Zn2+胁迫对凤眼莲幼苗生理生化特性的影响*

2019-08-02黄雅琼张荣琮郑志宏

福建林业 2019年2期

黄雅琼，张荣琮，郑志宏

（福建戴云山国家级自然保护区管理局，福建德化 362500）

随着矿产资源的大量开发，农药、化肥的广泛使用以及城市污泥、污水的农用，重金属对土壤、水体的污染越来越严重。过量重金属进入环境，参与水体—土壤—生物系统的循环，通过植物的吸收在植物体内大量积累，还可通过食物链危及动物和人类健康。锌是环境中的主要重金属污染物[1-2]。

凤眼莲（Eichhornia crassipes），系多年生单子叶植物，属雨久花科凤眼兰属，原产于巴西[3]。近年来随着农业生产的高度发展，内河内湖日益富营养化，导致凤眼莲的生长速度近乎疯狂而大面积覆盖水面，给环境、水利和渔业造成极大的危害[4-5]。现成为世界上危害最严重的杂草之一。但凤眼莲在净化水体重金属污染、有机污染、富营养化污染等方面有强大作用。

通过水培试验，研究了重金属Zn2+胁迫于20 h 和20 d 时间点对凤眼莲幼苗一些生理生化特性的影响。本实验采用盆栽水培凤眼莲的方式，通过室内模拟不同浓度的Zn2+于20 h 和20 d 两个时间点，分别对凤眼莲生长量、根系活力、钙含量、蛋白质含量进行测定分析，研究重金属对凤眼莲根系活力和钙含量的影响，为研究凤眼莲对Zn2+的净化机制及探索利用凤眼莲解决Zn2+污染的实际问题提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 材料

本实验所选用的凤眼莲采集于泉州洛阳江水域，植株健壮无病去掉枯枝残叶，在实验室暂养3d。

1.2 方法

1.2.1 材料的处理培养

培养凤眼莲的水为普通自来水，在实验室暂养3d 后进行胁迫处理。本试验设1 组无毒处理作对照（CK）、2个浓度的锌元素处理组。参考赵爱红[5]等的试验方法，具体为在规格一致的塑料盆（h 为15 cm，d 为35 cm）中各放置培养水4 L，在胁迫处理盆中分别一次性施ZnSO4·7H2O，使水中重金属离子的质量浓度分别为:CK、0.5 mmol·L-1Zn2+、5.0 mmol·L-1Zn2+，对照组和处理组均做 3 个重复培养，培养水为 0.5 g·L-1Ca2+营养液[6]。每盆培养大小基本一致的凤眼莲幼苗4 株，使其根部全部浸入到水中，共36 株。贴上标签，并在盆子的外面沿着液面做上记号，之后以清水加入使液面一直保持在同一高度，以保证重金属离子的浓度前后一致。重金属胁迫20 h 和20 d后[6]，取凤眼莲叶片和根组织进行测试分析。

1.2.2 测定方法

鲜物质量的变化情况测定：处理前和20 d 后，称取各个浓度中的一盆中的凤眼莲的鲜重。小心快速将凤眼莲根部的水用吸水纸吸干，于电子天平称重，读数完迅速放到培养液中，作好记号，以处理前后的鲜物质量的差值作为鲜物质量的变化。

采用α- 萘胺测定法进行测定凤眼莲根系活力[7]；凤眼莲组织钙含量的测定采用甲基百里香酚蓝比色法[8]；蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝G-250 比色法[9]。

1.2.3 数据分析处理

所有试验数据都在Excel 2000 中进行统计和相关分析，用SPSS 软件对不同处理进行多重比较分析。

2 结果分析

2.1 Zn2+胁迫对凤眼莲幼苗鲜物质量的影响

表2 Zn2+胁迫对凤眼莲鲜物质量的影响

由表2可知，与对照组比较，于20 d 内，锌胁迫对凤眼莲幼苗生长的抑制强度为：5.0 mmol·L-1Zn2+＞0.5 mmol·L-1Zn2+，0.5 mmol·L-1Zn2+作用时凤眼莲的鲜物质量增长了5.671%，5.0 mmol·L-1Zn2+处理鲜重降低了18.768%。

2.2 Zn2+污染对凤眼莲根系活力的的影响

表3 Zn2+胁迫对凤眼莲幼苗根系活力的影响

由表3可知，在短期（20 h），与对照组比，0.5 mmol·L-1Zn2+对根系活力的影响不显著性，5.0 mmol·L-1Zn2+对根系活力有显著性的抑制作用，其根系活力降低28.79%；随着时间延长到20 d 时，对照组的根系活力有所上升；2 个浓度处理对根系活力均有显著性的抑制作用，且对比20 h 的幅度更大。

2.3 Zn2+胁迫对凤眼莲根和叶钙含量的的影响

2.3.1 Zn2+胁迫对凤眼莲幼苗叶片中钙含量的影响

由表4可知，急性试验（20 h），5.0 mmol·L-1Zn2+对比 0.5 mmol·L-1Zn2+胁迫钙含量显著下降；20 d 胁迫后，2个浓度处理对比20 h，钙含量均表现为显著性降低。

2.3.2 Zn2+胁迫对凤眼莲幼苗根中钙含量的影响

表5 Zn2+胁迫对凤眼莲幼苗根中钙含量的影响

由表5可知，短期急性处理（20 h），5.0 mmol·L-1Zn2+对比对照使凤眼莲幼苗根中钙含量发生显著性增加，0.5 mmol·L-1Zn2+对比对照组没有使其钙含量发生显著性变化；但在处理20d 后，0.5 mmol·L-1Zn2+对比对照组没有发生显著性变化，5.0mmol·L-1Zn2+处理使钙含量显著性增加。

2.4 Zn2+胁迫对凤眼莲根和叶蛋白质含量的的影响

2.4.1 Zn2+胁迫对凤眼莲幼苗叶中蛋白质含量的影响

由表6可知，这组重金属处理在20 h 急性试验中对比对照组，凤眼莲叶中蛋白质含量均发生显著性的降低；当胁迫天数延长到20 d 时，各组对比对照组，蛋白质含量亦显著性降低；5.0mmol/L Zn2+对比0.5 mmol/L Zn2+，蛋白质含量显著性增加；5.0mmol/L Zn2+对比20 h 时上升了5.99%。

2.4.2 Zn2+胁迫对凤眼莲幼苗根中蛋白质含量的影响

由表7可知，2个浓度锌处理使凤眼莲幼苗根中蛋白质含量在短时间20 h内有所上升，0.5 mmol/LZn2+和5.0mmol/LZn2+急性胁迫对照对照组分别使根中蛋白含量上升9.99%和38.92%；20 d后，2个浓度处理组的蛋白质含量进一步下降；0.5mmol/LZn2+对比对照组蛋白质含量显著性增加，5.0mmol/LZn2+对比0.5mmol/LZn2+蛋白质含量显著性减少。

3 讨论

Zn2+处理对凤眼莲幼苗的生长发育具有不同程度的抑制作用[10-12]。随着Zn2+胁迫浓度的升高，凤眼莲鲜物质量降低，不同的重金属造成凤眼莲鲜物质量的下降幅度由大到小的顺序为5.0 mmol·L-1Zn2+＞0.5mmol·L-1Zn2+。

测定根系活力实际是测定根中脱氢酶的活性。根系活力降低表明根中的能量转化和物质转化过程受阻。这样势必干扰根中的代谢，使物质代谢与能量转化不能正常进行，最终使凤眼莲幼苗生长受阻。外源添加重金属Zn2+破坏了植株根细胞结构，引起自由基过氧化损伤，并刺激根系分泌酚酸物质而抑制根系生长，使凤眼莲受到不可逆的伤害[13]根系活力是反应根系生命活动强弱的一个生理指标。不同重金属以及不同浓度对凤眼莲幼苗根系的影响不同。

本试验中，0.5 mmol·L-1Zn2+的处理，与对照组比，在20 h 内增大35.43%，20 d内降低73.57%，这表明低浓度Zn2+可能对根系活力有促进作用。这可能是根系对低浓度重金属胁迫有一定的应激能力，通过提高代谢作用来缓解重金属胁迫的伤害，但是随着处理时间的延长，强的呼吸代谢造成能量的过多消耗，抑制了植株的生长，导致根系活力下降，且时间越长，根系活力下降幅度越大。说明随着时间推移，重金属污染对凤眼莲幼苗根系活力抑制作用急剧增加，而根系的抵抗作用逐渐消失，因而对根系生长发育产生了显著抑制作用。

蛋白质是细胞中最重要的含氮生物大分子之一，承担着各种生物功能。重金属Zn2+低浓度处理于短期20h内，凤眼莲根内蛋白质含量高于对照，可能是由于重金属单独处理能增加凤眼莲根内蛋白质的合成，也可能是低浓度的重金属蛋白质的少量合成[14-16]；在20d时，Zn2+处理导致凤眼莲根蛋白含量显著低于对照。这表明，Zn2+随着时间的延长能抑制凤眼莲根内蛋白质的合成。

而Zn2+处理导致凤眼莲幼苗叶内蛋白含量显著（p＜0.05）低于对照。这表明，Zn2+能抑制小麦叶内蛋白质的合成，且重金属浓度越大，其抑制作用越强。

重金属可影响蛋白质含量，其作用机理尚不十分清楚，可能与干扰蛋白质合成系统的Mg2+和K+有关，也可能直接以DNA为靶子，干扰基因表达，从而影响蛋白质合成[17]重金属胁迫的凤眼莲幼苗可溶性蛋白质含量在实验时间内逐渐减少，这可能是因为重金属胁迫导致凤眼莲幼苗可溶性蛋白质合成受阻或分解加速，并随着胁迫天数的延长而加剧，详细机理有待于进一步研究。

在本试验中重金属的胁迫作用使凤眼莲幼苗叶和根中钙含量分别呈增加和降低的趋势。这可能是因为钙在凤眼莲植物体内可以促进其增强抗逆性有关。钙是体内的“第二信使”，钙调素（Calmodulin，CaM）是普遍存在于真核细胞中的一种重要的多功能钙受体蛋白，Ca2+能与CaM结合，进一步激活CaM依赖体系，共同完成诸如肌肉收缩、细胞增殖、离子通透、细胞分泌、胞吐胞饮、糖脂代谢、受精等几十种重要的生理功能以及体内3多种酶活性的调节。因此，Ca2+与CaM结合导致CaM活性构象的生成是CaM发挥功能的前提。由于Zn2+能够在一定程度上与CaM结合，尽管结合方式不尽相同，但仍能产生类似于Ca2+的作用，从而能够激活CaM的靶酶，大量实验结果表明，Zn2+离子能在低浓度时通过活化CaM激活CaM靶酶，高浓度时，则通过抑制酶的基础活力抑制CaM靶酶，即所谓“双相效应”[18，19]。

钙可以缓解重金属对凤眼莲幼苗造成的毒害，其机理[20]在于一方面通过与重金属竞争质膜上的吸附，减少凤眼莲对重金属的吸收。表现在钙降低凤眼莲各亚细胞组分中的重金属含量，且具有一定的时间效应。另一方面，钙不仅作为一种植物必需的大量营养元素，更重要的是作为细胞内的第二信使，启动一系列的生理过程，形成细胞的逆境伤害和适应机制。表现在钙调节凤眼莲体内重金属的亚细胞分布，促进合成植物络合素、促进凤眼莲光合作用、提高抗氧化酶系的活性和促进凤眼莲有效成分的合成等方面。