王思瑤,姜 華

(遼寧師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

目前，植物修復(fù)技術(shù)已被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用，尤其是生長周期短、生物量累積迅速的草本植物在植物修復(fù)中顯示出較大的研究價值，很多文獻(xiàn)也證明了其作為重金屬污染土壤修復(fù)的潛在能力[1-2]，并且篩選出來了一些重金屬超積累植物[3-4]。堿蓬是藜科、堿蓬屬的一年生草本植物，多生于海濱、荒漠、湖邊及鹽堿土等非耕地上，營養(yǎng)豐富，富含脂肪、蛋白、粗纖維、礦物質(zhì)、微量元素和多種維生素等,可作為蔬菜食用。堿蓬籽油富含人體生長發(fā)育所必需的脂肪酸、亞油酸和亞麻酸,具有抗腫瘤、抗動脈硬化、抗氧化和降低體內(nèi)脂肪等醫(yī)藥保健功效；堿蓬還具有耐鹽堿、改善土壤生態(tài)等功效，被譽(yù)為鹽堿地改造的先鋒植物[5]。前人關(guān)于堿蓬做了大量研究，如品種選育與栽培、群落構(gòu)成、營養(yǎng)成分分析、抗性生理、生態(tài)功能、遺傳多樣性及耐鹽基因的利用等[6]，但有關(guān)堿蓬對重金屬的耐、抗性及污染的修復(fù)研究報道有限。本文旨為重金屬污染的堿蓬修復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

(1)堿蓬：采自遼寧省大連市甘井子區(qū)鹽場海濱灘涂上的堿蓬(Suaedasalsa)。

(2)器具：722型光柵分光光度計(上海成光儀器廠)；紫外分光光度計(Toshiba)；TGLL-18K臺式高速冷凍離心機(jī)(太倉市華美生化儀器廠)；電熱恒溫干燥箱(上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠)；恒溫水浴。

(3)藥品：五水合硫酸銅、硝酸鉛、重鉻酸鉀、氯化汞、氯化鉀、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉、三氯乙酸、聚乙烯吡咯烷酮、兒茶酚、硼酸、硫代巴比妥酸、碳酸鈣粉、愈創(chuàng)木酚、過氧化氫、95%乙醇、牛血清蛋白、考馬斯亮藍(lán)G250等均為分析純。

1.2 方法

(1)重金屬濃度的確定：先配制CuSO4·5H2O、Pb(NO3)2、K2Cr2O7和HgCl2母液，再配制成不同濃度。將堿蓬苗放于不同梯度的濃度下培養(yǎng)，觀察其生長狀況，確定4種重金屬對堿蓬植株生長出現(xiàn)明顯抑制效果的臨界濃度，預(yù)實驗得知，4種重金屬Pb2+、Cr6+、Hg2+和Cu2+的臨界濃度依大小排序為45 mg/kg、15 mg/kg、10 mg/kg和5 mg/kg。以此為工作濃度。

(2)堿蓬苗的采集與培育：采集海濱灘涂上自然生長的堿蓬小苗(6～8葉期)，洗去根部土壤，培養(yǎng)于裝有4種重金屬溶液的三角瓶中。為保證重金屬濃度，每隔4天更換1次，3次重復(fù)，以純水為對照，培養(yǎng)20天后開始測定。

(3)生長與生化指標(biāo)的測定：取出小苗，用濾紙吸干水分。分別測定植株的根長和根數(shù)、植株鮮重，計算耐性指數(shù)(處理組根系平均長度×100/對照組根系平均長度)；連續(xù)6天采樣(葉片)，采用分光光度比色法測定葉綠素[7]、可溶性蛋白[8]和丙二醛含量[9]，測定過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬脅迫對堿蓬生長指標(biāo)的影響

試驗結(jié)果表明(見表1)：Pb2+、Cr6+、Hg2+和Cu2+對堿蓬植株生長出現(xiàn)明顯抑制效果的臨界濃度依其大小排序為45 mg/kg、15 mg/kg、10 mg/kg和5 mg/kg,以此濃度水培堿蓬幼苗20天后采樣測量，處理組的各項生長指標(biāo)明顯低于對照組。其中，Pb2+處理的植株株高、根數(shù)及鮮重分別是對照組的89%、83%和73%；Cr6+處理的分別是對照組的87%、75%和73%，Hg2+處理的分別是對照組的87%、66%和70%，Cu2+處理的分別是對照組的89%、88%和75%。

依據(jù)根系長度，計算堿蓬對Pb2+、Cr6+、Hg2+和Cu2+的耐性指數(shù)分別為83.18、78.62、80.49和83.71，從中可見，堿蓬對Pb2+耐性較強(qiáng)。

表1 重金屬脅迫對堿蓬生長指標(biāo)的影響

2.2 重金屬脅迫對堿蓬葉綠素含量的影響

由表2可知，4種重金屬脅迫下的堿蓬葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總量均低于對照組，且處理與對照比較葉綠素總量差異顯著(P<0.05)。Pb2+處理的葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總量分別是對照的65%、52%和61%；Cr6+處理的是對照的66%、42%和59%；Hg2+處理的分別是對照的65%、34%和55%；Cu2+處理的分別是對照的68%、64%和67%。

表2 重金屬脅迫對堿蓬光和色素含量的影響

2.3 重金屬脅迫對堿蓬可溶性蛋白和丙二醛含量的影響

由圖1可知，4種重金屬脅迫下堿蓬植株的可溶性蛋白含量均低于對照，而MDA含量均高于對照。Pb2+、Cr6+、Hg2+和Cu2+處理的可溶性蛋白含量分別是對照的66.7%、58.3%、41.7%和75%；Hg2+處理與對照比差異顯著(P<0.05)；而Pb2+、Cr6+、Hg2+、Cu2+處理的丙二醛含量分別是對照的167%、147%、114%、和131%，Pb2+處理與對照比差異顯著(P<0.05)。

圖1 重金屬脅迫對堿蓬可溶性蛋白和丙二醛含量的影響

2.4 重金屬脅迫對堿蓬過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性的影響

重金屬處理20天后，連續(xù)6天采樣測定POD和CAT活性。結(jié)果得知，4種重金屬脅迫下的堿蓬植株體內(nèi)POD活性均高于對照，而CAT活性均低于對照(圖2和圖3)。Pb2+、Cr6+、Hg2+、Cu2+處理植株的POD酶活性6天總和分別是對照的116%、165%、135%和153%，而CAT活性分別是對照的73.8%、66.7%、74%和61.5%。

圖2 重金屬脅迫對堿蓬POD活性的影響

圖3 重金屬脅迫對堿蓬CAT活性的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

重金屬Pb2+、Cr6+、Hg2+和Cu2+脅迫對堿蓬植株生長均有抑制作用，出現(xiàn)明顯抑制效果的臨界濃度分別為：45 mg/kg、15 mg/kg、10 mg/kg和5 mg/kg；以植株株高、根數(shù)及鮮重排序，Pb2+處理的植株株高、根數(shù)及鮮重分別是對照組的89%、83%和73%，Cr6+處理的是87%、75%和73%，Hg2+處理的是87%、66%和70%，Cu2+處理的是89%、88%和75%；4種重金屬脅迫下堿蓬植株的葉綠素、可溶性蛋白含量均低于對照，而MDA含量均高于對照。Pb2+、Cr6+、Hg2+、Cu2+處理的葉綠素總量分別是對照的61%、59%、55%和67%，可溶性蛋白含量分別是對照的66.7%、58.3%、41.7%和75%，而丙二醛含量分別是對照的167%、147%、114%、和131%。4種重金屬脅迫下的堿蓬植株體內(nèi)POD活性均高于對照，而CAT活性均低于對照。

3.2 討論

本文查明了使堿蓬幼苗生長出現(xiàn)明顯抑制效果的4種重金屬(Pb2+、Cr6+、Hg2+和Cu2+)的臨界濃度，以及此濃度脅迫下的生長及生理生化指標(biāo)的變化?？扇苄缘鞍缀渴且粋€重要的生理生化指標(biāo)，是構(gòu)成酶的重要組成部分，參與生理生化代謝過程的調(diào)控，與植物的生長發(fā)育、抗逆性等密切相關(guān)。光合色素是植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，其含量高低是判斷植物光合作用強(qiáng)弱的一個重要指標(biāo)[10]。本實驗結(jié)果表明，4種重金屬的脅迫均可使堿蓬蛋白質(zhì)和葉綠素合成受阻，在臨界濃度時蛋白含量降低近25%～60%、葉綠素總量降低33%～45%。尤其是Hg2+可使蛋白含量降低近60%、葉綠素近45%。重金屬可能與葉綠素合成的相關(guān)酶的肽鏈部分結(jié)合，抑制了酶活性、阻礙了葉綠素的合成[11]。植物組織在遭受脅迫時，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，產(chǎn)生多種多樣的產(chǎn)物，丙二醛是主產(chǎn)物之一，其數(shù)量的多少能代表膜脂過氧化程度，也可間接反應(yīng)植物抗氧化能力的強(qiáng)弱[12]。逆境脅迫下，丙二醛含量往往會增加，并隨脅迫作用的加大含量升高[13]。本實驗結(jié)果表明，在4種重金屬脅迫下，MDA含量與對照相比升高31%～67%，尤其是Pb2+處理的使之升高近67%。

植物根系是最先接觸重金屬的部位，對其進(jìn)行吸收或排斥，其耐性指數(shù)是用來反映植物對重金屬耐性大小的一個重要指標(biāo)[14]。重金屬影響植物根尖細(xì)胞有絲分裂，造成細(xì)胞分裂速度減慢，并通過改變植物的生理生化過程而影響其生長發(fā)育[15]。本實驗結(jié)果表明，4種重金屬均可使堿蓬植株的鮮重減輕、根數(shù)減少。在臨界濃度時，堿蓬植株鮮重降低25%～30%、根數(shù)減少12%～34%，葉片長減少17%～32%，葉片數(shù)降低11%～42%尤其是Hg2+可使堿蓬植株鮮重降低30%、根數(shù)減少34%，葉片長縮短32%，葉片數(shù)減少42%。

POD是植物體內(nèi)的一類氧化酶，對環(huán)境變化反應(yīng)靈敏，植物在受到逆境脅迫時會誘導(dǎo)產(chǎn)生，在植物呼吸代謝中具有重要作用。前人研究表明，植物在受到污染或逆境脅迫時，POD酶活性有增加趨勢[16]。CAT普遍存在于植物組織中，能保護(hù)植物免受過氧化氫積累的危害，其活性的高低亦可反映植物抗性的強(qiáng)弱，酶活性降低是植物對逆境的一種適應(yīng)性表現(xiàn)[17]。許多研究發(fā)現(xiàn)植物在受到逆境或污染脅迫時，CAT活力隨逆境或污染脅迫強(qiáng)度增加會出現(xiàn)不同程度的下降[18]。本實驗4種重金屬脅迫下的堿蓬植株體內(nèi)POD酶活性升高、而CAT酶活性降低，這與前人的研究結(jié)果一致。

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