锰、汞复合胁迫对向日葵幼苗生理生化指标的影响

曾小飚　张肃杰　宁莞权

摘 要：该文采用砂培试验研究不同浓度锰、汞复合胁迫对向日葵幼苗叶片生理生化指标的影响，为探索重金属复合污染对作物的毒害机理提供科学依据。结果表明：随着锰、汞复合胁迫浓度的逐渐加大，向日葵幼苗叶片的过氧化物酶活性、蛋白质含量、叶绿素含量表现出先升高后下降的规律；游离脯氨酸和丙二醛含量呈现逐渐增加的趋势。

关键词：锰；汞；向日葵；复合胁迫；生理生化指标

中图分类号 S727.4 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）02-0017-03

向日葵（Helianthus annuus L.）是一年生的菊科向日葵属草本植物，根系发达，具有耐贫瘠、耐旱、生长快、生物量大、对重金属富集能力强、耐受性强等特性。近年来已有一些向日葵对抗重金属胁迫生理反应的研究报道[1-5]，而有关Hg和Mn复合污染对向日葵生理生化指标的影响尚未见报道。为此，本实验以向日葵为试验材料，研究了Mn和Hg复合污染对向日葵幼苗叶片叶绿素含量、丙二醛含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量、过氧化物酶活性等生理生化指标的影响，为探索重金属复合污染对作物的毒害机理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验用向日葵（Helianthus annuus）种子金星1号购于百色城西蔬菜种子店。

1.2 试验方法

1.2.1 砂培试验 选取大小均匀、籽粒饱满的向日葵种子，消毒并萌发，然后用Hoagland营养液培养至长出4～6片真叶，选取发长势一致的幼苗作为供试材料。设5组处理，以Hoagland溶液培养为对照（用T0表示），锰、汞复合胁迫浓度设为Mn20mg/L+Hg1mg/L、Mn50mg/L+Hg5mg/L、Mn100mg/L+Hg10mg/L、Mn200mg/L+Hg50mg/L、Mn300mg/L+Hg100mg/L（各处理组分别用T1、T2、T3、T4、T5来表示）。Mn以MnSO4形式提供，Hg以HgCl2形式提供。自然条件下胁迫培养12d后取叶片进行生理生化指标测试。试验设3次重复。

1.2.2 生理指标测定方法 叶绿素含量、游离脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、过氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）含量的测定均参照李合生编的《植物生理生化实验原理和技术》[6]。

2 结果与分析

2.1 锰、汞复合胁迫对向日葵幼苗叶绿素含量的影响 叶绿素是植物光合作用的物质基础，植物叶片中叶绿素含量可以作为植物遭受逆境伤害程度的重要指标[7]。由图1可知，在锰、汞胁迫浓度较低时，会促使向日葵叶绿素含量增加。T2组处理时，叶绿素含量达最大值，相比对照组增加了23.02%。当锰、汞浓度继续增加时，叶绿素含量即呈下降趋势。T5组处理时，与对照组相比，叶绿素含量降低了20.05%，说明高浓度锰和汞联合胁迫对向日葵幼苗叶片叶绿素的合成有抑制作用，会导致叶绿素含量下降进而影响植物的光合作用。

2.2 锰、汞复合胁迫对向日葵幼苗游离脯氨酸含量的影响 脯氨酸是植物体内水溶性最大的氨基酸，有着较强的水合能力，是细胞内重要的渗透调节物质。脯氨酸含量的增加可以降低细胞渗透势，起到维持水势平衡的作用，可保持细胞膜的正常功能[7]。正常生长的向日葵叶片的游离脯氨酸含量较低。从图2可知，锰、汞复合胁迫后，向日葵幼苗叶片中游离脯氨酸含量逐渐升高。处理12d后，T1、T2、T3、T4、T5组分别比同期对照组增加了2.76%、89.31%、127.07%、127.99%、1038.67%。这是向日葵在逆境胁迫下的正常生理反应。锰、汞复合胁迫导致向日葵幼苗叶片中游离脯氨酸大量积累，脯氨酸含量升高，这样可降低水势，保持植物体内水分平衡，确保植物细胞正常的生理活动。

2.3 锰、汞复合胁迫对向日葵幼苗可溶性蛋白含量的影响 植物叶片中可溶性蛋白含量与细胞内的渗透调节密切相关。由图3可看出，在较低浓度锰、汞复合胁迫处理时，向日葵幼苗叶片内可溶性蛋白含量迅速上升，在T2组处理时，蛋白质含量上升到最大值，比对照组高8.96%，随后随着锰、汞复合脅迫浓度的增加而呈逐渐下降的趋势。T5组处理时，蛋白质含量比对照组下降了0.30%。

2.4 锰、汞复合胁迫对向日葵幼苗POD活性的影响

POD能有效清除O2-、OH-、H2O2等自由基，是细胞活性氧保护酶系统的成员之一，在防止自由基伤害中起着重要作用。从图4可看出，在锰、汞复合胁迫下向日葵幼苗体内POD活性均比对照组升高，这应该是植物对重金属胁迫的主动适应，向日葵幼苗体内的POD活性加强，在一定程度上有效清除了O-、OH-、H2O2等的伤害，以抵抗重金属的胁迫。T3组处理时，POD活性达到最大值，表明此时向日葵幼苗通过POD活性调节来减轻氧化伤害的能力已经达到最大限度，之后，随着胁迫浓度的增大，POD活性逐渐下降，表明高浓度重金属胁迫对向日葵造成了较大的伤害。

2.5 锰、汞复合胁迫对向日葵幼苗MDA含量的影响 丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的重要产物，是由植物在衰老或逆境条件下发生质膜过氧化作用产生，其含量变化可作为检测植物受逆境胁迫损坏程度的重要指标，表示植物细胞过氧化程度和植物遭受重金属毒害程度[8]。由图5可知，向日葵幼苗在受到锰、汞复合胁迫后，MDA含量呈先增高后下降的规律，并且各处理MDA含量都比对照组高，分别高出11.82%、12.02%、16.30%、44.08%、27.71%，表明重金属锰和汞对向日葵幼苗产生了一定的伤害作用。

3 讨论

自然条件下，单种重金属污染土壤的情况少有发生，很多情况下是多种元素之间以及不同重金属与重金属联合作用构成复合污染。本文讨论锰和汞复合胁迫对向日葵的生理生化影响。

光合作用是植物生长的物质保证，植物体内叶绿素通过吸收传递光能参与光合作用反应过程。叶绿素含量高低影响植物的光合速率，可反映叶片光合作用功能的强弱和植物在逆境条件下组织、器官的衰老情况，因此植物体内叶绿素含量的变化可以作为衡量光合作用能力强弱的一个重要指标[8]。本研究发现，随着锰和汞复合胁迫浓度增加，向日葵幼苗中叶绿素含量呈先上升后下降的趋势，表明低浓度重金属胁迫会刺激向日葵幼苗使其叶绿素合成加速，叶绿素含量呈上升趋势。随着锰和汞复合胁迫浓度进一步加大，会导致叶绿体色素分解加速，叶绿素含量降低，造成了向日葵幼苗光合作用下降，导致植株衰老甚至死亡[9]。

MDA是脂质过氧化产物之一，常作为膜脂过氧化程度和膜透性强弱的重要指标[10]。当向日葵受到重金属胁迫时其细胞膜的选择透过性能受损，体内活性氧的产生与清除平衡受到破坏，引起膜脂过氧化反应，细胞膜透过性改变，细胞内电解质外渗量增加，从而打破了细胞的渗透压平衡，损伤细胞内生物膜。本试验发现，随着锰和汞复合胁迫浓度的增加，MDA含量均高于对照组，且呈逐渐递增的趋势，说明在细胞膜在重金属胁迫浓度高时受伤害程度加大，可能是细胞内有害物质不断积累，使膜脂过氧化反应更为激烈，膜系统稳定性下降，细胞膜通透性增加。

可溶性蛋白在植物体内是多种活性酶的总称。酶活性容易受重金属毒害而变形甚至降解，从而影响了酶参与的许多生理活动，可溶性蛋白含量变化水平可反映叶片功能性蛋白功能的变化[10]。本研究发现，在低浓度胁迫下，随着复合胁迫浓度升高，叶片内可溶性蛋白总量逐渐增加，说明向日葵叶片内各种代谢酶类对锰、汞复合胁迫反应敏感。植物可通过增加可溶性蛋白含量来对抗重金属胁迫，将重金属胁迫伤害降至最低。当重金属胁迫浓度超出一定限度时，随着胁迫浓度的提高可溶性蛋白含量逐渐下降，表明高浓度重金属胁迫导致植物叶片衰老加速，叶片功能减退。

正常生长情况下植物体内活性氧的产生与清除处于动态平衡，其作用可以有效防止植物体内膜系统受到过氧化伤害，在逆境条件下这种动态平衡受到破坏，活性氧不断积累，如果重金属浓度超出植物抗逆境能力时会使植物细胞内的大分子发生过氧化反应，植物因受伤害而生长异常[11]。有研究表明，植物随着重金属的胁迫体内POD活性不断增强[12]。本试验结果表明，向日葵幼苗POD活性在低浓度锰、汞复合胁迫下，酶活性升高，而后随着胁迫浓度增加，酶活性逐渐下降。此现象可能是，在较低浓度重金属胁迫范围内，植株体内活性氧的增多启动了细胞的防御反应，通过提升POD活性来清除过多的自由基，从而增加植物对重金属胁迫的适应能力[13-14]。在较高浓度胁迫下，植物体内重金属离子积累过多，导致植物受到的毒害加深，细胞内大量积累自由基。当细胞内产生的活性氧自由基过量时，保护酶系统失效，破坏细胞膜的结构与功能，使细胞遭受过氧化伤害，因此，逆境胁迫下植物体内POD对膜的保护作用是有限度的。

植物体内的游离脯氨酸与膜脂过氧化作用关系密切，其作为细胞内主要的渗透调节物质，起平衡细胞液、阻止氧自由基增加和细胞结构稳定性的作用 [15]，因此脯氨酸的积累对植物适应逆境有着重要的意义。植物在正常生长条件下体内含较少的脯氨酸。植物在干旱、盐、低温等逆境条件下，植物体内脯氨酸合成会增加，同时氧化分解受阻，使得植物体内脯氨酸的含量升高。本研究结果印证了这一观点。

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（责编：張宏民）