毒害作用研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，15（1）：201-204.

[8]白寶璋，孔祥生，土玉昆，等.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科技出版社，1996.

[9]趙世杰，史國(guó)安，董新純.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

[10]儲(chǔ)玲，劉登義，王友保，等.銅污染對(duì)三葉草幼苗生長(zhǎng)及活性氧代謝影響的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（1）：119-122.

[11]林義章，徐磊.銅污染對(duì)高等植物的生理毒害作用研究[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，15（1）：201-204.

[12]張義賢.重金屬對(duì)大麥（Hordeum vulgure）毒性的研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1997，17（2）：199-205.

[13]王松華，楊志敏，徐朗萊.植物銅素毒害及其抗性機(jī)制研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境，2003，12（3）：336-341.

[14]計(jì)汪棟.銅脅迫對(duì)竹葉眼子菜葉片生理指標(biāo)和超微結(jié)構(gòu)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18（12）： 2727-2732.

[15]SINGH S， EAPEN S， D SOUZA S F. Cadmium accumulation and its influence on lipid peroxidation and antioxidative system in an aquatic plant， Bacopa monnieri L.[J].Chemosphere，2006，62：233-246.