铜胁迫对滇水金凤花部发育及生理生化特性的影响

李芹梅 李文祥 李新艺 李洋 瞿素萍 黄美娟 黄海泉

摘要：为了解滇水金凤花器官对铜（Cu）的反应，以其幼苗为材料，采用1/2Hoagland营养液水培法进行试验，测定不同浓度铜胁迫下花部形态、相对含水量、抗氧化酶活性、膜渗透性和金属含量相关指标参数。结果表明：随铜浓度增加，各花部器官逐渐变小，相对含水量不断下降，与对照差异显著;Na+和Fe3+呈先降低后增加趋势;MDA含量、相对电导率、Cu2+、Zn2+和Ca2+含量呈上升趋势。SOD活性随铜浓度增加呈先升后降趋势、变化显著（P<0.05），POD活性呈上升趋势，CAT活性呈先降后升再降趨势。相关性分析表明，铜浓度与相对电导率、POD、MDA、Cu2+、Zn2+和Ca2+呈极显著正相关（P<0.01），与相对含水量呈显著负相关（P<0.05）。因此，滇水金凤花部器官抗氧化酶系统对减轻其铜胁迫伤害发挥了重要作用。相关性分析和主成分分析表明，相对含水量、相对电导率和MDA含量可作为评价铜胁迫对滇水金凤花器官影响的重要指标，同时高浓度铜胁迫会使滇水金凤的花器官发生畸变，影响观赏性。

关键词：滇水金凤;铜胁迫;花器官;生理生化;主成分分析

中图分类号：S681.1 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2022）01-0074-06

铜（Cu）是植物生长发育的必需微量元素，但其浓度过高会影响矿质元素的吸收。铜即使含量较少，在植物生长发育过程中也起着重要作用，它是组成酶、维生素和生长素的成分，直接参与植物体的新陈代谢[1]。铜胁迫是植物遭受的主要环境胁迫之一[2]，对植株造成严重伤害，如植株生长不良、根系生长受到抑制和叶片失绿等[3-5]。植物为抵抗氧化胁迫会启动生理生化响应机制来应对受到的逆境胁迫[4]，以超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶类的酶促反应来清除逆境胁迫形成的大量活性氧，进而抑制膜脂过氧化反应[6]。

滇水金凤（ImpatiensuliginosaFranch.）是凤仙花科一年生或多年生植物，其花形奇特、花期长，适应性广、抗性强，具有很高的观赏价值[7]。目前关于逆境胁迫对花的影响研究多为鲜切花，如百合[6，8]、玫瑰[9]、月季[10]和香石竹[11]等，而有关滇水金凤花受铜胁迫后的生理生化响应研究还未见报道。为此，本试验以滇水金凤花为材料，测其铜胁迫下花部形态、相对含水量、抗氧化酶活性、膜渗透性和金属离子含量等相关指标参数，探讨其铜胁迫的响应特征，以期为滇水金凤科学栽培提供一定技术参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点及供试材料

供试重金属化合物为CuSO4·5H2O，营养液及处理液均用去离子水进行配置。

滇水金凤种子采自云南省昆明市捞鱼河湿地公园（E102°46′2″，N24°49′34″）。于2020年9月在西南林业大学树木园进行播种、育苗，约45d后挑选性状一致、生长健壮的幼苗（株高约30cm左右）用于试验。

1.2 试验设计

试验采用水培法：用去离子水将滇水金凤根部土壤冲洗干净后移入水培箱（4L）水培一周，再用1/2Hoagland（不含CuSO4）驯化一周后加入不同浓度的铜溶液进行胁迫，共设置5个铜浓度梯度，即0（CK）、5、10、15、20mg·L-1。胁迫处理30d后，采集盛花期花器官进行各项指标测量。

1.3 测量指标及方法

1.3.1 花部特征 选取滇水金凤花30朵，使用游标卡尺（mm）测量花部大小。

1.3.2 生理生化指标 SOD、POD、CAT、丙二醛（MDA）和相对电导率（REC）参考李合生[12]的方法测定;相对含水量（RWC）参考黄尧瑶等[6]的方法测定;金属离子含量参考郭佳炜等[13]的方法测定。

1.4 数据处理

采用MicrosoftExcel2010和SPSS26.0软件进行数据分析，用Origin26软件制图。

2 结果与分析

2.1 铜胁迫下滇水金凤的花部特征变化

从表1可知，在不同浓度铜胁迫下，滇水金凤的花部特征发生显著变化。花部形态各指标值随铜浓度增加而逐渐变小，铜浓度20mg·L-1时，除旗瓣长度外均与CK呈显著差异（P<0.05）。

2.2 铜胁迫下滇水金凤花的相对含水量变化

如图1所示，滇水金凤花CK的相对含水量为82.75%，处理组随铜浓度增加而不断下降，分别比CK依次降低8.05%、12.76%、16.43%和31.94%，且均达显著差异（P<0.05）。

2.3 铜胁迫下滇水金凤花的抗氧化酶活性变化

不同浓度铜胁迫下滇水金凤花抗氧化酶活性的变化不一致（图2）。由图2A可知，SOD活性随铜浓度增加呈先升后降的趋势，变化显著（P<0.05）。其中，当铜浓度为5mg·L-1时，SOD活性最高，为269.41U·g-1，是CK的1.30倍;铜浓度达到10、15mg·L-1和20mg·L-1时，SOD活性较CK分别升高24.84%、17.80%和9.45%（P<0.05）。

由图2B可知，当铜浓度为5mg· L-1时，POD活性较CK略有降低，但差异不显著;铜浓度增至10mg·L-1时，POD活性较CK略有升高，差异也不显著;铜浓度为15mg·L-1和20mg·L-1时，POD活性较CK分别升高90.22%和153.26%（P<0.05），说明高浓度的铜胁迫对花的伤害增大并通过迅速提高POD活性来抵御伤害。

CAT活性随铜浓度增加呈先降低后升高再下降的趋势（图2C）。铜浓度为5、15、20mg·L-1时，CAT活性较CK略有降低，但差异不显著;而铜浓度为10mg·L-1时，CAT活性最高，为6.60U·g-1。

2.4 铜胁迫下滇水金凤花的丙二醛含量和相对电导率变化

如圖3A所示，滇水金凤花MDA含量随铜浓度增加而不断上升，铜浓度达20mg·L-1时，含量增至31.05μmol·g-1，是CK的1.70倍（P<0.05）;铜浓度为5、10mg·L-1时，MDA含量较CK略有升高，但差异不显著。

随铜浓度增加，花被片相对电导率呈上升趋势（图3B），与CK比，均呈显著差异。铜浓度达20mg·L-1时相对电导率为27.98%，比CK升高82.88%（P<0.05）。可见，铜浓度升高加剧了MDA含量和相对电导率的增加，加速细胞膜系统损伤和细胞的死亡。

2.5 铜胁迫下滇水金凤花的阳离子含量变化

由表2可见，不同浓度铜胁迫下滇水金凤花Ca2+含量最高，Cu2+含量最低。随铜浓度增加，Cu2+、Zn2+和Ca2+含量呈上升趋势，各处理均呈显著差异（P<0.05），铜浓度20mg·L-1时三者含量分别为12.40、48.85、934.91μg·g-1;Na+和Fe3+随铜浓度增加呈先降低后增加趋势，与CK比，均呈显著差异;而Mg2+随铜浓度增加有轻微变化，含量在74.80～77.52μg·g-1之间。

2.6 铜浓度与铜胁迫下滇水金凤花生理生化指标的综合评价

2.6.1 铜浓度与铜胁迫下滇水金凤花生理生化指标的相关性 由表3可以看出，铜浓度与相对电导率（REC）、POD、MDA、Cu2+、Zn2+和Ca2+呈极显著正相关（P<0.01），与相对含水量（RWC）呈极显著负相关（P<0.01）。

2.6.2 铜胁迫影响滇水金凤花生理生化指标的主成分分析 采用主成分分析法将获得的铜胁迫下滇水金凤花的生理生化指标转化为几个综合变量（主成分），综合反映铜胁迫下滇水金凤花的生长状态，结果如表4所示。提取的前3个主成分的累积贡献率为96.87%，其中第一主成分（PC1）的贡献率为65.80%，第二主成分（PC2）的贡献率为21.84%，第三主成分（PC3）的贡献率为9.23%。主成分1由相对电导率、相对含水量、MDA、Cu2+、Zn2+及Ca2+决定，这6个指标在主成分1中有较高载荷;SOD活性及Na+在主成分2中载荷较高;主成分3则主要由CAT活性决定（图4）。以上说明铜胁迫下滇水金凤花的各个生理生化指标都受到不同程度的影响。

3 讨论与结论

研究表明铜胁迫下植物表现在生物量、生长状况和体内抗氧化酶系统的改变[5，14]。铜含量的高低影响花器官的发育：李荣华等[5]发现紫色新几内亚在铜浓度为3.2mmol·L-1时，花朵出现严重畸变且两个翼瓣向后卷曲成筒状。本研究表明，随铜浓度增加，滇水金凤各花部都在变小，铜浓度为20mg·L-1时花朵最小，部分花出现畸变，与对新几内亚[5]的研究结果一致。因此，高浓度的铜胁迫会使滇水金凤的花器官发生畸变，影响其观赏性。

水分是植物花器官的重要组成部分，占花瓣鲜重的50% ～80%[15]，而花的相对含水量是反映植物水分状况的重要指标，其值高表明植物体内生理功能旺盛[9]。本研究中，对照组的相对含水量大约为82.75%，各处理随铜浓度增加，花部相对含水量持续下降;相关分析表明铜浓度与相对含水量呈极显著负相关（P<0.01），与百合[6，8]和玫瑰[9]受到干旱胁迫的变化趋势相同。MDA是膜脂过氧化作用的产物之一，相对电导率的大小可反映质膜的完整性，两者都是检测膜损伤程度的公认指标，其值越高说明植物细胞膜受损越严重，抗氧化能力就越弱[16，17]。本研究中，MDA含量和相对电导率随铜浓度增加而增加，与晋松[14]、任磊[18]等的研究结果相符合。结合相关性分析和主成分分析得知，相对含水量、相对电导率和MDA含量可作为评价铜胁迫对滇水金凤花器官影响的重要指标。

不同植物的抗氧化酶活性对胁迫的响应存在一定的差异，表现为酶活性相互协调[19]。本研究中，SOD活性随铜浓度增加呈先升后降趋势、变化显著，与在玉人面茶菊[18]和百合[6]上的研究结果一致。相关性分析表明，铜浓度与POD活性极显著正相关（P<0.01），即POD活性随铜浓度增加而升高，说明高浓度铜胁迫对花部的伤害增大，其通过迅速提高POD活性来抵御伤害，与八仙花[20]受铅胁迫和百合[6]受干旱胁迫的研究结果一致。CAT活性随铜浓度增加呈先降低后升高再下降的趋势，处理组与对照比，均无显著差异，说明其抗氧化机制未启动，与低浓度臭氧（80nmol·mol-1）处理下的醉蝶花[17]研究结果一致。

以上表明铜胁迫下滇水金凤花的抗氧化酶系统能较为迅速做出反应，以抵御或减轻铜胁迫所造成的伤害。

重金属植物毒理学效应的一个重要方面是营养元素的吸收平衡被破坏，严重阻碍植物对养分的吸收及运输是植物铜毒害的一个重要机制，其会导致植物营养的亏缺或失衡[21]。王敏等[4]研究发现，高浓度铜胁迫下砧木对K、P、Ca、Mg、Fe、Mn、Zn等的吸收和转运下降;刘媛等[22]研究发现，随着镉浓度的增加，秋华柳叶中Fe的积累受到显著抑制，韧皮部Mg、Mn、Fe的积累受到显著抑制，木质部Ca、Mg、Mn、Zn、Fe元素的积累无显著差异。本研究中，随铜浓度增加，Na+和Fe3+呈先降低后增加趋势，Mg2+变幅很小，而Cu2+、Zn2+和Ca2+含量呈上升趋势且各处理均呈显著差异。

相关性分析表明，铜浓度与Cu2+、Zn2+和Ca2+呈极显著正相关（P<0.01）;主成分分析表明Cu2+、Zn2+和Ca2+含量在主成分1中有较高载荷，这表明铜浓度的增加促进三者的运输。以上分析看出，铜浓度的高低会改变不同微量元素之间的含量。

综上所述，高浓度铜胁迫会使滇水金凤的花器官发生畸变，影响观赏性;相对含水量、相对电导率和MDA含量可作为评价铜胁迫对滇水金凤花器官影响的重要指标。今后还需进一步从细胞及分子生物学等方面就铜胁迫对滇水金凤花器官的影响进行深入研究。