李民敬，余發(fā)新，丁建南，熊治廷

(1.江西省科學(xué)院生物資源研究所，江西 南昌330029;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074; 3.武漢大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430072)

0 前言

自然界有一類抗性植物，能生長在重金屬嚴(yán)重污染的土壤(如礦脈露頭和古礦遺址)而代代繁衍不息，被稱為金屬型植物［1］。在其原生土壤中，重金屬(如Cu、Zn、Pb、Cd等)含量可達10 000 mg/kg或更高，是非污染土壤的100～1 000倍以上。依據(jù)生態(tài)分布特點，該類植物分為專性和兼性兩類［1］。前者僅限于污染區(qū);后者可分布于重金屬污染區(qū)和非污染區(qū)，分別形成抗性和非抗性種群。

海洲香薷(Elsholtzia haichowensis Sun)，唇型科一年生草本植物，俗稱“銅草”或“銅花”，是銅礦區(qū)生長茂盛的優(yōu)勢種之一［2，3］。該植物對Cu有很好的蓄積和耐受性，是一種我國原生的金屬型植物，可應(yīng)用于銅污染土壤植物修復(fù)［3，4］。同時也是銅礦區(qū)的先鋒植物，在銅礦區(qū)和其它銅污染區(qū)的植被恢復(fù)中具有重要作用。該植物在非污染區(qū)也有分布，但是并不常見，也不是優(yōu)勢種［4］。

金屬型植物生長土壤大多土層薄，砂礫含量高，保水性和持水能力差，易造成重金屬和干旱復(fù)合脅迫［5～7］。金屬型植物在這種異常生境中能正常生長和繁殖，除對重金屬有抗性外，對干旱可能也有較強的抵抗能力。但是目前金屬型植物相關(guān)研究側(cè)重于重金屬蓄積性能及其抗性兩個方面［8～10］，在重金屬、水分脅迫共同作用下其生理生化代謝的變化及其機理研究較少［6，7，11～13］。本項目選用污染區(qū)、非污染區(qū)海洲香薷為試材，以水培方法構(gòu)成Cu、水分脅迫，研究植物蒸騰速率、水分利用效率、葉片相對含水量、根自然含水量的變化，揭示Cu、水分脅迫下污染區(qū)、非污染區(qū)金屬型植物水分代謝的差異，為尾礦庫復(fù)墾和礦山生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 植物材料的培養(yǎng)以及銅、PEG6000處理

污染區(qū)海洲香薷種子采自已有3000多年采礦歷史的湖北大冶銅錄山古銅礦遺址，土壤總銅含量6 303.6 mg/kg干土;非污染區(qū)海洲香薷種子采自湖北紅安，土壤總銅含量51.6 mg/kg干土。

海洲香薷種子消毒、清洗后置于25℃、黑暗的條件下萌發(fā)。將剛萌發(fā)的幼苗溫室自然光照下砂質(zhì)培養(yǎng)，用1/2Hoagland營養(yǎng)液澆灌。待幼苗長出4對復(fù)葉時，轉(zhuǎn)移至室內(nèi)人工培養(yǎng)室內(nèi)用1/ 2Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)。培養(yǎng)室用鈉燈和白熾燈提供光照，用空調(diào)調(diào)節(jié)溫度使室溫保持在25℃左右。水培恢復(fù)培養(yǎng)一周后加入氯化銅、PEG6000，分別形成Cu0.16 μM(Control)、Cu20 μM、5%(w/v) PEG6000(模擬水分脅迫)、Cu20 μM+5%PEG6000 (Cu+水分脅迫)處理，每個處理3個重復(fù)。每3 d更換一次營養(yǎng)液并重新染毒。

1.2 蒸騰速率和葉片水分利用效率的測定

按照LI-6400便攜式光合儀的測定步驟，測定海洲香薷成熟葉片的蒸騰速率和凈光合速率等。其中測定過程:植物幼苗在固定光源(高壓鈉燈)下進行，Tair 33.40～38.08℃，Tleaf 32.39～38.33℃，Tblock 33.21～37.97℃，CO2R 430.71～483.35 μmolCO2mol－1，H2OR 14.555～14.854 mmol H2Omol－1，RH_R%21.84～28.66，F(xiàn)low499.2～501.1 μmol s－1，ParIn721～830 μmol m－2s－1，Press 100.8～100.9 kPa。如果葉片沒有完全充滿葉室，那么需用葉面積掃描儀(LC-2400P)掃描葉片，然后手動輸入葉面積至光合儀軟件重新計算相關(guān)參數(shù)。根據(jù)所獲數(shù)據(jù)計算葉片水分利用效率。

葉片水分利用效率=凈光合速率/蒸騰速率

1.3 葉片相對含水量和根自然含水量

取下植物葉片，電子天平(0.1 mg)稱鮮重，然后浸入去離子水中，浸泡6 h;把葉片取出并吸干上面的水分，稱飽和鮮重;然后在60℃的烘箱中烘48 h，稱干重。此外，同時稱量根的鮮重和干重。葉片的相對含水量和根的自然含水量采用下列公式:

葉片相對含水量=100×(葉片鮮重－葉片干重)/(葉片飽和鮮重－葉片干重)

根自然含水量=100×(根鮮重－根干重)/根鮮重

1.4 統(tǒng)計分析

實驗結(jié)果均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(n=3)。實驗結(jié)果用SPSS10.0統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。運用多因素統(tǒng)計分析(Multi-way ANOVA)檢驗CS/NCS、Cu和水分脅迫的顯著性差異。假如F值有顯著性差異(P＜0.05)，那么對測定指標(biāo)進行多重比較。多重比較采用Duncan新復(fù)極差法。圖表中不同字母代表達到顯著性差異(P＜0.05)。

2 實驗結(jié)果

2.1 蒸騰速率

圖1表明，在對照下NCS蒸騰速率明顯高于CS，說明NCS對水分的需求更為旺盛。20 μMCu處理下，分別與其對照相比，NCS的Tr下降了79.0%，CS的Tr上升了22.9%，并且均達到顯著性差異，此外CS的Tr明顯高于NCS;說明Cu明顯抑制了NCS的蒸騰作用，但是對CS蒸騰作用有刺激作用。在水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，CS和NCS的Tr均明顯下降，且兩者之間沒有顯著差異，但是下降的幅度不同。在水分脅迫下，分別與其對照相比，NCS的Tr下降了47.5%，CS的Tr下降了34.0%。在Cu+水分脅迫下，NCS的Tr下降了76.6%，CS的Tr下降了48.2%。

圖1 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷蒸騰速率的差異

2.2 葉片水分利用效率

圖2表明，與對照相比，NCS在Cu、水分脅迫以及Cu+水分脅迫下的葉片水分利用效率均明顯增加，而CS僅在水分脅迫下的WUE明顯增加，在Cu以及Cu+水分脅迫下無明顯變化。此外，在Cu以及Cu+水分脅迫下，NCS的WUE顯著高于CS，在其它處理下兩者之間WUE沒有明顯差異。

圖2 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷葉片水分利用效率的差異

2.3 葉片相對含水量和根自然含水量

圖3表明，在20 μM銅處理下，NCS和CS葉片相對含水量僅有輕微變化。在水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，NCS的RWC高于CS，且NCS和CS的RWC均明顯下降，但是下降的幅度不同。在水分脅迫下，分別與其對照相比，NCS的RWC下降了11.5%，CS的下降了39.1%。在Cu +水分脅迫下，NCS的下降了42.2%，CS的下降了47.5%。

圖3 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷葉片相對含水量的差異

圖4表明，與對照相比，NCS根自然含水量在20 μMCu處理以及Cu+水分脅迫下均明顯下降，在水分脅迫下輕微下降;CS根NWC在Cu+水分脅迫下明顯下降，但是在其它脅迫下僅有輕微變化。

3 討論

蒸騰速率反映的是植物地上部分水分通過葉片等散失的速度，是反映植物地上部分失水快慢的指標(biāo)。Tr直接影響著植物體內(nèi)水分平衡的保持，進而影響著植物生理生化代謝的正常進行。20 μM銅處理下NCS的Tr明顯降低但CS的Tr明顯升高(圖1)，表明銅對NCS蒸騰作用有顯著的抑制作用，而對CS蒸騰作用有一定的刺激作用，CS適宜于銅污染區(qū)生長。水分脅迫、銅+水分脅迫對NCS蒸騰作用的抑制作用明顯強于CS (圖1)，說明對水分脅迫、銅和水分復(fù)合脅迫而言CS有強于NCS的適應(yīng)能力，這與CS能耐短期干旱脅迫的結(jié)果是相一致的［6］。在干旱脅迫下，砷超蓄積植物蜈蚣草Tr也明顯下降［12］。不同基因型西紅柿的Tr對水分脅迫的反映也不同［14］。

圖4 銅、水分脅迫下銅污染和非污染海洲香薷根自然含水量的差異

植物葉片水分利用效率是評價植物生長適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)，它實質(zhì)上反映了植物耗水與其干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系。NCS的WUE在3種脅迫下均明顯增加，但是CS的WUE僅在水分脅迫下明顯增加，在其它處理下無明顯變化(圖2)。WUE反應(yīng)差異表明NCS和CS對3種脅迫的敏感度不同，NCS更為敏感;NCS需要比CS消耗更多的水分才能產(chǎn)生同樣的干物質(zhì)積累。類似的是，金屬型植物蜈蚣草的WUE在輕度干旱下也明顯升高［12］，橄欖WUE在水分脅迫下也上升［15］。

葉片相對含水量是植物水分狀況的重要指標(biāo)。在水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，NCS和CS的RWC均明顯下降，且CS下降的幅度大于NCS(圖3)。這與進行土培干旱實驗時觀察到的現(xiàn)象相一致，即在同等干旱程度下，CS葉片發(fā)生萎蔫，而NCS沒有萎蔫。CS和NCS對水分脅迫以及Cu+水分脅迫的反應(yīng)方式不同，CS采取葉片萎蔫的方式自我保護(葉片萎蔫是植物在水分脅迫下自我保護的一種方式)。

4 結(jié)論

在Cu、水分脅迫以及Cu+水分脅迫下，銅污染區(qū)和非污染區(qū)海洲香薷水分代謝存在明顯差異;與非污染區(qū)海洲香薷相比，銅污染區(qū)海洲香薷水分代謝受到的抑制作用偏輕。其結(jié)果可為尾礦庫復(fù)墾以及礦山生態(tài)恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

［1］ Ernst Who.Mine vegetation in Europe.In:Shaw AJ (Eds.)Heavy Metal Tolerance in Plants:Evolutionary Aspects［M］.CRC Press，Boca Raton，1990，21－50.

［2］ 柯文山，席紅安，楊 毅，等.大治銅綠山礦區(qū)海州香薷(Elsholtzia haichowensis)植物地球化學(xué)特征分析［J］.生態(tài)學(xué)報，2001，21(6):907－912.

［3］ Tang S R，Wilke B M，Huang C Y.The uptake of copper by plants dominantly growing on copper mining spoils along the Yangtze River，the People's Republic of China［J］.Plant and Soil，1999，209:225－232.

［4］ Liu J，Xiong Z T.Differences in accumulation and physiological response to copper stress in three populations of Elsholtzia haichowensis S［J］.Water Air and Soil Pollution，2005，168:5－16.

［5］ 張軍英，席 榮.金川鎳尾礦庫復(fù)墾的限制因子及植物適應(yīng)性［J］.甘肅冶金，2007，29(4):92－95.

［6］ 李民敬，余發(fā)新，丁建南，等.銅、水分脅迫下金屬型植物海洲香薷耐性和生長變化［J］.江西科學(xué)，2013，31(1):26－30.

［7］ Wierzbicka M，Panufnik D.The adaptation of Silene vulgaris to growth on a calamine waste heap(S.Poland)［J］.Environmental Pollution，1998，101:415－426.

［8］ Nicoletta Rascio，F(xiàn)lavia Navari-Izzo.Heavy metal hyperaccumulating plants:How and why do they do it And what makes them so interesting［J］.Plant Science，2011，189:169－181.

［9］ Yan Xia，Lv Yanyan，Yuan Yuxiang，et al.Cloning and characterization of a type 1 metallothionein gene from the copper-tolerant plant Elsholtzia haichowensis［J］.Acta Physiologiae Plantarum，2012，34(5):1819－1826.

［10］ Peng Hongyun，Kroneck Peter M H，Kuepper Hendrik.Toxicity and deficiency of copper in Elsholtzia splendens affect photosynthesis biophysics，pigments and metal accumulation［J］.Environmental Science＆Technology，2013，47(12):6120－6128.

［11］ Bhatia Naveen P，Baker Alan J M，Walsh Kerry B，et al.A role for nickel in osmotic adjustment in droughtstressed plants of the nickel hyperaccumulator Stackhousia tryonii Bailey［J］.Planta，2005，223:134－139.

［12］ 陳 宏.光照和水分條件及套種東南景天對蜈蚣草生長及富集重金屬的影響［D］.南寧:廣西大學(xué)，2010.

［13］ Whiting S N，Neumann P M，Baker A J M.Nickel and zinc hyperaccumulation by Alyssum murale and Thlaspi caerulescens(Brassicaceae)do not enhance survival and whole-plant growth under drought stress［J］.Plant Cell and Environment，2003，26:351－360.

［14］ Alian Akram，Altman Arie，Heuer Bruria.Genotypic difference in salinity and water stress tolerance of fresh market tomato cultivars［J］.Plant Science，2000，152:59－65.

［15］ Bacelar E A，Moutinho-Pereira J M，Goncalves B C，et al.Changes in growth，gas exchange，xylem hydraulic properties and water use efficiency of three olive cultivars under contrasting water availability regimes［J］.Environmental and Experimental Botany，2007，60: 183－192.