鋅脅迫對長藥景天光合特性和保護酶活性的影響

王 瑩,劉 晶,紀善博,楊國亭,關 旸,*

1 東北林業(yè)大學林學院生態(tài)研究中心, 哈爾濱 150000 2 哈爾濱師范大學黑龍江省普通高等學校植物生物學重點實驗室, 哈爾濱 150025 3 黑龍江省林業(yè)廳, 哈爾濱 150000

鋅脅迫對長藥景天光合特性和保護酶活性的影響

王 瑩1,2,劉 晶2,紀善博2,楊國亭3,關 旸2,*

1 東北林業(yè)大學林學院生態(tài)研究中心, 哈爾濱 150000 2 哈爾濱師范大學黑龍江省普通高等學校植物生物學重點實驗室, 哈爾濱 150025 3 黑龍江省林業(yè)廳, 哈爾濱 150000

以園林植物長藥景天(Hylotelephiumspectabile)為研究對象,探討了不同濃度ZnSO4脅迫對長藥景天光合特性和保護酶活性的影響。結果表明：長藥景天的質膜相對透性、丙二醛含量、過氧化物酶和過氧化氫酶活性隨ZnSO4脅迫強度的增加而升高,凈光合速率、胞間二氧化碳濃度、氣孔導度和蒸騰速率則降低,葉綠素含量先升高后降低,超氧化物歧化酶活性變化不大。長藥景天在抵御鋅脅迫的過程中,通過保護酶活性的升高、氣孔關閉降低水分流失等方式降低了鋅的毒害作用,使其具有很強的抵抗鋅脅迫的能力。

長藥景天(Hylotelephiumspectabile)；鋅脅迫；光合特性；保護酶活性

鋅是自然界分布較廣的元素之一[1],根據2014年《全國土壤污染狀況調查公告》顯示,我國土壤鋅元素的點位超標較為嚴重[2]。因此,解決鋅污染的問題十分緊迫。

長藥景天為景天科(Crassulaceae)八寶屬(Hylotelephium)宿根肉質草本植物[3],園林綠化中常用來布置花壇,也可以用作地被植物,是花壇、花境和點綴草坪、巖石園的好材料[4-5]。長藥景天在鋅污染礦區(qū)生長良好,這為重金屬Zn污染區(qū)的環(huán)境起到積極的綠化美化作用。本論文以長藥景天(Hylotelephiumspectabile)為研究對象,探討其抗氧化酶系統(tǒng)和光合特性在植物應對鋅污染過程中的響應,為揭示鋅污染對植物的傷害及植物耐受鋅的機理提供理論依據,從而為探討該植物在污染環(huán)境治理、修復中的應用提供參考,具有一定的理論價值和現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

長藥景天(Hylotelephiumspectabile)采自牡丹江鏡泊湖,移栽到哈爾濱師范大學生命科學與技術學院試驗田內培養(yǎng),然后選擇健康的長勢一致的植株移栽到溫室內,盆缽直徑20 cm、盆高25cm,7 d適應性培養(yǎng)后,用ZnSO4·7H2O對植株進行脅迫處理,同時設置空白對照(CK)。Zn 以水溶液形式施于土壤中,使土壤中Zn 濃度分別達到40、80、160、320、800 mg/kg和1600 mg/kg,每個處理設3個重復,每隔7 d用不含重金屬的去離子水噴灑植株1次,噴灑時水不能從盆底流出,以減少實驗誤差。于35 d在相同部位選取功能葉片,用去離子水沖洗,濾紙吸干水分,用于各生理指標的測定,每個指標重復3次。

1.2 測定方法

過氧化氫酶(CAT)活性的測定參考《植物生理實驗》[6]采用紫外吸收法測定,其余各項生理指標參考《現(xiàn)代植物生理學實驗指南》[7]進行。

光合參數測定：在鋅脅迫下,葉片出現(xiàn)明顯癥狀的第35天進行收獲。收獲當日9：00,選擇每株苗從第1片展開葉向下數第7、8 兩片成熟葉,利用Li-6400 (LI-COR,USA) 便攜式光合測定儀采用開放式氣路測定凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率、細胞間隙CO2濃度等參數。每次測定3 次重復。測定時各項儀器指標設置一致,光照強度均為1000 μmol m-2s-1,CO2濃度為380 μmol/mol,溫度為25℃。

2 結果與分析

2.1 鋅脅迫對長藥景天膜系統(tǒng)影響

鋅濃度低于160 mg/kg時,長藥景天的質膜相對透性變化不大,各濃度間差異不顯著。超過160 mg/kg后,長藥景天的質膜相對透性隨鋅濃度升高而增加,在1600 mg/kg時達到最大值,是對照組的3.6倍。320 mg/kg及以上鋅濃度下,長藥景天的質膜相對透性與對照組差異顯著(圖1)。

長藥景天的MDA含量在鋅濃度低于80 mg/kg時幾乎沒有變化,之后則呈現(xiàn)隨鋅濃度增加而顯著升高的趨勢,1600 mg/kg達到最大值,是對照組的3.59倍(圖2)。

圖1 鋅脅迫對長藥景天質膜相對透性的影響Fig.1 The effects of Zinc Stress on relative plasma membrane permeability of Hylotelephium spectabile

圖2 鋅脅迫對長藥景天MDA含量的影響Fig.2 The effects of Zinc Stress on MDA content of Hylotelephium spectabile

2.2 鋅脅迫對長藥景天保護酶系統(tǒng)活性的影響

長藥景天SOD活性呈先上升后下降的趨勢,在320 mg/kg達到最大值,是對照組的1.57倍。除160 mg/kg與1600 mg/kg差異不顯著外,各濃度均達到差異顯著水平(圖3)。

長藥景天POD活性呈先上升后下降的趨勢,在320 mg/kg和800 mg/kg時達到最大值,是對照組的5.88倍。除40 mg/kg濃度與對照組差異不顯著,320 mg/kg與800 mg/kg差異不顯著外,其余各濃度均達到差異顯著水平(圖4)。

圖3 鋅脅迫對長藥景天SOD的影響Fig.3 The effects of Zinc Stress on SOD activity of Hylotelephium spectabile

圖4 鋅脅迫對長藥景天POD的影響Fig.4 The effects of Zinc Stress on POD activity of Hylotelephium spectabile

長藥景天CAT活性呈先上升后下降的趨勢,在800 mg/kg達到最大值,是對照組的2.15倍。各濃度之間均達到差異顯著水平(圖5)。

2.3 不同濃度重金屬鋅污染對長藥景天葉綠素含量影響

長藥景天葉綠素含量呈先上升后下降的趨勢,80—160 mg/kg逐漸上升,160 mg/kg達到最大值,后逐漸下降。40 mg/kg和800 mg/kg及對照之間差異不顯著,80 mg/kg和320 mg/kg之間差異不顯著,800 mg/kg和1600 mg/kg之間差異不顯著,其余各組之間差異顯著(圖6)。

圖5 鋅脅迫對長藥景天CAT的影響Fig.5 The effects of Zinc Stress on CAT activity of Hylotelephium spectabile

圖6 鋅脅迫對長藥景天葉綠素含量的影響Fig.6 The effects of Zinc Stress on chlorophyll content of Hylotelephium spectabile

2.4 鋅脅迫對長藥景天光合參數的影響

2.4.1 鋅脅迫對長藥景天凈光合速率的影響

長藥景天凈光合速率呈逐漸下降的趨勢,在1600 mg/kg達到最低值,是對照組的4%。40 mg/kg和80 mg/kg、160 mg/kg和320 mg/kg、320 mg/kg和800 mg/kg之間差異不顯著,其余各組間差異顯著(圖7)。

2.4.2 鋅脅迫對長藥景天胞間CO2濃度的影響

胞間CO2濃度隨著鋅濃度的增加而降低。1600 mg/kg達到最小值,濃度40 mg/kg比對照組減少21.4%；1600 mg/kg比對照組減少37.5%。各處理組與對照差異顯著,40—160 mg/kg,320—1600 mg/kg各組間差異不顯著。各濃度處理間的差異未達到極顯著水平(P<0.01)(圖8)。

圖7 鋅脅迫對長藥景天凈光合速率的影響Fig.7 The effects of Zinc Stress on net photosynthetic rate of Hylotelephium spectabile

圖8 鋅脅迫對長藥景天胞間CO2濃度的影響Fig.8 The effects of Zinc Stress on intercellular CO2 concentration of Hylotelephium spectabile

2.4.3 鋅脅迫對長藥景天葉片氣孔導度的影響

長藥景天幼苗氣孔導度呈逐漸下降的趨勢,在1600 mg/kg濃度時達到最低值,是對照組的5.9%。其中160 mg/kg濃度和320 mg/kg濃度之間差異不顯著,其余各組間差異顯著(圖9)。

長藥景天蒸騰速率呈逐漸下降的趨勢,在1600 mg/kg濃度時達到最低值,是對照組的6.5%。其中40 mg/kg濃度和對照之間差異不顯著,80 mg/kg濃度和160 mg/kg濃度之間差異不顯著,800 mg/kg濃度和1600 mg/kg濃度之間差異不顯著,其余各組間差異顯著(圖10)。

圖9 鋅脅迫對長藥景天葉片氣孔導度的影響Fig.9 The effects of Zinc Stress on stomatal conductance of leaf of Hylotelephium spectabile

圖10 鋅脅迫對長藥景天葉片蒸騰速率的影響Fig.10 The effects of Zinc Stress on transpiration rate of leaf of Hylotelephium spectabile

3 結論與討論

SOD、POD、CAT活性的維持和提高被認為是植物耐受重金屬脅迫的物質基礎之一[8]。本文的實驗結果顯示,隨著Zn脅迫濃度的增加,SOD、POD和CAT都是先上升后下降,在低濃度處理下3種保護酶活性均升高,這種現(xiàn)象解釋為低濃度重金屬對植物的積極的“刺激作用”[9],在本研究中SOD、POD活性在320 mg/kg達到最大值,CAT在800 mg/kg達到最大值,表明此時保護酶系統(tǒng)對鋅的清除能力已接近最大值,鋅濃度繼續(xù)上升時,3種酶的活性開始下降。很多研究也表明鋅含量進一步上升則會導致植物體內保護酶活性的下降[10-11]。

細胞質膜透性和MDA含量能反映出細胞的受傷害程度,MDA作為過氧化產物,它能與蛋白質、核酸、氨基酸等活性物質交聯(lián),形成不溶性的化合物(脂褐素)沉積,從而干擾細胞內正常的生命活動與透性[12]。本文中,在鋅濃度為40—160 mg/kg時,細胞質膜透性與MDA含量變化不明顯,表明長藥景天對鋅有一定的耐受性,從320 mg/kg時開始,細胞質膜透性和MDA含量開始上升,但在800 mg/kg濃度鋅脅迫下,質膜透性也未超過50%,根據相對電導率50%的半致死標準[13]可以推測在此濃度下長藥景天仍然具有很強的耐性。

葉綠素含量是植物重要的生理指標,其含量的多少決定著植物光合作用能力的大小,葉綠素含量的變化可反映重金屬對植物的損害程度。重金屬脅迫下,葉綠素含量降低是重金屬對植物毒害的普遍現(xiàn)象[14]。一些研究表明鋅污染均明顯降低了植物體內葉綠素的含量[15-17],還有研究表明Zn在一定濃度范圍內能促進葉綠素的合成和植物生長發(fā)育[18],本研究中葉綠素含量在0—320 mg/kg之間呈隨濃度增加而增加的趨勢,800—1600 mg/kg雖然有所下降,但二者差異不顯著,800 mg/kg與對照組差異也不顯著,說明鋅脅迫未對其葉綠素的合成產生較大影響。所以本研究中,葉綠素含量不是引起鋅脅迫下長藥景天光合速率降低的因素。

光合作用是植物體重要的生理生化過程,它的強弱對植物正常生長及抗逆性都具有十分重要的影響,在逆境脅迫下,引起植物葉片光合速率降低的植物自身因素主要有氣孔的部分關閉導致的氣孔限制和葉肉細胞光合活性的下降導致的非氣孔限制兩類[19]。若胞間CO2濃度、氣孔導度同時下降時,氣孔因素是主要的[20],否則非氣孔因素是主導因素[21]。在本研究中,隨著鋅脅迫濃度增加,長藥景天凈光合速率、胞間CO2濃度、氣孔導度、蒸騰速率均顯著下降,但胞間CO2濃度降低幅度較小,各濃度處理間的差異未達到極顯著水平(P<0.01),這說明凈光合速率的降低是由非氣孔因素引起的[21-22]。有研究認為植物凈光合速率的降低是由非氣孔因素引起的[23]。與本研究結果一致[23]。凈光合速率對氣孔導度和蒸騰速率具有指示調節(jié)作用,在外界環(huán)境有利于光合時促進氣孔導度增大,不利時則導致氣孔導度減小[22]。本文鋅脅迫導致長藥景天凈光合速率顯著下降,為防止水分和氣體的流失,氣孔大部分關閉,氣孔導度降低。氣孔是蒸騰作用的主要途徑,氣孔關閉導致蒸騰速率也顯著減弱,減少植物體水分散失,避免進一步生理干旱。

總之,長藥景天在抵御鋅脅迫的過程中,通過保護酶活性的升高,氣孔關閉降低水分流失等方式降低了鋅的毒害作用,使其具有很強的抵抗鋅脅迫的能力。

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Effects on photosynthetic characteristics and protective enzyme activity ofHylotelephium spectabile to zinc stress

WANG Ying1,2, LIU Jing2, JI Shanbo2, YANG Guoting3, GUAN Yang2,*

1EcologicalResearchCentre,SchoolofForestry,NortheastForestryUniversity,Harbin150000,China2HarbinNormalUniversity,KeyLaboratoryofPlantBiology,CollegeofHeilongjiangProvince,Harbin150025,China3ForestryBureauofHeilongjiangProvince,Harbin150000,China

Landscape plantHylotelephiumspectabileis a species of flowering plant in the stonecrop family Crassulaceae, which is native to China and Korea. The plant was used as an experimental material to investigate photosynthetic characteristics and antioxidant enzyme activity after treatment with different zinc sulfate concentrations. When the seedlings ofH.spectabilewere 15 cm high, they were transplanted to plastic pots (20 cm in diameter and 25 cm in height) filled with sand and watered daily. The culture condition was (26±4)℃, photoperiod 16 h light/8 h darkness, RH 50%—60%, and PPFD 500 mmol/m2S. After 7 days of culture, the seedlings were divided into seven groups for different treatments, including control group, 40, 80, 160, 320, 800, and 1600 mg/kg zinc stress treatment. ZnSO4was dissolved in DD water, and plants were watered weekly. After 35 days of ZnSO4treatment, three plants per treatment were collected for analysis. Relative plasma membrane permeability, MDA, SOD, POD, CAT, and chlorophyll content were measured in the present study. MDA is a final decomposition product of lipid peroxidation induced by oxidative stress and has been used as an indicator of lipid peroxidation. MDA content was determined by thiobarbituric acid (TBA) reaction to determine superoxide dismutase (SOD, EC 1.15.1.1), catalase (CAT, EC 1.11.1.6), and peroxidase (POD, EC 1.11.1.7) activities, and 0.3 g of fresh leaf tissue was ground to a fine powder in liquid nitrogen and homogenized in 2 mL and 59 mM phosphate buffer (pH 7.8) containing 0.1 mM ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and 4% polyvinypolypyrrolidone (PVPP). After centrifugation at 15000g, 4℃ for 20 min, the supernatants were used for enzyme activity assays. SOD activity was determined by inhibiting the photochemical reduction of nitroblue tetrazolium (NBT) at 560 nm. The amount of enzyme needed to inhibit 50% of NBT photoreduction was defined as one unit of SOD activity. The CAT and POD activities were monitored by measuring H2O2consumption at 240 nm and guaiacol oxidation at 470 mm respectively. The CAT and POD activities were calculated as described previously. Three biological replicates of each treatment were independently performed. The net photosynthetic rate (PN), stomatal conductance (GS), transpiration rate (E), and intercellular CO2concentration (Ci) of leaves were determined at 09:00 AM using a portable open flow gas exchange photosynthesis system LI-6400. The measurements were repeated six times for each blade from the same position of five plants in each treatment group, and the averages were recorded. The results show that relative plasma membrane permeability, MDA content, and POD and CAT activities increased with increasing ZnSO4concentration. However, thenet photosynthetic rate, intercellular CO2concentration, stomatal conductance, and transpiration rate decreased with increasing ZnSO4concentration. The chlorophyll content was decreased after a slight ZnSO4treatment and increased higher than the control after a high concentration ZnSO4treatment. The SOD activity did not vary significantly under zinc stress. This finding suggests that increased antioxidant enzyme activity and closed stoma to reduce water loss may be the main reasons for reducing the toxic effect of Zn, which may be explained by the strong ability ofH.spectabileto resist Zn stress.

Hylotelephiumspectabile；zinc stress ； photosynthetic characteristics；protective enzyme activity

黑龍江省自然科學基金資助項目(C200601)

2016- 05- 25;

2016- 09- 28

10.5846/stxb201605251011

*通訊作者Corresponding author.E-mail: guany0611@126.com

王瑩,劉晶,紀善博,楊國亭,關旸.鋅脅迫對長藥景天光合特性和保護酶活性的影響.生態(tài)學報,2016,36(22):7422- 7427.

Wang Y, Liu J, Ji S B, Yang G T, Guan Y.Effects on photosynthetic characteristics and protective enzyme activity ofHylotelephiumspectabileto zinc stress.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7422- 7427.