銅脅迫對(duì)滇水金鳳花部發(fā)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(duì)銅（Cu）的反應(yīng)，以其幼苗為材料，采用1/2Hoagland營養(yǎng)液水培法進(jìn)行試驗(yàn)，測定不同濃度銅脅迫下花部形態(tài)、相對(duì)含水量、抗氧化酶活性、膜滲透性和金屬含量相關(guān)指標(biāo)參數(shù)。結(jié)果表明：隨銅濃度增加，各花部器官逐漸變小，相對(duì)含水量不斷下降，與對(duì)照差異顯著;Na+和Fe3+呈先降低后增加趨勢;MDA含量、相對(duì)電導(dǎo)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(guān)性分析表明，銅濃度與相對(duì)電導(dǎo)率、POD、MDA、Cu2+、Zn2+和Ca2+呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與相對(duì)含水量呈顯著負(fù)相關(guān)（P<0.05）。因此，滇水金鳳花部器官抗氧化酶系統(tǒng)對(duì)減輕其銅脅迫傷害發(fā)揮了重要作用。相關(guān)性分析和主成分分析表明，相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量可作為評(píng)價(jià)銅脅迫對(duì)滇水金鳳花器官影響的重要指標(biāo)，同時(shí)高濃度銅脅迫會(huì)使滇水金鳳的花器官發(fā)生畸變，影響觀賞性。

關(guān)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(hào)：S681.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A 文章編號(hào)：1001-4942（2022）01-0074-06

銅（Cu）是植物生長發(fā)育的必需微量元素，但其濃度過高會(huì)影響礦質(zhì)元素的吸收。銅即使含量較少，在植物生長發(fā)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(huán)境脅迫之一[2]，對(duì)植株造成嚴(yán)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(huì)啟動(dòng)生理生化響應(yīng)機(jī)制來應(yīng)對(duì)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(yīng)來清除逆境脅迫形成的大量活性氧，進(jìn)而抑制膜脂過氧化反應(yīng)[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(yīng)性廣、抗性強(qiáng)，具有很高的觀賞價(jià)值[7]。目前關(guān)于逆境脅迫對(duì)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(guān)滇水金鳳花受銅脅迫后的生理生化響應(yīng)研究還未見報(bào)道。為此，本試驗(yàn)以滇水金鳳花為材料，測其銅脅迫下花部形態(tài)、相對(duì)含水量、抗氧化酶活性、膜滲透性和金屬離子含量等相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，探討其銅脅迫的響應(yīng)特征，以期為滇水金鳳科學(xué)栽培提供一定技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及供試材料

供試重金屬化合物為CuSO4·5H2O，營養(yǎng)液及處理液均用去離子水進(jìn)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(yè)大學(xué)樹木園進(jìn)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(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(jìn)行脅迫，共設(shè)置5個(gè)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(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測量。

1.3 測量指標(biāo)及方法

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

1.3.2 生理生化指標(biāo) SOD、POD、CAT、丙二醛（MDA）和相對(duì)電導(dǎo)率（REC）參考李合生[12]的方法測定;相對(duì)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(shù)據(jù)處理

采用MicrosoftExcel2010和SPSS26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用Origin26軟件制圖。

2 結(jié)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(fā)生顯著變化。花部形態(tài)各指標(biāo)值隨銅濃度增加而逐漸變小，銅濃度20mg·L-1時(shí)，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(duì)含水量變化

如圖1所示，滇水金鳳花CK的相對(duì)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(dá)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(dāng)銅濃度為5mg·L-1時(shí)，SOD活性最高，為269.41U·g-1，是CK的1.30倍;銅濃度達(dá)到10、15mg·L-1和20mg·L-1時(shí)，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(dāng)銅濃度為5mg· L-1時(shí)，POD活性較CK略有降低，但差異不顯著;銅濃度增至10mg·L-1時(shí)，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(shí)，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(duì)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(shí)，CAT活性較CK略有降低，但差異不顯著;而銅濃度為10mg·L-1時(shí)，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(duì)電導(dǎo)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(dá)20mg·L-1時(shí)，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(shí)，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(duì)電導(dǎo)率呈上升趨勢（圖3B），與CK比，均呈顯著差異。銅濃度達(dá)20mg·L-1時(shí)相對(duì)電導(dǎo)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(duì)電導(dǎo)率的增加，加速細(xì)胞膜系統(tǒng)損傷和細(xì)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(shí)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(biāo)的綜合評(píng)價(jià)

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

2.6.2 銅脅迫影響滇水金鳳花生理生化指標(biāo)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(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)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(tài)，結(jié)果如表4所示。提取的前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為96.87%，其中第一主成分（PC1）的貢獻(xiàn)率為65.80%，第二主成分（PC2）的貢獻(xiàn)率為21.84%，第三主成分（PC3）的貢獻(xiàn)率為9.23%。主成分1由相對(duì)電導(dǎo)率、相對(duì)含水量、MDA、Cu2+、Zn2+及Ca2+決定，這6個(gè)指標(biāo)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(gè)生理生化指標(biāo)都受到不同程度的影響。

3 討論與結(jié)論

研究表明銅脅迫下植物表現(xiàn)在生物量、生長狀況和體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)的改變[5，14]。銅含量的高低影響花器官的發(fā)育：李榮華等[5]發(fā)現(xiàn)紫色新幾內(nèi)亞在銅濃度為3.2mmol·L-1時(shí)，花朵出現(xiàn)嚴(yán)重畸變且兩個(gè)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(shí)花朵最小，部分花出現(xiàn)畸變，與對(duì)新幾內(nèi)亞[5]的研究結(jié)果一致。因此，高濃度的銅脅迫會(huì)使滇水金鳳的花器官發(fā)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(duì)含水量是反映植物水分狀況的重要指標(biāo)，其值高表明植物體內(nèi)生理功能旺盛[9]。本研究中，對(duì)照組的相對(duì)含水量大約為82.75%，各處理隨銅濃度增加，花部相對(duì)含水量持續(xù)下降;相關(guān)分析表明銅濃度與相對(duì)含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)（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(chǎn)物之一，相對(duì)電導(dǎo)率的大小可反映質(zhì)膜的完整性，兩者都是檢測膜損傷程度的公認(rèn)指標(biāo)，其值越高說明植物細(xì)胞膜受損越嚴(yán)重，抗氧化能力就越弱[16，17]。本研究中，MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率隨銅濃度增加而增加，與晉松[14]、任磊[18]等的研究結(jié)果相符合。結(jié)合相關(guān)性分析和主成分分析得知，相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量可作為評(píng)價(jià)銅脅迫對(duì)滇水金鳳花器官影響的重要指標(biāo)。

不同植物的抗氧化酶活性對(duì)脅迫的響應(yīng)存在一定的差異，表現(xiàn)為酶活性相互協(xié)調(diào)[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(jié)果一致。相關(guān)性分析表明，銅濃度與POD活性極顯著正相關(guān)（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(duì)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(jié)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(duì)照比，均無顯著差異，說明其抗氧化機(jī)制未啟動(dòng)，與低濃度臭氧（80nmol·mol-1）處理下的醉蝶花[17]研究結(jié)果一致。

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

重金屬植物毒理學(xué)效應(yīng)的一個(gè)重要方面是營養(yǎng)元素的吸收平衡被破壞，嚴(yán)重阻礙植物對(duì)養(yǎng)分的吸收及運(yùn)輸是植物銅毒害的一個(gè)重要機(jī)制，其會(huì)導(dǎo)致植物營養(yǎng)的虧缺或失衡[21]。王敏等[4]研究發(fā)現(xiàn)，高濃度銅脅迫下砧木對(duì)K、P、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn等的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)下降;劉媛等[22]研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)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(guān)性分析表明，銅濃度與Cu2+、Zn2+和Ca2+呈極顯著正相關(guān)（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(jìn)三者的運(yùn)輸。以上分析看出，銅濃度的高低會(huì)改變不同微量元素之間的含量。

綜上所述，高濃度銅脅迫會(huì)使滇水金鳳的花器官發(fā)生畸變，影響觀賞性;相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量可作為評(píng)價(jià)銅脅迫對(duì)滇水金鳳花器官影響的重要指標(biāo)。今后還需進(jìn)一步從細(xì)胞及分子生物學(xué)等方面就銅脅迫對(duì)滇水金鳳花器官的影響進(jìn)行深入研究。