汞胁迫对茅苍术光合特性及生理指标的影响

孙永娣　巢建国　谷巍　王马勃　张文明

摘要：[目的]探讨重金属汞（Hg）对茅苍术光合特性及生理指标的影响，明确茅苍术叶片承受汞胁迫的阈值，为茅苍术无公害栽培提供理论参考。[方法]采用盆栽法对茅苍术开展不同浓度（0、10、20和50 mg/kg）的汞胁迫试验，分别在胁迫后0、7、14、21、28和135 d测定茅苍术叶片的光合特性及生理指标。[结果]在不同浓度汞胁迫处理下，随着胁迫时间的延长，茅苍术植株的净光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）、气孔导度（G_s）和胞间二氧化碳浓度（C_i）整体上呈先增大后减小的变化趋势，至胁迫后期时茅苍术的光合能力明显下降。经不同浓度的汞胁迫处理后，茅苍术叶片的超氧化物歧化酶（SOD）活性变化不明显，而过氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量整体上呈先上升后下降的变化趋势，在胁迫后第28 d达最大值；过氧化氢酶（cAT）活性整体上呈上升趋势（50 mg/kg浓度除外）；至胁迫后第35 d，均以10 mg/kg浓度处理的POD、SOD～ICAT活性最高。茅苍术叶片的MDA含量在不同浓度汞胁迫处理下整体上呈先上升后下降的变化趋势，相对电导率则呈缓慢上升趋势。[结论]当汞胁迫浓度超过10 mg/kg时会抑制茅苍术叶片的光合能力，使其生理功能受到损害。

关键词：茅苍术；汞胁迫；光合特性；生理指标

中图分类号：S567.211 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2018）03-0448-06

0引言

[研究意义]茅苍术[Atractylodes lancea（Thunb.）DC.]为菊科植物茅苍术的干燥根茎，具有燥湿健脾、祛风散寒之功效（国家药典委员会，2015）。江苏省茅山地区是茅苍术的道地产区，所产茅苍术质量上乘。但近年来由于各种生产和生活活动频繁，导致自然生态环境越来越恶劣，通过各种途径产生的重金属在土壤中不断积累增加，给生态环境及人类健康造成了一系列危害（何建军，2009）。汞是一种慢性剧毒重金属元素，在植物体内积累可造成其生理功能紊乱，浓度过高时甚至可造成植物枯萎死亡（母波等，2007a）。前人研究发现，茅山产地的茅苍术有害重金属含量相对较高，并不符合茅苍术低毒高效的药材特征（郭兰萍等，2002）。因此，研究茅苍术在汞胁迫下的光合特性和生理指标变化，明确茅苍术叶片承受汞胁迫的阈值，对茅苍术的无公害栽培具有重要意义。[前人研究进展]由于汞离子具有较强的富集性，能在植物体内大量积累，抑制光合作用，导致植株生长缓慢甚至停止，对植物生长伤害极大（孙春燕等，2007）。高大翔等（2008）研究表明，较低浓度的汞离子不会抑制水稻生长，但较高浓度的汞离子可显著降低水稻的株高和穗重，对水稻生长产生迫害。梁巧玲（2010）研究发现，叶下珠对重金属有较强的富集能力，经汞胁迫后，其营养成分积累量降低。徐小蓉等（2011）研究表明，受汞胁迫后，蜈蚣草生长缓慢，叶片内丙二醛（MDA）和脯氨酸含量迅速上升，过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性随汞胁迫浓度呈先升高后降低的变化趋势。杨昱和秦樊鑫（2013）研究发现，汞离子能使大豆种子的发芽速度和种子活力降低，种子的发芽率和发芽势与胁迫浓度呈负相关，且高浓度汞会明显降低种子品质。王赛等（2017）研究了水葫芦在汞胁迫下的光合特性变化，结果表明，汞胁迫下水葫芦的气孔导度（G_s）、蒸腾速率（T_r）和胞間二氧化碳浓度（C_i）未发生明显变化，净光合速率（P_n）则呈现先上升后下降的变化趋势。[本研究切入点]本课题组前期已研究了高温（李孟洋等，2015）、淹水（李孟洋等，2016）和酸雨（张文明等，2017）等逆境胁迫对茅苍术光合特性及生理指标的影响，为进一步完善茅苍术无公害栽培技术，需对其在重金属胁迫下的光合特性及生理指标进行深入研究。[拟解决的关键问题]采用盆栽试验，探讨不同质量浓度的汞胁迫对茅苍术叶片光合特性及生理指标的影响，明确茅苍术承受汞胁迫的阈值，为其无公害栽培提供理论参考。

1材料与方法

1.1试验材料

供试材料为江苏省句容市的茅苍术，经南京中医药大学中药资源与鉴定系的巢建国教授鉴定为菊科植物茅苍术[Alancea（Thunb.）DC.]。供试试剂为分析纯氯化汞（HgCl₂）。

1.2试验方法

试验采用盆栽法。2017年5月，将从南京中医药大学植物园采集的泥土置于通风处，除去碎石和干草等杂物，待干燥后捣碎过5 mn3筛；经测定，土壤中铵态氮含量为13.38 mg/kg，速效钾49.86 mg/kg，速效磷11.53 mg/kg。试验用盆为高23 cm、直径34 cm的白色圆形塑料花盆，每盆装土8 kg。选取高度一致、叶片繁茂且生长健康的茅苍术植株，将其移栽于花盆中，每盆3棵茅苍术，共分为5个小组，每小组重复4次，共计20盆，正常水分管理，培养1周至植株恢复正常稳定状态。试验设5个汞浓度，分别为0（CK）、1、10、20和50 mg/kg（浓度以Hg²⁺计）。将HgCl₂配制成相应浓度的溶液，均匀喷洒于泥土中，于2017年5月中旬开始试验，分别于汞胁迫处理第0、7、14、21、28和35 d时随机选取功能旺盛的茅苍术叶片测定光合特性和生理指标。

1.3测定项目及方法

1.3.1光合特性测定 利用LI-6400型便携式光合测定仪（美国基因公司生产）于晴天上午9：00～11：00测定光合特性指标，从每个胁迫处理的3盆茅苍术中各选取1片叶片，以开放式气路系统测量其P_n、G_s、T_r和C_i，取平均值。

1.3.2生理指标测定 叶片SOD和CAT活性采用南京建成生物工程公司的试剂盒测定，POD活性采取愈创木酚法测定，MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定（于金平等，2014），相对电导率采用电导仪测定。

1.4统计分析

采用Excel 2010和SPSS 16.0进行试验数据的整理和统计分析，多重比较采用LSD法。

2结果与分析

2.1汞胁迫对茅苍术光合特性的影响

2.1.1对叶片P_n的影响 由图1-A可知，不同浓度汞胁迫对茅苍术叶片P_n的影响存在差异，当汞浓度较低（1和10 mg/kg）时，P_n随胁迫时间的延长呈先增大后减小的变化趋势，于胁迫第7 d达最大值，分别是CK的113.7%和111.8%，说明较低浓度的汞胁迫处理对茅苍术叶片P_n有诱导作用；汞浓度较高（20和50mg/kg）时，P_n随胁迫时间的延长逐渐减小。1～50mg/kg汞胁迫处理下茅苍术叶片的P_n均在胁迫14 d后明显低于同期CK，至胁迫第35 d时达最小值，分别是CK的45.3%、53.0%、31.2%和18.8%，差异均达显著水平（P<0.05，下同）。

2.1.2对叶片G_s和T_R的影响 由图1-B和图1一C可看出，不同浓度汞胁迫对茅苍术叶片G_s和T_r的影响相似，當汞浓度为1、10和20 mg/kg时，G_s和T_r均随胁迫时间的延长呈先增大后减小的变化趋势，于胁迫第7 d达最大值；当汞浓度达50 mg&g时，G_s和T_r均随胁迫时间的延长逐渐减小。1-50 mg/kg汞胁迫处理下茅苍术叶片的G_s和T_r均在胁迫21 d后显著低于同期CK，至胁迫第35 d时达最小值，G_s分别是CK的55.5%、35.0%、20.1%和21.2%，T_r分别是CK的52.8%、49.9%、43.4%和31.8%。

2.1.3对叶片C_i的影响 由图1-D可看出，1-50mg/kg汞胁迫处理下茅苍术叶片的C_i均随胁迫时间的延长呈先增大后减小的变化趋势，于胁迫第7 d达最大值，随后逐渐减小，且胁迫14 d后均低于同期CK，至胁迫第35 d时达最小值，分别是CK的54.0%、40.5%、38.5%和31.5%。

综上所述，长时间、高浓度的汞胁迫能降低茅苍术叶片的T_r、导致气孔关闭，致使外界CO₂进入受阻，对叶片造成不可逆的伤害，不利于其生长。

2.2汞胁迫对茅苍术生理指标的影响

2.2.1对POD活性的影响 由图2-A可知，汞胁迫初期（0 d），不同处理茅苍术叶片的POD活性无显著差异（P>0.05，下同），随着胁迫时间的延长，POD活性逐渐升高，于胁迫后第28 d升至最高值，随后由于胁迫时问的延长，茅苍术伤害程度增加，POD对过氧化物的消除能力被削弱，POD活性出现下降趋势。与CK相比，1-50 mg/kg汞胁迫处理下茅苍术叶片的POD活性变化较剧烈，在胁迫21 d后均显著高于同期CK，至胁迫第35 d时，分别是CK的159.5%、194.1%、185.7%和164.1%，以10 mg/kg浓度处理的POD活性最高。

2.2.2对SOD活性的影响 由图2-B可知，不同浓度汞胁迫对茅苍术叶片SOD活性的影响不明显，除胁迫第14 d时10-50 mg/kg处理的POD活性显著高于CK外，其他胁迫时间不同处理间均无显著差异。说明SOD对汞毒害效应不敏感。

2.2.3对CAT活性的影响 由图2-C可知，在1-10mg&g浓度汞胁迫下，茅苍术叶片的CAT活性整体上呈逐渐升高趋势；在20-50 mg/kg汞胁迫下，茅苍术叶片的CAT活性前期呈逐渐升高趋势，胁迫后期又略有降低。至胁迫后第35 d，1-50 mg/kg汞胁迫处理下茅苍术叶片的CAT活性分别是CK的114.3%、129.6、107.6%和90%，以10 mg/kg浓度处理的CAT活性最高。

2.2.4对MDA含量的影响 由图2-D可知，除CK外，茅苍术叶片的MDA含量在不同浓度汞胁迫处理下整体上呈先缓慢上升后略有下降的变化趋势。整个胁迫周期内不同浓度汞胁迫处理的MDA含量均高于CK，至胁迫第35 d时，1～50 mg/kg汞胁迫处理下茅苍术叶片的MDA含量分别为CK的112.6%、

2.2.5对相对电导率的影响 由图2-E可知，在不同浓度汞胁迫处理下，茅苍术叶片的相对电导率均呈缓慢上升趋势。整个胁迫周期内，相对电导率与胁迫浓度呈正相关，浓度越高，胁迫时间越长，相对电导率越大。至胁迫第35 d时，1～50 mg/kg汞胁迫处理下茅苍术叶片的相对电导率上升至最高值，分别是CK的180%、205.7%、237.1%和251.4%，说明茅苍术叶片受到汞离子的毒害。

3讨论

植物需要积累自身的有机物以维持生命活动，通常情况下，植物体内的有机物积聚越多说明其光合能力越强，同时体现植物的同化能力越强（朱建玲等，2008）。王赛等（2017）研究发现，低浓度的汞处理可促进水葫芦P_n的积累，但随汞处理浓度的升高，P_n出现下降趋势，T_r、G_s和C_i与P_n的变化规律一致，均呈先升高再下降的变化趋势。本研究结果显示，在不同浓度汞胁迫处理下，随着胁迫时间的延长，茅苍术植株的P_n、T_r、G_s和C_i整体上呈先增大后减小的变化趋势，至胁迫后期时茅苍术的光合能力明显下降，说明汞胁迫抑制了CO₂同化，降低叶片的T_r。由于气孔能够调节蒸腾作用和光合作用，进而影响C_i，有利于促使植物适应周围环境，随胁迫时间的延长，汞离子促使茅苍术叶片气孔关闭，导致气孔不能顺利地与外界进行气体、水分和C02等交换，说明汞离子对其过程具有明显的抑制作用。P_n的影响可分为气孔限制因素和非气孔限制因素，气孔闭合在光合作用中扮演着极其重要的角色，本研究中C_i和G_s随着P_n同时下降，说明经过汞胁迫后，茅苍术光合作用能力受抑制是由后者的原因所致。

当植物经历逆境时，若是盐害引起的渗透胁迫，可通过增加脯氨酸、甜菜碱和可溶性糖等大分子物质以促使细胞内外达到平衡；若是离子胁迫和渗透胁迫引起的氧化胁迫，则可启动自身的SOD、POD、CAT等抗氧化酶系统（Burdon et a1.，1996；周丽霞等，2016；朱红霞等，2016；郝磊等，2017；赵霞等，2017；赵永平等，2017）。过昱辰等（2016）研究表明，地毯草经受汞胁迫后，其SOD活性呈现先升高后下降的变化趋势，POD活性则持续升高趋于平稳。本研究结果表明，经不同浓度汞胁迫后，茅苍术叶片的SOD活性變化不明显，说明SOD不是茅苍术受到伤害时的敏感性生理指标；POD和CAT活性呈先上升再下降的变化趋势，但CAT活性变化不如POD明显，表明POD活性是茅苍术遭受汞胁迫时比较敏感的生理指标，至胁迫后期各处理间的POD活性差异显著，可能是由于低浓度汞胁迫下虽然植物体内产生了一定量的自由基，但其量尚在植物自身能够清除的阈值之内，植株体内允许存在较低浓度的汞离子，而有利于诱导POD的产生，催化有毒物质降解（周希琴和莫灿坤，2003；母波等，2007b）。

植物生长时需要与外界进行物质交流，细胞膜系统在其过程中行使着主要作用，当植物遭受外界环境伤害时，有害物质增多并出现膜渗漏，导致细胞膜通透性变大，因此植物体能否进行生理活动主要取决于细胞膜系统（张庆峰等，2006）。李春龙（2017）研究表明，经汞胁迫后，紫云英幼苗根系的质膜透性增加，MDA含量也表现出同样趋势，表明汞胁迫能使细胞膜脂过氧化水平显著提高，导致叶片褪绿、生长速度缓慢，当植物受到汞胁迫后，大量活性自由基在细胞内产生，一系列的过氧化反应由此进行，进而导致膜结构破坏（Zhang and Tvernlan，1999），对植物有着明显伤害。本研究结果显示，经汞胁迫后，茅苍术叶片的MDA和相对电导率显著增加，说明汞胁迫使茅苍术细胞膜透性增加，从而使植物体需要的营养物质流失，且一些不利于植物生长的物质由此进入植株体内，从而导致植物体内正常的生理功能发生变化（杨慧等，2011）。

4结论

不同浓度汞胁迫对茅苍术叶片的光合特性及生理指标有明显影响，当汞浓度低于10 mg/kg时，植株可诱导体内的抗氧化酶活性升高以增强植株抗逆能力，但汞浓度超过10 mg/kg时，茅苍术的光合能力被抑制，且浓度越高，抑制作用越明显，同时高浓度的汞胁迫致使茅苍术细胞膜防御系统被破坏，体内的酶活性降低甚至失去作用，导致生理功能紊乱。

（责任编辑 王晖）