铜污染对油菜幼苗生理生态指标的影响.docx

精品文档铜污染对油菜幼苗生理生态指标的影响储玲 李振华（安徽师范大学生命科学学院 安徽 芜湖）摘要通过盆栽实验研究了Cu处理埘油菜生长和抗氧化酶系统的影响结果表明，油菜整株鲜重、叶鲜重随Cu胁迫呈显著降低趋势逐步回归表明，叶鲜重下降导致油菜整株鲜重下降。油菜电导率和MDA(丙二醛)随Cu胁迫增大而增加。当不做处理时，电导率 (scm-1)为66.8，MDA(molg-1FW)为9.61；Cu处理浓度为5mgL-1时，电导率(scm-1)和MDA(molg-1FW)分别是70.2和9.27，MDA(丙二醛)含量下降少许；当Cu含量加到10(mgL-1)、20(mgL-1)、50(mgL-1)、100(mgL-1)时，电导率和MDA呈显著正相关。分析处理数据后得到3种抗氧化酶对cd敏感顺序为：PODCATSOD各生理指标IC50表明，油菜只适宜种植在cd含量小于5 mgL-1的土壤中。关键词：铜 油菜 叶绿素 电导率 酶活性 MDA(丙二醛) 氧化酶Effect of CU pollution on eco-physiological indexes of rape seedlingChu Ling Li Zhenhua（Anhui Normal University College of Life Sciences Wuhu Anhui）AbstractPot experiment on the Cu by dealing Sh rape growth and antioxidant enzyme systems. The results showed that the rape of fresh whole plant weight, leaf fresh weight with the Cu stress was significantly decreasing. Stepwise regression showed that the decline in leaf fresh weight whole plant fresh weight of rape led to decline. Rape conductivity and MDA increases with the increase of Cu stress. When not treated, the conductivity (s cm-1) is 66.8, MDA (mol g-1 FW) is 9.61; Cu concentration was 5mg L-1, the conductivity (s cm-1 ) And MDA (mol g-1 FW) were 70.2 and 9.27, MDA content was decreased slightly; when the Cu content added to 10 (mg L-1), 20 (mg L-1), 50 (mg L-1), 100 (mg L-1), the conductivity and MDA were significantly correlated. Data analysis and processing,3 cd-sensitive antioxidant enzymes to order: POD CAT SOD. IC50 of the physiological indices showed that rape is only suitable for planting in the cd content of less than 5 mg L-1 in the soil.Key word: Copper Chlorophyll Conductivity Activity MDA Oxidase1. 引 言 随着人类活动的加剧和工业的发展，采矿、冶炼以及对一些重金属尾矿的处理不善等，导致重金属对水体环境的污染日趋严重许多重金属(如Cu、Cd等)都是植物体必需的微量元素，对植物生长发育能起到十分重要的作用，但是当环境中重金属含量超过某一阈值时，就会对植物产生毒害作用，轻则导致植物体内代谢过程紊乱，Cu对植物具有明显的毒害作用，不仅表现在Cu易累积于可食部位、使农产品质量下降，且过量的Cu、还会影响植物的正常生长发育，使农生长发育受到限制，重则造成植物死亡这些过量重金属一旦进入环境不仅难以排除，而且还会在生物体内出现有机化的趋势，并可经食物链危及人类健康1。油菜(Brassic“chinensis)在我国东北、西北、华东、华中、华南和西南地区均有大量栽培，是我国的主要冬种油料作物之一，种植面积约占油料作物种植面积的13，总产量10 t，种植面积和产量均居世界首位2本文就Cu、Cd对油菜生长，抗生氧化酶，叶片细胞膜透性，MDA(丙二醛)的影响进行探究，探讨在Cu、污染土壤上种植油菜的可能性，为有效利用Cu、污染土壤提供参考。过去的研究主要集中在铜镉对油菜生物量的影响和吸镉量方面,而对于油菜遭受镉胁迫后的生理生态反应和对镉胁迫的耐性研究较少。因此,本实验采用土培的方法,研究了不同铜浓度对油菜外部形态和生理生化指标的影响,探讨铜对油菜的伤害机理,为利用油菜进行植物修复提供理论依据。2. 材料与方法2.1 实验材料与设计2.1.1 材料实验材料选用“德油5号油菜 (Brassic chinensis L. ) ，于安徽省芜湖市金昌种子公司购买。2.1.2 实验设计选择饱满的油菜种子用0.5 %次氯酸钠消毒冲洗后放在培养皿中，每皿30 粒，放在已调节好的人工气候培养箱中培养，生长一周后将幼苗转入1/2 全营养液在室温下进行培养，每隔2 天更换全营养液，预培养2 周后，对油菜幼苗进行不同浓度的Cu 处理。实验以1/2Hoagland营养液为稀释液，一次性加入CuSO45H2O，使溶液含Cu量（以纯Cu计算）分别为5、10、20、50、100 mgL-1，以培养液为对照。每处理4 个平行样，处理2 周后取样测试。2.2 测试指标与方法2.2.1 叶片细胞膜透性的测定 称取鲜叶0.2g，剪成1cm长小段，加入装有20ml双蒸水的三角瓶中，于电动振荡机上以400次 min-1的速度振荡1h，用DDS-12型电导仪测定电导率（scm-1）。2.2.2 叶片色素含量的测定 分别取鲜叶0.25g，采用分光光度法3，用80%丙酮研磨提取后，于663、645和440nm处测定光密度（mgg-1FW）。2.2.3 MDA(丙二醛)含量的测定 按林植芳的硫代巴比妥酸（TBA）法4测定（molg-1FW）。2.2.4 POD(过氧化物酶) CAT（过氧化氢酶）SOD （超氧化物歧化酶）活性的测定 采用分光光度法，以每分钟光密度的变化值，即 OD470min-1g-1FW表示酶活性单位。2.3 数据处理采用SPSS软件进行方差分析、多再比较、相关与回归运算所有数据均为5次重复均值。3. 结果与分析3.1 铜污染对油菜幼苗电导率和MDA(丙二醛)含量的影响Table 1 Effects of Cu pollution on the 电导率and MDA含量 of rape seedlingsCu浓度 Cu concentration (mgL-1)0 (CK)5102050100电导率 (scm-1) 66.870.285.8141.3211.5314.9MDA含量 (molg-1FW)9.619.2710.8618.2534.4259.88MDA(丙二醛)是膜脂过氧化的重要产物，可与蛋白质、核酸、氨基酸等活性物质交联，形成不溶性的化合物(脂褐素)沉淀，干扰细胞的正常生命活动5，6，因此MDA含量常被用来衡量植物体内的膜脂过氧化水平。MDA(丙二醛)也是膜系统受害的重要指标之一7。研究表明，逆境条件下生物体内活性氧的积累会引发膜脂过氧化作用。MDA是膜脂过氧化作用的主要产物之一，其含量高低可反映植物膜系统遭受氧化胁迫的程度。由图1可知,随着铜浓度的提高,MDA(丙二醛)含量逐渐增加。当铜浓度是5 mgL-1电导率是70.2scm-1较对照组的66.68变化不明显达到20 mgL-1时,MDA含量为18.25molg-1FW是对照9.61molg-1FW的2倍左右。当同浓度逐渐提高后，MDA含量将显著增加，当同浓度达到100 mgL-1时，MDA达到59.88molg-1FW，将严重影响油菜的生长。随着铜浓度的升高，MDA含量呈逐渐升高趋势。这表明，随着酸雨次数的增多，胁迫引起了油菜叶片的膜脂过氧化加剧8，对叶片细胞产生伤害，而且铜浓度越高，伤害越严重斜坡越严重。MDA含量变化趋势与质膜相对透性的变化趋势基本一致。3.2 铜污染对油菜幼苗叶片色素的影响（mgg-1FW）Table 2Effects of Cu pollution on the 叶片色素 of rape seedlingsCu浓度 Cu concentration (mgL-1)0 (CK)5102050100叶绿素a1.2351.3311.0640.9780.7650.531叶绿素b0.4590.5050.4320.4090.3560.270叶绿素a+b1.6941.8361.4961.3871.1210.801类胡萝卜素0.3320.3220.3010.2850.2540.164叶绿素含量和叶绿素a、b是衡量叶片生长状况的重要指标9如图2所示,油菜叶片中叶绿素总量以及叶绿素a、b含量随镉浓度提高均极显著下降，当铜浓度为5mgL-1时，叶绿素a含量是1.235 mgg-1，略微上升，铜浓度为10 mgL-1时，叶绿素a含量为1.064 mgg-1，下降了13.85%，铜浓度达到20 mgL-1时其含量为0.978 mgg-1，下降了20.81%，当铜浓度是50 mgL-1时，叶绿素含量为0.765 mgL-1，下降了38.06%，当铜浓度是100 mgL-1时，叶绿素含量为0.531 mgL-1，下降了57.00%。而叶绿素b含量也随着铜浓度的升高含量下降，当同浓度低于5mgL-1时，叶绿素b含量有略微的升高。此外,类胡萝卜素的含量也下降了50.60%，达到显著水平。3.3铜污染对油菜幼苗保护酶活性的影响Table 3 Effects of Cu pollution on the 保护酶活性 of rape seedlingsCu浓度 Cu concentration (mgL-1)0 (CK)5102050100POD活性416.8420.6445.8567.3867.81130.9SOD活性497.2522.5464.4398.4258.9156.3CAT活性1349.11377.01040.8798.4511.4307.8POD、SOD、CAT 共同组成植物体内一个有效的活性氧清除系统，三者协调一致的共同作用,能有效清除植物体内的自由基和过氧化物10,11,12。在一定范围内，SOD、CAT 共同作用能把O2和H2O2 转化成H2O 和O2，并能起到减少具毒性和高活性的OH的形成，POD和CAT则可催化H2O2 形成H2O ,从而有效阻止O2和H2O2的积累，限制这些自由基对膜脂过氧化的启动13,14,15,16。SOD、CAT和POD的活性均随Cu浓度的增高而先升后降。重金属Cu 处理后,油菜体内活性氧清除系统遭到破坏，叶片内SOD和CAT活性随Cu浓度的增高先略微增高再递减，但总体均呈下降趋势;而叶片内POD活性随Cu浓度的增高后略降而后迅速增加，呈极显著正相关性，油菜体内SOD、CAT 活性随Cu浓度升高而变化的过程中，在5mgL-1Cu浓度处理下都略微升高，POD 活性也升高，活性氧清除系统能保持平衡，从而保证植物体自身正常的生长代谢. 这和前文三叶草植株长势、植株干重、鲜重、蛋白质含量、叶绿素含量、叶片电导率等指标随Cu 浓度升高而总体上降低的过程中于低浓度( 5mgmgL-1)时出现的略微升高现象所述一致。而随着Cu浓度增高，油菜体内活性氧清除系统中SOD、CAT、POD3种酶平衡被破坏，不能有效阻止O2和H2O2的积累，从而影响植物体的正常生长代谢，使之出现受毒害症状。4 讨论Cu是植物体必需的微量元素,对植物体的生长发育能起到十分重要的作用，但是当环境中重金属含量超过某一阈值时，就会对植物体产生毒害作用。本研究采用土培方法，对油菜用不同浓度的Cu溶液处理，4天后在检测其生长生理指标时发现，当Cu浓度较低时(低于5 mgL-1)，长势明显优于对照，且植物体数和叶绿素含量也明显高于对照，当Cu浓度较高时，油菜的长势则随Cu浓度的升高而明显变差，油菜的植物叶绿素含量均随Cu浓度的升高而降低。低浓度Cu 污染( 5mgL-1)对油菜生长没有明显伤害现象，甚至促进生长，其长势良好；而随Cu浓度增加，可造成幼株生长缓慢、长势不良，生物量下降，叶片发黄叶片色素下降。低浓度Cu 污染( 10 mgL-1)对油菜体内活性氧清除系统的破坏，造成了MDA高度积累，细胞膜透性增大，致使细胞内酶及原代谢作用区域受到破坏，加速组织、细胞衰老，引起三叶草叶片色素含量下降，生长缓慢，生物量下降油菜叶片电导率的迅速升高也证实了这一点。而且与其它形式的胁迫(如低温、干旱、盐碱等逆境)相似，重金属污染，不仅会影响植物的表观特征和生殖生长，也会导致植物体内的活性氧自由基如O2-、OH、H2O2等的产生量增加，引起膜脂过氧化以及蛋白质和核酸等生物大分子发生变性，从而破坏膜结构，使植物体受到伤害。而在植物体内存在一个由保护酶组成的活性氧清除系统，其中SOD歧化超氧阴离子自由基(O2-)，CAT和POD清除H2O2，三种酶协调一致的共同作用,能将植物体内的(O2-和H2O2转化为H2O和O2，并能减少具有毒性的、高活性的氧化剂羟自由基(OH)的形成，因此，植物体内的活性氧清除剂的活性水平的高低对植物的抗逆能力具有十分重要的意义16,17,18。杨居容等19用Cd处理了几种植物,结果耐性植物体内SOD、CAT、POD等酶活性可维持在近似正常水平；Cd污染发生后,大豆幼苗的CAT活性明显上升。本实验中,随着重金属Cu浓度的增加，构成油菜体内的SOD、CAT和POD的活性变化趋势不尽相同。在一定范围内，随着溶液中Cu浓度的升高，SOD和CAT的活性均比对照有所增加。当Cu浓度达到5.6mgL-1时，CAT的活性最大，而此时的SOD活性仍在增加，直至Cu浓度升高到10mgL-1，才开始出现下降。这表明，CAT和Cu胁迫的反应可能较SOD敏感。庞欣等18通过对铅胁迫下的小麦幼苗抗氧化酶活性影响的研究后认为，SOD活性是较CAT更为敏感的生物指标。这表明对于不同的重金属胁迫下的不同的植物，同是抗氧化保护酶类的SOD和CAT的表现可能并不完全相同。本实验中的POD也存在类似情况，周希琴等19认为，重金属胁迫能诱导植物组织中POD总活性升高，并认为这是植物对所有污染胁迫的共同响应。储玲等20对Cu培养下的三叶草幼苗生长及活性氧代谢影响的研究也发现,在一定范围内,随着Cu浓度的上升，POD的活性也明显上升。但是本实验通过对Cu胁迫下油菜生理响应的研究发现，在Cu浓度低于5mgL-1时，POD活性与对照相差并不大，可能POD在油菜体内的活性氧清除系统中的作用并不明显,其具体机理尚需进一步的研究；而当Cu浓度达到18mgL-1时，POD活性却突然大幅下降，可能是植物有机体在Cu浓度过高时已经严重受损所致。参考文献1 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