銅脅迫對絲瓜幼苗色素含量、光合特性及滲透調節系統的影響

蔣英 郭紅偉

摘 ? ?要：為探討絲瓜幼苗對銅的耐受范圍，以‘美秀絲瓜品種為試材，借助營養液沙培的方式，研究不同濃度的銅脅迫（Cu2+ 0，5，15，30，50 μmol·L-1）對絲瓜幼苗光合色素、光合參數及滲透調節物質含量的影響。結果表明：隨著銅濃度的增加，絲瓜幼苗葉片葉綠素a、葉綠素、類胡蘿卜素含量呈先升后降的趨勢，均于銅濃度5 μmol·L-1時達到最大值;凈光合速率、氣孔導度和胞間CO2濃度均呈現逐漸降低的變化趨勢，其中銅濃度5 μmol·L-1處理的凈光合速率、蒸騰速率和胞間CO2濃度均與對照差異不顯著，但其他處理均顯著低于對照，蒸騰速率呈先升后降的趨勢且于銅濃度5 μmol·L-1達到最大值;可溶性糖含量呈現先升高再降低的單峰變化規律，且在銅濃度5 μmol·L-1時值最大;游離脯氨酸含量呈現顯著上升的趨勢。綜上，銅濃度不高于5 μmol·L-1時，能提高絲瓜幼苗光合色素含量，保持較高的凈光合速率，同時通過滲透調節物質的調節保護葉片細胞免受重金屬銅毒害。

關鍵詞：絲瓜;銅脅迫;光合色素;光合參數;滲透調節

中圖分類號：S642.4 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.07.002

Abstract： To explore the tolerance range of Luffa cylindrical seedlings to copper，the effects of different concentrations of copper stress （Cu2+ 0，5，15，30，50 μmol·L-1） on photosynthetic pigment， photosynthetic parameters and osmotic adjustment substance content of Luffa cylindrica seedlings were studied by using 'Meixiu' varieties as test materials in the method of nutrient solution sand culture. The results showed that， the contents of chlorophyll a， chlorophyll and carotenoid were increase first and then decrease following with the increased copper concentration， which the maximum value were all appeared at the copper concentration of 5 μmol·L-1. With the increase of copper concentration， the net photosynthetic rate， stomatal conductance and intercellular CO2 concentration of Luffa cylindrica seedlings decreased gradually，in which the treatment of 5 μmol·L-1 copper concentration had no significant difference with the control but the other treatments were significant lower than the control; the transpiration rate was rising first and then decreasing， and the maximum value was appeared at the copper concentration of 5 μmol·L-1; following with the copper concentration， the soluble sugar content of Luffa cylindrica seedlings showed a single peak change and the maximum value was obtained at the copper concentration of ?5 μmol·L-1， while the ?free proline content was significantly increased. In summary， when the copper concentration was not higher than 5 μmol·L-1， the photosynthetic pigment content of Luffa cylindrica could be increased，the net photosynthetic rate were maintained at the level consistent with the control， and the leaf cells were protected from the heavy metal copper toxicity by the regulation of osmotic regulators.

Key words： Luffa cylindrica; copper stress; photosynthetic pigment; photosynthetic parameters; osmotic regulation

銅是高等植物生長發育必需微量元素之一，是超氧化物歧化酶、多巴胺-β-加氧酶、細胞色素氧化酶等多種酶的重要組分[1]，同時銅又參與作物產量、品質、形態建成等眾多生理代謝過程，是植物生長發育過程中必不可少的營養元素。但環境中銅含量過高時會導致植物體遭受銅毒害，如根系生長不良、根系變短、根條數減少、株高下降、葉片失綠、分蘗減少、種子發芽率降低、PSⅡ反應中心的電子濃度下降[2]，細胞器功能受損[3]，產量降低、品質下降、品種退化[4]。當前有關銅脅迫研究主要集中小麥、玉米、水稻等糧食作物[5]，有關蔬菜作物方面的銅污染研究較少，有關絲瓜銅污染方面的研究尚未見報道。絲瓜果實是人們較為喜食的重要蔬菜之一，借助日光溫室可以實現周年生產供應。但是在絲瓜的周年生產過程中，除草劑、農藥、化肥的大量使用，使用被工業廢水污染的水源進行灌溉等因素均會使土壤銅含量升高。銅被植物吸收后，在植物體內具有累積性，當達到一定閾值后就會影響植株的正常生理代謝，甚至對人類的健康造成危害。因此，本試驗借助營養液沙培方式，研究不同濃度銅脅迫對絲瓜幼苗光合色素、光合參數及滲透調節系統的影響，以期為蔬菜生產、銅污染防治提供理論依據，為銅毒害的作用機理提供數據參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試絲瓜品種為‘玉秀，由京研益農種業科技有限公司提供。

1.2 試驗設計

于2020年2月25日播種育苗，4月3日選取長勢基本一致的3葉1心絲瓜幼苗，栽培于長3 m、寬30 cm、高15 cm的栽培槽內，每個栽培槽定植20株，栽培槽內填充洗凈且消毒過的河沙，栽培槽底部有排水閥。試驗共設置1個對照和4個處理，以Hoagland營養液為對照，在Hoagland營養液基礎上添加CuSO4·5H2O，使營養液中Cu2+濃度分別達到5，15，30，50 μmol·L-1，作為4個處理。處理和對照均設置3次重復，1個栽培槽作1次重復，共15個栽培槽。栽培槽內澆灌相應的營養液后，脅迫處理7 d后對相關指標進行測定。

1.3 測定項目及方法

于2020年4月10日上午9：00—10：00測定絲瓜葉片凈光合速率，隨后取樣測定葉綠素含量。葉綠素含量、凈光合速率、游離脯氨酸和可溶性糖含量等指標的測定均選用絲瓜幼苗第2片真葉。其中，采用乙醇丙酮浸提法測定葉綠素含量[6];采用美國LI-COR公司生產的LI-6400光合儀測定葉凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（E）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）;采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[7]，參照茚三酮-磺基水楊酸法測定脯氨酸（Pro）含量[8]。

1.4 數據處理

試驗數據使用Microsoft Excel 2007進行處理和作圖，用SPSS13.0軟件進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同銅處理對絲瓜幼苗葉片光合色素含量影響

由表1可以看出，隨著銅濃度的增加，絲瓜幼苗葉片葉綠素a和葉綠素含量表現出先升高再降低的單峰變化規律，最大值均出現銅濃度5 μmol·L-1時，與對照差異均不顯著但均顯著高于其他銅處理;葉綠素b呈下降趨勢，其中5 μmol·L-1銅濃度處理與對照差異不顯著，其他處理均顯著低于對照;類胡蘿卜素含量亦呈先升后降的單峰變化規律，且在銅濃度5 μmol·L-1時類胡蘿卜素含量最大，較對照顯著增加12.90%，而其他銅濃度處理均較對照顯著降低。可見，低濃度≤5 μmol·L-1的銅處理能夠促進絲瓜幼苗葉片光合色素的合成與提高，高濃度的銅處理則對其有抑制作用。

2.2 不同銅處理對絲瓜幼苗葉片光合參數的影響

由表2可知，隨著銅濃度的增加，絲瓜幼苗凈光合速率逐漸降低，但在銅濃度5 μmol·L-1時與對照差異不顯著，而銅濃度15，30，50 μmol·L-1時較對照分別顯著降低14.45%，29.14%，44.52%;絲瓜幼苗葉片氣孔導度和胞間CO2濃度的變化規律與凈光合速率一致，亦呈下降趨勢，其中各銅處理氣孔導度均顯著低于對照，而胞間CO2濃度在銅濃度5 μmol·L-1時與對照差異不顯著，其他銅處理均顯著低于對照;絲瓜幼苗葉片蒸騰速率呈先升高后降低的趨勢，其中銅濃度5 μmol·L-1處理達到最大值，但與對照差異不顯著，其他銅濃度處理均顯著低于對照。

2.3 不同銅濃度處理絲瓜幼苗滲透調節物質狀況

由圖1可知，隨著銅濃度的增加，絲瓜幼苗可溶性糖含量呈現先升高再降低的單峰變化規律，銅濃度15 μmol·L-1時達到最大值，較對照顯著增加11.11%（P<0.05），銅濃度5 μmol·L-1時雖高于對照但與對照差異不顯著，30，50 μmol·L-1銅濃度處理均顯著低于對照，較對照降低28.08%，32.71%;絲瓜幼苗游離脯氨酸含量呈現顯著上升的趨勢，銅濃度50 μmol·L-1時較對照增加186.30%。

3 結論與討論

葉綠素含量高低除受自身生理特性及遺傳因素有關外，還受外界環境因子的制約，當植物受到逆境脅迫時，其含量會受到影響[9]。李永杰等[10]研究得出，Cu2+質量分數低于2.5×10-4時，可促進白蠟幼苗葉綠素含量的增加;Cu2+質量分數達到5×10-4及以上時，抑制葉綠素的生成。張自坤等[11]研究指出，隨著銅濃度的增加，嫁接苗黃瓜和自根苗黃瓜葉綠素和類胡蘿卜素含量均降低。本試驗中，銅濃度低（≤5 μmol·L-1）時能夠促進絲瓜幼苗葉綠素和類胡蘿卜素含量的增加，這應該是因為銅作為葉綠素合成過程中某些酶的活化劑，有助于促進葉綠素合成酶活性的提高，故適量的銅有利于葉綠素的形成與穩定[12];銅濃度達到15 μmol·L-1及以上時，葉綠素與類胡蘿卜素含量下降，即表現為銅脅迫的抑制作用，推測是因為銅濃度過高時Cu2+與葉綠體蛋白質上的巰基結合，使葉綠體失活而造成葉綠素含量下降[13]。

凈光合速率是反應植株葉片光合能力強弱的重要生理指標[14]。本試驗中，在銅濃度5 μmol·L-1時，絲瓜幼苗葉片凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度均低于對照，這表明此時凈光合速率的降低是由銅脅迫引起氣孔導度下降，CO2供應受阻，光合底物減少所致，也即氣孔因素限制引起的凈光合速率降低;當銅濃度15～50 μmol·L-1時，隨銅濃度的增加，凈光合速率、氣孔導度繼續降低，而胞間CO2濃度下降不顯著，這表明此時引起的凈光合速率的降低是非氣孔因素所致，這可能是光合機構受損，光合磷酸化活性、核酮糖-1，5-二磷酸羧化酶（Rubisco）活性降低，葉綠體電子傳遞能力下降等因素引起的非氣孔限制[15]。

可溶性糖和游離脯氨酸都是重要的滲透調節物質[16]，對植物維持細胞完整性、抵御逆境脅迫有重要作用。本試驗中，銅脅迫條件下，絲瓜幼苗葉片脯氨酸含量顯著升高，且隨銅濃度的增加而增大，這是因為脯氨酸能夠協調原生質體內外的滲透平衡，調節膨壓，以解除電解質的毒害[17]，維持細胞的完整性;在銅濃度0～15 μmol·L-1時，可溶性糖含量隨銅脅迫濃度的增加而增大，至銅濃度30 μmol·L-1及以上時，可溶性糖含量顯著降低，這與徐磊[18]在小白菜銅脅迫上的試驗結論一致。可溶性糖的變化規律可能是因為在低強度的銅脅迫下，淀粉等高分子碳水化合物合成減少而分解加快，形成包括蔗糖等在內的低分子量物質，但在高強度的銅脅迫下，細胞膜嚴重受損、電解質大量滲漏，阻礙可溶性糖含量的增加[19]。

綜上，銅濃度不高于5 μmol·L-1時，能提高絲瓜幼苗光合色素含量，保持較高的凈光合速率，同時通過滲透調節物質的調節保護葉片細胞免受重金屬銅毒害。因此，在實際生產中，對植株補充微量元素銅時，其濃度不得高于5 μmol·L-1，對于銅濃度高于5 μmol·L-1的土壤也不適宜種植絲瓜，否則會影響絲瓜的正常生理代謝，最終影響絲瓜的產量和品質。

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