鉻污染對延胡索生長和生理特性的影響

余順慧++方榮美++唐潔++譚俊++陸亞萍++羅楊++孫嘉

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.064

摘要：為了闡明Cr6+污染對延胡索的毒害機理，探索重金屬對延胡索生長發(fā)育的影響。采用土培試驗，研究不同濃度的Cr6+（0、50、75、100、150、200、250、300 mg/kg）對延胡索生長、抗氧化酶活性和Cr6+積累等的影響。結(jié)果表明，延胡索在Cr6+污染下生長受抑制，生物量下降；Cr6+污染能明顯影響延胡索抗氧化酶活性，即超氧化物歧化酶（SOD）活性隨Cr6+濃度的升高而逐漸降低，過氧化物酶（POD）的活性隨Cr6+濃度的升高而逐漸增加，過氧化氫酶（CAT）活性均隨Cr6+濃度的升高而先增后減；Cr6+污染能明顯影響延胡索葉綠素含量、可溶性糖含量、丙二醛（MDA）含量等。葉綠素含量與可溶性糖的含量隨著Cr6+濃度的升高而先增后減，而MDA含量逐漸增加。隨著Cr6+污染濃度的升高，延胡索對Cr6+的積累在地下塊莖逐漸增多，在Cr6+濃度為150 mg/kg時Cr6+含量增加速度最大，生產(chǎn)上應(yīng)該注意土壤中的Cr6+含量。延胡索栽培中應(yīng)盡量選擇Cr6+污染較少的土地進行。

關(guān)鍵詞：鉻污染；延胡索；生長；生理特性；栽培模式

中圖分類號： S567.21+9.01文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）10-0236-04

收稿日期：2015-08-12

基金項目：重慶市應(yīng)用開發(fā)計劃（編號：cstc2014yykfA110024）。

作者簡介：余順慧（1964—），女，重慶萬州人，教授，主要從事植物生態(tài)學(xué)研究。Tel：（023）58105874；E-mail：ysh_dch@163.com。延胡索別稱元胡、玄胡索、玄胡，為罌粟科紫堇屬一年生草本植物，以其地下塊莖入藥，為常用中藥，具有行氣、活血、止痛的作用。鉻廣泛存在于環(huán)境中，在自然狀態(tài)下，鉻離子有Cr+3和Cr6+ 2種形態(tài)，其中Cr6+則是一種毒性較大的致畸、致突變離子[1]。Cr6+容易被植物吸收，能在植物體殘留對植物產(chǎn)生毒害[2-5]。而農(nóng)作物受到鉻毒害后，不但嚴重影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，更為嚴重的是通過食物鏈影響人畜健康[6]。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，鉻在化工行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致環(huán)境中的鉻總量顯著增加，致使土壤、水體和生物遭到不同程度的污染。目前對延胡索的研究主要集中在測定生物堿含量方面，但是有關(guān)重金屬對延胡索的產(chǎn)量和品質(zhì)的影響鮮有報道。筆者所在實驗室用重金屬銅、鉛等脅迫狗牙根以研究其耐性機理，并取得了一定的成績[7-10]。本試驗以延胡索為研究對象，設(shè)置不同濃度Cr6+處理，測定不同處理延胡索生長發(fā)育狀況及抗氧化酶活性等，為了提高延胡索的產(chǎn)量，優(yōu)化其質(zhì)量，提高經(jīng)濟效益，為栽培模式提供實踐指導(dǎo)和理論依據(jù)，通過對延胡索進行不同鉻濃度的處理，探討重金屬對其生長的影響。

1材料與方法

1.1材料

供試材料采于重慶三峽學(xué)院百安壩校區(qū)實驗基地。

1.2方法

1.2.1試驗設(shè)計本試驗在重慶三峽學(xué)院百安壩校區(qū)實驗基地內(nèi)完成。試驗材料為2014年10月由浙江省東陽市農(nóng)業(yè)局提供的延胡索塊莖，從中挑選出大小基本一致的地下塊莖105塊，移栽至深25 cm、內(nèi)徑30 cm的花盆中，每盆裝土壤 8 kg，進行常規(guī)管理，讓其自然生長。

采用7個處理，1個對照，3組平行，每盆裝小粉土，按含鉻0、50、75、100、150、200、250、300 mg/kg分別加入K2Cr2O7混和均勻，重復(fù)3次，種植延胡索5塊于每盆中。對照（CK）不含鉻，定期檢查生長情況。持續(xù)處理4個月時間，試驗過程中除了重金屬濃度不同以外，保持其余環(huán)境條件完全一致。

供試土壤肥力基礎(chǔ)為：有機質(zhì)含量89%，全氮含量023%，水解氮含量12.58 mg/kg，速效鉀含量50.34 mg/kg，速效磷含量11.34 mg/kg，含鉛13.4 mg/kg。

1.2.2測定指標(biāo)120 d后延胡索出現(xiàn)傷害癥狀，選取各植株上部第3或4張葉用于測定葉綠素含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫（CAT）活性、丙二醛（MDA）活性和可溶性糖含量。

生物量的測定：在延胡索出現(xiàn)傷害癥狀后，收獲，取其地下部分洗凈稱鮮質(zhì)量，烘箱中80 ℃烘干至恒質(zhì)量稱干質(zhì)量。

葉綠素含量采用丙酮-乙醇分光光度法[11]測定，3個平行，計算平均值。

葉綠素的提取：鮮質(zhì)量葉片剪成細絲狀后準(zhǔn)確稱取0.2 g放入加有25 mL混合提取液（丙酮、乙醇體積比為1 ∶1）的潔凈試管中，封口后將試管置于暗處直至葉片顏色完全變白。

使用江蘇南京建成生物工程研究所購買的SOD、POD試劑盒測定SOD、POD活性。CAT活性測定采用分光光度法[11]；丙二醛（MDA）含量測定采用硫代巴比妥酸法[12]；可溶性糖含量測定采用蒽酮法[13]；微波消解樣品測定其重金屬鉻含量。

收獲后，延胡索地下部分分別用自來水、去離子水沖洗3次，80 ℃烘干，粉碎后，精確稱取延胡索各0.200 0 g，加入酸液（濃HNO3、濃H2SO4體積比為4 ∶1），同時做空白組；用MARS240微波消解系統(tǒng)消解以上溶液后，冷卻。過濾（濾液在25 mL容量瓶中定容），保存在塑料瓶中，樣品中Cr6+含量（mg/kg干質(zhì)量）用AA-6300原子吸收分光光度計測定。

1.2.3統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)處理和分析采用Sigmapiot 10.0軟件；采用單因素方差分析方法（one-way ANOVA）進行平均值間的比較。

2結(jié)果與分析

2.1鉻污染對延胡索生物量的影響

如表1所示，隨著Cr6+處理濃度升高，延胡索塊莖的生物量呈現(xiàn)出遞減趨勢。不同Cr6+處理條件下生物量差異不顯著（P>0.05）。這表明延胡索對Cr6+有一定的耐性。研究表明，生物量在Cr6+處理濃度為200 mg/kg時減少幅度突然增加，鮮質(zhì)量由 150 mg/kg 的28.40%增加到200 mg/kg的54.47%，干質(zhì)量由150 mg/kg的30.20%增加到200 mg/kg的65.77%（均和對照相比），說明Cr6+污染濃度200 mg/kg對延胡索生長和產(chǎn)量有明顯的影響。在生產(chǎn)上要注意土壤中Cr6+含量。

2.2Cr6+污染對延胡索葉綠素含量的影響

植物進行光合作用必需的色素為葉綠素，一定程度上其含量高低反映了光合作用水平，葉綠素含量低，光合作用弱。由圖1可見：延胡索經(jīng)Cr6+處理后，與對照相比，在Cr6+濃度≤100 mg/kg時，葉綠素（a+b）含量隨Cr6+濃度的逐漸降低而減少；隨著Cr6+處理濃度的升高，各處理之間的差異越明顯，葉綠素含量在Cr6+濃度>150mg/kg時明顯下降，說明對延胡索葉片的傷害作用隨著Cr6+濃度升高而增大。

2.3Cr6+污染對延胡索MDA含量的影響

MDA是生物體內(nèi)自由基作用于脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)所產(chǎn)生的氧化終產(chǎn)物，它會引起蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的交聯(lián)聚合，且具有細胞毒性，是植物膜系統(tǒng)受傷害的重要指標(biāo)，其含量可反映膜脂過氧化的程度[14]。從圖2可以看出，隨著Cr6+濃度的不斷升高，MDA含量總體呈上升趨勢，在 300 mg/kg 時最大，與對照相比，增加了97.97%，表明了重金屬脅迫大大提高了延胡索的膜脂過氧化水平，MDA含量在植物體內(nèi)迅速聚集，表示植物膜系統(tǒng)受傷害越來越嚴重，植物的抗逆性減弱。

2.4Cr6+污染對延胡索可溶性糖含量的影響

可溶性糖具有調(diào)節(jié)滲透脅迫的作用，積累脯氨酸需要碳水化合物，脯氨酸的合成需要氧化還原能力，由碳水化合物通過氧化磷酸化作用提供，是植物代謝的基礎(chǔ)物質(zhì)。由圖3可以看出，延胡索葉片細胞內(nèi)可溶性糖含量隨著Cr6+濃度的升高總體呈先升后下降趨勢。延胡索葉片細胞內(nèi)可溶性糖含量在Cr6+濃度為100 mg/kg時最大，比對照增加64.76%；隨著Cr6+濃度的進一步升高，延胡索葉片細胞內(nèi)可溶性糖含量逐漸降低，到300 mg/kg時最小，比對照減少了55.19%。這說明在Cr6+脅迫濃度較低時，Cr6+對其合成有一定的促進作用，高濃度Cr6+處理時，可溶性糖合成被抑制，對植物的生長發(fā)育有重大影響。

2.5Cr6+污染對延胡索抗氧化酶系統(tǒng)的影響

2.5.1Cr6+污染對延胡索SOD活性的影響植物體內(nèi)存在抗氧化酶系統(tǒng)，由SOD、POD、CAT三者組成，若要有效清除植物細胞內(nèi)的自由基和過氧化物，則需要它們?nèi)叩南嗷f(xié)調(diào)作用。清除細胞內(nèi)的活性氧自由基由SOD酶完成。在逆境條件下，如重金屬脅迫時，SOD酶能及時有效地清除植物細胞內(nèi)產(chǎn)生的大量活性氧自由基，保護植物不被重金屬脅迫。從圖4中可以看出，SOD酶活性隨著Cr6+濃度的升高呈下降的趨勢，在Cr6+濃度為300 mg/kg時SOD活性最低，與對照相比，降低了93.10%?？赡苁窃阢t脅迫下植株SOD活性受到抑制，鉻對延胡索葉片SOD活性毒害作用較大所致。

2.5.2Cr6+污染對延胡索POD活性的影響在植物葉片中，POD酶和SOD酶同等重要，其功能是將SOD酶的歧化產(chǎn)物雙氧水分解成水。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，嚴重的逆境也可能增強POD的活性，因為逆境誘使植物產(chǎn)生更多的過氧化物。植物組織受到損害和破壞的程度越高，其POD活性越高。由圖4可知，延胡索葉片的POD活性隨著Cr6+濃度升高逐漸上升，在300 mg/kg時最大，與對照相比，增加了84.38%，這說明在重金屬Cr6+脅迫作用下，隨Cr6+濃度升高，植物葉片內(nèi)的過氧化氫迅速積累，導(dǎo)致植株葉片內(nèi)POD活性大幅度增加。

2.5.3Cr6+污染對延胡索CAT活性的影響CAT與SOD共同作用將H2O2分解為O2和H2O，催化能力很強。由圖4可知，Cr6+濃度在小于100 mg/kg時延胡索葉片的CAT活性逐漸上升，在100 mg/kg時酶的活性最高，比對照增加了 68.09%，之后CAT活性下降，在Cr6+濃度為300 mg/kg時最低，減小了45.71%（與對照相比）。究其原因，低濃度Cr6+促進植株催化過氧化氫的生成量出現(xiàn)增加，CAT活性出現(xiàn)升高，CAT活性在Cr6+濃度>100 mg/kg后開始逐漸下降。在Cr6+濃度為300 mg/kg時酶的活性最低，此時Cr6+脅迫對植株表現(xiàn)出抑制作用，植物CAT活性降低。

2.6Cr6+污染對延胡索重金屬含量的影響

由圖5可知，隨著Cr6+濃度的升高，延胡索地下部分Cr6+積累量增加，各處理間差異明顯，并且濃度越大，延胡索地下塊莖Cr6+增長的幅度也越大，積累的量越大。在Cr6+濃度為150 mg/kg時，Cr6+含量增加速度最大，達到 87.23 mg/kg，比Cr6+濃度為100 mg/kg時增加了91.95%；Cr6+濃度為300 mg/kg時，Cr6+積累量為93.04 mg/kg，比Cr6+濃度為250 mg/kg增加了3.62%。

3討論與結(jié)論

3.1Cr6+ 污染對延胡索生長的影響

Cr6+污染影響延胡索的生長。本研究發(fā)現(xiàn)，Cr6+污染降低延胡索的生物量和產(chǎn)量。隨著Cr6+處理濃度的升高，延胡索塊莖的生物量呈現(xiàn)出遞減趨勢，Cr6+污染濃度200 mg/kg對延胡索生長和產(chǎn)量有明顯的影響。鮮質(zhì)量和干質(zhì)量減少幅度突然增加，鮮質(zhì)量由Cr6+污染濃度150 mg/kg時的 28.40% 增加到200 mg/kg時的54.47%，干質(zhì)量由 150 mg/kg 的30.20%增加到200 mg/kg的65.77%（均和對照相比）。

3.2Cr6+污染對延胡索生理特性的影響

延胡索葉綠素含量能被Cr6+污染明顯影響。綠色植物進行光合作用的主要色素對植物的生長發(fā)育有著重要作用，其含量在一定程度上能反映植物同化物質(zhì)的能力。許多試驗結(jié)果表明，綠色植物的光合作用在重金屬脅迫下都表現(xiàn)為抑制作用，且抑制效果與脅迫的程度成正相關(guān)，另外光合抑制也與植物種類和發(fā)育時期以及重金屬的種類有關(guān)[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，Cr6+濃度小于100 mg/kg時，葉綠素（a+b）含量隨Cr6+濃度逐漸降低而減少。下降原因可能是Cr6+進入延胡索葉片細胞內(nèi)，使葉綠體酶活性失調(diào)，加速葉綠素分解，同時由于Cr6+局部積累較多，與葉綠體中蛋白質(zhì)上-SH結(jié)合等使葉綠素蛋白中心離子組成發(fā)生變化而失和。如果重金屬Cr6+濃度夠高，植物不能進行光合作用得到足夠的養(yǎng)分，會出現(xiàn)生長緩慢，甚至?xí)Ｖ股L，其生物量降低。MDA是一種高活性的膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量的多少能反映組織細胞膜損傷程度，衰老和逆境引起組織中MDA含量的增加量與細胞膜損傷程度呈正相關(guān)，而葉綠素含量與MDA含量呈顯著負相關(guān)[16]。本研究也獲得了同樣的結(jié)論，并且葉綠素含量與MDA含量也呈現(xiàn)明顯的負相關(guān).由于MDA為高活性的膜脂過氧化物，通過交聯(lián)脂類、核酸、糖類及蛋白質(zhì)可影響質(zhì)膜和葉綠體片層膜的結(jié)構(gòu)和功能，影響膜的流動性及其與酶的結(jié)合力，從而影響位于片層上的葉綠素含量[17]。重金屬Cr6+對可溶性糖含量有影響，可溶性糖含量隨著重金屬Cr6+濃度的升高而先升后降，可溶性糖是小分子物質(zhì)，具有調(diào)節(jié)滲透脅迫的作用，可溶性糖含量的減少表明滲透調(diào)節(jié)脅迫系統(tǒng)紊亂，氧化還原增強。

植物抗氧化酶系統(tǒng)由SOD、POD和CAT共同構(gòu)成，活性氧的生成和代謝受其活性直接影響[18]。高活性抗氧化酶有利于提高植物對各種生物及非生物脅迫的耐受性[19]。本研究表明，低濃度Cr6+處理，對延胡索的POD活性和CAT活性均有增加作用，而高濃度Cr6+處理則表現(xiàn)抑制作用，導(dǎo)致CAT活性降低，而POD酶活性一直增加?？赡艿蜐舛鹊腃r6+對CAT活性有一定的刺激作用，這說明CAT對低濃度Cr6+有耐受作用，能在一定范圍內(nèi)催化有毒物質(zhì)的分解，但是超過一定的范圍，依然會破壞CAT的活性。POD酶活性一直上升，說明在重金屬Cr6+脅迫作用下，隨Cr6+濃度的升高，植物葉片內(nèi)的過氧化氫迅速積累，導(dǎo)致植株葉片內(nèi)POD活性大幅度增加。但SOD活性隨著Cr6+濃度的升高逐漸降低，低于對照處理。這說明Cr6+對植株葉片SOD活性毒害作用較大，植株SOD活性受到抑制明顯。這一結(jié)果暗示保護酶系統(tǒng)在高濃度Cr6+脅迫下對活性氧的清除能力大大削弱，自由基在細胞內(nèi)的積累已不能阻止，使膜發(fā)生膜脂過氧化，其過氧化產(chǎn)物MDA產(chǎn)生并積累，膜透性增加，導(dǎo)致膜功能受損，從而引起細胞的衰老和死亡，對植物產(chǎn)生抑制效應(yīng)甚至毒害作用。

本研究結(jié)果表明，延胡索的生長對Cr6+污染有明顯的影響，延胡索在種植時要注意土壤中Cr6+含量，延胡索栽培中應(yīng)盡量選擇Cr6+污染較少的土地進行。

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