銅脅迫對滇水金鳳花部發育及生理生化特性的影響

李芹梅 李文祥 李新藝 李洋 瞿素萍 黃美娟 黃海泉

摘要：為了解滇水金鳳花器官對銅（Cu）的反應，以其幼苗為材料，采用1/2Hoagland營養液水培法進行試驗，測定不同濃度銅脅迫下花部形態、相對含水量、抗氧化酶活性、膜滲透性和金屬含量相關指標參數。結果表明：隨銅濃度增加，各花部器官逐漸變小，相對含水量不斷下降，與對照差異顯著;Na+和Fe3+呈先降低后增加趨勢;MDA含量、相對電導率、Cu2+、Zn2+和Ca2+含量呈上升趨勢。SOD活性隨銅濃度增加呈先升后降趨勢、變化顯著（P<0.05），POD活性呈上升趨勢，CAT活性呈先降后升再降趨勢。相關性分析表明，銅濃度與相對電導率、POD、MDA、Cu2+、Zn2+和Ca2+呈極顯著正相關（P<0.01），與相對含水量呈顯著負相關（P<0.05）。因此，滇水金鳳花部器官抗氧化酶系統對減輕其銅脅迫傷害發揮了重要作用。相關性分析和主成分分析表明，相對含水量、相對電導率和MDA含量可作為評價銅脅迫對滇水金鳳花器官影響的重要指標，同時高濃度銅脅迫會使滇水金鳳的花器官發生畸變，影響觀賞性。

關鍵詞：滇水金鳳;銅脅迫;花器官;生理生化;主成分分析

中圖分類號：S681.1 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2022）01-0074-06

銅（Cu）是植物生長發育的必需微量元素，但其濃度過高會影響礦質元素的吸收。銅即使含量較少，在植物生長發育過程中也起著重要作用，它是組成酶、維生素和生長素的成分，直接參與植物體的新陳代謝[1]。銅脅迫是植物遭受的主要環境脅迫之一[2]，對植株造成嚴重傷害，如植株生長不良、根系生長受到抑制和葉片失綠等[3-5]。植物為抵抗氧化脅迫會啟動生理生化響應機制來應對受到的逆境脅迫[4]，以超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等抗氧化酶類的酶促反應來清除逆境脅迫形成的大量活性氧，進而抑制膜脂過氧化反應[6]。

滇水金鳳（ImpatiensuliginosaFranch.）是鳳仙花科一年生或多年生植物，其花形奇特、花期長，適應性廣、抗性強，具有很高的觀賞價值[7]。目前關于逆境脅迫對花的影響研究多為鮮切花，如百合[6，8]、玫瑰[9]、月季[10]和香石竹[11]等，而有關滇水金鳳花受銅脅迫后的生理生化響應研究還未見報道。為此，本試驗以滇水金鳳花為材料，測其銅脅迫下花部形態、相對含水量、抗氧化酶活性、膜滲透性和金屬離子含量等相關指標參數，探討其銅脅迫的響應特征，以期為滇水金鳳科學栽培提供一定技術參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及供試材料

供試重金屬化合物為CuSO4·5H2O，營養液及處理液均用去離子水進行配置。

滇水金鳳種子采自云南省昆明市撈魚河濕地公園（E102°46′2″，N24°49′34″）。于2020年9月在西南林業大學樹木園進行播種、育苗，約45d后挑選性狀一致、生長健壯的幼苗（株高約30cm左右）用于試驗。

1.2 試驗設計

試驗采用水培法：用去離子水將滇水金鳳根部土壤沖洗干凈后移入水培箱（4L）水培一周，再用1/2Hoagland（不含CuSO4）馴化一周后加入不同濃度的銅溶液進行脅迫，共設置5個銅濃度梯度，即0（CK）、5、10、15、20mg·L-1。脅迫處理30d后，采集盛花期花器官進行各項指標測量。

1.3 測量指標及方法

1.3.1 花部特征 選取滇水金鳳花30朵，使用游標卡尺（mm）測量花部大小。

1.3.2 生理生化指標 SOD、POD、CAT、丙二醛（MDA）和相對電導率（REC）參考李合生[12]的方法測定;相對含水量（RWC）參考黃堯瑤等[6]的方法測定;金屬離子含量參考郭佳煒等[13]的方法測定。

1.4 數據處理

采用MicrosoftExcel2010和SPSS26.0軟件進行數據分析，用Origin26軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 銅脅迫下滇水金鳳的花部特征變化

從表1可知，在不同濃度銅脅迫下，滇水金鳳的花部特征發生顯著變化。花部形態各指標值隨銅濃度增加而逐漸變小，銅濃度20mg·L-1時，除旗瓣長度外均與CK呈顯著差異（P<0.05）。

2.2 銅脅迫下滇水金鳳花的相對含水量變化

如圖1所示，滇水金鳳花CK的相對含水量為82.75%，處理組隨銅濃度增加而不斷下降，分別比CK依次降低8.05%、12.76%、16.43%和31.94%，且均達顯著差異（P<0.05）。

2.3 銅脅迫下滇水金鳳花的抗氧化酶活性變化

不同濃度銅脅迫下滇水金鳳花抗氧化酶活性的變化不一致（圖2）。由圖2A可知，SOD活性隨銅濃度增加呈先升后降的趨勢，變化顯著（P<0.05）。其中，當銅濃度為5mg·L-1時，SOD活性最高，為269.41U·g-1，是CK的1.30倍;銅濃度達到10、15mg·L-1和20mg·L-1時，SOD活性較CK分別升高24.84%、17.80%和9.45%（P<0.05）。

由圖2B可知，當銅濃度為5mg· L-1時，POD活性較CK略有降低，但差異不顯著;銅濃度增至10mg·L-1時，POD活性較CK略有升高，差異也不顯著;銅濃度為15mg·L-1和20mg·L-1時，POD活性較CK分別升高90.22%和153.26%（P<0.05），說明高濃度的銅脅迫對花的傷害增大并通過迅速提高POD活性來抵御傷害。

CAT活性隨銅濃度增加呈先降低后升高再下降的趨勢（圖2C）。銅濃度為5、15、20mg·L-1時，CAT活性較CK略有降低，但差異不顯著;而銅濃度為10mg·L-1時，CAT活性最高，為6.60U·g-1。

2.4 銅脅迫下滇水金鳳花的丙二醛含量和相對電導率變化

如圖3A所示，滇水金鳳花MDA含量隨銅濃度增加而不斷上升，銅濃度達20mg·L-1時，含量增至31.05μmol·g-1，是CK的1.70倍（P<0.05）;銅濃度為5、10mg·L-1時，MDA含量較CK略有升高，但差異不顯著。

隨銅濃度增加，花被片相對電導率呈上升趨勢（圖3B），與CK比，均呈顯著差異。銅濃度達20mg·L-1時相對電導率為27.98%，比CK升高82.88%（P<0.05）。可見，銅濃度升高加劇了MDA含量和相對電導率的增加，加速細胞膜系統損傷和細胞的死亡。

2.5 銅脅迫下滇水金鳳花的陽離子含量變化

由表2可見，不同濃度銅脅迫下滇水金鳳花Ca2+含量最高，Cu2+含量最低。隨銅濃度增加，Cu2+、Zn2+和Ca2+含量呈上升趨勢，各處理均呈顯著差異（P<0.05），銅濃度20mg·L-1時三者含量分別為12.40、48.85、934.91μg·g-1;Na+和Fe3+隨銅濃度增加呈先降低后增加趨勢，與CK比，均呈顯著差異;而Mg2+隨銅濃度增加有輕微變化，含量在74.80～77.52μg·g-1之間。

2.6 銅濃度與銅脅迫下滇水金鳳花生理生化指標的綜合評價

2.6.1 銅濃度與銅脅迫下滇水金鳳花生理生化指標的相關性 由表3可以看出，銅濃度與相對電導率（REC）、POD、MDA、Cu2+、Zn2+和Ca2+呈極顯著正相關（P<0.01），與相對含水量（RWC）呈極顯著負相關（P<0.01）。

2.6.2 銅脅迫影響滇水金鳳花生理生化指標的主成分分析 采用主成分分析法將獲得的銅脅迫下滇水金鳳花的生理生化指標轉化為幾個綜合變量（主成分），綜合反映銅脅迫下滇水金鳳花的生長狀態，結果如表4所示。提取的前3個主成分的累積貢獻率為96.87%，其中第一主成分（PC1）的貢獻率為65.80%，第二主成分（PC2）的貢獻率為21.84%，第三主成分（PC3）的貢獻率為9.23%。主成分1由相對電導率、相對含水量、MDA、Cu2+、Zn2+及Ca2+決定，這6個指標在主成分1中有較高載荷;SOD活性及Na+在主成分2中載荷較高;主成分3則主要由CAT活性決定（圖4）。以上說明銅脅迫下滇水金鳳花的各個生理生化指標都受到不同程度的影響。

3 討論與結論

研究表明銅脅迫下植物表現在生物量、生長狀況和體內抗氧化酶系統的改變[5，14]。銅含量的高低影響花器官的發育：李榮華等[5]發現紫色新幾內亞在銅濃度為3.2mmol·L-1時，花朵出現嚴重畸變且兩個翼瓣向后卷曲成筒狀。本研究表明，隨銅濃度增加，滇水金鳳各花部都在變小，銅濃度為20mg·L-1時花朵最小，部分花出現畸變，與對新幾內亞[5]的研究結果一致。因此，高濃度的銅脅迫會使滇水金鳳的花器官發生畸變，影響其觀賞性。

水分是植物花器官的重要組成部分，占花瓣鮮重的50% ～80%[15]，而花的相對含水量是反映植物水分狀況的重要指標，其值高表明植物體內生理功能旺盛[9]。本研究中，對照組的相對含水量大約為82.75%，各處理隨銅濃度增加，花部相對含水量持續下降;相關分析表明銅濃度與相對含水量呈極顯著負相關（P<0.01），與百合[6，8]和玫瑰[9]受到干旱脅迫的變化趨勢相同。MDA是膜脂過氧化作用的產物之一，相對電導率的大小可反映質膜的完整性，兩者都是檢測膜損傷程度的公認指標，其值越高說明植物細胞膜受損越嚴重，抗氧化能力就越弱[16，17]。本研究中，MDA含量和相對電導率隨銅濃度增加而增加，與晉松[14]、任磊[18]等的研究結果相符合。結合相關性分析和主成分分析得知，相對含水量、相對電導率和MDA含量可作為評價銅脅迫對滇水金鳳花器官影響的重要指標。

不同植物的抗氧化酶活性對脅迫的響應存在一定的差異，表現為酶活性相互協調[19]。本研究中，SOD活性隨銅濃度增加呈先升后降趨勢、變化顯著，與在玉人面茶菊[18]和百合[6]上的研究結果一致。相關性分析表明，銅濃度與POD活性極顯著正相關（P<0.01），即POD活性隨銅濃度增加而升高，說明高濃度銅脅迫對花部的傷害增大，其通過迅速提高POD活性來抵御傷害，與八仙花[20]受鉛脅迫和百合[6]受干旱脅迫的研究結果一致。CAT活性隨銅濃度增加呈先降低后升高再下降的趨勢，處理組與對照比，均無顯著差異，說明其抗氧化機制未啟動，與低濃度臭氧（80nmol·mol-1）處理下的醉蝶花[17]研究結果一致。

以上表明銅脅迫下滇水金鳳花的抗氧化酶系統能較為迅速做出反應，以抵御或減輕銅脅迫所造成的傷害。

重金屬植物毒理學效應的一個重要方面是營養元素的吸收平衡被破壞，嚴重阻礙植物對養分的吸收及運輸是植物銅毒害的一個重要機制，其會導致植物營養的虧缺或失衡[21]。王敏等[4]研究發現，高濃度銅脅迫下砧木對K、P、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn等的吸收和轉運下降;劉媛等[22]研究發現，隨著鎘濃度的增加，秋華柳葉中Fe的積累受到顯著抑制，韌皮部Mg、Mn、Fe的積累受到顯著抑制，木質部Ca、Mg、Mn、Zn、Fe元素的積累無顯著差異。本研究中，隨銅濃度增加，Na+和Fe3+呈先降低后增加趨勢，Mg2+變幅很小，而Cu2+、Zn2+和Ca2+含量呈上升趨勢且各處理均呈顯著差異。

相關性分析表明，銅濃度與Cu2+、Zn2+和Ca2+呈極顯著正相關（P<0.01）;主成分分析表明Cu2+、Zn2+和Ca2+含量在主成分1中有較高載荷，這表明銅濃度的增加促進三者的運輸。以上分析看出，銅濃度的高低會改變不同微量元素之間的含量。

綜上所述，高濃度銅脅迫會使滇水金鳳的花器官發生畸變，影響觀賞性;相對含水量、相對電導率和MDA含量可作為評價銅脅迫對滇水金鳳花器官影響的重要指標。今后還需進一步從細胞及分子生物學等方面就銅脅迫對滇水金鳳花器官的影響進行深入研究。