錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗生理生化指標的影響

曾小飚　張肅杰　寧莞權

摘 要：該文采用砂培試驗研究不同濃度錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗葉片生理生化指標的影響，為探索重金屬復合污染對作物的毒害機理提供科學依據。結果表明：隨著錳、汞復合脅迫濃度的逐漸加大，向日葵幼苗葉片的過氧化物酶活性、蛋白質含量、葉綠素含量表現出先升高后下降的規律；游離脯氨酸和丙二醛含量呈現逐漸增加的趨勢。

關鍵詞：錳；汞；向日葵；復合脅迫；生理生化指標

中圖分類號 S727.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）02-0017-03

向日葵（Helianthus annuus L.）是一年生的菊科向日葵屬草本植物，根系發達，具有耐貧瘠、耐旱、生長快、生物量大、對重金屬富集能力強、耐受性強等特性。近年來已有一些向日葵對抗重金屬脅迫生理反應的研究報道[1-5]，而有關Hg和Mn復合污染對向日葵生理生化指標的影響尚未見報道。為此，本實驗以向日葵為試驗材料，研究了Mn和Hg復合污染對向日葵幼苗葉片葉綠素含量、丙二醛含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、過氧化物酶活性等生理生化指標的影響，為探索重金屬復合污染對作物的毒害機理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 試驗用向日葵（Helianthus annuus）種子金星1號購于百色城西蔬菜種子店。

1.2 試驗方法

1.2.1 砂培試驗 選取大小均勻、籽粒飽滿的向日葵種子，消毒并萌發，然后用Hoagland營養液培養至長出4～6片真葉，選取發長勢一致的幼苗作為供試材料。設5組處理，以Hoagland溶液培養為對照（用T0表示），錳、汞復合脅迫濃度設為Mn20mg/L+Hg1mg/L、Mn50mg/L+Hg5mg/L、Mn100mg/L+Hg10mg/L、Mn200mg/L+Hg50mg/L、Mn300mg/L+Hg100mg/L（各處理組分別用T1、T2、T3、T4、T5來表示）。Mn以MnSO4形式提供，Hg以HgCl2形式提供。自然條件下脅迫培養12d后取葉片進行生理生化指標測試。試驗設3次重復。

1.2.2 生理指標測定方法 葉綠素含量、游離脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、過氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）含量的測定均參照李合生編的《植物生理生化實驗原理和技術》[6]。

2 結果與分析

2.1 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗葉綠素含量的影響 葉綠素是植物光合作用的物質基礎，植物葉片中葉綠素含量可以作為植物遭受逆境傷害程度的重要指標[7]。由圖1可知，在錳、汞脅迫濃度較低時，會促使向日葵葉綠素含量增加。T2組處理時，葉綠素含量達最大值，相比對照組增加了23.02%。當錳、汞濃度繼續增加時，葉綠素含量即呈下降趨勢。T5組處理時，與對照組相比，葉綠素含量降低了20.05%，說明高濃度錳和汞聯合脅迫對向日葵幼苗葉片葉綠素的合成有抑制作用，會導致葉綠素含量下降進而影響植物的光合作用。

2.2 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗游離脯氨酸含量的影響 脯氨酸是植物體內水溶性最大的氨基酸，有著較強的水合能力，是細胞內重要的滲透調節物質。脯氨酸含量的增加可以降低細胞滲透勢，起到維持水勢平衡的作用，可保持細胞膜的正常功能[7]。正常生長的向日葵葉片的游離脯氨酸含量較低。從圖2可知，錳、汞復合脅迫后，向日葵幼苗葉片中游離脯氨酸含量逐漸升高。處理12d后，T1、T2、T3、T4、T5組分別比同期對照組增加了2.76%、89.31%、127.07%、127.99%、1038.67%。這是向日葵在逆境脅迫下的正常生理反應。錳、汞復合脅迫導致向日葵幼苗葉片中游離脯氨酸大量積累，脯氨酸含量升高，這樣可降低水勢，保持植物體內水分平衡，確保植物細胞正常的生理活動。

2.3 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗可溶性蛋白含量的影響 植物葉片中可溶性蛋白含量與細胞內的滲透調節密切相關。由圖3可看出，在較低濃度錳、汞復合脅迫處理時，向日葵幼苗葉片內可溶性蛋白含量迅速上升，在T2組處理時，蛋白質含量上升到最大值，比對照組高8.96%，隨后隨著錳、汞復合脅迫濃度的增加而呈逐漸下降的趨勢。T5組處理時，蛋白質含量比對照組下降了0.30%。

2.4 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗POD活性的影響

POD能有效清除O2-、OH-、H2O2等自由基，是細胞活性氧保護酶系統的成員之一，在防止自由基傷害中起著重要作用。從圖4可看出，在錳、汞復合脅迫下向日葵幼苗體內POD活性均比對照組升高，這應該是植物對重金屬脅迫的主動適應，向日葵幼苗體內的POD活性加強，在一定程度上有效清除了O-、OH-、H2O2等的傷害，以抵抗重金屬的脅迫。T3組處理時，POD活性達到最大值，表明此時向日葵幼苗通過POD活性調節來減輕氧化傷害的能力已經達到最大限度，之后，隨著脅迫濃度的增大，POD活性逐漸下降，表明高濃度重金屬脅迫對向日葵造成了較大的傷害。

2.5 錳、汞復合脅迫對向日葵幼苗MDA含量的影響 丙二醛（MDA）是膜脂過氧化的重要產物，是由植物在衰老或逆境條件下發生質膜過氧化作用產生，其含量變化可作為檢測植物受逆境脅迫損壞程度的重要指標，表示植物細胞過氧化程度和植物遭受重金屬毒害程度[8]。由圖5可知，向日葵幼苗在受到錳、汞復合脅迫后，MDA含量呈先增高后下降的規律，并且各處理MDA含量都比對照組高，分別高出11.82%、12.02%、16.30%、44.08%、27.71%，表明重金屬錳和汞對向日葵幼苗產生了一定的傷害作用。

3 討論

自然條件下，單種重金屬污染土壤的情況少有發生，很多情況下是多種元素之間以及不同重金屬與重金屬聯合作用構成復合污染。本文討論錳和汞復合脅迫對向日葵的生理生化影響。

光合作用是植物生長的物質保證，植物體內葉綠素通過吸收傳遞光能參與光合作用反應過程。葉綠素含量高低影響植物的光合速率，可反映葉片光合作用功能的強弱和植物在逆境條件下組織、器官的衰老情況，因此植物體內葉綠素含量的變化可以作為衡量光合作用能力強弱的一個重要指標[8]。本研究發現，隨著錳和汞復合脅迫濃度增加，向日葵幼苗中葉綠素含量呈先上升后下降的趨勢，表明低濃度重金屬脅迫會刺激向日葵幼苗使其葉綠素合成加速，葉綠素含量呈上升趨勢。隨著錳和汞復合脅迫濃度進一步加大，會導致葉綠體色素分解加速，葉綠素含量降低，造成了向日葵幼苗光合作用下降，導致植株衰老甚至死亡[9]。

MDA是脂質過氧化產物之一，常作為膜脂過氧化程度和膜透性強弱的重要指標[10]。當向日葵受到重金屬脅迫時其細胞膜的選擇透過性能受損，體內活性氧的產生與清除平衡受到破壞，引起膜脂過氧化反應，細胞膜透過性改變，細胞內電解質外滲量增加，從而打破了細胞的滲透壓平衡，損傷細胞內生物膜。本試驗發現，隨著錳和汞復合脅迫濃度的增加，MDA含量均高于對照組，且呈逐漸遞增的趨勢，說明在細胞膜在重金屬脅迫濃度高時受傷害程度加大，可能是細胞內有害物質不斷積累，使膜脂過氧化反應更為激烈，膜系統穩定性下降，細胞膜通透性增加。

可溶性蛋白在植物體內是多種活性酶的總稱。酶活性容易受重金屬毒害而變形甚至降解，從而影響了酶參與的許多生理活動，可溶性蛋白含量變化水平可反映葉片功能性蛋白功能的變化[10]。本研究發現，在低濃度脅迫下，隨著復合脅迫濃度升高，葉片內可溶性蛋白總量逐漸增加，說明向日葵葉片內各種代謝酶類對錳、汞復合脅迫反應敏感。植物可通過增加可溶性蛋白含量來對抗重金屬脅迫，將重金屬脅迫傷害降至最低。當重金屬脅迫濃度超出一定限度時，隨著脅迫濃度的提高可溶性蛋白含量逐漸下降，表明高濃度重金屬脅迫導致植物葉片衰老加速，葉片功能減退。

正常生長情況下植物體內活性氧的產生與清除處于動態平衡，其作用可以有效防止植物體內膜系統受到過氧化傷害，在逆境條件下這種動態平衡受到破壞，活性氧不斷積累，如果重金屬濃度超出植物抗逆境能力時會使植物細胞內的大分子發生過氧化反應，植物因受傷害而生長異常[11]。有研究表明，植物隨著重金屬的脅迫體內POD活性不斷增強[12]。本試驗結果表明，向日葵幼苗POD活性在低濃度錳、汞復合脅迫下，酶活性升高，而后隨著脅迫濃度增加，酶活性逐漸下降。此現象可能是，在較低濃度重金屬脅迫范圍內，植株體內活性氧的增多啟動了細胞的防御反應，通過提升POD活性來清除過多的自由基，從而增加植物對重金屬脅迫的適應能力[13-14]。在較高濃度脅迫下，植物體內重金屬離子積累過多，導致植物受到的毒害加深，細胞內大量積累自由基。當細胞內產生的活性氧自由基過量時，保護酶系統失效，破壞細胞膜的結構與功能，使細胞遭受過氧化傷害，因此，逆境脅迫下植物體內POD對膜的保護作用是有限度的。

植物體內的游離脯氨酸與膜脂過氧化作用關系密切，其作為細胞內主要的滲透調節物質，起平衡細胞液、阻止氧自由基增加和細胞結構穩定性的作用 [15]，因此脯氨酸的積累對植物適應逆境有著重要的意義。植物在正常生長條件下體內含較少的脯氨酸。植物在干旱、鹽、低溫等逆境條件下，植物體內脯氨酸合成會增加，同時氧化分解受阻，使得植物體內脯氨酸的含量升高。本研究結果印證了這一觀點。

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（責編：張宏民）