砷胁迫对麻风树幼苗生理生化指标的影响研究

曾小飚 黄斌 陈冠喜 莫远明 李毅

摘 要：试验研究了不同浓度As3+胁迫对麻风树幼苗生理生化指标的影响，探讨其对As3+污染的耐受性，为其是否能被安全引种驯化及种植推广提供理论依据。结果表明，随着As3+浓度的增加，麻风树幼苗叶片的可溶性蛋白、叶绿素含量以及过氧化物酶（POD）的活性呈先上升后下降的趋势，而游离脯氨酸（Pro）、可溶性糖、MDA含量则呈上升的趋势，说明低浓度的砷在麻风树幼苗体内产生的毒害作用较小，而麻风树幼苗对高浓度砷表现出较高的耐受性。

关键词：麻风树；砷胁迫；生理生化指标；影响

中图分类号 S727.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）21-38-03

麻风树具有很高的经济价值，是生物柴油新能源的植物之一[1]，近年来，随着可再生能源研究的深入，作为一种重要的油料植物[2]，因其种植不占农田、适应性广等特点受到广泛关注。与此同时，由于工业的迅猛发展，工业“三废”的大量排放，使得大面积的土壤受到了重金属的污染[3]，因此，在大规模种植麻风树的过程当中，易受到重金属的毒害。砷是一种有毒的类金属物质，与其化合物一起被应用在农药、除草剂、杀虫剂等方面，随着农药、除草剂、杀虫剂的大量使用，大量的As3+进入到自然环境中，造成严重的污染。在中国因土法采矿和私营企业炼砷造成小范围砷污染土壤问题相当突出，在某些采矿点附近土壤砷含量高达28 522mg/kg[4]，其对许多植物的生长产生了显著的危害。例如，杨桂娣等[5]报道了随着砷浓度的升高，水稻根和叶中超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶的活性受到了显著抑制。蒋汉明等[6]综述了不同浓度砷及不同形态砷对植物生长的影响，以及耐砷植物及植物耐砷机理。金晶炜等[7]报道了低浓度砷对生菜种子的发芽势、发芽率、发芽指数、芽长和幼苗干重具有激活效应，而对种子的活力指数和幼苗根长具有抑制效应，高浓度砷对生菜种子的萌发和幼苗生长有显著的抑制效应，且随着砷胁迫的增强，抑制作用增强。姜志艳等[8]报道了随着砷浓度升高，黄芪叶片中这3种酶的活性能够维持，特别是POD活性显著增加。但目前关于As3+污染对麻风树幼苗的生理生态指标的影响尚未有报道。为此，本文以麻风树幼苗为试验材料，通过不同浓度砷离子的处理，测定麻风树幼苗生理生化指标的变化，研究砷胁迫对其生理生化指标的影响，并探讨其在砷污染环境下生长的适应性，旨在为麻风树的安全引种驯化及种植推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 供试种子为麻风树种子，采自百色野外的山林。将麻风树种子用自来水冲洗干净，用蒸馏水冲洗3次，再用蒸馏水浸泡12h，取出后用高锰酸钾溶液（浓度为1∶5 000）消毒10min。在培养盘里铺上一层棉花，再铺上一层滤纸，将处理好的麻风树种子均匀摆置在培养盘上，浇上适量的蒸馏水后盖上一层纱布，将其置于25℃、湿度为75%的人工气候培养箱中培养。7d后种子萌发，待根长到2cm时将其移栽到盛有干净河沙的塑料盆中用蒸馏水培养，待长出2片叶子后开始用完全培养液培养，待进行砷胁迫试验。

1.2 试验设计 幼苗长出4～6片叶子后，将其移栽到盛有不同As3+浓度梯度溶液的塑料盆中，每盆移栽5苗。为了能迅速直接地观察到不同浓度砷胁迫对麻风树幼苗生长的影响，分别用As3+浓度为0、20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、100mg/L、150mg/L的培养液培养，共7个As3+浓度梯度。每个梯度15盆，5d浇1次200mL相应浓度的As3+培养液，28d后测定各项生理生化指标。

1.3 测定方法 分别取各As3+浓度梯度幼苗叶片2份，摘取时间8：00～9：00。其中1份用去离子水冲洗3次，105℃杀青30min，80℃烘干4h，分装后于4℃冰箱保存，用于叶绿素、还原糖和丙二醛（MDA）含量的测定。丙酮法测定叶绿素含量，DNS（3，5-二硝基水杨酸法）比色法测定还原糖含量，巴比妥酸（TBA）显色法测丙二醛（MDA）含量[9]。另1份用去离子水冲洗3次后，加入适量预冷的磷酸缓冲液（pH7.8，含有1%聚乙烯吡咯烷酮）及少量石英砂于冰浴上匀浆，4℃下离心20min，取上清液用于脯氨酸含量、可溶性蛋白含量和过氧化物酶活性测定。茚三酮显色法测定脯氨酸含量，考马斯亮蓝G250法测定可溶性蛋白含量，愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性[9]。上述试验均为3次重复。

1.4 数据分析 试验结果用Excel软件进行数据分析和处理，各浓度梯度材料与对照组（As3+浓度0mg/L）材料的各项生理生化指标的差异显著性分析采用SPSS11.5软件完成。

2 结果与分析

2.1 不同As3+浓度对麻风树幼苗叶片叶绿素、可溶性糖及丙二醛含量的影响

2.1.1 叶绿素含量 叶绿素含量是反映光合作用水平的重要指标，叶绿素含量降低，光合作用能力也会相对减弱，植物生长受到抑制[10]。由表1看出，随着砷的浓度的增加，麻风树苗的叶绿素含量呈现出先上升后下降的趋势。当植株受到低浓度砷胁迫时，叶绿素含量小幅上升，并在As3+浓度较小时出现最大值（60mg/L），但随着As3+浓度的继续增加，叶绿素含量又呈下降趋势。

2.1.2 可溶性糖含量 麻风树幼苗在不同砷浓度培养液培养后，幼苗叶片中可溶性糖含量呈上升的趋势（表1）。说明在一定浓度的砷胁迫下，麻风树幼苗体内的生理应答机制会受到一定程度的刺激而促进可溶性糖的合成。

2.1.3 丙二醛含量 由表1可看出，随着砷浓度的增加，麻风树幼苗叶片的丙二醛（MDA）含量呈上升的趋势。植物在逆境中，细胞原生质膜中的不饱和脂肪酸会发生过氧化作用产生MDA，因而MDA含量可反映膜脂过氧化作用的强弱[11]。由此推测，随着砷浓度的增加，麻风树幼苗体内产生并积累大量活性氧引发了膜脂的过氧化也有上升的趋势。

2.2 不同As3+浓度对麻风树幼苗叶片可溶性蛋白、脯氨酸（Pro）含量的影响 可溶性蛋白和脯氨酸含量是了解植物生理生化变化的重要途径。脯氨酸的积累在一定程度上反映了植物受重金属胁迫情况及其对重金属的忍耐和抵抗力[12]。由表1看出，随着砷浓度的增加，麻风树幼苗叶片可溶性蛋白呈先上升后下降的趋势，而脯氨酸含量则呈上升的趋势。说明麻风树幼苗对砷较敏感，且一定浓度的砷胁迫在幼苗体内产生了一定程度的损害。

2.3 不同As3+浓度对麻风树幼苗叶片POD活性的影响 过氧化物酶（POD）与植物抗性密切相关，是植物体内的保护酶，也是重要的抗氧化酶类，可以将植物体内的H2O2有效地清除[13-14]。过氧化物酶活性高，抗逆性强，反之则弱，其活性值在一定程度上反应了植物对逆境的耐受能力。由表1看出，随着砷浓度胁迫程度加大，麻风树幼苗叶片的POD活性呈先上升后下降的趋势，但变化程度小。

3 结论与讨论

植物通常是通过调节体内的代谢活动来适应外界环境的变化。叶绿素是植物进行光合作用的必需物质，是反应植物叶片生理生化的重要指标[15]。本实验结果表明，砷胁迫对麻风树幼苗叶片叶绿素含量有显著影响，当植株受到低浓度砷胁迫时，叶绿素含量有小幅上升，但随着砷浓度增加，叶绿素含量又呈下降趋势。说明高浓度As3+在幼苗体内产生一定的毒害作用，As3+可能与叶绿体中蛋白质上的巯基结合或取代其中的Fe2+、Zn2+和Mg2+，破坏叶绿体的结构和功能[16]，从而使幼苗叶片内叶绿素含量降低。

可溶性糖是植物体渗透调节的重要物质，有维持植物细胞和内环境稳定的作用[17]。本实验结果表明，麻风树幼苗叶片的可溶性糖含量随As3+浓度的升高呈上升的趋势。说明一定浓度的砷在麻风树幼苗体内可促进植物的代谢活动，从而促进可溶性糖的合成。

丙二醛（MDA）是生物体内自由基作用于脂质发生过氧化反应的产物，如细胞膜脂过氧化作用的产物中就含有MDA，它的产生还能加剧膜的损伤[18]。因而MDA含量的高低一定程度上可表示细胞膜的损伤程度，也间接的反映植物组织的抗氧化能力的强弱[19]。本实验结果表明，受砷胁迫的麻风树幼苗叶片中的MDA含量随砷浓度升高而升高，说明砷胁迫使麻风树幼苗体内产生过多的活性自由基而导致脂质过氧化，细胞膜系统也受到不同程度的损伤。但随着砷浓度逐渐升高，幼苗叶片内的MDA含量也在增加，一定程度上表明麻风树幼苗体内的生理应答机制在砷胁迫下作出较有效的反应且逐步适应砷污染的环境。

脯氨酸在逆境条件下的作用是作为渗透调节物质[20]，保持原生质与环境的渗透平衡，防止水分散失，逆境下可用作反映植物抗逆性的参考性生理指标[21]。本实验结果表明，受砷胁迫后麻风树幼苗叶片的可溶性蛋白呈先上升后下降的趋势，而脯氨酸含量则呈上升的趋势。说明麻风树幼苗对砷的较敏感，这可能是由于砷在麻风树幼苗的体内大量积累，导致脯氨酸和蛋白质的合成及外源吸收途径遭到破坏[22]，从而使麻风树幼苗体内脯氨酸及蛋白质含量产生一定的变化。

在植物体内，POD在机体清除有毒物质的过程中具有重要的意义[23]。本实验结果显示，随着砷浓度胁迫加重，麻风树幼苗叶片的POD活性呈略微的先上升后下降的趋势。可推测在砷胁迫下，麻风树幼苗体内多种功能膜及酶系统有相应的防御反应，但是由于砷浓度较小，其对麻风树幼苗体内酶系统的破坏程度较小，因而POD活性变化较小。

综上，麻风树幼苗在砷胁迫环境中生长，其主要生理生化指标如可溶性蛋白、叶绿素含量以及过氧化物酶（POD）的活性呈先上升后下降的趋势，且POD活性变化较小，而游离脯氨酸（Pro）、可溶性糖、MDA含量则有上升的趋势，说明低浓度的砷在麻风树幼苗体内产生的毒害作用较小，对其生长发育并没有出现明显的抑制作用，而麻风树幼苗对高浓度砷则表现出较高的耐受性。

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（责编：张宏民）