銅離子對沙打旺形態及生理特性的影響

劉揚 王風艷

摘要：本文以沙打旺為研究材料，Cu2+為脅迫因子，采用盆栽實驗，通過向沙打旺幼苗添加不同濃度銅離子模擬重金屬脅迫環境的方法，探究銅離子對沙打旺幼苗生長和生理指標的影響。實驗結果表明：隨著銅離子濃度的增加，沙打旺幼苗葉綠素含量呈下降趨勢，積累了大量的脯氨酸，SOD、POD活性在不同金屬脅迫下表現出一定的差異，但在一定范圍內呈上升趨勢。在重金屬離子Cu2+脅迫下，沙打旺的正常生長受到抑制，株高、葉面積，根干重受抑制較明顯，葉周長，莖葉干重受抑制較小。

關鍵詞：沙打旺;Cu2+脅迫;脯氨酸;SOD.

引言：近年來，隨著礦業、工業、農業的蓬勃發展，環境污染問題日益嚴重，重金屬污染事件在國內外頻頻爆發，引起人們的注意，現在越來越多的人有意的關注這些問題，重金屬污染防治已成為關乎國民的大事[1][2]。由于重金屬在土壤中難以被微生物分解，且重金屬之間有協同、拮抗作用，使得重金屬在土壤中累積過量，難以防治，土壤修復也更加困難。當土壤中重金屬累積過多時，作物的生長、發育和產量都會受到影響[3][4][5]還能通過食物鏈進入我們的身體，危害身體健康。了解作物對重金屬脅迫的抗性響應機制，有助于我們提出切實可行的建議，以減輕重金屬對植物脅迫，減少重金屬在植物體內積累[6]。通過盆栽實驗，探究沙打旺在Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+單因素條件污染下的植株的生長狀態和各項生理指標，為重金屬離子對植物的毒理研究提供一定的理論依據。

材料與方法：沙打旺（Astragalus adsurgens Pall.），逆性強，適應性廣，具有抗旱、抗寒、抗風沙、耐瘠薄等特性。

取等量沙土裝入直徑為15cm，高20cm的花盆中，其中每盆裝沙土2㎏，每盆施入30粒種子，每日澆入等量水，培養105天，然后配置不同濃度的重金屬溶液等量澆入盆栽中，每日施加等量清水，培養45天后，測定幼苗的葉綠素含量，脯氨酸含量、酶活性等生理指標，收獲時測量株高、根干重、地上部分干重及葉面積。

Cu2+處理水平：250mg/L，500 mg/L，750 mg/L，1000 mg/L，1250 mg/L，1500 mg/L。

葉綠素含量的測定采用95%乙醇提取法[7]，脯氨酸含量的測定采用酸性茚三酮法[7]。超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑（NBT）光還原法[8]，過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創木酚法[7]。

每周每個處理分別用直尺測定植株（隨機選取）的株高;指標測定前用葉面積測定儀測定植株葉面積;用電子天平測量根干重和地上部分干重。

使用SPSS 23.0統計軟件進行數據分析，5%顯著性水平下方差分析實驗樣本平均值的差異顯著性比較。Microsoft Excel2010作圖。

結果與分析：

1 Cu2+對沙打旺幼苗葉綠素含量的影響

Cu2+脅迫下，實驗組沙打旺葉片各色素含量均低于對照組，都呈現出先升高后降低再升高再降低，最后升高的趨勢。葉綠素a含量、葉綠素b含量、葉綠素a與b的總含量、類胡蘿卜素含量與Cu2+添加量的相關系數為-0.553（P<0.01）負相關、0.513（P<0.01）正相關、-0.326（P<0.01）負相關、0.558（P<0.01）正相關。Cu2+添加量與沙打旺葉片各色素含量有非常顯著意義。

2 Cu2+對沙打旺幼苗脯氨酸含量的影響

Cu2+脅迫下，脯氨酸含量隨著Cu2+脅迫濃度的升高先升高后降低，顯著高于對照組，相關系數為0.098（P<0.05）微弱相關。沙打旺的脯氨酸含量在500mg·L-1時達到最高，是對照組的5.88倍，然后逐漸降低，在1500mg·L-1脅迫下含量最低，但仍時對照組的2.5倍，因此在Cu2+脅迫下，沙打旺的脯氨酸含量總體上呈上升趨勢。分析發現：Cu2+脅迫下沙打旺葉片內脯氨酸含量與對照組相比差異顯著。

脯氨酸作為植物蛋白的組分之一，具有偶極性。不僅可以調節細胞滲透平衡、增強細胞結構穩定性[14]，還能抑制蛋白質在滲透作用下脫水，增強膜穩定性[15]。研究表明，在逆境脅迫下，植物會產生一系列物質代謝變化來維持正常的生理生化功能，游離脯氨酸的積累就是變化之一[16]。脯氨酸在環境脅迫下能清除活性氧，在強光、紫外輻射、重金屬鋅、銅和鎘等脅迫下其生理功能已被間接證實[17]。

結果表明，在Cu2+脅迫下，沙打旺幼苗脯氨酸含量隨著金屬濃度的不斷增高而改變，基本是先增高后降低。都在500mg·L-1脅迫下沙打旺脯氨酸含量最高，在1000mg·L-1脅迫下含量最低。重金屬的脅迫下，實驗組中沙打旺體內的脯氨酸含量都比對照組高。在Cu2+脅迫下，脯氨酸含量與金屬添加量均微弱相關，Cu2+脅迫下，對照組與實驗組的脯氨酸含量都差異顯著。

3 Cu2+脅迫對沙打旺生長的影響

Cu2+脅迫下，沙打旺的株高、葉面積、根干重都低于對照組，受到抑制，而周長和莖葉干重一定范圍內高于對照組，所以受Cu2+脅迫影響較小。在不同濃度Cu2+脅迫下，沙打旺的株高、葉面積、周長、莖葉干重、根干重都起伏不定，但株高、葉面積、根干重都存在一個最大值，分別比對照組降低了24.21%、55.54%、13.17%;周長和莖葉干重存在最小值，分別比對照組增加了54.72%、65.61。

沙打旺的株高、葉面積、周長、莖葉干重、根干重與Cu2+添加量的相關系數分別為0.113（P<0.01）正相關、0.379（P<0.01）正相關、0.420（P>0.05）正相關、-0.352（P<0.01）負相關、0.469（P<0.01）正相關。

討論：

重金屬脅迫主要通過抑制葉綠素合成或破壞已有葉綠素，導致葉綠素含量下降，從而影響葉綠素合成和生理生化過程[9-11]。此外，植物光合生物膜的脂質過氧化過程也會受到影響，特別是光合系統II。重金屬不僅會抑制二磷酸核酮糖羧化酶的活性，影響植物的代謝過程，還會阻斷PSII 和光合磷酸化，抑制ATP形成[12]。結果表明，葉片光合速率和希爾反應活力均受到抑制[13]。

實驗結果顯示，在Cu2+脅迫下，葉綠素a和類胡蘿卜素含量與金屬離子添加量呈負相關，其它色素含量的變化與前者相反;在Cu2+脅迫下葉綠素總量總體呈增加趨勢。葉綠素含量、類胡蘿卜素含量在Cu2+脅迫下呈上升趨勢。

本文主要研究了沙打旺在Cu2+脅迫下形態和生理特征的變化。

（1）隨著Cu2+添加量的升高，豆科植物沙打旺的葉綠素含量總體呈下降趨勢。

（2）沙打旺幼苗均對重金屬脅迫有一定的生理生態響應，隨著Cu2+添加量的增大，脯氨酸含量總體呈現出先上升后下降的趨勢，但都比對照組高很多，在植物體內積累了大量的脯氨酸。

（3）Cu2+對沙打旺的株高、面積、葉周長、莖葉干重、根干重都有一定的抑制作用，而葉周長、莖干重收到的抑制相對較小。

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基金項目：本文系2018年陜西學前師范學院基金項目“NaCl脅迫對沙打旺生長及生理生態特征的影響”（項目編號：2018YBKJ45）階段性成果之一。

作者簡介：

劉揚（1984.3.10）女，漢，陜西榆林，碩士研究生，稱職：講師，單位：陜西學前師范學院，研究方向：植物生理生態。

王風艷（1998.8）女，漢，陜西延安，學士，職稱：無，單位：陜西學前師范學院，研究方向：植物生理生態。