狭叶香蒲对Cu2+胁迫的生理反应研究

王习习

摘要 在水培条件下研究了不同浓度Cu2+胁迫下狭叶香蒲（Typha angustifolia）生理生化指标的动态变化，探讨狭叶香蒲对Cu2+胁迫的抗性机理，结果表明，在所有处理Cu2+浓度（1、35、60 mg/L）范围内，叶片与根系的过氧化物酶（POD）活性随着时间的延长均表现为上升趋势，在第7天达到最大，之后下降；相同时间不同Cu2+浓度处理的植株POD活性随Cu2+浓度增加呈上升趋势，Cu2+浓度为60 mg/L时POD活性最大。叶片和根系中超氧化物岐化酶（SOD）活性也随着时间的延长表现为先上升后下降的趋势，在第7天达到最大；相同时间不同Cu2+浓度处理的植株SOD活性随Cu2+浓度增加呈先上升后下降趋势，当Cu2+浓度为35 mg/L时SOD活性最大。脯氨酸含量随着时间的延长表现为先增加后减少的趋势，在第7天达到最多；相同时间不同Cu2+浓度处理的植株脯氨酸含量随Cu2+浓度增加呈增加趋势，Cu2+浓度为60 mg/L时脯氨酸含量最多。根系中的POD、SOD活性及脯氨酸含量均大于叶片；低浓度Cu2+胁迫使根系活力上升，高浓度Cu2+胁迫和低浓度胁迫后期根系活力受到抑制。综合分析上述结果，可以推断狭叶香蒲能够忍耐35 mg/L的Cu2+胁迫。

关键词 狭叶香蒲；Cu2+胁迫；生理反应

中图分类号 Q945.78 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）07-0199-03

Abstract Dynamic changes of physiological indexes of Typha angustifolia in different concentration of Cu2+ stress were studied by hydroponic culture method，resistance mechanism of T.angustifolia to Cu2+ stress were discussed.The results showed that in scope of all the concentration of Cu2+（1 mg/L，35 mg/L，60 mg/L），with time continued，activity of peroxidase（POD）in leaves and root increased，activity of POD reached maximum in 7th day，then decreased；with the increase of different concentration of Cu2+，activity of POD increased in same time，activity of POD was maximum when Cu2+ concentration was 60 mg/L.With time continued，activity of superoxide dismutase（SOD）in leaves and root increased first，then decreased，activity of SOD reached maximum in 7th day；with the increase of different concentration of Cu2+ activity of SOD increased first，then decreased in same time，activity of SOD was maximum when Cu2+ concentration was 35 mg/L.With time continued，content of praline increased first and then reduced，content of praline was most in 7th day；with the increase of different concentration of Cu2+，content of praline increased in same time，content of praline was most when Cu2+ concentration was 60 mg/L.Activity of SOD，POD in root were higher than in leaves，content of praline in root was also more than in leaves；activity of root increased in low concentration of Cu2+，and decreased in high concentration of Cu2+ or in later period of low concentration of Cu2+.Results above were analysed，inferred that the concentration of Cu2+ that Typha angustifolia could endure was 35 mg/L.

Key words Typha angustifolia；Cu2+ stress；physiological responses

近年来，由于工业的迅速发展，大量重金属进入水中导致水体污染，其中Cu2+以污染面积大、影响广而受到人们的关注。水生生物可以富集Cu2+，通过食物链的富集，最终使大量Cu2+进入人体，当Cu2+在体内蓄积到一定程度后即可对人体健康产生危害。1983年，Chaney首次提出了利用某些能够富集重金属的植物来清除重金属的设想，该技术已经逐步发展成当今环境科学领域的一个研究热点。然而，由于该项技术起步时间不长，在基础理论、修复机理及技术方面，还需进行大量研究。国际上关于超富集植物吸收重金属的研究只是集中在Zn和Ni的超富集植物[1-6]，对于Cu2+等其他重金属的研究尚无明显进展。再者，植物修复的基础是超富集植物，但这些植物一般生长速度缓慢，生物量小，不利于机械化操作，因而限制了它们在净化重金属污染上的应用[7-9]。因此，一些生物量大、生长快的富集型植物在实际应用中很有潜力。香蒲属植物为多年生草本，生物量大，能形成水生植物净化塘中占绝对优势的种群，国内外都有广泛分布，是富集重金属的理想植物。国内外对宽叶香蒲等香蒲属植物已有大量的研究[10-14]，但对狭叶香蒲的研究甚少。狭叶香蒲（Typha angustifolia）是香蒲科香蒲属植物，生于池沼、湖泊、河边、水稻田及水湿地[15]。本研究以狭叶香蒲为试验材料，在水培条件下研究狭叶香蒲在不同浓度Cu2+胁迫下生理生化指标的动态变化，探讨狭叶香蒲对Cu2+胁迫的抗性机理，从而进一步研究Cu2+污染的植物材料修复技术及其生物治理技术。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为狭叶香蒲，栽培于上海鲜花港企业发展有限公司展示园水塘，在同一地点采集生长健壮并且长势一致的狭叶香蒲幼苗，用去离子水冲洗干净，置于塑料箱内培养，以0.5 cm厚的白色硬泡沫板为盖，用少许海绵将植株基部固定于泡沫板的小孔中，用l/4 Hoagland营养液培养。每3 d更换营养液1次，培养30 d后，选取长势一致的植株备用。

1.2 试验方法

试验共设3个处理（Cu2+浓度分别为1、35、60 mg/L）和1个对照（CK）。使用1倍Hoagland营养液将无水硫酸铜配成Cu2+浓度处理分别为1、35、60 mg/L质量浓度梯度的营养液，以营养液为对照（其中Cu2+浓度为0.019 mg/L，可不考虑其影响），每个处理定植3株苗，各设重复3次。分别于处理后第1、4、7、10天取样，测定狭叶香蒲植株中的生理生化指标。过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚法[16]，超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用氮蓝四唑（NBT）比色法[17]，脯氨酸含量测定采用茚三酮比色法[18]，根系活力测定采用TTC法[18]。

1.3 数据处理

试验数据采用STST软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 Cu2+胁迫对POD活性的影响

由图1可知，在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲叶片的POD活性在Cu2+胁迫初期呈上升趋势，在第7天达到最大，之后随着胁迫处理时间的延长而呈下降趋势；在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲叶片的POD活性均大于CK，相同时间不同Cu2+浓度胁迫处理的叶片POD活性随Cu2+浓度增加呈上升趋势，以Cu2+浓度为60 mg/L时活性最大，35 mg/L次之，而1 mg/L Cu2+胁迫下POD活性最低。说明狭叶香蒲叶片的POD能够忍耐60 mg/L的Cu2+胁迫。

由图2可知，不同浓度Cu2+胁迫下根系与叶片POD活性变化基本一致，在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲根系的POD活性在Cu2+胁迫初期呈上升趋势，在第7天达到最大，之后随着胁迫处理时间的延长而呈下降趋势；在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲根系的POD活性均大于CK，相同时间不同Cu2+浓度胁迫处理的根系POD活性随Cu2+浓度增加呈上升趋势，以Cu2+浓度为60 mg/L时活性最大，35 mg/L次之，而1 mg/L Cu2+胁迫下POD活性最低。在第7天时且当Cu2+浓度为60 mg/L时POD活性达到最大。

图1和图2说明狭叶香蒲中POD在Cu2+浓度为60 mg/L时抗胁迫能力达到最大，说明POD能够忍耐35 mg/L的Cu2+胁迫。相同时间相同Cu2+浓度胁迫条件下根系中POD活性比叶片大。

2.2 Cu2+胁迫对SOD活性的影响

由图3可知，在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲叶片的SOD活性在Cu2+胁迫初期呈上升趋势，在第7天达到最大，之后随着胁迫处理时间的延长而呈下降趋势；在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲叶片的SOD活性均大于CK，相同时间不同Cu2+浓度胁迫处理的叶片SOD活性，随Cu2+浓度增加呈先上升后下降趋势，以Cu2+浓度为35 mg/L时活性最大，1 mg/L次之，而60 mg/L Cu2+胁迫下SOD活性最低。在第7天时且当Cu2+浓度为35 mg/L时SOD活性达到最大。

由图4可知，不同浓度Cu2+胁迫下根系与叶片SOD活性变化基本一致，在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲根系的SOD活性在Cu2+胁迫初期呈上升趋势，在第7天达到最大，之后随着胁迫处理时间的延长而呈下降趋势；在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲根系的SOD活性均大于CK，相同时间不同Cu2+浓度胁迫处理的根系SOD活性随Cu2+浓度增加呈先上升后下降趋势，以Cu2+浓度为35 mg/L时活性最大，1 mg/L次之，而60 mg/L Cu2+胁迫下SOD活性最低。在第7天时且当Cu2+浓度为35 mg/L时SOD活性达到最大。

图3和图4说明SOD在Cu2+浓度为35 mg/L时抗胁迫能力达到最大，SOD能够忍耐35 mg/L的Cu2+胁迫。当浓度大于35 mg/L，可能因为随Cu2+浓度的提高，高浓度Cu2+对植株造成生理伤害。这表明黄菖蒲在低浓度Cu2+胁迫下SOD抗胁迫能力较大。相同时间相同Cu2+浓度条件下根系中SOD活性比叶片大。

2.3 Cu2+胁迫对脯氨酸含量的影响

由图5可知，在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲叶片的脯氨酸含量在Cu2+胁迫初期呈增加趋势，在第7天达到最大，之后随着胁迫处理时间的延长而呈减少趋势；相同时间不同Cu2+浓度胁迫处理的叶片脯氨酸含量随Cu2+浓度增加呈增加趋势，以Cu2+浓度为60 mg/L时最大，35 mg/L次之，而1 mg/L Cu2+胁迫下POD活性最低。在第7天时且当Cu2+浓度为60 mg/L时脯氨酸含量达到最大。

由图6可知，不同浓度Cu2+胁迫下根系与叶片脯氨酸含量变化基本一致，在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下的1～10 d，狭叶香蒲根系的脯氨酸含量在Cu2+胁迫初期呈上升趋势，在第7天达到最大，之后随着胁迫处理时间的延长而呈下降趋势，说明第7天后脯氨酸已不发挥抗胁迫作用；相同时间不同Cu2+浓度胁迫处理的根系脯氨酸含量随Cu2+浓度增加呈增加趋势，以Cu2+浓度为60 mg/L时活性最大，35 mg/L次之，而1 mg/L Cu2+胁迫下脯氨酸含量最低。在第7天时且当Cu2+浓度为60 mg/L时脯氨酸含量达到最大。

图5和图6说明脯氨酸在Cu2+浓度为60 mg/L时抗胁迫能力达到最大，脯氨酸能够忍耐60 mg/L的Cu2+胁迫。相同时间相同Cu2+浓度条件下根系中脯氨酸含量比叶片多。

2.4 Cu2+胁迫对根系活力的影响

为了研究Cu2+对狭叶香蒲根系生长发育的影响，采用TTC法测定不同质量浓度Cu2+处理的香蒲根系的还原力。结果如图7所示，在所有处理浓度Cu2+胁迫下的前10 d，狭叶香蒲根系的活力在Cu2+胁迫初期呈上升趋势，之后随着胁迫处理时间的延长而呈下降趋势；低浓度Cu2+（1 mg/L和35 mg/L）处理的植株根系活力分别在处理前7 d和4 d根系活力高于CK（CK与处理都呈现上升的趋势），分别在第7天和第4天根系活力达到了最大值，之后植株根系活力呈现下降趋势，35 mg/L处理下降幅度大于1 mg/L处理，且第10天均低于CK（CK植株根系活力仍呈现上升趋势）。高浓度60 mg/L Cu2+处理的植株根系活力始终低于CK，说明此浓度下根系生长受到了抑制。根系是植物生命活动中的重要器官，根系活力泛指根系的吸收、合成、氧化和还原能力等，是用来衡量根系长势好坏的重要生理指标[19]。根系活力大小反映了根系代谢强度的大小，活力越高，则根系代谢就越旺盛，根系就健壮，这对整个植株的生长是有利的。可以看出，Cu2+浓度越大，Cu2+对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。由此也说明35 mg/L Cu2+浓度是根系生长的临界浓度。

3 结论与讨论

研究结果表明，在所有处理浓度（1、35、60 mg/L）Cu2+胁迫下，随Cu2+浓度的增加，SOD、POD活性和脯氨酸含量均表现为上升趋势，在第7天达到最大，之后下降。酶活性的提高是由于Cu2+进人植物体后，通过一系列生理生化反应，产生了一些过氧化物，造成底物浓度提高[20]，在胁迫后期，特别是在高浓度胁迫后期，由于植株细胞内Cu2+的不断增加，植株受到严重的毒害，导致抗氧化酶基因转录水平表达量下降[21]，生理代谢发生紊乱，酶活性降低。脯氨酸积累有多种生理意义，如作为细胞质渗透调节物质、稳定生物大分子结构等[22]。大量的研究资料证实[23-24]在胁迫条件下其含量上升，以维持细胞正常的生理代谢。但是胁迫后期，脯氨酸含量却呈现下降的趋势，主要是植物正常的生命活动已经遭到抑制，出现了伤害的症状，植物已经失去了抗胁迫的能力。

相同时间不同Cu2+浓度处理的植株POD活性随Cu2+浓度增加呈上升趋势，Cu2+浓度为60 mg/L时POD活性最大，相同时间不同Cu2+浓度处理的植株SOD活性随Cu2+浓度增加呈先上升后下降趋势，Cu2+浓度为35 mg/L时POD活性最大，相同时间不同Cu2+浓度处理的植株脯氨酸含量随Cu2+浓度增加呈上升趋势，Cu2+浓度为60 mg/L时脯氨酸含量最多。Cu2+作为SOD、POD等的辅基而参与呼吸代谢，微量Cu2+会促进酶与底物结合，而过量Cu2+显著降低酶的活性[20]。SOD在低浓度Cu2+胁迫下活性较大，而POD和脯氨酸在高浓度Cu2+胁迫下活性较大，含量较高，反映出了狭叶香蒲体内不同物质对Cu2+协迫的抗性具有相互协调的特性。POD、SOD活性，脯氨酸含量在根系中均大于叶片。这可能与Cu2+胁迫特别是高浓度Cu2+胁迫下，地上部生物量降低程度大于地下部且有相关性[21]。

低浓度Cu2+胁迫使根系活力上升，高浓度Cu2+胁迫使根系活力受到抑制。这可能是根系对低浓度Cu2+胁迫有一定的应激能力，通过提高根系中SOD、POD等抗氧化酶的活力及脯氨酸含量等生理代谢来缓解Cu2+胁迫的伤害[25]，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，最终致使植物生长受抑制，根系代谢活力降低。说明抗氧化防御系统的保护作用是有一定局限的。

SOD可忍耐的Cu2+临界浓度为35 mg/L，而POD和脯氨酸为60 mg/L，甚至可能更大。SOD与Cu2+关系密切，对Cu2+胁迫敏感，在抗氧化系统中，SOD处于第一道防线。史吉平等[26]建议用SOD活性作为植物抗重金属毒害的重要生理指标。根系生长的临界浓度也为35 mg/L。因此，综上可以推断狭叶香蒲可忍耐的Cu2+临界浓度为35 mg/L。

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