無機三價砷對黃花水龍無菌苗生理生化特性的影響

呂金平 張詩雯 李 濤 趙進(jìn)東

(1. 中國科學(xué)院水生生物研究所, 武漢 430072; 2. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

砷(As)是一種劇毒類金屬, 對生物體具有致癌、致突變的效應(yīng), 已被世界衛(wèi)生組織確定為高毒致癌物質(zhì)。由于其與重金屬具有相似的毒性和污染性, 常被列為重金屬來研究。我國是世界上砷污染較為嚴(yán)重的國家之一[1], 污染源主要來自于礦石[2]、冶金業(yè)廢水及含砷化學(xué)品等。長期以來, 由于我國工農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展, 含砷礦物及其化合物頻繁開采、利用, 導(dǎo)致其以不同形式排放到環(huán)境中,并不斷積蓄流轉(zhuǎn), 污染大氣、土壤、地下水及河流[3]。砷對植物的毒性效應(yīng)與砷的價態(tài)密切相關(guān),水體中的砷主要以無機砷酸鹽和亞砷酸鹽形式存在, 對水生植物的毒性較大[4], 其中As (Ⅴ) 通過取代磷酸鹽, 主要干擾植物的磷代謝反應(yīng), 而As (Ⅲ)的毒性是As (Ⅴ) 的25—60倍[5], 易與蛋白質(zhì)上的巰基 結(jié)合, 影響細(xì)胞內(nèi)相關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能, 進(jìn)而影響葡萄糖的吸收、糖異生作用以及乙酰輔酶A和谷胱甘肽的生成[6]。黃花水龍(Jussiaea stipu-laceaOhwi)屬于柳葉菜科丁香蓼屬, 多年生草本植物, 生命力極強, 可較好的吸收富營養(yǎng)水體中氮、磷[7], 且能顯著降低水體pH至中性水平, 對維持水生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定提供保障。目前關(guān)于砷對植物污染的研究多涉及農(nóng)業(yè)作物[8—11], 而對于水生植物影響的研究還較缺乏, 本研究選取黃花水龍無菌苗為實驗材料, 通過不同濃度As3+處理, 從光合系統(tǒng)、滲透壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、抗氧化系統(tǒng)等方面研究黃花水龍無菌苗對無機三價砷污染的響應(yīng), 并進(jìn)一步探討砷毒害黃花水龍的機制, 為環(huán)境檢測中評價黃花水龍受污染程度和進(jìn)一步研究黃花水龍用于砷污染水體修復(fù)的可能性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料的預(yù)處理

黃花水龍無菌苗培養(yǎng)方法:本實驗材料采自廣東饒平水庫, 選取生長健壯的黃花水龍, 以黃花水龍帶腋芽莖段為外植體, 剪取長3.0—5.0 cm的帶腋芽莖段, 自來水沖洗1h, 取帶側(cè)芽的莖置于經(jīng)紫外滅菌處理的超凈工作臺中, 先用75%酒精表面消毒處理10s, 無菌水沖洗5次, 再用0.1%氯化汞消毒5min, 無菌水沖洗3次, 將消毒處理后的黃花水龍莖剪成1.0—1.5 cm長, 辨認(rèn)形態(tài)學(xué)上端后, 置于MS培養(yǎng)基(含6-BA 0.05 mg /L, NAA 0.05 mg /L)誘導(dǎo)芽分化, 15d左右莖間側(cè)芽約3 cm長, 轉(zhuǎn)入MS繼代培養(yǎng)基(含6-BA 0.25 mg /L, NAA 1.5 mg /L) 繼代培養(yǎng)1個月后, 將長勢基本一致的黃花水龍無菌苗剪取約5 cm左右長度的莖置于1/10的無菌Hoagland營養(yǎng)液中, 用0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L HCl調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH至5.5左右, 每3天更換一次培養(yǎng)液, 待其長勢良好以備隨后實驗。整個組培過程在全封閉培養(yǎng)箱進(jìn)行，培養(yǎng)溫度為25℃, 每天光照12h, 光照強度為40 μE/(m2·s)。

1.2 實驗設(shè)計

依據(jù)預(yù)試驗結(jié)果, 待黃花水龍無菌苗長至7—10 cm 時, 選取長勢基本一致的植株作為供試植株,置于含0 (對照)、2.5、10、50、250和500 μmol/L NaAsO2(以純As3+計) 的1/10 Hoagland無菌營養(yǎng)液中, 整個毒害實驗都在全封閉培養(yǎng)箱中完成, 條件同培養(yǎng)黃花水龍無菌苗時一致, 脅迫24h, 在相同的時間段內(nèi)取出黃花水龍無菌苗, 去離子水洗凈、揩干, 進(jìn)行各項生理生化指標(biāo)測定, 每組設(shè)置3個重復(fù)。

1.3 實驗方法

葉綠素含量的測定參照張憲政[12]的丙酮乙醇浸提法。全程在暗光條件下操作, 紫外-可見分光光度計測量663 和645 nm波長下比色, 并按Amon法計算求得葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總含量。

相關(guān)生理指標(biāo)的測定丙二醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法測定[13]。可溶性蛋白(SP)含量的測定采用考馬氏亮藍(lán)G-250法[14], 以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)蛋白, 測定595 nm下的吸光度?？扇苄蕴?SS)含量的測定采用蒽酮比色法[14]。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性的測定如下: 取材置于預(yù)冷研缽中, 加入0.1 mol/L的磷酸緩沖液(pH 7.4), 冰浴研磨, 3500 r/min, 離心10min, 取上清液進(jìn)行測定。SOD、CAT活性采用一般分光光度法, POD活性采用愈創(chuàng)木酚法。

1.4 統(tǒng)計分析

使用Microsoft Excel和SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和單因素方差分析, 采用Tukey法進(jìn)行多重比較, 以P＜0.05為差異顯著,P＜0.01為差異極顯著相關(guān), 結(jié)果以“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示, 本文圖表中的不同小寫字母表示數(shù)值之間差異顯著(P＜0.05), 相同字母表示差異不顯著(P＞0.05)。

圖 1 不同As (Ⅲ)濃度黃花水龍無菌苗葉綠素的含量Fig. 1 Chlorophyll contents of Jussiaea stipulacea Ohwi under different concentrations of As (Ⅲ)

2 結(jié)果

2.1 As (Ⅲ)對黃花水龍葉綠素含量的影響

葉綠素作為植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ), 常作為抗性指標(biāo)用于評價污染物對植物生長的影響, 揭示葉片光合作用能力和衰老程度[15]。由圖 1可知, 在亞砷酸鈉脅迫下, 黃花水龍葉綠素a、葉綠素b和葉綠素總量均隨砷處理濃度的升高呈先升后降的趨勢, 其中黃花水龍葉綠素a含量在處理濃度為2.5 μmol/L時含量較對照組有所升高, 但未達(dá)到顯著水平, 隨后含量逐漸降低, 并在處理濃度為500 μmol/L時含量降至0.691 mg/g, 顯著低于對照組。而葉綠素b和葉綠素總量分別在0.64—0.689 mg/g和1.331—1.487 mg/g, 均在低濃度砷(2.5 μmol/L)處理條件下含量顯著升高, 分別升高到0.797和1.487 mg/g, 較對照組分別升高11%和7%, 與對照組呈顯著差異。而后隨著As3+濃度升高, 較對照組含量逐漸降低, 但未達(dá)到顯著差異水平。

2.2 As (Ⅲ)對黃花水龍丙二醛含量的影響

在植物處于逆境、脅迫、衰老情況下, 其細(xì)胞內(nèi)固有的自由基代謝平衡遭到破壞, 導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)膜中的不飽和脂肪酸過氧化作用加劇, 生成膜脂過氧化產(chǎn)物, 影響植物的光合、呼吸及其他代謝過程。丙二醛(MDA)作為脂質(zhì)氧化終產(chǎn)物, 具有細(xì)胞毒性,能加劇膜損傷, 干擾細(xì)胞正常生命活動, 影響植物生長發(fā)育, 其含量變化可反映膜系統(tǒng)受損程度以及植物受逆境傷害的程度[16]。如圖 2可知, 黃花水龍無菌苗MDA含量范圍在2.36—9.83 nmol/g, 且處理組MDA含量均高于對照組, 對照組MDA含量最低, 為2.36 nmol/g, 當(dāng)As (Ⅲ) 處理組濃度達(dá)到500 μmol/L時, MDA含量最高, 為9.83 nmol/g, 顯著高于對照組, 在處理濃度低于500 μmol/L時, 各處理組和對照組差異不顯著。

圖 2 不同As (Ⅲ)濃度黃花水龍無菌苗丙二醛的含量Fig. 2 MDA contents of Jussiaea stipulacea Ohwi under different concentrations of As (Ⅲ)

2.3 As (Ⅲ)對黃花水龍滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

可溶性糖植物體內(nèi)的可溶性糖作為植物細(xì)胞滲透壓的重要調(diào)節(jié)物質(zhì),其含量可以反映碳水化合物的運轉(zhuǎn)情況和逆境脅迫條件下水生植物生理生態(tài)變異情況[17]。圖 3結(jié)果表明: 隨著As (Ⅲ)濃度的升高, 可溶性糖含量呈先降后升的趨勢, 具體表現(xiàn)為: 可溶性糖含量在1.17—2.627 mg/g波動, 在As (Ⅲ)濃度為0—50 μmol/L時, 可溶性糖含量均較對照組顯著降低, 并在As (Ⅲ)濃度為10 μmol/L時達(dá)到最小值, 為1.17 mg/g, 相比于對照組降低52.5%,而后隨著As (Ⅲ)濃度升高, 可溶性糖含量升高, 且在濃度為250 μmol/L時含量達(dá)到最大值, 為2.627 mg/g。

圖 3 不同As (Ⅲ)濃度黃花水龍無菌苗可溶性糖的含量Fig. 3 Soluble sugar contents of Jussiaea stipulacea Ohwi under different concentrations of As (Ⅲ)

可溶性蛋白可溶性蛋白同樣作為植物體內(nèi)重要的滲透性物質(zhì), 可以提高植物生理保水能力。研究其含量變化是了解植物生理生化變化的重要途徑[18], 由圖 4可知, 隨著As (Ⅲ)處理濃度的增大, 黃花水龍無菌苗可溶性蛋白質(zhì)含量范圍在4.25—11.09 mg/g, 呈先增后減趨勢, 當(dāng)As (Ⅲ)處理濃度在0—250 μmol/L時, 可溶性蛋白含量逐漸增加, 并在250 μmol/L時達(dá)到最大值, 顯著高于對照組(P＜0.05), 當(dāng)處理濃度繼續(xù)增大到500 μmol/L, 可溶性蛋白質(zhì)含量有所降低。實驗結(jié)果表明低濃度砷脅迫對黃花水龍可溶性蛋白含量有顯著激活功能,從而提高細(xì)胞滲透濃度和功能蛋白含量, 維持正常細(xì)胞代謝水平。當(dāng)砷脅迫濃度達(dá)到較高水平則對蛋白質(zhì)有一定破壞作用, 可能是由于高濃度砷進(jìn)一步造成可溶性蛋白質(zhì)合成與分解相關(guān)酶活性受到影響及機體組織和器官不可逆的損害, 導(dǎo)致植物體內(nèi)可溶性蛋白和蛋白質(zhì)的分解運輸受到阻礙。

2.4 As (Ⅲ)對黃花水龍抗氧化酶活性的影響

抗氧化酶系統(tǒng)是植物的主要防御酶系統(tǒng), 可避免或減輕活性氧對植物造成的損害, 超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)是植物細(xì)胞膜保護(hù)系統(tǒng)組成酶, 被認(rèn)為是清除活性氧過程中最主要的抗氧化酶, 在因活性氧引發(fā)抗氧化脅迫時, 能在生理水平起到防御保護(hù)作用并維持氧化代謝平衡[19,20]。

SOD活性SOD活性大小可以直接反應(yīng)機體清除自由基的能力, 與逆境生長下的植物密切相關(guān)。如圖 5所示, 黃花水龍無菌苗的SOD活性單位在623.777—747.327 U/g FW, 對照組SOD活性最低,為623.777 U/g FW, 隨著As (Ⅲ)處理濃度升高,SOD活性呈先升高后下降的趨勢, 且As 10 ＞As 50 ＞As 250 ＞As 2.5 ＞As 500, 當(dāng)As (Ⅲ)濃度處于2.5—50 μmol/L, SOD活性顯著升高, 體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)被激活, 以維持氧化還原平衡,且當(dāng)處理濃度為10 μmol/L時, SOD活性達(dá)到最大值, 為747.327 U/g FW, 是對照組的120%, 顯著高于對照組, 而當(dāng)As(Ⅲ)濃度大于10 μmol/L時, SOD活性持續(xù)降低。在高濃度砷條件下黃花水龍無菌苗SOD活性的下降表明, 此時高濃度砷脅迫可能已超出SOD系統(tǒng)發(fā)揮正常功能所能承受的濃度上限, 使得SOD防御系統(tǒng)遭到破壞, 活性氧清除能力降低, 導(dǎo)致了黃花水龍無菌苗的毒性效應(yīng)。

圖 4 不同As (Ⅲ)濃度黃花水龍無菌苗可溶性蛋白的含量Fig. 4 Soluble protein contents of Jussiaea stipulacea Ohwi under different concentrations of As (Ⅲ)

圖 5 不同As (Ⅲ)濃度黃花水龍無菌苗SOD的活性Fig. 5 SOD activity of Jussiaea stipulacea Ohwi under different concentrations of As (Ⅲ)

POD活性POD是植物抗氧化系統(tǒng)的重要組成部分, 廣泛存在于植物、動物和微生物體內(nèi),和CAT都可以催化SOD等產(chǎn)生的H2O2與其他底物反應(yīng), 將其轉(zhuǎn)化為H2O, 使自由基維持在正常的動態(tài)水平, 保護(hù)細(xì)胞免受有毒過氧化物的損害, 維護(hù)細(xì)胞膜的正常代謝功能, 提高植株的抗逆性[18]。其活性值在一定程度上反應(yīng)植物對逆境的耐受能力。根據(jù)圖 6結(jié)果所示: 黃華水龍無菌苗POD活性為51.79—117.53 U/mg prot, 在As (Ⅲ)濃度為0—50 μmol/L時, POD活性在低濃度下不斷被激活, 其中當(dāng)As (Ⅲ)濃度為2.5 μmol/L時, POD活性最高, 達(dá)113.06 U/mg prot, 是對照組的119%, 在As (Ⅲ)濃度為250—500 μmol/L時, POD活性呈顯著下降趨勢,較于對照組, 分別降低了41%和45%, 說明低濃度砷脅迫激發(fā)了黃花水龍體內(nèi)防御機制, 增加了黃花水龍無菌苗的POD活性, 從而較好的應(yīng)對砷脅迫帶來的傷害。而高濃度砷脅迫降低了POD活性?？梢?POD對清除活性氧產(chǎn)生, 降低砷脅迫對黃花水龍幼苗的氧化損傷方面發(fā)揮著作用。

CAT活性過氧化氫酶是一種含F(xiàn)e的血紅蛋白酶類, 主要存在于細(xì)胞的過氧化體中, 也是抗氧化酶系統(tǒng)的重要組成部分, 可以使細(xì)胞內(nèi)過氧化氫維持在正常水平, 從而保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。結(jié)果如圖 7所示: 在砷脅迫處理后, 黃花水龍無菌苗CAT活性均高于對照組且呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢, 在砷濃度為50 μmol/L時活性最高, 與對照相比增加了185%, 顯著高于對照組。低濃度的砷對CAT活性有激活效應(yīng), 但隨著濃度不斷升高[As (Ⅲ)≥250 μmol/L時]CAT活性受到抑制, 這表明低濃度砷脅迫下黃花水龍體內(nèi)產(chǎn)生了過多的過氧化氫, 作為一種防御系統(tǒng), 通過提高CAT活性以清除過氧化氫,但當(dāng)濃度超過極限, 過多的過氧化氫會對植物細(xì)胞造成損傷, CAT防御系統(tǒng)遭到破壞。

圖 6 不同As (Ⅲ)濃度黃花水龍無菌苗POD的活性Fig. 6 POD activity of Jussiaea stipulacea Ohwi under different concentrations of As (Ⅲ)

圖 7 不同As (Ⅲ)濃度黃花水龍無菌苗的CAT活性Fig. 7 CAT activity of Jussiaea stipulacea Ohwi under different concentrations of As (Ⅲ)

3 討論

已有報道砷脅迫對水生植物影響的研究[21,22],多采用野外采集植物作為實驗對象, 未進(jìn)行無菌處理, 實驗結(jié)果易受干擾因素影響, 本實驗采用黃花水龍無菌苗進(jìn)行砷脅迫下研究, 盡可能排除如微生物、共生植物[23]、植株個體差異及人為作用等外界干擾因素, 確保實驗結(jié)果較為準(zhǔn)確可控。

3.1 對葉綠素含量的影響

類重金屬脅迫作為一種逆境, 往往表現(xiàn)出對植物生長“低促高抑”現(xiàn)象。光合作用是植物重要的基礎(chǔ)生理活動, 葉綠素是最主要的光合色素, 具有捕獲光能, 驅(qū)動電子轉(zhuǎn)移到反應(yīng)中心的功能[24], 葉綠素含量的變化能較好反映植物生長狀況及光合作用能力水平, 楊文婕等[25]、賴長鴻等[26]研究均表明: 低濃度砷處理對植物葉綠素含量有促進(jìn)作用,而過量的砷毒害則導(dǎo)致植物葉綠素含量降低, 薛艷等[17]研究鎘和鉛對黃花水龍葉綠素含量影響, 結(jié)果顯示當(dāng)鎘和鉛濃度為1 μmol/L時, 葉綠素含量均較對照組顯著升高, 隨著處理濃度的升高至5 μmol/L以上, 葉綠素含量逐漸降低。本實驗結(jié)果顯示, 低濃度砷處理(2.5 μmol/L)促進(jìn)了黃花水龍無菌苗的葉綠素b和葉綠素總量的增加, 且顯著高于對照組,而葉綠素a含量變化不顯著, 隨著砷處理濃度不斷升高直至500 μmol/L時, 葉綠素b和葉綠素總量有下降的趨勢, 但未達(dá)到顯著差異水平, 而葉綠素a含量下降至顯著水平。由于葉綠素的生物合成需要經(jīng)過一系列的酶促反應(yīng), 造成這種現(xiàn)象的原因可能是在低濃度砷脅迫條件下可促進(jìn)植物對Fe、Mg等元素的吸收, 促進(jìn)植物合成較多的葉綠素, 而在高濃度處理下, 砷作為類重金屬進(jìn)入植物體內(nèi), 與葉綠體中蛋白質(zhì)上的巰基結(jié)合或取代其中的 Fe2+、Zn2+、Mg2+等, 干擾礦質(zhì)離子的吸收轉(zhuǎn)運[8], 致使葉綠體蛋白中心離子組成發(fā)生變化而失去活性, 與此同時破壞、抑制葉綠素合成酶如原葉綠素酸脂還原酶的活性[27], 阻礙葉綠素的合成, 增強葉綠素分解酶的活性, 致使葉綠素分解加快, 加之郝玉波等[8]研究發(fā)現(xiàn)在砷脅迫下, 玉米葉綠體雙層膜部分遭到損壞甚至消失、多數(shù)基粒片層斷裂等現(xiàn)象表明砷脅迫引發(fā)葉綠體超微結(jié)構(gòu)損傷。從而影響植物光合作用,造成植物葉片發(fā)黃, 生長遲緩。

3.2 對膜脂過氧化程度的影響

已有研究表明砷能引發(fā)植物的氧化脅迫, 打破細(xì)胞內(nèi)固有自由基代謝平衡, 導(dǎo)致細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化程度加重, 質(zhì)膜結(jié)構(gòu)遭到破壞, 失去原有選擇性,并進(jìn)一步影響植物的光合、呼吸等生理功能, 最終影響蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等生物大分子的代謝過程[28]。廖寶涼等[29]研究亞砷酸鈉對水稻幼苗生長的影響, 結(jié)果表明當(dāng)培養(yǎng)液中砷(NaAsO2)的濃度約大于0.1×10-6時, MDA含量明顯升高。樊香絨等[22]研究中國蓮幼苗抗氧化系統(tǒng)對砷脅迫的響應(yīng)結(jié)果顯示: 當(dāng)As(Ⅲ)處理濃度達(dá)到10 μmol/L時, 幼苗組織內(nèi)的MDA含量顯著高于對照組。在本實驗中,處理組MDA含量均高于對照組, 但當(dāng)As (Ⅲ)處理濃度低于500 μmol/L時, MDA含量較對照組差異不顯著, 當(dāng)處理濃度升高至500 μmol/L時, MDA含量顯著高于對照組, 表明隨著砷處理濃度的不斷升高,黃花水龍無菌苗葉片細(xì)胞受到As(Ⅲ)脅迫引起的氧化壓力加劇, 細(xì)胞膜脂過氧化程度隨砷濃度增加而加重, 細(xì)胞膜系統(tǒng)受到破壞。

3.3 對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

可溶性蛋白、可溶性糖都是植物細(xì)胞滲透壓的重要調(diào)節(jié)物質(zhì), 可維持植物細(xì)胞和內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。當(dāng)植物滲透勢較低時, 可通過提高可溶性蛋白質(zhì)含量用以調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓使之維持正常水平[11]?？扇苄蕴遣粌H是高等植物光合作用主要產(chǎn)物, 也是衡量碳運輸轉(zhuǎn)化代謝過程的重要生理指標(biāo), 逆境條件下參與滲透調(diào)節(jié), 與植物的抗性有密切關(guān)系。曾小飚等[30]研究砷脅迫對麻風(fēng)樹幼苗顯示低濃度砷處理可溶性蛋白含量升高, 當(dāng)處理濃度升至60 mg/L,可溶性蛋白含量逐漸下降, 樊香絨等[22]研究砷脅迫對中國蓮幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響也顯示As (Ⅲ)在低濃度時能夠顯著增加可溶性蛋白質(zhì)的含量, 而在濃度達(dá)到10 μmol/L 時可溶性蛋白質(zhì)的含量有所降低。本實驗結(jié)果顯示, 黃花水龍無菌苗可溶性蛋白含量隨砷作用濃度升高呈先升后降趨勢, 說明低濃度的砷對可溶性蛋白質(zhì)具有激活功能, 以適應(yīng)環(huán)境中砷的脅迫; 隨著砷濃度的逐漸增大, 則轉(zhuǎn)為一定的抑制作用, 對機體造成損害, 影響其生長發(fā)育。

郝玉波等[8]的研究結(jié)果顯示在低濃度砷處理下, 玉米可溶性蛋白含量較對照組有所降低, 而后隨著處理濃度升高(高于2 mg/L)而顯著升高。在本實驗結(jié)果中可溶性糖隨砷處理濃度升高也呈先降后升趨勢, 原因可能是由于黃花水龍在砷逆境中需要一定適應(yīng)時間, 也可能是低濃度砷激活植物某些生理活動, 使得黃花水龍無菌苗生理代謝旺盛, 需要更多光合產(chǎn)物滿足生長需求。而隨著砷作用濃度升高, 導(dǎo)致植物體內(nèi)高分子碳水化合物如淀粉等的合成受到抑制, 并促進(jìn)了其分解, 從而促進(jìn)合成更多的可溶性糖, 維持體內(nèi)滲透壓平衡, 抵御砷作用逆境下的毒害作用, 提高植株抗逆性。常思敏等[9]研究砷對烤煙碳代謝影響的結(jié)果表明砷處理抑制了烤煙碳的同化和蔗糖的合成, 促進(jìn)了蔗糖的分解,不利于碳向積累方向轉(zhuǎn)化, 可溶性糖含量不斷升高。薛艷等[17]研究鎘和鉛脅迫下黃花水龍可溶性糖含量呈逐漸降低趨勢, 表明同一植物面對不同重金屬脅迫反應(yīng)機制有所不同。

3.4 對抗氧化酶活性的影響

在砷脅迫逆境下, 導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧代謝平衡遭到破壞, 從而引發(fā)黃花水龍無菌苗產(chǎn)生氧化應(yīng)激, 通過提高機體內(nèi)抗氧化酶SOD、POD和 CAT活性, 維持細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基正常水平。其中超氧化物歧化酶(SOD)作為防御活性氧的第一道防線,是生物體內(nèi)最重要的清除活性氧自由基的酶類, 其以氧自由基為底物, 通過催化超氧陰離子(O2·-)降解為雙氧水(H2O2)及氧氣(O2), 從而終止由超氧負(fù)離子造成的一系列生物毒損傷, 保護(hù)生物膜。在本實驗中, SOD活性隨砷濃度的增加呈先升后降的趨勢,表明低濃度砷脅迫激活植物抗氧化系統(tǒng), 增強自由基清除能力,從而減輕氧化損傷, 但同時SOD活性升高導(dǎo)致H2O2含量增加, 引發(fā)POD和CAT活性增強,用于清除多余的H2O2。而在高濃度砷脅迫下,逆境造成的傷害超出黃花水龍無菌苗的承受能力,抗氧化酶活性均有所降低, 朱云集等[10]、袁敏等[31]也有相似的結(jié)果。

綜上, 本實驗對在無機三價砷脅迫下黃花水龍無菌苗的葉綠素、丙二醛、可溶性蛋白、可溶性糖、抗氧化酶SOD、POD和CAT含量進(jìn)行測定, 結(jié)果表明黃花水龍無菌苗在砷脅迫環(huán)境中生長, 其主要生理指標(biāo)中葉綠素、可溶性蛋白含量以及抗氧化酶SOD、POD和CAT活性隨砷濃度增加均表現(xiàn)出“低濃度促進(jìn)高濃度抑制”趨勢, 丙二醛含量持續(xù)升高, 可溶性糖含量先降后升, 說明低濃度的砷對黃花水龍產(chǎn)生毒害作用較小, 隨著處理濃度升高,砷引發(fā)氧化脅迫對黃花水龍造成不可逆的損傷, 膜脂過氧化程度加劇, 細(xì)胞生長和光合作用都受到抑制。以上研究結(jié)果顯示黃花水龍對于砷污染水體修復(fù)具備一定的應(yīng)用潛力, 由于黃花水龍對水體中的N、P也有較好的去除效果, 因而可將黃花水龍作為砷污染下富營養(yǎng)化水體凈化的修復(fù)植物。