铜胁迫对小白菜幼苗生长的影响

韩志平，张海霞，赵智灵，杜清洁

（1.大同大学生命科学学院/高寒区作物研究所，山西，037009；2.大同大学后勤管理处）

近年来，我国工业化水平迅速提高，采矿、冶炼、印染、化工等重金属污染型企业遍布城乡，工业“三废”、城市垃圾的大量排放，高铜畜肥、杀菌剂、杀虫剂等的不合理施用，使土壤铜污染日益严重[1～3]。蔬菜对土壤铜污染十分敏感，加上蔬菜需肥水量大，吸收能力强、产品采收期长，使得其铜中毒的几率大大增加。土壤铜污染不仅降低了蔬菜作物的产量和品质，而且还可能通过食物链的传递为害动物和人类的健康[4，5]。

铜是植物必需的一种微量元素，也是细胞色素氧化酶、多酚氧化酶、抗坏血酸氧化酶及超氧化物歧化酶等多种酶类的组分，参与植物的许多生理代谢过程，对作物的生长、发育、产量和品质等有重要的影响[6，7]。但是铜具有累积性，过量的Cu2+对植物细胞具有破坏作用，可引起水分代谢、光合作用、呼吸作用、营养吸收等各种生理代谢过程的紊乱[8～10]，最终抑制植株生长，导致作物减产[11，12]。

小白菜[Brassica campestrisssp.chinenses（L.）Makino]又名不结球白菜、青菜、油菜，属十字花科芸薹属草本植物。由于其茎叶可食用，营养丰富、适应性广、高产省工，可周年生产和供应，在我国栽培十分广泛。但土壤铜污染已对小白菜栽培造成了极大的威胁。为此，研究了铜胁迫对小白菜生长和膜脂过氧化的影响，为深入研究铜胁迫下小白菜的生理和分子机制奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2013年5～6月在大同大学生命科学实验教学中心进行。供试材料为北京新一号四季小白菜，种子由河北恒通种业有限公司提供。

1.2 试验方法

种子用55℃温水烫种15 min后，清水浸泡5 h，而后在25℃培养箱中避光催芽。5月15日种子发芽后，播于装有石英砂∶蛭石=2∶1（体积比）混合基质的塑料盘中育苗，白天温度18～22℃，夜间10～15℃。播种后每天上午浇1次1/2 Hoagland营养液（开始每盘浇0.75 L，处理15 d后每盘浇1 L），下午叶面喷施含有相应浓度CuSO4的1/2 Hoagland营养液（开始每盘喷100 mL，处理15 d后每盘喷150 mL）。共设8个处理：①CK：喷施正常营养液，含0.16 μmol/L CuSO4；②T1：喷 施含 20 μmol/L CuSO4的营养液；③T2：喷施含 40 μmol/L CuSO4的营养液；④T3：喷施含80 μmol/L CuSO4的营养液；⑤T4：喷施含120 μmol/L CuSO4的营养液；⑥T5：喷施含 180 μmol/L CuSO4的营养液；⑦T6：喷施含 240 μmol/L CuSO4的营养液；⑧T7：喷施含 300 μmol/L CuSO4的营养液。完全随机排列，3次重复，每重复21株。

处理后15、20、25 d取叶片测定相关生理指标，处理后25 d测定相关生长指标。240 μmol/L浓度（T6处理）以上的CuSO4胁迫的幼苗生长缓慢，植株矮小，处理后18 d即开始死苗，到25 d时死苗率 47.06%；300 μmol/L CuSO4（T7处理）胁迫死苗63.64%，故未测定T6、T7处理的生理指标。

1.3 指标测定方法

①生长指标 测量基质表面到植株最大叶尖端的高度为株高，从根茎结合处到整株最长根根尖的长度为根长；以完全展开叶为标准计叶片数，并测量植株最大叶的长度和宽度。植株用蒸馏水洗净后吸干水分，从根茎相连处剪断，分为地上部和根系，分别称量鲜质量；在通风烘箱中105℃下杀青15 min后降温到75℃下烘干到恒重，称量干质量。

②生理指标 参照沈伟其[13]的方法提取光合色素，用打孔器在叶片上取圆片，置于乙醇丙酮混合液中暗提取 24 h，而后测定 OD440nm、OD645nm、OD663nm，根据王素平等[14]的方法计算叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。质膜透性用电导率仪测定，用相对电导率表示[15]；抗坏血酸含量按照赵会杰[16]的方法测定。

数据用DPS软件进行方差分析，Duncan's新复极差法进行平均数间的多重比较。

2 结果与分析

2.1 CuSO4胁迫对小白菜幼苗生长的影响

①对形态指标的影响 由表1数据表明，小白菜株高、最大叶长、最大叶宽在20 μmol/L CuSO4胁迫下均显著增大，40、80 μmol/L CuSO4处理与 CK无显著差异，120 μmol/L浓度以上则随CuSO4浓度提高而显著减小；除20、40 μmol/L CuSO4处理与CK无显著差异外，叶片数随CuSO4浓度的增加显著减少；根长随CuSO4浓度提高呈先增加后减少的趋势，在 40 μmol/L CuSO4下达最大值，120 μmol/L 浓度以下均大于CK，180 μmol/L浓度以上则小于CK。

②对生物量积累的影响 由表2可知，小白菜地上部和根系的鲜质量和干质量均随CuSO4浓度提高呈先增加后降低的趋势，地上部鲜质量在40 μmol/L CuSO4处理下达到最大值，地上部干质量、根系鲜质量和干质量均在20 μmol/L CuSO4下达到最大值，但80 μmol/L CuSO4浓度以下各生物量积累均大于CK，120 μmol/L浓度以上则均小于CK，180 μmol/L浓度以上CuSO4处理各生物量与CK间差异达到显著水平。结合形态指标数据可看出，较低浓度CuSO4处理有利于促进小白菜植株的生长，较高浓度CuSO4胁迫则会显著抑制小白菜的生长。

表1 不同浓度CuSO4胁迫对小白菜形态指标的影响

表2 不同浓度CuSO4胁迫对小白菜生物量积累的影响

2.2 CuSO4胁迫对小白菜叶片光合色素含量的影响

图1显示，小白菜叶片各光合色素含量均随CuSO4浓度提高呈先增加后降低的趋势，处理后15 d，各光合色素含量在40 μmol/L CuSO4处理下达到最大值，在180 μmol/L CuSO4处理下与CK无显著差异；处理后20 d和25 d，各光合色素含量均在20 μmol/L CuSO4处理下达到最大值，40、80 μmol/L CuSO4处理下与 CK 无显著差异，120、180 μmol/L CuSO4处理下均显著低于CK。结果说明，较低浓度CuSO4处理对小白菜光合色素合成有一定的促进作用，但随处理时间延长这种促进作用减弱，高浓度CuSO4胁迫则会抑制光合色素的合成，加快其降解。

2.3 CuSO4胁迫对小白菜叶片质膜透性和抗坏血酸含量的影响

由图2可以看出，随CuSO4浓度提高，小白菜叶片相对电导率均较CK增加，抗坏血酸含量呈先增加后降低的规律，处理后15 d和20 d时抗坏血酸含量在120 μmol/L CuSO4处理下达到最大值，处理后25 d时在80 μmol/L CuSO4处理下达到最大值。小白菜抗坏血酸含量除25 d时180 μmol/L CuSO4处理下与CK间无差异外，其他浓度CuSO4处理下均显著高于CK，且随处理时间延长，不同处理间抗坏血酸含量的变化幅度减小。说明CuSO4胁迫严重破坏小白菜叶片细胞膜，使其叶片电解质渗透率显著增加，且胁迫程度越大，质膜伤害越重；同时CuSO4胁迫诱导抗坏血酸合成以抵抗质膜的过氧化伤害，但CuSO4浓度超过120 μmol/L，抗坏血酸的合成速度慢于自由基产生的速度。

3 讨论与结论

重金属胁迫会导致植物生长发育受阻、产量下降，甚至物种消失[17，18]。不同植物对铜的需求量存在差异，在铜胁迫下生长发育受到抑制的程度也不相同[3，4，17，19，20]。一些研究表明，叶菜类蔬菜对铜的吸收富集一般大于果菜类和根菜类蔬菜，而小白菜又是叶菜类当中对铜的吸收富集较强的一种蔬菜[3，20～22]。本研究中，低浓度CuSO4处理明显促进了小白菜幼苗的生长，高浓度CuSO4胁迫则显著抑制了小白菜的生长，也证明了小白菜对铜胁迫的耐受性较强。

研究表明，铜胁迫使植物叶绿素酶活性提高，加快叶绿素分解，使叶绿素合成受到抑制，导致光合色素含量降低[23，24]。光合色素含量的降低使得光合作用无法达到正常水平，有机物质合成受阻，植株生长发育受到很大影响[25，26]。本研究中，小白菜叶片光合色素含量在较低浓度CuSO4处理下增加，可能是低浓度CuSO4处理促进了光合色素的合成，这与王友保等[27]的研究结果一致；较高浓度CuSO4胁迫使叶片光合色素含量显著降低，且随胁迫时间的延长降低幅度增大，这可能是由于CuSO4胁迫使叶绿素酶活性提高，加快叶绿素分解而使其合成受阻，且这种效应随胁迫时间延长而逐渐显现。

图1 不同浓度CuSO4胁迫对小白菜叶片光合色素含量的影响

图2 不同浓度CuSO4胁迫对小白菜质膜透性和抗坏血酸含量的影响

膜系统是保护细胞抵御重金属胁迫伤害的关键部位，高浓度铜会导致细胞内自由基大量产生，造成质膜的过氧化伤害，膜蛋白结构发生改变，选择透性增大，使生物体内各种物质的运输和许多生理代谢过程受到影响[3，28，29]。植物可通过酶促和非酶促的抗氧化系统清除体内产生的活性氧，降低活性氧大量积累对膜脂的过氧化伤害，抗坏血酸就是细胞内一种有效的非酶抗氧化物质[24，28，30，31]。本研究中，CuSO4胁迫使小白菜叶片质膜透性和抗坏血酸含量显著增加，说明CuSO4胁迫造成小白菜体内活性氧大量产生，使膜脂过氧化加剧、电解质大量渗漏，同时诱发抗坏血酸大量合成，以消除活性氧，抵制膜脂过氧化对细胞的伤害，但超过一定程度后，小白菜的抗氧化能力就难以抵抗胁迫造成的过氧化伤害。

总之，低浓度CuSO4处理有助于促进小白菜叶片光合色素的合成，使光合作用加强，从而在一定程度上促进小白菜的生长。高浓度CuSO4胁迫则使小白菜光合色素合成受阻而分解加速，且活性氧大量产生，膜脂过氧化加剧，同时大量合成抗坏血酸以清除活性氧，但细胞内活性氧产生-清除的平衡失调，使小白菜的生理代谢受到抑制，进而抑制小白菜的生长。本研究中，180 μmol/L CuSO4胁迫使小白菜生物量降低将近一半，但小白菜仍能维持其生长发育，240 μmol/L浓度以上CuSO4胁迫则使叶片枯黄、植株萎蔫，并有植株死亡，说明180 μmol/L是CuSO4胁迫抑制小白菜生长的阈值浓度。

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