袁俊，丁振華

廈門大學(xué) 環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，廈門 361100

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桐花樹幼苗葉片生理生態(tài)指標(biāo)對氣態(tài)汞脅迫的響應(yīng)

袁俊，丁振華

廈門大學(xué) 環(huán)境與生態(tài)學(xué)院，廈門 361100

桐花樹是我國主要的廣布種紅樹植物，具有泌鹽性。通過脅迫實驗，研究桐花樹幼苗葉片生理生態(tài)指標(biāo)對氣態(tài)單質(zhì)汞(Hg0)脅迫的響應(yīng)，以期了解紅樹植物吸收和富集氣態(tài)汞的機制。結(jié)果表明：氣態(tài)汞脅迫造成桐花樹葉片可溶性糖含量、過氧化物酶(POD)活性下降；而丙二醛(MDA)、脯氨酸、超氧化物歧化酶(SOD)等指標(biāo)上升；葉綠素含量、過氧化氫酶(CAT)活性出現(xiàn)先升高后降低的趨勢，還原型谷胱甘肽(GSH)含量則先降低后升高?？傊m然Hg0脅迫可增加桐花樹幼苗葉的膜質(zhì)過氧化程度，影響其生理代謝活動，但其葉片可通過調(diào)節(jié)抗氧化酶活性及還原型谷胱甘肽含量來提高自身抗氧化能力，進(jìn)而提高對Hg0的抗性。

氣態(tài)單質(zhì)汞；桐花樹；生理指標(biāo)；抗性

紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)處于海陸交界帶，可為水生生物和鳥類提供棲息場所和豐富的食物來源。但是近年來隨著沿海經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大量污染物排入紅樹林區(qū)，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。紅樹林濕地沉積物中汞含量較高[1]，紅樹植物對重金屬汞具有較高的吸收富集能力，在潮汐和海水浸泡的作用下，紅樹植物的殘體又可分解釋放汞進(jìn)入濕地環(huán)境中。而且濕地環(huán)境中含有較多的硫，汞易與硫結(jié)合形成絡(luò)合物。特殊的生境使紅樹林沉積物成為Hg的源和匯[2-3]。無論紅樹植物成林還是幼苗，紅樹植物葉中汞含量都相對較高[4]，且隨著葉片的生長，紅樹植物幼葉到成熟葉中的Hg含量也逐步增加[5-6]。目前，對濕地汞污染修復(fù)的研究主要圍繞濕地汞的地球化學(xué)特征，紅樹植物對離子汞的耐性及其機制，濕地?zé)o機汞與有機汞的轉(zhuǎn)化及其在食物鏈中的傳遞等方面。但對單質(zhì)氣態(tài)汞脅迫耐汞機制還缺乏研究。

桐花樹(Aegiceras corniculatum)，是我國廣布型紅樹植物，是泌鹽紅樹植物的典型代表，并具有一定的重金屬抗性。本文利用通量箱，對紅樹植物桐花樹進(jìn)行飽和氣態(tài)Hg0脅迫，以期地揭示紅樹植物葉片富集大氣汞的機理，為汞污染的植物生理學(xué)監(jiān)測及紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)、保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)和實踐依據(jù)。

1 材料與方法 (Materials and methods)

1.1 儀器與試劑

藥品：單質(zhì)汞(Hg0)；乙醇(AR)；丙酮(AR)；三氯乙酸等均為國產(chǎn)分析純試劑(綠茵試劑玻儀有限公司)。

儀器：Milli-Q超純水系統(tǒng)(Millipore美國密理博公司)；DK-450B電熱恒溫水浴鍋(上海森信實驗儀器有限公司)；Nanodrop 2000分光光度計(美國賽默飛公司)；Hettich220R離心機(Hettich德國赫提馳公司)；BS110S電子分析天平(北京塞多利斯有限公司)。

1.2 試驗設(shè)計

挑選采自野外的株高約20～30 cm，4～5對葉，且生活力強，無病蟲害，大小相近的桐花樹(Aegiceras corniculatum)幼苗沙培復(fù)壯1周(室溫約25 ℃)，準(zhǔn)備實驗。

復(fù)壯后，幼苗用自來水沖洗干凈并用超純水沖洗3遍后，將其置于盛有1/4 Hogland營養(yǎng)液的燒杯中，并使幼苗地下部分(根)與莖葉用玻璃板隔開。將盛有液態(tài)單質(zhì)汞的培養(yǎng)皿置入封閉通量箱(通量箱的兩側(cè)各有一個直徑0.8 cm的小孔)中，自然達(dá)到飽和。對桐花樹進(jìn)行飽和態(tài)Hg0脅迫處理。同時設(shè)未放置Hg0的對照組。試驗完全采用隨機設(shè)計，對照組和脅迫組分別設(shè)3個平行樣，每個平行實驗設(shè)置6株苗。

圖1 實驗裝置圖Fig. 1 Experimental facility

參照陳建勛和王曉峰[7]的混合液法測定葉綠素含量；利用蒽酮比色法[8]測定還原糖含量；采用硫代巴比妥酸法[8]測定MDA含量；利用磺基水楊酸法測定脯氨酸含量；采用氮藍(lán)四唑法[9]測定超氧化物歧化酶(SOD)活性；依據(jù)愈創(chuàng)木酚法[10]測得過氧化物酶(POD)活性的測定；利用紫外吸收法[11]測得過氧化氫酶(CAT)活性；利用二硫二硝基苯甲酸(DTNB)顯色法[12]測得還原型谷胱甘肽(GSH)的含量，均重復(fù)測定3次，結(jié)果取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗中結(jié)果均為3個重復(fù)處理的平均數(shù)，采用SPSS軟件對數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行單因素方差分析：P>0.05，差異顯著；P<0.05，差異不顯著。采用SigmaPlot10.0軟件進(jìn)行圖表制作。

圖2 氣態(tài)單質(zhì)汞對桐花樹葉綠素含量的影響Fig. 2 Effect of Hg0 on chlorophyll content of Aegiceras corniculatum

圖3 氣態(tài)單質(zhì)汞對桐花樹葉片丙二醛含量的影響Fig. 3 Effect of Hg0 on MDA contents of leaves in Aegiceras corniculatum

圖4 氣態(tài)單質(zhì)汞對桐花樹葉片可溶性糖含量的影響Fig. 4 Effect of Hg0 on soluble sugars contents of leaves in Aegiceras corniculatum

2 結(jié)果(Results)

2.1 Hg0脅迫對桐花樹幼苗葉綠素含量的影響

氣態(tài)單質(zhì)汞對桐花樹幼苗葉片葉綠素含量的影響見圖2，脅迫組葉綠素a、b及總?cè)~綠素含量隨脅迫時間的延長，都呈現(xiàn)先上升又下降的趨勢，第4天葉綠素a含量為0.86 mg·g-1，葉綠素b含量為0.25 mg·g-1，總?cè)~綠素含量為1.13 mg·g-1，都顯著高于相應(yīng)其他脅迫時間的含量(P<0.05)。脅迫組葉綠素a、b及總?cè)~綠素的最高值均遲于相應(yīng)對照組出現(xiàn)。

2.2 Hg0脅迫對桐花樹幼苗葉丙二醛含量的影響

隨著時間的延長，MDA含量變化呈現(xiàn)如圖3所示的變化趨勢，即先增加后下降。脅迫組和對照組的MDA含量同時在第1天出現(xiàn)最低。但脅迫組MDA含量最高值早于對照組最高值出現(xiàn)。脅迫組第1天時的MDA含量顯著低于其他各天MDA的含量(P<0.05)。脅迫組第2天的MDA含量最高，為22 μmol·g-1，比此時對照組MDA含量高了18%。第5天時，脅迫組的MDA含量顯著高于對照組(P<0.05)。

2.3 Hg0脅迫對桐花樹幼苗葉可溶性糖含量的影響

氣態(tài)單質(zhì)汞脅迫下，脅迫組與對照組桐花樹幼苗成熟葉片的可溶性糖含量變化如圖4所示，均呈現(xiàn)先降低后升高又降低的趨勢。相應(yīng)時間脅迫組和對照組的可溶性糖含量差異不顯著(P>0.05)。處理第1天時，脅迫組和對照組可溶性還原糖的含量最高，但脅迫組可溶性糖的含量低于對照組。

圖5 氣態(tài)單質(zhì)汞對桐花樹葉片脯氨酸含量的影響Fig. 5 Effect of Hg0 on froline contents of leaves in Aegiceras corniculatum

2.4 Hg0脅迫對桐花樹幼苗葉脯氨酸含量的影響

氣態(tài)單質(zhì)汞脅迫對桐花樹葉片脯氨酸含量的影響如圖5所示，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。脅迫組第1天脯氨酸的含量最高，為57 μg·g-1，顯著高于其余各天的脯氨酸含量(P<0.05)。第3天的脯氨酸含量顯著低于其余各天的含量(P<0.05)，但顯著高于此時對照組脯氨酸的含量(P<0.05)。第4天和第5天脅迫組脯氨酸含量顯著低于對照組(P<0.05)。

2.5 Hg0脅迫對桐花樹幼苗葉抗氧化能力的影響

由圖6可知，相應(yīng)時間的脅迫組與對照組GSH含量差異不顯著(P>0.05)。脅迫組和對照組都在第2天時出現(xiàn)最低值，但此時脅迫組GSH含量比對照組的GSH含量低了46%。脅迫組第4天GSH含量最高，為105 μmol·g-1，顯著高于第2、3、5天的含量(P<0.05)，但比對照組GSH含量最高值低了30%。

抗氧化酶活性變化呈現(xiàn)出與GSH含量不同的趨勢(圖6)。脅迫組CAT活性隨脅迫時間的延長，呈現(xiàn)先上升又下降，之后上升，最后下降的趨勢。脅迫組第2天CAT活性為17 U·g-1·min-1，顯著高于其余各天CAT活性(P<0.05)，且比此時對照組CAT活性高了20%，但差異并不顯著(P>0.05)。

脅迫組和對照組POD活性隨脅迫時間的延長，均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(圖6)。兩者峰值出現(xiàn)時間不同：脅迫組第4天POD活性最高，但比此時對照組POD活性低了48%；對照組在第3天時POD活性最高，顯著高于脅迫組POD活性(P<0.05)。

脅迫組與對照組SOD活性均隨時間的延長，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。與相應(yīng)POD活性變化趨勢相似(圖6)。脅迫組第3天POD活性為55 748 U·g-1，顯著高于其余各天及此時對照組的SOD活性(P<0.05)。第2天時脅迫組SOD活性最低，比此時對照組SOD活性低了63%，但差異不顯著(P>0.05)。

3 討論(Discussion)

葉綠素是葉綠體的重要組成部分，是植物進(jìn)行光合作用的主要載體，其含量的變化直接影響植物的光合作用、呼吸作用等過程，可以表征光合作用能力的大小及植物受脅迫下組織和器官抗逆性能力的強弱[13]。汞脅迫可加速葉綠素的分解，改變?nèi)~綠素合酶的構(gòu)型，從而導(dǎo)致葉綠素含量的降低。本研究中，脅迫組葉綠素a、b及總?cè)~綠素含量的最高值出現(xiàn)在第4天，遲于對照組的最高值，可能是因為汞脅迫下，脅迫組桐花樹幼苗葉片遭受更大程度的損傷，植物通過加強光合作用來增強機體對汞的抗性[14]。脅迫4 d之后，機體內(nèi)活性氧自由基積累過多，胞內(nèi)葉綠體膜系統(tǒng)遭到破壞，葉綠體內(nèi)某些酶的合成受阻[15]，最終造成桐花樹幼苗葉綠素含量的降低。對照組1～5 d的葉綠素a、b及總?cè)~綠素含量有所不同，是因為本研究中通量箱的使用，一方面可為脅迫組桐花樹幼苗創(chuàng)造飽和態(tài)氣態(tài)單質(zhì)汞脅迫的環(huán)境，另一方面限制了對照組幼苗與大氣的自由交換。故使對照組葉綠素含量出現(xiàn)波動情況。對照組以下生理指標(biāo)出現(xiàn)類似情況。

圖6 氣態(tài)單質(zhì)汞對桐花樹葉片抗氧化酶活性和還原型谷胱甘肽含量的影響Fig. 6 Effect of Hg0 on antioxidase activities and GSH contents of leaves in Aegiceras corniculatum

可溶性糖是植物體內(nèi)一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，不良環(huán)境下，植物體內(nèi)可溶性糖會發(fā)生顯著變化[16-18]，以穩(wěn)定細(xì)胞膜和原生質(zhì)膠體[19]。脯氨酸是水溶性最大的氨基酸，正常條件下，植物體內(nèi)脯氨酸含量很低。在受逆境脅迫后，其含量可明顯增加[20-23]，以防止體內(nèi)水分過分丟失。本研究中，脅迫1～3 d，脅迫組脯氨酸、可溶性糖含量呈現(xiàn)下降趨勢，表明短時間Hg0脅迫可造成植物體內(nèi)滲透壓的改變，植物通過降低脯氨酸、可溶性糖含量來維持其體內(nèi)細(xì)胞膜滲透壓的穩(wěn)定。

致謝：成文過程中驚聞傅家謨院士因病去世的噩耗，甚感悲切。筆者在中國科學(xué)院地球化學(xué)研究所求學(xué)及工作期間，經(jīng)常遇到傅先生，聆聽傅先生的教誨，受益匪淺，謹(jǐn)以此文紀(jì)念傅家謨院士，愿先生千古！

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Physiological Response ofAegicerascorniculatumLeaves to Hg0Stress

Yuan Jun, Ding Zhenghua*

College of the Environment and Ecology, Xiamen University, Xiamen 361100, China

Received 27 November 2015 accepted 6 January 2016

As one of the main widespread mangrove plants in China, Aegiceras corniculatum can tolerate salt by excreting salt. Mangroves are facing more and more serious heavy metal pollution, especially the mercury contamination. To investigate the mechanism of mercury absorption and tolerance of mangrove, stress experiments were conducted with Aegiceras corniculatum seedlings under Hg0stress. In this experiment, physiological characteristics such as the contents of chlorophyll, soluble sugars, malondialdehyde (MDA), proline (Pro), and reduced glutathione (GSH), activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and catalase (CAT) of Aegiceras corniculatum seedlings’ leaves were measured. Results showed as follows: the content of soluble sugars and the activity of POD gradually decreased under Hg0stress; while MDA content，Pro content and SOD activity significantly increased; the chlorophyll content and CAT activity increased firstly and then decreased, and on the contrary, the content of GSH decreased initially and then increased. The findings from above study demonstrate that although Hg0tress can lead to damage of metabolism by causing membrane lipid peroxidation in seedlings’ leaves, but the seedlings could change activities of the antioxidative enzymes and the content of GSH to enhance the antioxidant abilities, and then strengthen organism resistance to mercury.

Hg0; Aegiceras corniculatum; physiological characteristics; resistance

10.7524/AJE.1673-5897.20151127003

國家自然科學(xué)基金(No. 41176090)

袁俊(1990-)，女，碩士研究生，研究方向為環(huán)境生態(tài)學(xué)和汞的生物地球化學(xué)，E-mail: yuanjun519@126.com

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: dzh@xmu.edu.cn

2015-11-27 錄用日期：2016-1-6

1673-5897(2016)2-216-07

X171.5

A

簡介：丁振華(1966-)，男，博士，教授，研究方向為生態(tài)學(xué)污染和生物地球化學(xué)。

袁俊, 丁振華. 桐花樹幼苗葉片生理生態(tài)指標(biāo)對氣態(tài)汞脅迫的響應(yīng)[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報，2016, 11(2): 216-222

Yuan J, Ding Z H. Physiological response of Aegiceras corniculatum leaves to Hg0stress [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(2): 216-222 (in Chinese)