汞胁迫对水葫芦光合特性和生理生化特征的影响

王赛　王瑞莹　钱兰华　王利芬　朱培淼　王波

摘 要：当前我国水体汞污染日益严重，由于其易迁移性和毒性，严重威胁着生态环境和人类的健康，寻找对汞胁迫具有一定抗性的水生植物已经刻不容缓。试验采用溶液培养法研究不同质量浓度的HgCl2（0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0 mg·L-1）对水葫芦幼苗生长和发育的影响。结果表明，水葫芦鲜质量增长量、叶绿素含量、Pn值和SOD活性在低质量浓度的HgCl2溶液中随着汞质量浓度的升高而增加，在质量浓度为5 mg·L-1时达到最高点；但随着HgCl2质量浓度进一步增大，这些指标值反而持续下降。Pro和SP含量在HgCl2质量浓度为10 mg·L-1时达到最高点，但当HgCl2质量浓度达到20 mg·L-1时较对照显著下降；而Gs，Ci，Tr值表现出先下降后上升的趋势，但各处理间差异不显著，其中，Ci，Tr值在HgCl2质量浓度为5 mg·L-1时达到最低值，Gs在10 mg·L-1时达到最低值；MDA含量和POD活性则随着HgCl2质量浓度的升高而上升。水葫芦对10 mg·L-1 以下的HgCl2胁迫具有较好的适应性，且可促进水葫芦的生长；但高质量浓度HgCl2对水葫芦的生长则有抑制作用。研究结果可为水葫芦对Hg2+胁迫的适应机制提供一定理论依据。

关键词：水葫芦；汞胁迫；叶绿素含量；光合特性；生理生化特征

中图分类号：S555+.5 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.05.002

Abstract： The water mercury pollution has been seriously polluted in recently years in our country， because of its easy mobility and toxicity serious threat to the ecological environment and human health seriously， therefore to search for the hydrophyte with some resistance to mercury stress was extremely urgent. The aim of the study was to investigate the influence that HgCl2 under various concentrations（0， 2.5， 5.0 10.0， 20.0， 40 mg·L-1） on the growth and development of Eichhornia crassipes seedlings with hydroponics. The results indicated the FW increment， chlorophyll content， Pn value， SOD activities of Eichhornia crassipes increased first and then decreased with the increasing of HgCl2 stress. The highest value at 5 mg·L-1， but as HgCl2 concentration increased further， these indicators continued to decline inversely. Pro and SP reached to the highest point at the 10 mg·L-1 concentration， and they continued to decline at the concentration more than 20 mg·L-1 significantly. While Gs， Ci， Tr showed the opposite tendency compared with Pn. But it was not significant between difference HgCl2 stress. Ci， Tr reached to the highest point at the 5 mg·L-1 concentration， but Gs at 10 mg·L-1. The MAD content and POD activity significantly rose with the increasing of HgCl2 stress. The conclusion was that it was beneficial to Eichhornia crassipes when HgCl2 stress was below to 10 mg·L-1， meanwhile high concentration HgCl2 could be harmful to Eichhornia crassipes. The results of this research could provide a theoretical basis for exploring the adaptation mechanism of Eichhornia crassipes under HgCl2 stress.

Key words： Eichhornia crassipes； mercury stresses； chlorophyll content； photosynthetic characteristics； physiological and biochemical characteristics

水葫蘆（Eichhornia crassipes）为雨久花科、凤眼莲属的一种漂浮性水生植物。已有研究表明，水葫芦可以吸收污水中的重金属、放射性污染物和有机污染物质，并将其富集体内，是一种良好的耐污染材料。由于汞污染制毒性强、易迁移和易转化等特点，现已成为全球最关心的问题[1]。汞有单质态、无机汞和有机汞3种形式。其中，有机汞是其最毒形式，在一定条件下无机汞和单质态汞可以转化为有机汞。大量数据表明，我国水体汞污染比较严重，如20世纪70年代松花江流域就开始发现有汞污染，江水平均汞含量为5 600 ng·L-1，虽然经过20多年的治理，但仍高于背景含量[2]。黄浦江中汞的平均含量则超过了400 ng·L-1 [3]。葫芦岛市五里河水中汞污染也非常严重，汞含量为84～10 446 ng·L-1，平均值为1 395 ng·L-1，远高于国家III类水标准（100 ng·L-1）[4]。许多植物对水体汞污染具有摄取并在体内富集的能力。已有研究表明，眼子菜、金鱼藻[5]、慈姑[6]、水稻[7]等水生植物对水体重金属污染都具有耐受性和富集能力。

本研究以水葫芦为试验材料，测定不同浓度Hg2+ 胁迫对水葫芦部分光合特性和叶片部分生理生化的影响，以期为进一步发掘水葫芦对汞污染修复能力方面提供科学理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

将打捞上来的水葫芦幼苗于1/2霍格兰氏培养液中驯化7 d测量其鲜质量，挑选个体、长势以及鲜质量接近的水葫芦幼苗作为研究材料。

1.2 试验设计

设定0，2.5，5.0，10.0，20.0，40.0 mg·L-1梯度HgCl2质量浓度处理，每个处理3个重复，每个重复3株幼苗，并尽量避免3株幼苗叶片不重叠。每天加2～5滴双氧水以增加培养液中溶氧量。连续培养30 d后测定其鲜质量，并计算其鲜质量增长量、部分光合参数、部分生理生化指标。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶绿素含量 叶绿素含量的测定采用丙酮乙烯混合液法——丙酮与乙醇的比例为1∶1，全程在暗光条件下操作，并在663，645 nm波长下比色，并通过计算求得叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总含量[8]。

1.3.2 部分光合指标 Pn（净光合速率）、Gs（气孔导度）、Ci（胞间二氧化碳浓度）和Tr（蒸腾速率）值采用LI-6400便携式光合测定仪（LI-COR， USA）进行测定，测定时采用自然光源，设定样品室流速为500 μmol·s-1。測定选择在温度25～27 ℃的8：30—11：30进行。

1.3.3 生理生化指标 采用硫代巴比妥酸法测定MDA（丙二醛）含量，采用考马斯亮蓝G-250法测定SP（可溶性蛋白）含量，采用磺基水杨酸法测定Pro（脯氨酸）含量。采用愈创木酚法测定POD（过氧化物酶）活性，采用氮蓝四唑法测定SOD（超氧化物歧化酶）活性[9]，采用紫外吸收法测定CAT（过氧化氢酶）活性[10]。

1.4 数据分析

3个重复数据的平均值为试验结果，数据库的建立和绘图采用Excel软件；显著性差异分析和方差分析采用SPSS 17.0统计软件。

2 结果与分析

2.1 不同质量浓度HgCl2对水葫芦鲜质量增长量的影响

由表1可知，在不同质量浓度HgCl2 处理30 d后，随着质量浓度的增加，水葫芦鲜质量的增长量分别为对照（CK）的125.85%，126.83%，114.04%，71.62%，56.13%，呈先上升后下降的趋势；当HgCl2质量浓度较低时，显著促进水葫芦生物量的增加，当HgCl2的浓度达到20.0 mg·L-1时，水葫芦生物量的增长量显著低于CK。

2.2 不同质量浓度HgCl2对水葫芦叶绿素含量的影响

由表2可知，处理30 d后，随着HgCl2质量浓度的增加水葫芦叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量均呈先升高后降低的趋势；与对照相比，较低质量浓度（2.5，5.0，10.0 mg·L-1 ）的HgCl2显著增加水葫芦叶片叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量；而20.0，40.0 mg·L-1 的HgCl2 处理可显著降低叶片叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素总量；不同质量浓度HgCl2对水葫芦叶绿素a/b的影响不大，总体在平均值左右。

2.3 不同质量浓度HgCl2对水葫芦光合特性的影响

由表3可知，水葫芦在不同质量浓度HgCl2处理下，其各处理间的Pn 呈现出先升高后降低的趋势，且除了CK与10.0 mg·L-1的HgCl2处理外，其余各处理间差异均达显著水平，在5.0 mg·L-1的处理下达到最高值，表明较低质量浓度HgCl2 对其Pn的升高具有促进作用；而对于Gs的影响总体呈下降趋势，但各组间差异不显著；对于Ci，Tr则呈现出先降低后升高的趋势，仅40 mg·L-1处理下的Ci与其他处理间差异达到显著水平。

2.4 不同质量浓度HgCl2对水葫芦生理生化特征的影响

由图1可知，HgCl2质量浓度为2.5，5.0， 10.0，20.0，40.0 mg·L-1处理的MDA含量分别是0 mg·L-1（CK）的121.16%，208.28%，384.54%，501.38%和696.41%，各组间MDA含量的变化除2.5 mg·L-1处理外，其他各组间差异均达到显著水平；汞胁迫还会影响水葫芦生物大分子含量的变化。随着HgCl2质量浓度的升高，Pro和SP均呈现出先升高后降低的趋势，且均在HgCl2质量浓度为10.0 mg·L-1时达到最高值，且与其他各处理间差异均达显著水平。在汞胁迫下，水葫芦的三大抗氧化酶的活性都会受到不同程度的影响，其中，SOD，CAT的活性随着汞胁迫质量浓度的升高呈现出先升高后降低的趋势，分别在5.0，2.5 mg·L-1处理时达到最大值，而POD则随着汞质量浓度的升高而升高。

3 结论与讨论

本试验结果表明，低质量浓度的HgCl2胁迫水葫芦后，对其生长有促进作用，高质量浓度处理则显著降抑制其生长；随着汞质量浓度的增加，对其生物量增长的抑制作用越来越明显，这与高大翔等[11]研究汞胁迫对水稻生长的影响结果相一致。

光合作用的强弱反映了植物同化能力的大小，主要表现为有机物的积累。Pn的大小可以反映植物吸收和利用二氧化碳能力的大小。低质量浓度的HgCl2可以促进水葫芦的光合作用，而较高质量浓度的HgCl2则会抑制水葫芦净光合速率，从而影响水葫芦生物量的增加。叶绿体是植物进行光合作用的最基本单位，植物叶片单位面积叶绿素含量也能反映出植物光合能力的强弱。叶绿素a/b是体现植物叶片衰老的指标，本研究结果表明，不同质量浓度HgCl2对叶绿素a/b影响不明显，说明高浓度的HgCl2并未引起水葫芦叶片的衰老，这与侯明等[12]就适量钒胁迫对菜心幼苗的叶绿素影响研究的结果相一致。在汞胁迫下，水葫芦叶绿素含量的变化则体现出与Pn一致的规律。气孔是植物叶片与外界进行气体交换的主要通道，由于通过气孔扩散的主要气体有氧气、水、二氧化碳。因此，气体的开闭情况则直接影响植物的光合作用、蒸腾作用、及胞间二氧化碳浓度。本研究结果表明，汞胁迫并不会显著影响水葫芦Gs，Ci及Tr，而Pn则出现显著变化，可能是由于引起Pn发生改变的主导因素是非气孔限制因素。

植物在逆境条件下或衰老时，往往发生膜脂氧化作用，MDA是其最重要的产物之一，因此，通过测定植物MDA的含量了解膜脂过氧化的程度，以间接测定系统受损程度以及植物的抗逆性[9]。本研究结果表明，随着汞浓度的升高，水葫芦叶片MDA含量也会不同程度增加，这与徐金波等[13]研究的结果相一致。表明在不同质量浓度汞胁迫下，水葫芦的膜系统均受到不同程度的破坏。而植物在逆境中主要有两大抗衰老机制，一种是通过生物大分子增加体内渗透保护物质来调节细胞内外的渗透平衡，主要有SP，Pro等；另一类则是通过其自身的抗氧化酶系统主要有SOD，POD，CAT，这类酶能够在一定程度上清除植物由于逆境产生的过量超氧自由基，保护膜结构。本研究结果表明，低质量浓度的HgCl2可以显著提高水葫芦SOD，CAT的活性，当HgCl2质量浓度较高时，其活性则持续下降，而POD的含量则持续升高，经汞胁迫后水葫芦叶片的SOD，CAT，POD 均显著高于对照，说明机体启动了抗氧化酶保护机制，在低汞胁迫可以显著增加水葫芦的SP，Pro含量，但是当汞质量浓度较高时，水葫芦叶片SP，Pro含量则持续下降。可能是由于低质量浓度的汞胁迫诱导了水葫芦体内生物大分子SP，Pro和抗氧化酶SOD，CAT的表达，此时水葫芦体渗透势调节内活性氧代谢尚处于正常水平，随着汞质量浓度的增加，代谢平衡被打破，叶片膜质氧化系统加剧，导致SP，Pro含量下降，SOD，CAT活性降低。并且汞离子可能会与SOD，CAT结合进而改变SOD，CAT蛋白的空间构型。而POD则表现出持续上升的现象，可能是由于汞胁迫对水葫芦POD影响的机制没有SOD灵敏，当汞质量浓度进一步增加时，POD活性可能也会出现下降的现象，这还有待于进一步研究。

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