铜离子对沙打旺形态及生理特性的影响

刘扬 王风艳

摘要：本文以沙打旺为研究材料，Cu2+为胁迫因子，采用盆栽实验，通过向沙打旺幼苗添加不同浓度铜离子模拟重金属胁迫环境的方法，探究铜离子对沙打旺幼苗生长和生理指标的影响。实验结果表明：随着铜离子浓度的增加，沙打旺幼苗叶绿素含量呈下降趋势，积累了大量的脯氨酸，SOD、POD活性在不同金属胁迫下表现出一定的差异，但在一定范围内呈上升趋势。在重金属离子Cu2+胁迫下，沙打旺的正常生长受到抑制，株高、叶面积，根干重受抑制较明显，叶周长，茎叶干重受抑制较小。

关键词：沙打旺;Cu2+胁迫;脯氨酸;SOD.

引言：近年来，随着矿业、工业、农业的蓬勃发展，环境污染问题日益严重，重金属污染事件在国内外频频爆发，引起人们的注意，现在越来越多的人有意的关注这些问题，重金属污染防治已成为关乎国民的大事[1][2]。由于重金属在土壤中难以被微生物分解，且重金属之间有协同、拮抗作用，使得重金属在土壤中累积过量，难以防治，土壤修复也更加困难。当土壤中重金属累积过多时，作物的生长、发育和产量都会受到影响[3][4][5]还能通过食物链进入我们的身体，危害身体健康。了解作物对重金属胁迫的抗性响应机制，有助于我们提出切实可行的建议，以减轻重金属对植物胁迫，减少重金属在植物体内积累[6]。通过盆栽实验，探究沙打旺在Cu2+、Zn2+、Cd2+、Pb2+单因素条件污染下的植株的生长状态和各项生理指标，为重金属离子对植物的毒理研究提供一定的理论依据。

材料与方法：沙打旺（Astragalus adsurgens Pall.），逆性强，适应性广，具有抗旱、抗寒、抗风沙、耐瘠薄等特性。

取等量沙土装入直径为15cm，高20cm的花盆中，其中每盆装沙土2㎏，每盆施入30粒种子，每日浇入等量水，培养105天，然后配置不同浓度的重金属溶液等量浇入盆栽中，每日施加等量清水，培养45天后，测定幼苗的叶绿素含量，脯氨酸含量、酶活性等生理指标，收获时测量株高、根干重、地上部分干重及叶面积。

Cu2+处理水平：250mg/L，500 mg/L，750 mg/L，1000 mg/L，1250 mg/L，1500 mg/L。

叶绿素含量的测定采用95%乙醇提取法[7]，脯氨酸含量的測定采用酸性茚三酮法[7]。超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）光还原法[8]，过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚法[7]。

每周每个处理分别用直尺测定植株（随机选取）的株高;指标测定前用叶面积测定仪测定植株叶面积;用电子天平测量根干重和地上部分干重。

使用SPSS 23.0统计软件进行数据分析，5%显著性水平下方差分析实验样本平均值的差异显著性比较。Microsoft Excel2010作图。

结果与分析：

1 Cu2+对沙打旺幼苗叶绿素含量的影响

Cu2+胁迫下，实验组沙打旺叶片各色素含量均低于对照组，都呈现出先升高后降低再升高再降低，最后升高的趋势。叶绿素a含量、叶绿素b含量、叶绿素a与b的总含量、类胡萝卜素含量与Cu2+添加量的相关系数为-0.553（P<0.01）负相关、0.513（P<0.01）正相关、-0.326（P<0.01）负相关、0.558（P<0.01）正相关。Cu2+添加量与沙打旺叶片各色素含量有非常显著意义。

2 Cu2+对沙打旺幼苗脯氨酸含量的影响

Cu2+胁迫下，脯氨酸含量随着Cu2+胁迫浓度的升高先升高后降低，显著高于对照组，相关系数为0.098（P<0.05）微弱相关。沙打旺的脯氨酸含量在500mg·L-1时达到最高，是对照组的5.88倍，然后逐渐降低，在1500mg·L-1胁迫下含量最低，但仍时对照组的2.5倍，因此在Cu2+胁迫下，沙打旺的脯氨酸含量总体上呈上升趋势。分析发现：Cu2+胁迫下沙打旺叶片内脯氨酸含量与对照组相比差异显著。

脯氨酸作为植物蛋白的组分之一，具有偶极性。不仅可以调节细胞渗透平衡、增强细胞结构稳定性[14]，还能抑制蛋白质在渗透作用下脱水，增强膜稳定性[15]。研究表明，在逆境胁迫下，植物会产生一系列物质代谢变化来维持正常的生理生化功能，游离脯氨酸的积累就是变化之一[16]。脯氨酸在环境胁迫下能清除活性氧，在强光、紫外辐射、重金属锌、铜和镉等胁迫下其生理功能已被间接证实[17]。

结果表明，在Cu2+胁迫下，沙打旺幼苗脯氨酸含量随着金属浓度的不断增高而改变，基本是先增高后降低。都在500mg·L-1胁迫下沙打旺脯氨酸含量最高，在1000mg·L-1胁迫下含量最低。重金属的胁迫下，实验组中沙打旺体内的脯氨酸含量都比对照组高。在Cu2+胁迫下，脯氨酸含量与金属添加量均微弱相关，Cu2+胁迫下，对照组与实验组的脯氨酸含量都差异显著。

3 Cu2+胁迫对沙打旺生长的影响

Cu2+胁迫下，沙打旺的株高、叶面积、根干重都低于对照组，受到抑制，而周长和茎叶干重一定范围内高于对照组，所以受Cu2+胁迫影响较小。在不同浓度Cu2+胁迫下，沙打旺的株高、叶面积、周长、茎叶干重、根干重都起伏不定，但株高、叶面积、根干重都存在一个最大值，分别比对照组降低了24.21%、55.54%、13.17%;周长和茎叶干重存在最小值，分别比对照组增加了54.72%、65.61。

沙打旺的株高、叶面积、周长、茎叶干重、根干重与Cu2+添加量的相关系数分别为0.113（P<0.01）正相关、0.379（P<0.01）正相关、0.420（P>0.05）正相关、-0.352（P<0.01）负相关、0.469（P<0.01）正相关。

讨论：

重金属胁迫主要通过抑制叶绿素合成或破坏已有叶绿素，导致叶绿素含量下降，从而影响叶绿素合成和生理生化过程[9-11]。此外，植物光合生物膜的脂质过氧化过程也会受到影响，特别是光合系统II。重金属不仅会抑制二磷酸核酮糖羧化酶的活性，影响植物的代谢过程，还会阻断PSII 和光合磷酸化，抑制ATP形成[12]。结果表明，叶片光合速率和希尔反应活力均受到抑制[13]。

实验结果显示，在Cu2+胁迫下，叶绿素a和类胡萝卜素含量与金属离子添加量呈负相关，其它色素含量的变化与前者相反;在Cu2+胁迫下叶绿素总量总体呈增加趋势。叶绿素含量、类胡萝卜素含量在Cu2+胁迫下呈上升趋势。

本文主要研究了沙打旺在Cu2+胁迫下形态和生理特征的变化。

（1）随着Cu2+添加量的升高，豆科植物沙打旺的叶绿素含量总体呈下降趋势。

（2）沙打旺幼苗均对重金属胁迫有一定的生理生态响应，随着Cu2+添加量的增大，脯氨酸含量总体呈现出先上升后下降的趋势，但都比对照组高很多，在植物体内积累了大量的脯氨酸。

（3）Cu2+对沙打旺的株高、面积、叶周长、茎叶干重、根干重都有一定的抑制作用，而叶周长、茎干重收到的抑制相对较小。

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基金项目：本文系2018年陕西学前师范学院基金项目“NaCl胁迫对沙打旺生长及生理生态特征的影响”（项目编号：2018YBKJ45）阶段性成果之一。

作者简介：

刘扬（1984.3.10）女，汉，陕西榆林，硕士研究生，称职：讲师，单位：陕西学前师范学院，研究方向：植物生理生态。

王风艳（1998.8）女，汉，陕西延安，学士，职称：无，单位：陕西学前师范学院，研究方向：植物生理生态。