盐及重金属胁迫对龟背竹生理抗性的影响

鲜靖苹

摘要：通过盆栽试验法，研究土壤外源盐、重金属及其复合因素胁迫对龟背竹生理指标的影响。结果表明，不同处理组在20、40 d 2个处理时期，其叶片可溶性糖、可溶性蛋白含量随着处理周期的延长而下降，而游离脯氨酸、丙二醛含量上升。单因素或复合因素胁迫条件下，随着盐、重金属浓度的递增，可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸、丙二醛含量基本上先增加后降低，与对照相比有不同程度上升。由结果可知，龟背竹在一定盐和重金属胁迫范围内可通过改变叶片渗透调节物质含量来适应由胁迫带来的代谢失衡和缺水对植株的伤害。研究结果可为植物生长代谢过程中适应和抵御盐与重金属污染的损伤机制提供理论依据。

关键词：龟背竹；盐胁迫；铅胁迫；镉胁迫；可溶性糖；丙二醛

中图分类号： X53 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）11-0241-03

重金属是造成环境污染的重要因素之一，其中铅（Pb）、镉（Cd）毒性特别强，危害较大，是环境污染理论研究及治理实践中备受关注的对象，同在5大污染毒物[Cd、汞（Hg）、砷（As）、铬（Cr）、Pb]之列[1-2]。随着我国人口的大幅度增长，采矿、冶炼和制造等工业的迅速发展，农用化学品的过量使用及城市污水污物的排放，致使Cd、Pb、Hg等有毒重金属元素在环境中迅速、大量积累，参与土壤-水体-生物系统的循环，通过植物的吸收在根、茎、叶及籽粒中大量累積[3]，从而对植物生长发育产生抑制和毒害，并经过食物链的传递危及动物和人类的身体健康。

大气中的铅作为主要的污染物之一，也是植物吸收铅的一个重要来源。研究证实，公路旁的植物都具有吸收铅的能力，只要不超过一定的限度，植物不会出现伤害症状[4-6]。自发现Cd以来，其产量逐年增加。相当数量的Cd通过废气、废水、废渣排入环境，造成污染。Cd随废气扩散到工厂周围并自然沉降，蓄积于工厂周围的土壤中，有的污染范围可达数千米[7]。土壤盐碱化是影响生态与农业的一个全球化的重要问题，也是当前中国经济发展所面临的生态危机之一，据统计，我国有盐碱耕地660万hm2。随着工业的发展，植被破坏以及大量蓄水水库的建成，灌溉地和塑料大棚面积的不断扩大，盐碱地面积还有继续扩大的趋势，对农业威胁成为一个严重的问题[8-9]。本试验通过研究铅、镉和盐胁迫下龟背竹生理指标的变化，探寻植物生理抗性和解毒机制，为利用植物修复土壤重金属污染与盐渍化提供相关理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试植物属天南星科（Araceae）龟背竹属（Monstera）龟背竹（M. deliciosa Liebm），由笔者于当地花卉市场统一采购，盆栽培养在新乡学院植物实验室。将试验所用植物材料分别标记为1～15号预培养20 d。以Pb（NO3）2为Pb源。

1.2 试验设计

设计Pb浓度分别为200 mg/kg（Pb1）、1 500 mg/kg（Pb2）；以CdCl为Cd源，浓度分别为20 mg/kg（Cd1）、200 mg/kg（Cd2）；NaCl浓度分别为50 mmol/L（Na1）、100 mmol/L（Na2）。以不加Pb、Cd、NaCl为对照（CK），设Pb1、Pb2、Pb1+Na1、Pb2+Na1、Pb1+Na2、Pb2+Na2、Na1、Na2、Cd1、Cd2、Cd1+Na1、Cd2+Na1、Cd1+Na2、Cd2+Na2共14个处理，每个处理重复3次，处理周期分别设为20、40 d。

1.3 测定项目与方法

分别于处理后的20、40 d测定每盆植物的可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸、丙二醛含量4项生理指标。用蒽酮法测定可溶性糖含量，用考马斯亮蓝染色法测定可溶性蛋白含量，用酸性茚三酮法检测游离的脯氨酸含量，用硫代巴比妥酸法检测丙二醛含量，分析龟背竹在Cd、Pb、NaCl及其交互胁迫下不同生理指标的响应。

2 结果与分析

2.1 盐和重金属胁迫对可溶性糖含量的影响

可溶性糖是很多非盐生植物的主要渗透调节剂，也是合成其他有机溶质的碳架保护和能量来源，对细胞膜和原生质胶体也有稳定作用，在细胞内无机离子浓度高时起保护作用。在渗透胁迫下，植物可以通过在体内积累可溶性糖方式来降低渗透势，以适应外界环境的变化[10-12]。从图1至图3可以看出，盐及重金属单因素处理组在20、40 d 2个处理时期，叶片可溶性糖含量随着处理时间的延长而呈下降趋势。在单因素胁迫条件下，处理20 d时，可溶性糖含量与对照相比均有不同程度的增加，Pb2处理增幅较大，达180.0%；处理40 d时，Pb2处理增幅最大，达114.8%。单因素处理20 d时，随着浓度的增加，不同处理组可溶性糖含量呈上升趋势；单因素处理40 d或复合处理时，随着浓度的递增（复合处理组中Pb2+Na2与Pb1+Na1比较），不同处理组可溶性糖含量呈减少态势，但均高于对照。

2.2 盐和重金属胁迫对可溶性蛋白含量的影响

可溶性蛋白一般为与膜系统特异性结合的酶，在一定胁迫条件下，植物体内可溶性蛋白质含量越高，该部位的生理生化反应与代谢活动就越旺盛[13-14]，可作为植物相对抗性的一项指标，从图4至图6可以看出，盐及重金属单因子及其复合因素处理组在20、40 d 2个处理时期，其叶片可溶性蛋白含量随着处理时间的延长而下降，表明短时间盐及重金属处理可能通过诱导龟背竹叶片中可溶性蛋白的合成以抵抗逆境胁迫。无论单因素胁迫还是复合因素胁迫处理，龟背竹叶片的可溶性蛋白含量都高于对照；随着胁迫浓度的增加，单因素处理组可溶性蛋白含量上升，复合因素处理组却下降，表明高浓度的复合处理在一定程度上伤害了植物生理机能。

2.3 盐和重金属胁迫对游离脯氨酸含量的影响

游离脯氨酸是植物体内最重要的渗透调节物质之一，游离脯氨酸积累对细胞的渗透调节、细胞结构的稳定、氧化的降低具有非常重要的作用[15-16]。植物在正常生长条件下，游离脯氨酸含量一般维持在相对较低的水平，但在盐碱、干旱、重金属污染等逆境下，游离脯氨酸会在细胞质内积累以进行渗透调节抵抗胁迫。从图7至图9可以看出，盐及重金属单因子及其复合因素处理组在20、40 d 2个处理时期，其叶片游离脯氨酸含量大体随着处理时间的延长和处理浓度的增加而增加，如Pb1单因素胁迫或Pb2+Na1复合因素胁迫下，处理 40 d 时龟背竹叶片的游离脯氨酸含量远高于20 d处理，表明随着处理时间的延长，龟背竹的适应能力增强。本研究支持了以往对于游离脯氨酸具有清除活性氧的作用，与植物抗氧化关系十分密切，是植物对盐碱、重金属污染等逆境的一种适应性反应。单因素胁迫条件下，处理20 d时，与对照相比龟背竹叶片内游离脯氨酸均有不同程度的增加，Pb2处理增幅最大，达59.0%；处理40 d时，与对照相比植物叶片游离脯氨酸递增范围26.3%～54.1%。

2.4 盐和重金属胁迫对丙二醛含量的影响

丙二醛是膜脂过氧化物酶作用的主要分解产物，是反映膜系统受伤害程度的重要指标之一。从图10至图12可以看出，无论是盐、铅和镉单因素胁迫还是重金属、盐复合因素胁迫，龟背竹叶片内丙二醛含量均高于对照，说明重金属和盐胁迫对龟背竹均产生了不同程度的伤害。在盐和重金属单因素胁迫下，龟背竹叶片丙二醛含量高于对照7.6%～98.8%，在复合因素胁迫下，高于对照3.7%～88.6%。在20、40 d 2个处理时期，其叶片丙二醛含量随着处理时间的延长而上升，表明随着时间的延长，细胞膜脂过氧化伤害程度加剧，清除活性氧的能力有所降低。在单因素或者复合因素胁迫条件下，随处理浓度的增加，丙二醛含量多数表现为增加，表明龟背竹生长受到一定的抑制。

3 讨论与结论

本研究表明，游离脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白3种渗透物质在盐和重金属胁迫下能在龟背竹叶片内迅速积累，降低细胞内渗透势，增强植物渗透调节能力，促进植物吸收水分，保证植物能够正常生长，但当处理浓度较高时，单因素处理20 d时可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸含量升高；但可溶性糖、可溶性蛋白含量在复合处理和单因素处理40 d时均会降低，可能是复合因素处理或者单因素处理时间过长，植物生理机能受到一定破坏，可溶性糖、可溶性蛋白含量积累受到抑制，分解速度加快，含量相对降低。可溶性糖含量升高的原因是通过升高可溶性糖含量调节细胞渗透势，用于减少外界对植物造成的伤害，大量增加的可溶性糖等有机小分子溶质，可以降低细胞内的水势，从而达到从周围细胞吸水的目的。另一个可能的原因是在盐及重金属胁迫下，植物对一些必需离子的吸收减弱，淀粉、蛋白质和核酸等物质的分解加速，因而植物的生长可能会受到抑制。植物在盐及重金属胁迫处理40 d时可溶性糖含量较处理20 d减少，可能是随着时间的延长，植物呼吸作用消耗所致。单因素铅处理或复合因素 Pb1+Na1处理、Cd1+Na2处理龟背竹叶片可溶性糖含量相对较高，这些处理可能提高了植物抗逆境能力，而相应处理的游离脯氨酸仍能维持较高的浓度。有研究表明，逆境胁迫下可溶性蛋白分解加速，分解为游离脯氨酸等各种氨基酸，使脯氨酸含量升高。在盐和重金属胁迫下，由于外界渗透势较低，植物会发生失水现象，为了避免渗透伤害，植物细胞会主动吸收和积累一些无机盐和可溶性物质如游离脯氨酸来降低胞内渗透势，避免因失水而导致的伤害。本研究中较高浓度的盐和重金属胁迫下游离脯氨酸含量较高可能与此有关，具体原因仍须进一步分析。胁迫作用使植物的物质代谢发生改变，某些渗透调节物质相继生成并积累，大分子物质如淀粉、蛋白质等分解为小分子物质（可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸）。这些小分子物质具有较强的亲水性，可以稳定胶体性质，在组织代谢中，使植物细胞免受伤害或减轻伤害。这些物质渗透调节能力的大小直接反映植物抗逆性的强弱。刘俊等研究镉胁迫对大豆花荚期生理生态的影响表明，随着镉胁迫时间的延长，大豆植株体内累积的丙二醛量增加[17]，与本研究结论一致。

在一定范围的盐和重金属胁迫下，龟背竹可以增加叶片渗透调节物质含量，并且诱导活性氧清除系统，从而减少后者引起的代謝失衡和由缺水对植株造成的伤害。由本研究可知，（1）不同处理组在20、40 d 2个处理时期，随着处理周期的延长龟背竹叶片内可溶性糖、可溶性蛋白含量会随之下降，而游离脯氨酸、丙二醛含量会随之上升。（2）单因素或复合因素胁迫条件下，与对照相比，可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸、丙二醛含量递增。（3）处理20 d时，单因素处理条件下，可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛、游离脯氨酸含量基本随着浓度的递增而增加；处理40 d时，可溶性糖、可溶性蛋白含量，随着浓度的递增而减少；Cd+Na复合因素处理时丙二醛含量变化不明显。

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