铜胁迫对不同鸭跖草抗氧化系统和矿质营养代谢的影响

夏小丽，闻永慧，朱佳鹏，钱加增，汪 琼

(西南林业大学园林园艺学院，国家林业和草原局西南风景园林工程技术研究中心，云南省功能性花卉资源及产业化技术工程研究中心，昆明 650224)

微量元素铜是环境主要污染物之一，被认为是潜在的生物毒素、致癌剂。随着工业的快速发展，排入环境中的铜及其化合物越来越多，由于食物链的累积性和传递性，最终会危害人类健康。近年来铜中毒及污染的报道愈来愈多，引起了世界各国的重视，我国已把铜及其化合物列入水中优先控制物黑名单[1]。

滇池是云贵高原最大的淡水湖泊，作为昆明市及周边地区生活和生产的主要水源，其环境状况对当地的经济有着很大的影响。由于历史原因，滇池的生态环境受到严重的破坏，富营养化问题非常突出。近年来，围绕其富营养化已进行了大量的相关研究，但对其水体和沉积物重金属污染及潜在的生态危害研究报道较少。滇池水体中重金属铜的含量较低[2]，李晓铭等[3]对滇池表层沉积物铜的含量及其分布特征进行了分析，发现草海、外海沉积物铜含量分别为背景值的11.51倍、2.85倍，说明滇池及其河口沉积物已受到一定程度的铜污染。程常磊[4]发现，滇池沉积物重金属的迁移性制约了间隙水中重金属含量，间隙水中重金属存在向表层水扩散的趋势。

植物修复技术作为一种生态环保的污染治理技术，在重金属污染治理中起着非常重要的作用。植物对重金属的净化作用主要体现在植物的根、茎和叶对重金属有着不同程度的吸收，从而降低环境中重金属的含量。目前，常用鸭跖草(Commelinacommunis)、海州香薷(ElsholtziasplendensNakai ex F. Maekawa)、凤眼莲(Eichhorniacrassipes)等植物修复水体、土壤中的铜污染[5-6]。鸭跖草是铜超积累植物，具有较强的主动吸收转化铜的能力，常和海州香薷一起用于铜矿区的迹地治理[7]，矿山和非矿山两种生境下的鸭跖草对铜的耐性和吸收积累存在差异[8]。紫鸭跖草(CommelinapurpureaC.B.Clarke.)也具有较强的铜富集能力，其对铜的吸收能力因植株部位的不同而各异[9]。国内外学者就鸭跖草对铜的耐性机理和富集特征进行了相关研究，Wang等[10]发现，超富集和无富集铜的两种鸭跖草对抗氧化物酶的反应不同，因此可用抗氧化物酶活性来指示铜的毒性。鸭跖草、紫鸭跖草均为昆明市园林常用植物，既能用于治理轻度富营养化水体，又能富集湿地水体中的铜和铅[11]。前人均只对一种鸭跖草进行铜胁迫响应研究，两种鸭跖草的耐铜性及积累量随时空变化规律的相关研究少见报道。本试验以鸭跖草、紫鸭跖草为材料，研究铜胁迫对两种鸭跖草的生理特性及不同部位营养元素积累的影响，拟为鸭跖草属植物用于修复和监测滇池铜污染提供基础数据，探究鸭跖草属植物用于滇池沉积物铜污染修复的可行性。

1 材料和方法

1.1 材 料

鸭跖草、紫鸭跖草均采自西南林业大学后山树木园，两种鸭跖草采回实验室后，用去离子水冲洗干净，分别放入改良的Hoagland营养液[12](不加铜、铁、钾、锌和镁)适应培养3 d，待根系完全长出后，挑选长势大小均匀一致的幼苗作为试验材料。

1.2 方 法

以CuSO4·5 H2O为铜源，根据铜胁迫对其他植物产生较强毒害作用的浓度，设0(ck)，25，50，75，100，125 mg·L-1共 6个铜胁迫浓度处理，每个处理3次重复，处理液使用300 mL改良的Hoagland营养液，每瓶处理选择5株幼苗。因紫鸭跖草根部受损严重，在处理的第15天只采集两种鸭跖草叶片、茎进行相关生理指标测定。

1.3 测定指标及方法

将不同浓度铜胁迫处理下的两种鸭跖草的叶、茎于105 ℃杀青后置于烘箱中烘干，用研钵研磨成粉末过200目筛后取0.100 0 g样品粉末，加6 mL HNO3和2 mL HCl，用微波消解仪消解、电热板赶酸后用去离子水定容至25 mL，过滤后使用原子吸收光谱仪测定铜、钾、铁、锌、镁含量。

水分测定采用重量法，丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性、过氧化氢酶(CAT)活性测定参照李合生[13]的方法，叶绿素含量测定参照柯野等[14]的方法。

1.4 数据处理

所有测定数据通过Excel 2010软件进行统计处理，使用SPSS 17.0软件进行方差分析、相关分析和主成分分析，使用Origin pro 2021软件绘图。

2 结果与分析

2.1 铜胁迫对两种鸭跖草地上部分生物量的影响

不同浓度铜胁迫下，两种鸭跖草地上部分(叶、茎)的生物量均呈下降趋势，在125 mg·L-1铜处理时，鸭跖草、紫鸭跖草地上部分生物量分别下降了51.3%和62.2%(图1)。随着铜胁迫浓度增大，两种鸭跖草的生长受到严重影响，导致其渗透压增大，细胞膜失水程度增加，受铜伤害加大。

注：小写字母表示同种植物地上部分生物量在不同浓度铜胁迫下差异显著。图1 铜胁迫对两种鸭跖草地上部分生物量的影响Fig.1 Effects of copper stress on aboveground biomass of two species of Commelina plants

2.2 铜胁迫对两种鸭跖草叶绿素含量的影响

随着铜处理浓度的增大，鸭跖草叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量呈先增大后减小的趋势，在25 mg·L-1铜处理时，鸭跖草叶绿素a、叶绿素a+b含量最高，分别为ck的1.22、1.48倍；紫鸭跖草叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量呈下降的趋势，在125 mg·L-1铜处理时，紫鸭跖草叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量分别为ck的0.16、0.15、0.16倍。随着铜处理浓度的增大，紫鸭跖草逐渐失绿，其受伤害程度较鸭跖草重。

2.3 铜胁迫对两种鸭跖草抗氧化酶活性和MDA含量的影响

由图3可知，与ck相比，各浓度铜处理下鸭跖草SOD活性变化不大，但紫鸭跖草SOD活性均有增加，在铜浓度为75 mg·L-1时，紫鸭跖草活性最大，为32.43 U·(g·min)-1。两种鸭跖草POD活性呈先增加后降低的趋势；铜浓度为100 mg·L-1时，鸭跖草POD活性最大，为176.4OD470·(g·min)-1；铜浓度为50 mg·L-1时，紫鸭跖草POD活性最大，为192.2OD470·(g·min)-1。与ck相比，鸭跖草CAT活性呈降低的趋势，而紫鸭跖草CAT活性呈先升后降的趋势；铜浓度为125 mg·L-1时，两种鸭跖草CAT活性最低，分别为54.6、19.4OD240·(g·min)-1，鸭跖草的CAT活性远大于紫鸭跖草，其植物组织受到的伤害比紫鸭跖草小。随铜浓度升高，鸭跖草MDA含量呈上升的趋势，而紫鸭跖草MDA含量呈先升后降的趋势。

注：小写字母表示同种植物叶绿素含量在不同浓度铜胁迫下差异显著。图2 铜胁迫对两种鸭跖草叶绿素含量的影响Fig.2 Effects of copper stress on chlorophyll content of two species of Commelina plants

2.4 铜胁迫对两种鸭跖草不同部位金属元素含量的影响

由图4、图5可知，与ck相比，随着铜浓度的增加，两种鸭跖草叶和茎中铜含量均呈增大趋势，在铜浓度为50 mg·L-1时，鸭跖草叶中最高，为167.5 mg·kg-1，是ck的2.09倍；铜浓度为125 mg·L-1时，鸭跖草茎中、紫鸭跖草叶中最高，分别为1 122.5 mg·kg-1、1 012.5 mg·kg-1，是ck的40.81倍、9倍；铜浓度为100 mg·L-1时，紫鸭跖草茎中最高，为1 125 mg·kg-1，是ck的45倍。通过比较可知，紫鸭跖草叶中铜的积累量高于鸭跖草，是鸭跖草叶中1.12～10.12倍，两种鸭跖草茎中铜的积累量相差不大。溶液中铜浓度的变化会导致两种鸭跖草对其他营养元素的吸收发生变化，随着铜浓度的增加，鸭跖草叶和茎、紫鸭跖草茎中钾、铁的含量呈先增后降的趋势；紫鸭跖草叶中钾、铁含量呈减小的趋势；两种鸭跖草茎中锌、镁的含量则变化不大；鸭跖草、紫鸭跖草茎和叶对铜的富集系数分别为154、14.8、158.8、32.4，其茎中铜的含量远高于叶片，鸭跖草、紫鸭跖草茎中铜的积累量为叶的6.04～11.15倍、0.91～7.35倍，说明茎是两种鸭跖草铜吸收和富集的主要部位。

注：小写字母表示同种植物SOD、POD、CAT活性和MDA含量在不同铜浓度下差异显著。图3 铜胁迫对两种鸭跖草3种氧化酶活性和MDA含量的影响Fig.3 Effects of copper stress on enzyme activities of three kinds of oxidase and MDA content of two species of Commelina plants

注：小写字母表示同种植物叶中金属元素含量在不同铜浓度下差异显著。图4 铜胁迫对两种鸭跖草叶中金属元素含量的影响Fig.4 Effects of copper stress on the content of metal elements in the leaves of two species of Commelina plants

2.5 两种鸭跖草各生理指标相关性和主成分分析

2.5.1相关性分析

相关性分析表明，鸭跖草鲜重、紫鸭跖草鲜重和干重与溶液中铜浓度呈极显著负相关(p<0.01)，即在高浓度铜处理下，两种鸭跖草生物量均呈降低趋势；紫鸭跖草叶绿素a+b含量与溶液中铜浓度呈极显著负相关(p<0.01)，即在高浓度铜处理下，紫鸭跖草根茎生长受到抑制，叶片失绿。两种鸭跖草SOD活性与溶液中铜浓度相关性不显著，鸭跖草SOD活性与锌积累量呈显著正相关；紫鸭跖草POD活性与溶液中铜浓度呈极显著正相关(p<0.01)，鸭跖草的POD活性与溶液中铜浓度呈显著正相关(p<0.05)，鸭跖草CAT活性与溶液中铜浓度呈极显著性负相关(p<0.01)，两种鸭跖草MDA含量则与溶液中铜浓度相关性不显著。

注：小写字母表示同种植物茎中金属元素含量在不同铜浓度下差异显著。图5 铜胁迫对两种鸭跖草茎中金属元素含量的影响Fig.5 Effects of copper stress on the content of metal elements in the stems of two species of Commelina plants

注：a为鸭跖草；b为紫鸭跖草。图6 两种鸭跖草主成分分析结果Fig 6 Results of principal component analysis of two species of Commelina plants

铜胁迫下，两种鸭跖草中5种金属元素的含量与溶液中的铜浓度经双变量皮尔森相关性分析后发现，鸭跖草的叶、茎中铜含量和溶液中铜浓度呈极显著正相关(p<0.01)；鸭跖草的叶中钾、铁含量和溶液中铜浓度呈极显著正相关(p<0.01)；鸭跖草茎中铜含量和锌含量、钾含量和镁含量、锌含量和镁含量均呈显著正相关(p<0.05)；鸭跖草叶中钾含量和铁含量呈极显著正相关(p<0.01)。紫鸭跖草茎中铜和钾含量呈极显著负相关(p<0.01)，铜和锌含量、钾和镁含量均呈极显著正相关(p<0.01)。紫鸭跖草叶中铜和钾含量、铜和铁含量、铜和镁含量均呈极显著负相关(p<0.01)，钾和镁含量、锌和镁含量均呈极显著正相关(p<0.01)。

2.5.2主成分分析

由图6可知，鸭跖草、紫鸭跖草两个主成分累计贡献率分别为73.4%、74.9%。其中鸭跖草主成分1中绝对值较大的是钾含量、MDA含量、POD和CAT活性等，主成分2中贡献较大的是叶绿素a含量、镁含量、叶绿素a+b含量，叶片中叶绿素a和镁含量呈显著性正相关关系。紫鸭跖草主成分1中绝对值较大的是钾、镁、叶绿素b含量、干重等，叶绿素b含量和紫鸭跖草干重呈显著性正相关关系，主成分2中贡献较大的是SOD和POD活性、铁含量等。

3 讨 论

3.1 不同鸭跖草的抗氧化酶活性与铜胁迫浓度的关系

铜在植物中的正常含量低于20 mg·kg-1，高浓度的Cu2+会对植物造成不同程度的伤害[8]。本研究结果表明，随着铜处理浓度的增加，两种鸭跖草生物量下降，叶绿素含量也随之降低导致光合作用减弱。两种鸭跖草对铜的吸收、运输和分布存在差异，铜浓度越高，紫鸭跖草受伤害程度越大，当铜浓度超过100 mg·L-1时紫鸭跖草根部受损严重，导致其全株受到伤害明显，而鸭跖草只是略微失绿，说明鸭跖草对铜具有较强的耐受性，其耐受性与根部抑制重金属离子对自身毒害有关，耐受性强的鸭跖草可能会限制铜从根部向地上运输，降低铜向细胞质中运输而解毒[15-16]，但铜在鸭跖草体内的转移分布机理尚不明确。

铜胁迫下，植物通过提高体内SOD、POD、CAT活性及MDA含量等生理响应来增加抵抗重金属胁迫的毒害作用[17]。杨兵等[18]发现，不同生态型甚至同一生态型不同器官鸭跖草的POD、CAT、SOD活性对Cu2+的敏感性不同，POD抗氧化酶对Cu2+的敏感性高于CAT和SOD。本研究发现，鸭跖草SOD和CAT活性水平不稳定，POD活性和MDA含量随铜浓度增大均有所上升。SOD和CAT活性水平不稳定的原因可能是Cu2+胁迫下产生的活性氧破坏 DNA、RNA 和蛋白质的结构，进而破坏抗氧化酶的表达系统和结构，降低了SOD、CAT活性[19]。

3.2 铜对矿质营养元素的影响

铜胁迫不仅影响鸭跖草的生长,还对其植株不同部位铜及养分含量的分配产生影响[21]。刘婷婷等[22]发现，海州香薷对铜的高度耐性在于其细胞壁可以积累大量的Cu2+，细胞壁中含有的果胶、纤维素、半纤维素在Cu2+的吸附固定过程中起着重要的作用。黄长干等[23]发现，鸭跖草细胞壁是铜分布的主要位点之一。本研究发现，随着铜浓度的增加，两种鸭跖草叶和茎中铜积累量均呈增大趋势，其茎中铜的积累量远高于叶片中，说明茎是两种鸭跖草铜吸收和富集的主要部位。鸭跖草对铜耐性高于紫鸭跖草，但其对铜的积累量却低于紫鸭跖草，铜富集能力是否与叶、茎中细胞壁积累的纤维素、半纤维素有关尚不清楚。本研究还发现，随着溶液中铜含量的增加，其他4种金属元素含量呈现低促高抑的现象，与ck相比，鸭跖草叶和茎中钾、铁、锌、镁元素含量的变化范围分别为0.51～1.08、1.13～1.62、1.15～1.35、0.96～1.02和0.92～1.21、0.93～1.61、0.88～1.20、0.95～1.03。紫鸭跖草茎和叶中钾、铁的含量随溶液中铜浓度的增加而减小，镁的含量变化不大。紫鸭跖草叶和茎中钾、铁、锌、镁元素含量的变化范围分别为0.85～0.99、0.28～0.47、0.79～1.07、0.75～1和0.75～0.91、0.77～1.43、1.14～1.43、0.87～1，由此可见，在不同浓度铜胁迫下，鸭跖草茎和叶中钾、铁、锌、镁含量变化不大，但紫鸭跖草叶中铁含量降低较多，与叶绿素含量变化趋势一致，即叶绿素含量的降低与铜诱导的缺铁有关。廖斌等[8]发现，鸭跖草对铜的吸收和转运效率依赖于处理液中铜的供应浓度，在不同浓度的Cu2+处理下，紫鸭跖草对必需养分元素的吸收和积累维持正常，它们的浓度均在保证一般植物正常生长的浓度范围内。殷金梅[25]发现，低浓度Cu胁迫下小麦Ca和Na元素的吸收没有变化，而高浓度Cu胁迫下Ca和Na元素的吸收受到显著的抑制；申洪涛等[26]发现，Cd胁迫下烟叶中Cu和Zn元素的含量下降，各部位Cd元素含量均上升。结合前人的研究成果推测，铜胁迫下两种鸭跖草茎和叶中金属含量的变化可能与其细胞内部结构有关。

4 结 论

随着铜浓度的增加，两种鸭跖草都受到不同程度的损害，尤以根系受损最为严重，鸭跖草较紫鸭跖草对铜具有较强的耐受性。铜胁迫下两种鸭跖草通过提高体内SOD、POD、CAT活性及MDA的含量来减轻重金属胁迫的毒害作用，鸭跖草SOD、CAT活性均大于紫鸭跖草，鸭跖草较紫鸭跖草具有更强的抗氧化胁迫能力。溶液中铜含量也会影响两种鸭跖草养分含量和铜积累量，随着溶液中铜浓度增加，两种鸭跖草钾、铁、锌、镁等4种金属元素含量呈低促高抑的现象，其叶和茎中铜积累量均呈增大趋势，茎中铜的积累量远高于叶片中，紫鸭跖草高于鸭跖草，但其耐受性小于鸭跖草。因此，可选择耐性植物鸭跖草用于修复滇池重金属污染。