重金属离子Pb2+胁迫对早熟禾品种润草1号生理特性的影响

赵忠涛　张丽

摘 要：采用盆栽的方法，研究了不同浓度Pb2+胁迫对早熟禾品种“润草一号”生理活性的影响。通过检测“润草一号”叶片的叶绿素含量、脯氨酸含量和细胞膜透性以及根系活力的变化，我们发现，Pb2+胁迫对“润草一号”叶片的生长影响不明显，较高浓度处理才会引起“润草一号”叶片叶绿素含量、脯氨酸含量和细胞膜透性的降低。但是，较低浓度的Pb2+处理就能够显著地降低“润草一号”根系活力。

关键词：“润草一号” Pb2+ 生理生化指标

中图分类号：S688.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）02（b）-0113-04

研究表明，重金属元素很难被生物体所降解。并且重金属元素还可以在食物链的作用下，在生物体内层层富集，造成严重的生态危害。土壤中重金属元素的污染可能会导致土壤肥力的降低和流失，作物产量与品质降低和劣化，水环境污染加重等等严重后果。因此，如何修复土壤的重金属元素污染，是环境和生态保护所亟待解决的重大课题之一。而在重金属元素污染较重的区域种植耐受性较高的植物，特别是非食用性的耐受性较高的植物，是非常有效的恢复生态环境的途径之一[1-2]。

重金属元素铅（Pb）是环境危害极大的一种常见污染物。随着城市工业和交通的日益发达（主要来源于化石燃料和汽车尾气），释放到环境中Pb日渐增加。Pb可以在土壤中大量积累，难以被微生物分解代谢，可能会导致土壤的正常功能失调、质量下降，并且会对植物产生毒害。草地早熟禾（Poa pratensis）是冷季型草坪中最重要的一种，其分布范围广、适应性强，在城市草坪美化中应用广泛。因此，尝试利用草坪植物修复土壤Pb污染，有利于净化土壤，在美化环境的同时也可以获得生态效益。

早熟禾主要适宜于南方地区露地栽培，是我国草坪绿化常用的草坪植物之一。主要用于观赏草坪的建植，对于降低环境污染、城市绿化及美化起着非常重要的作用[4]。“润草一号”是一种新型的早熟禾品种，于2012年由江苏农林职业技术学院培育而成。“润草一号”属于低矮型草种，抗倒伏和抗病能力强，坪用性状优良，具有较强的耐荫、耐热性能。该研究以“润草一号”为实验材料，研究了其在不同浓度的Pb2+胁迫的生理生化指标的变化规律。该研究结果为今后开发利用“润草一号”用于Pb2+污染的土壤修复提供了理论依据，为“润草一号”在城市地区园林的广泛应用提供了参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试草地早熟禾品种为“润草一号”，由江苏农林职业技术学院提供。供试土壤取自学院花房土质较好的表层土壤，Pb2+添加形式为Pb（Ac）2，分析纯。

1.2 试验方法

室外盆栽试验于2014年9月～2014年11月在江苏农林职业技术学院进行。供试土壤风干后过0.5 cm筛，按照1∶3将草炭土和土壤混合配制，并称重5.0 kg装入花盆中，以不使用Pb2+处理作为对照，Pb2+浓度梯度均为50 mg/kg、100 mg/kg、200 mg/kg、500 mg/kg和1 000 mg/kg，每个处理浓度3次重复。平衡土壤半个月。

1.3 测定方法

1.3.1 叶片中叶绿素含量的测定

称取新鲜叶片0.2 g于研钵中，加入少量碳酸钙粉和石英砂，加入2～3 mL的95%乙醇，研磨成匀浆。滤纸过滤到25 mL棕色容量瓶中，并用少量乙醇处理研钵、研棒、残渣和滤纸上的叶绿体色素，直至滤纸和残渣中无绿色为止。乙醇定容，摇匀。将提取液倒入比色杯内，以95%乙醇为空白，分别在665 nm和649 nm和470 nm下测定吸光度。平行重复三组[5]。

1.3.2 脯氨酸含量的测定

取剪碎混匀的新鲜叶片0.2 g置于大试管中，加入5 mL 3%磺基水杨酸溶液；管口加盖玻璃球，于沸水浴中浸提15 min。待冷却至室温后，吸取上清液2 mL，加2 mL冰乙酸和3 mL茚三酮显色液，于沸水浴中加热15 min。冷却后各加入5 mL甲苯，摇匀萃取，避光静置待完全分层。用移液枪吸取甲苯层液体于石英比色皿中，于520 nm处测定吸光度，再根据标准曲线求出脯氨酸含量。平行重复三组[5]。

1.3.3 细胞膜透性的测定

选取新鲜叶片若干吸干，剪下后拭凈，用电子天平称称取两份，各重2 g。一份放入40 ℃恒温箱内萎焉1 h，另一份放在烧杯中在室温下做对照。处理后分别用蒸馏水冲洗，准确加入20 mL蒸馏水，浸没叶片。用真空抽气泵抽气7～8 min，使细胞中的空气被抽出，使叶片全部浸人重蒸馏水中。在室温下静置20 min，然后用DDS-11D型电导仪测定溶液的电导率R，再将其置于沸水浴中煮沸15 min，冷却后测定其电导率R。平行重复三组[5]。

1.3.4 细根系活力的测定

取新鲜根样品0.5 g放入烧杯中，加入0.4%TTC溶液和磷酸缓冲液的等量混合液10 mL，把根充分浸没，在37 ℃下暗处保温1 h。然后加入1 mol/L硫酸2 mL，以停止反应。把根取出，吸干后与乙酸乙酯3～4 mL和少量石英砂一起研磨。将红色提取液以乙酸乙酯洗涤2～3次，最后加乙酸乙酯定容至10 mL。在485 nm下比色，以空白处理作为参比读出吸光度，根据标准曲线求出四氮唑还原量。平行重复三组[5]。

2 结果

2.1 Pb2+胁迫下“润草一号”叶片中叶绿素含量的变化

4种不同浓度的Pb2+溶液胁迫对叶绿素含量的作用效果可见图1。在Pb2+溶液处理之后，“润草一号”叶片中叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量，在较低Pb2+溶液浓度（<200 mg/kg）下呈缓慢下降的趋势；而在较高浓度Pb2+（>200 mg/kg）处理时，叶绿素含量明显下降。Pb2+本身并不是植物的必需元素，在Pb2+胁迫下，叶片色素对Pb2+处理的敏感程度依次为：类胡萝卜素<叶绿素a<叶绿素b。

在高浓度的Pb2+胁迫下，“润草一号”体内的叶绿素含量呈下降趋势。Pb2+导致“润草一号”叶片中叶绿素含量下降的可能因素有多种。我们推测是，Pb2+被植物吸收后，细胞内的Pb2+离子作用于叶绿素生成途径的酶。Pb2+离子通过改变叶绿素合成相关酶的正常构型，抑制了相关酶的活性，进而阻碍了叶绿素的合成。

有研究表明，早熟禾叶片对光的吸收来源于其中的叶绿体。而叶绿体的变化过程与叶绿素含量、光合速率降低及其结构的破坏密切相关。因此，在重金属胁迫处理后，会造成叶绿素含量下降及结构的破坏，影响光合反应效率。甚至可能影响植物的光合系统、保护酶系统以及物质代谢系统等，改变植物正常生理状态，甚至导致植物死亡[6]。

2.2 Pb2+胁迫下“润草一号”叶片脯氨酸含量的变化

脯氨酸参与了调节植物体内渗透平衡，是在维持细胞渗透压方而起着相当重要作用的一类物质。并且植物体内的脯氨酸含量可以用作植物对外界环境重金属胁迫响应的重要指标之一[7]。从图2可以看出，在Pb2+胁迫下，“润草一号”叶片内脯氨酸的含量随着Pb2+浓度的升高不断上升，在Pb2+处理浓度为100 mg/kg时达到最大值。而当Pb2+处理浓度大于100 mg/kg时，叶片中脯氨酸含量又会逐渐下降。

2.3 Pb2+胁迫下“润草一号”叶片细胞膜透性的变化

植物细胞膜系统是植物细胞和外界环境相隔离的屏障，也执行着细胞和外界环境进行信息传递和物质交换的功能。细胞膜的稳定性是维持细胞内外平衡和正常生理功能的基础[8]。重金属胁迫可以破坏细胞膜的稳定性，导致细胞膜透性增加。细胞膜透性的变化会导致细胞膜上结合酶和细胞内酶的失调，细胞内外平衡性丧失，导致一系列生理生化过程紊乱，甚至导致植株死亡[9]。在该研究中，我们发现在Pb2+胁迫处理下，“润草一号”叶片组织外渗液的电导率随Pb2+浓度的增加而升高，呈现出显著的正相关关系。其原因可能是Pb2+与细胞膜蛋白的巯基或磷脂分子层的磷脂类物质反应，改变膜蛋白的磷脂结构。而磷脂结构的改变会导致细胞膜结构改变，使得细胞膜透性增大，导致细胞内容物外渗，从而引起电导率的变化[3，10]（见图3）。

2.4 Pb2+胁迫对“润草一号”根系活力的影响

根系是植物的六大器官之一，主要功能包括吸收水分和肥料以及支持植物体生长等。对于草坪植物来说，发达的根系对于植物抵御大风侵蚀和雨水冲刷，保持水土具有更加重要的作用。而土壤中的重金属污染，最主要的影响就是危害植物根系，可能导致根系活力降低和主动吸收能力下降[11]。

从图4可以看出，不同浓度的Pb2+处理后，润草1号的根系活力低于对照组，随着重金属镉浓度的逐浙增大，根系活力表现为逐渐降低。当重金属镉浓度小于50 mg/kg时，根系活力是与对照组相近的，这说明对润草1号的影响很小。“润草一号”的根系活力则呈下降趋势，浓度越高，根系活力越低。究其原因可能是，在Pb2+胁迫下，产生的自由基超过“润草一号”自身抗氧化系统酶的清除能力。多余的自由基会对“润草一号”根系代谢中的琥珀酸脱氢酶等造成伤害，从而使根系活力下降[11]。

3 讨论与结论

从以上结果我们发现，在该研究实验中，重金属Pb2+胁迫处理对“润草一号”不同部分生长的影响并不完全一致。较低浓度（<200 mg/kg）的Pb2+处理对于“润草一号”叶片的叶绿素含量、脯氨酸含量和细胞膜透性影响不显著；而高浓度（>200 mg/kg）的Pb2+对叶绿素含量、脯氨酸含量和细胞膜透性影响较为明显。该实验结果表明，Pb2+胁迫对于“润草一号”叶片生理指标作用效果不明显，只有在较高浓度下才会对“润草一号”叶片生理指标产生明显影响。

叶绿素含量的多少在一定程度上反映了植物光合作用的强弱，它也直接影响着草坪物的绿度。当处理浓度低于200 mg/kg时，Pb2+对叶绿素合成影响不大，叶片中的叶绿素含量相比于对照降低不明显。当处理浓度高于200 mg/kg时，Pb2+对叶绿素合成具有抑制作用开始显现，叶片中的叶绿素含量随处理浓度的增加而减少。出现这种现象的原因，有可能是高浓度的Pb2+离子会抑制 “润草一号”合成叶绿素通路的关键酶的活性，影响叶绿素的合成，导致了“润草一號”叶片中叶绿素含量的下降[12]。而“润草一号”叶片中脯氨酸含量随着Pb2+离子浓度增加，呈现先升高再降低的变化过程，这可能是由于脯氨酸在植物体内作用决定的。低浓度Pb2+胁迫会刺激“润草一号”叶片中脯氨酸含量上升，对植物本身产生一种逆境保护作用。而高浓度Pb2+胁迫超过了植株本身的耐受范围，可以不可逆地破坏“润草一号”叶片中的相关生物酶活性，影响正常生理过程，导致叶片中脯氨酸含量降低。

但是Pb2+处理对“润草一号”根系生长的抑制作用则非常显著。当Pb2+浓度>50 mg/kg时，“润草一号”的根系活力就发生明显的降低。相比较而言， Pb2+对“润草一号”根系的影响远大于对于其叶片的影响，这可能与“润草一号”植株对于Pb2+吸收分布不一致相关。相同浓度的Pb2+离子处理“润草一号”植株，Pb2+分布并不均匀，较容易富集于“润草一号”的根部，叶片部位分布较少。所以，“润草一号”的根系部分受Pb2+离子影响更明显，而叶片部分相对来说较不敏感。而“润草一号”根系对Pb2+离子敏感的原因可能是：在Pb2+胁迫下，产生的自由基超过“润草一号”自身抗氧化系统酶的清除能力。多余的自由基会对“润草一号”根系代谢中的琥珀酸脱氢酶等造成伤害，从而使根系活力下降[11]。

草坪植物绿度与根系生长是衡量草坪植株是否具有实际应用价值的最为重要的指标之一。该研究发现，高浓度的Pb2+对“润草一号”根系生长的抑制作用尤为明显。因此，在实际使用中，“润草一号”草坪土壤中的Pb2+含量应控制在50 mg/kg以下，以利于“润草一号”植株的正常生长。

参考文献

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