李氏禾对重金属铬胁迫的耐受性及其生理生化响应

＊张政 温智峰 赵嘉雪 王淇婷 黄展桂 李林

（桂林电子科技大学生命与环境科学学院 广西 541004）

随着农业、轻重工业的不断壮大，不同形态的重金属加速进入到环境中。寻找治理环境重金属污染物的途径和方法十分紧急。植物重金属修复技术因具有成本低、不破坏土壤和河流生态环境、不引起二次污染等优点[1]，成为了环境污染治理研究领域的一个前沿性课题[2-3]。

在我国土壤和水体重金属污染中，铬超标点位最高，对生物的毒害性很强[4]，所以对铬污染水体和土壤的生物修复研究十分急迫。李氏禾是一种多金属富集植物，对铬有超富集效果[5]，是一种理想的用于土壤和水体重金属修复的植物材料。目前国内外对李氏禾在重金属污染治理方面的研究主要集中在植株对铬、镍、铜等重金属的耐受性和受胁迫后生理指标的变化[6]，对重金属的富集特性以及外源物质对李氏禾富集重金属的影响等方面[7-8]。李氏禾在受到铬胁迫时，植株体内的抗氧化酶活性、可溶性糖、可溶性蛋白含量以及叶片叶绿素含量均会做出相应的调节，来维持植株生长状态[9]，不同器官对重金属的富集程度存在差异[10]。李氏禾作为对铬富集作用突出的物种，对其进行重金属铬胁迫的耐受性及其胁迫后生理生化响应的研究是十分必要的。

1.材料与方法

(1)材料的获取途径及培养方法

实验用李氏禾植株采摘自桂林市灵川县灵田镇花江河段非污染区。采集后各部位清洗干净，加入改良的霍格兰氏培养液[10]，放入培养箱培养。培养箱温度设置为25℃，相对湿度为80%，光照时间10h，每5天更换一次培养液，每天添加一次蒸馏水以维持液体体积。培养25天后将长势良好的李氏禾植株分为4组，每组5杯，每杯10株，分别使用质量浓度为0（对照CK）、100μmol·L-1、150μmol·L-1、200μmol·L-1的重铬酸钾溶液对4组李氏禾进行胁迫处理，每5天对其各项生理指标进行测定并记录观测值。

(2)测定项目与方法

①抗氧化物酶（POD、SOD、CAT）活性的测定

过氧化物酶（POD）的活性采用愈创木酚法进行测定；超氧化物歧化酶（SOD）的活性采用氮蓝四唑光还原法进行测定；过氧化氢酶（CAT）的活性采用紫外吸收法进行测定[11]。

②其他生理指标的测定

可溶性蛋白的含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定；可溶性糖含量采用蒽酮法进行测定。

(3)数据统计方法

实验数据采取3个样本平行测定数值的平均值来表示。数据处理使用SPSS 26.0进行单因素方差分析，并用最小显著差异法（LSD）进行显著性比较。

2.结果和分析

(1)铬胁迫对李氏禾不同器官抗氧化酶活性的影响

在3个胁迫浓度梯度上，茎和叶的SOD酶活性均随着胁迫时间增加呈现先上升后下降的趋势（图1）。根部的SOD酶活性表现有差异。最小显著差异法（LSD）检测显示：相同胁迫浓度与时间根、茎、叶SOD酶活性之间具有显著的差异（P＜0.05）。不同胁迫浓度梯度处理的各个器官SOD酶活性变化差异显著（P＜0.05）。

图1 不同胁迫浓度李氏禾各器官SOD酶活性的变化

表1统计了在胁迫后期（25天）李氏禾各器官的SOD酶活性与未胁迫的酶活性的变化量以及根、茎、叶之间的相对变化量。在不同铬胁迫浓度下，SOD酶活性对胁迫均有响应，表现为酶活性的上升或下降，在铬胁迫浓度200μmol·L-1时，根、茎、叶三个器官的SOD酶活性均呈现大幅度下降。相同胁迫浓度下，李氏禾叶片的SOD酶活性受到铬胁迫影响变化最大。

表1 胁迫后期（25天）不同胁迫处理与未胁迫SOD酶活性变化量

在3个胁迫浓度梯度上，根和茎的POD酶活性均随着胁迫时间增加而下降（图2），叶片的POD酶活性先上升后降低。LSD检测显示：相同胁迫时间与浓度处理下各器官之间POD酶活性均差异显著（P＜0.05）。相同胁迫时间不同胁迫浓度处理下，除胁迫5天时100μmol·L-1与150μmol·L-1处理下根部的POD酶活性差异不明显（P=0.206＞0.05），其余各器官的POD酶活性变化差异显著（P＜0.05），说明铬胁迫对李氏禾各器官的POD活性影响不同。

图2 不同胁迫浓度李氏禾各器官POD酶活性的变化

在胁迫后期（25天）李氏禾各器官的POD酶活性与未胁迫酶活性的变化量以及根、茎、叶之间的相对变化量（表2），叶片POD酶活性对铬胁迫的响应更明显，其次是茎部。响应程度随胁迫浓度梯度的提高影响逐渐加大。

表2 胁迫后期（25天）不同胁迫处理与未胁迫POD酶活性变化量

在3个胁迫浓度梯度上，各器官的CAT酶活性均下降（图3），且李氏禾各器官的CAT酶活性在胁迫初期就低于未胁迫的酶活性，说明铬胁迫对李氏禾体内的CAT酶活性有抑制作用。LSD检测显示：除100μmol·L-1胁迫处理25天时根和茎CAT酶活性差异不显著（P=0.967＞0.05），其余相同胁迫时间与浓度处理下不同器官之间CAT酶活性均差异显著（P＜0.05）。相同胁迫时间不同胁迫浓度时，根部CAT酶活性在胁迫中后期（15-25天）100μmol·L-1、150μmol·L-1与200μmol·L-1处理下差异显著（P＜0.05），100μmol·L-1、150μmol·L-1与200μmol·L-1处理下的茎部CAT酶活性差异显著（P＜0.05），而叶片除胁迫5天时100μmol·L-1与150μmol·L-1处理的CAT酶活性不具显著差异（P=0.158＞0.05），其余均差异显著（P＜0.05）。

图3 不同胁迫浓度李氏禾各器官CAT酶活性的变化

表3统计了在胁迫后期（25天）李氏禾各器官的CAT酶活性与未胁迫酶活性的变化量以及根、茎、叶之间的相对变化量，叶片的CAT酶活性对铬胁迫的响应最明显，其次是根部，茎部最弱。

表3 胁迫后期（25天）不同胁迫处理与未胁迫CAT酶活性变化量

(2)铬胁迫对李氏禾可溶性蛋白含量的影响

图4 铬胁迫对李氏禾茎部和叶片可溶性蛋白含量的影响

在100μmol·L-1和150μmol·L-1胁迫下，李氏禾茎部的可溶性蛋白含量呈明显的上升趋势，随着胁迫时间的增加上升趋势逐渐平缓；200μmol·L-1处理下的茎部可溶性蛋白含量为先增大后降低。不同胁迫浓度对叶片可溶性蛋白含量趋势变化差异很大LSD检测结果显示：相同胁迫时间不同胁迫浓度下的李氏禾茎部可溶性蛋白含量差异极其显著（P＜0.01）；3个胁迫浓度梯度上，除胁迫5天时100μmol·L-1与150μmol·L-1处理的叶片可溶性蛋白含量差异不明显（P=0.553＞0.05），其余叶片可溶性蛋白含量差异极其显著（P＜0.01）。

(3)铬胁迫对李氏禾可溶性糖含量的影响

胁迫浓度为100μmol·L-1、150μmol·L-1的李氏禾茎部可溶性糖含量变化为先降低后升高（图5），胁迫浓度为200μmol·L-1的茎部可溶性糖含量变化为先增高后下降；3个胁迫浓度梯度上，叶片可溶性糖含量均呈现先增后减趋势。LSD检测显示：除胁迫10天时100μmol·L-1与150μmol·L-1处理的茎部可溶性糖含量不具显著差异（P=0.059＞0.05），其余相同胁迫时间不同胁迫浓度的茎部可溶性糖含量均差异显著（P＜0.05）。3种胁迫浓度梯度处理的李氏禾叶片可溶性糖含量均差异显著（P＜0.05）。说明一定程度的铬胁迫能够促进李氏禾可溶性糖的合成，促进效果随胁迫时间减弱。

图5 铬胁迫对李氏禾茎部和叶片可溶性糖含量的影响

3.结论和讨论

李氏禾在胁迫初期仍能提高SOD酶活性来清除因铬胁迫而产生的过量自由基，在胁迫后期产生的自由基超过植物正常歧化能力，自由基不能被抗氧化物酶系统清除而积累，使细胞的结构和功能遭到破坏，导致SOD、POD、CAT酶活性下降。李氏禾各器官抗氧化物酶系统的酶活性受胁迫影响水平随胁迫时间延长而增大。

可溶性蛋白是植物重要的渗透调节物质和营养物质，植物体内可溶性糖含量代表内部碳水化合物的运转情况，可以反映重金属污染对植物的毒害作用。本研究中低浓度的铬胁迫可以促进李氏禾体内可溶性蛋白的合成，促进作用随胁迫时间减小；高浓度铬胁迫会抑制李氏禾可溶性蛋白的合成，减小可溶性蛋白的含量。可能在中低浓度胁迫下李氏禾体内可溶性蛋白可以与铬离子结合来减轻胁迫对细胞的毒害。李氏禾茎部、叶片的可溶性糖含量均呈现先增后减趋势，说明一定程度的铬胁迫能够促进李氏禾可溶性糖的合成，随着胁迫时间的增加促进效果逐渐减弱直至可溶性糖含量开始降低。

综上所述，高富集重金属铬的李氏禾植株对铬胁迫的生理生化响应如下：（1）李氏禾对铬胁迫具有一定程度的耐受性，高浓度的铬胁迫可以显著抑制李氏禾抗氧化物酶系统的活性。（2）李氏禾不同器官的抗氧化物酶系统活性受到铬胁迫的毒害程度不同，对SOD酶活性的影响程度为叶片＞茎部＞根部；对POD酶活性的影响程度为叶片＞茎部＞根部；对CAT酶活性的影响程度为叶片＞根部＞茎部。（3）中低浓度的铬胁迫可以促进李氏禾体内可溶性蛋白的合成，胁迫时间越长促进作用越小；高浓度的铬胁迫会抑制可溶性蛋白的合成。（4）适当浓度的铬胁迫能够促进李氏禾可溶性糖的合成，促进效果随胁迫时间的增加而减弱。