重金属胁迫背景下的任豆幼苗抗性生理试验

2015-03-16覃勇荣盘芳丽吴达伟牟光福刘旭辉

河池学院学报 2015年2期

覃勇荣，盘芳丽，吴达伟，牟光福，刘旭辉

(河池学院化学与生物工程学院，广西宜州 546300)

在矿产资源开发过程中，由于管理不善以及环保工作滞后等原因，资源浪费和环境破坏的问题十分严峻［1］，重金属污染是金属矿区普遍存在的现象之一［2－3］。

土壤重金属污染治理越来越受到政府和学术界的关注。目前，土壤重金属污染修复方法主要有:工程物理方法、化学方法、农业方法和生物方法等。工程物理方法是比较经典的土壤重金属污染治理方法，它具有相对彻底、稳定的优点，但工程量大，成本高，破坏土壤结构，容易引起生物活性下降和土壤肥力退化;化学方法的优点是治理效果相对明显且简单易行，但化学修复是在土壤原位上进行的，它只改变了重金属在土壤中存在的形态，金属元素仍保留在土壤中，容易再度活化造成危害，故不可作为一项永久的修复措施;农业方法具有操作简单、投资费用低的优点，但治理周期长，效果不显著;生物方法主要是利用生物削减、净化土壤中的重金属或降低重金属毒性，此法简便易行、投资费用少、对环境破坏小，且效果相对显著，因此成为土壤重金属污染修复研究的热点。在生物方法中，植物修复属于原位修复技术，具有保护表土，不破坏土壤结构，减少土壤侵蚀和水土流失的功效，不仅对环境影响小，产生的废物少，又可回收重金属，因此被认为是一项成本低廉、环境友好的污染处理技术［4］。

任豆(Zenia insignis)是我国特有的树种，生长速度快，适应性广，根穿透力、萌芽力、耐旱性及抗病虫能力都比较强，是石山造林绿化的优良树种，具有良好的生态效益和经济价值。研究发现，任豆幼苗具有较强的重金属耐性，可作为土壤重金属污染的修复材料［5－6］。广西矿产资源丰富，但重金属污染问题比较严重，选择优良的植物品种(尤其是乡土树种)进行重金属污染治理是比较现实的利民之举。为此，笔者用人工模拟(盆栽试验)方法，分析重金属胁迫下的任豆幼苗抗性生理特征，以便为广西及相邻地区土壤重金属污染的植物修复提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

1.1.1 主要仪器

101－2－BS电热恒温鼓风干燥箱(上海跃进医疗器械厂)、AL204电子天平(梅特勒－托利多仪器上海有限公司)、艾柯DZG－303A纯水仪(成都唐氏康宁科技发展有限公司)、UV－765紫外可见分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)、80－2台式电动离心机(常州国华电器有限公司)、KQ5200DA型数控超声波清洗仪(昆山市超声仪器有限公司)、FZ102微型植物粉碎机(天津市泰斯特仪器有限公司)。

1.1.2 主要试剂

三氯乙酸，2－硫代巴比妥酸(国药集团化学试剂有限公司)，无水乙醇(天津市光复科技发展有限公司)，硝酸铝(天津市光复精细化工研究所)，氢氧化钠、亚硝酸钠(汕头市西陇化工股份有限公司)。以上试剂均为分析纯(AR)，实验用水均为去离子水。

1.2 实验材料及处理

1.2.1 发芽及育苗

选取大小均匀、颗粒饱满、外观完好的任豆种子(种子由广西田东县种植户提供)，用60～75℃的温水浸泡1 h，催芽后，转移至无重金属污染旳沙床进行培育。定期用去离子水喷洒，保持沙床湿润，以提高任豆种子的发芽率和幼苗成活率。在幼苗株高达15 cm后，再用于重金属胁迫的模拟实验。

1.2.2 试验设计

(1)水培适应性试验。

从苗床中选取生长状况良好、大小规格一致的任豆幼苗，用泡沫塑料板将任豆苗固定好，将任豆幼苗培养于装有4 L Hoagland氏培养液［7］的培养盆中。水培适应期为两周，期间定期用充氧机给培养液充氧，以提供任豆幼苗根部呼吸所需的氧气。

(2)重金属胁迫试验。

将经过水培适应性试验的任豆幼苗分别转入添加重金属元素Cu2+、Cd2+、Pd2+和Zn2+的Hoagland氏培养液中培养。其中 Cu2+和 Cd2+的浓度分别为 0、5、10、15、20、25、30 mg/L，Pd2+和 Zn2+的浓度分别为 0、25、50、75、100、125、150 mg/L，每盆培养液总体积均为4 L。定期向培养液充氧，重金属胁迫的幼苗培养时间为30 d。

1.2.3 样品处理

用去离子水将采收后的任豆幼苗清洗3次，将任豆幼苗的根、茎、叶分开，编号。将每盆任豆幼苗的叶片混合均匀，称取1 g以上的新鲜叶片，用于测定任豆幼苗叶片中的叶绿素含量和丙二醛含量。将根、茎及余下叶片置于60℃烘箱中烘干后，分别用微型植物粉碎机粉碎，置干燥阴凉处保存，备用。干燥的任豆幼苗叶片样品用于总黄酮含量的测定。

1.3 抗性生理指标测定

叶绿素含量的测定用比色法，丙二醛含量的测定用硫代巴比妥酸法［8］，总黄酮含量的测定用超声波辅助―乙醇浸提，三氯化铝比色法［9－10］。

1.4 数据处理

实验数据的处理及相关分析使用Excel 2010、SPSS 20.0和Origin8.0等软件进行。

2 结果与分析

2.1 铜胁迫对任豆幼苗生理性状的影响

从图1可见，在低浓度的重金属Cu2+的胁迫下，任豆幼苗叶绿素含量逐渐增加，当Cu2+浓度为20 mg/L达到最大值，然后逐渐下降，当Cu2+浓度为25 mg/L时，叶绿素含量基本上趋于稳定。所有添加重金属Cu2+处理的任豆幼苗，其叶绿素含量均比空白对照的高。丙二醛含量的变化则比较复杂，当培养液中的Cu2+浓度低于10 mg/L时，任豆幼苗叶片的丙二醛含量逐渐降低(在Cu2+浓度为10 mg/L时达到最小值)，之后，丙二醛含量逐渐增加，在Cu2+浓度为20 mg/L时，丙二醛含量达到最大值，然后逐渐下降。总黄酮含量的变化则比较简单，当Cu2+浓度小于25 mg/L时，任豆幼苗叶片总黄酮含量一直呈下降趋势(在Cu2+浓度为25 mg/L时达到最小值)，之后，总黄酮含量又逐渐增加。

图1 Cu2+胁迫下的任豆幼苗生理指标变化

2.2 镉胁迫对任豆幼苗生理性状的影响

从图2可以看出，当Cd2+＜10 mg/L时，任豆幼苗叶片的叶绿素含量逐渐增加;当10 mg/L＜Cd2+＜20 mg/L时，任豆幼苗叶片的叶绿素含量则逐渐降低;当Cd2+＞20 mg/L时，任豆幼苗叶片的叶绿素含量又逐渐增加。在不同浓度的Cd2+胁迫下，任豆幼苗叶片的丙二醛含量均比对照低，尤其是Cd2+为10 mg/L时，任豆幼苗叶片的丙二醛含量最低。总黄酮含量则呈先下降后升高的趋势，当Cd2+为10 mg/L时，总黄酮含量达到最低值。

图2 Cd2+胁迫下的任豆幼苗生理指标变化

2.3 铅胁迫对任豆幼苗生理性状的影响

由图3可知，在不同浓度重金属Pb2+的胁迫下，任豆幼苗叶片的叶绿素含量呈现先升后降再升再降的变化，当Pb2+浓度为150 mg/L时，任豆幼苗叶片的叶绿素含量最低;丙二醛含量的变化起伏较大，值得注意的是，当Pb2+浓度为25、75、150 mg/L时，任豆幼苗叶片丙二醛含量均比对照的低;随着Pb2+浓度的增加，总黄酮含量也出现波动，但总的趋势是上升，当Pb2+浓度为150 mg/L时，任豆幼苗叶片的总黄酮含量也达到最大值，所有添加重金属Pb2+胁迫的任豆幼苗，其总黄酮含量均比对照的高。

图3 Pb2+胁迫下的任豆幼苗生理指标变化

2.4 锌胁迫对任豆幼苗生理性状的影响

由图4可以看出，在不同浓度重金属Zn2+的胁迫下，任豆幼苗叶片的叶绿素含量呈下降趋势，总的来看，Zn2+浓度越大，任豆幼苗叶片中的叶绿素含量越低;与之相反，丙二醛含量呈逐渐上升趋势，随着Zn2+浓度的增加，丙二醛含量逐渐增加;随着Zn2+浓度的增加，总黄酮含量则先升后降，添加不同浓度Zn2+胁迫的任豆幼苗，其总黄酮含量均比对照的高。在浓度为125 mg/L和150 mg/L重金属Zn2+胁迫下，实验盆栽的任豆幼苗几乎全部死亡，因此无法获得足够的实验材料测定相关的实验数据。

图4 Zn2+胁迫下的任豆幼苗生理指标变化

2.5 不同重金属胁迫对任豆幼苗生理的影响

为了更加直观地说明不同重金属胁迫对任豆幼苗生理的影响，将不同重金属胁迫下任豆幼苗同一生理性状的变化绘制于同一曲线图，如图5、图6和图7。由此可见，不同重金属元素对任豆幼苗生理的影响不同，从叶绿素含量这一生理指标看，任豆幼苗对Pb2+的耐性比较强，对Zn2+的耐性次之，对Cu2+和Cd2+的耐性较差(见图5)。从丙二醛含量的变化来看，任豆幼苗对Pb2+的耐性明显比对Zn2+的耐性强，对Cd2+的耐性比对Cu2+的耐性稍强，但任豆幼苗耐受Cu2+和Cd2+的浓度明显比Pb2+和Zn2+的浓度低，与Pb2+相比，Zn2+胁迫下的任豆幼苗，其丙二醛含量急剧增加，说明其细胞伤害程度比较严重，实验发现，当Zn2+浓度超过100 mg/L时，任豆幼苗几乎全部死亡，而Pb2+浓度在150 mg/L时，部分任豆幼苗还能存活(见图6)。从总黄酮含量的变化来看，任豆幼苗对Cu2+、Cd2+、Zn2+胁迫的反应比较敏感，对Pb2+胁迫的反应比较迟钝;在能够耐受的范围内，随着重金属离子浓度的增高，任豆幼苗总黄酮含量也呈上升的趋势。因此，在重金属胁迫下，植物体内总黄酮的作用值得关注(见图7)。

图5 不同重金属胁迫对任豆幼苗叶绿素含量的影响

图6 不同重金属胁迫对任豆幼苗丙二醛含量的影响

图7 不同重金属胁迫对任豆幼苗总黄酮含量的影响

2.6 相关性分析

为了说明任豆幼苗不同生理指标对重金属胁迫的响应，对任豆幼苗叶绿素含量、丙二醛含量及总黄酮含量与不同浓度重金属胁迫的相关性进行分析。从表1可以看出，任豆幼苗总黄酮含量与Cu2+浓度呈极显著负相关，叶绿素含量和丙二醛含量与Cu2+浓度有一定的正相关，但不显著;任豆幼苗的叶绿素含量与Zn2+浓度呈显著的负相关，丙二醛含量与Zn2+浓度呈极显著的负相关，总黄酮含量与Zn2+浓度呈显著的正相关;叶绿素含量、丙二醛含量及总黄酮含量与Cd2+、Pb2+浓度有一定的相关性，但并不显著。

表1 不同浓度重金属胁迫与任豆幼苗生理指标的相关性

3 讨论

叶绿素含量是植物营养状况、光合作用能力及发育阶段的生理指标，也是评价植物健康状态及受环境胁迫程度的重要指标［11］。由图1至图4可看出，在0～30 mg/L的浓度范围内，添加Cu2+、Cd2+处理的任豆幼苗，其叶绿素含量均比对照的高;添加低浓度(＜50 mg/L)Pb2+处理的任豆幼苗，其叶绿素含量也比对照稍高;而所有添加Zn2+处理的任豆幼苗，其叶绿素含量均比对照的低。说明任豆幼苗对重金属Zn2+的反应比较敏感，而低浓度的部分重金属元素(Cu2+、Cd2+和Pb2+)对任豆幼苗生长有一定的促进作用，这与覃勇荣等人对桑树幼苗的相关研究结果相似［12］。

丙二醛含量可以反映植物细胞膜受损害的程度，也可以作为植物抗逆生理的重要指标［13－17］。重金属镉胁迫下的任豆幼苗，其叶片中的丙二醛含量反而比对照组的低(见图2)，说明在一定浓度范围内，任豆幼苗对重金属镉有较好的耐性，重金属镉对任豆的伤害不一定是破坏其细胞膜。由此可见，重金属对植物的伤害途径、方式和机理可能是多种多样的，破坏植物细胞膜仅是其中一种方式和途径而已。如果以丙二醛含量高低作为判断植物对重金属的耐性强弱，任豆幼苗对重金属Cu2+、Cd2+、Pb2+、Zn2+的耐性排序为:Cd2+＞Cu2+＞Pb2+＞Zn2+。

黄酮类化合物具有抗氧化、延缓衰老、清除自由基等作用［18］。由表1可知，在Zn2+的胁迫下，Zn2+浓度与任豆幼苗的叶绿素、丙二醛含量均有显著或极显著的负相关，与总黄酮含量有显著的正相关，说明任豆幼苗对Zn2+的胁迫比较敏感;在另一组试验中，在Cu2+的胁迫下，任豆幼苗的总黄酮含量却与Cu2+浓度呈极显著的负相关。因此，黄酮类化合物在植物生理调控及解除重金属毒害的作用，尚需进一步的研究。

根据任豆幼苗水培试验可知，Cu2+和Cd2+胁迫下的任豆幼苗，除对照组和5 mg/L的Cu2+处理组外，其余处理组均出现部分叶子枯黄掉落现象，部分处理组出现枝条枯萎现象，高浓度处理组的情况更为严重。而加入重金属Pb2+和Zn2+2 d后，浓度为150 mg/L处理组的任豆幼苗均有枯萎的现象，15 d后，浓度为100 mg/L的Zn2+胁迫下的任豆幼苗部分叶子发黄严重，有枯萎迹象，浓度为125 mg/L和150 mg/L Zn2+胁迫下的任豆幼苗几乎全部死亡。收苗前，对照组的任豆幼苗长势良好，添加Cu2+和Cd2+处理的任豆幼苗叶片均有部分枯萎现象，且老叶表现较为明显，Cu2+处理的任豆幼苗叶片枯萎情况比Cd2+处理的严重;而添加Pb2+处理的任豆幼苗在收苗时长势依然良好，叶片茂盛浓密，Zn2+处理的任豆幼苗新叶发白，并有叶片发黄脱落现象。