汞脅迫對茅蒼術(shù)光合特性及生理指標(biāo)的影響

孫永娣　巢建國　谷巍　王馬勃　張文明

摘要：[目的]探討重金屬汞（Hg）對茅蒼術(shù)光合特性及生理指標(biāo)的影響，明確茅蒼術(shù)葉片承受汞脅迫的閾值，為茅蒼術(shù)無公害栽培提供理論參考。[方法]采用盆栽法對茅蒼術(shù)開展不同濃度（0、10、20和50 mg/kg）的汞脅迫試驗，分別在脅迫后0、7、14、21、28和135 d測定茅蒼術(shù)葉片的光合特性及生理指標(biāo)。[結(jié)果]在不同濃度汞脅迫處理下，隨著脅迫時間的延長，茅蒼術(shù)植株的凈光合速率（P_n）、蒸騰速率（T_r）、氣孔導(dǎo)度（G_s）和胞間二氧化碳濃度（C_i）整體上呈先增大后減小的變化趨勢，至脅迫后期時茅蒼術(shù)的光合能力明顯下降。經(jīng)不同濃度的汞脅迫處理后，茅蒼術(shù)葉片的超氧化物歧化酶（SOD）活性變化不明顯，而過氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量整體上呈先上升后下降的變化趨勢，在脅迫后第28 d達最大值；過氧化氫酶（cAT）活性整體上呈上升趨勢（50 mg/kg濃度除外）；至脅迫后第35 d，均以10 mg/kg濃度處理的POD、SOD～ICAT活性最高。茅蒼術(shù)葉片的MDA含量在不同濃度汞脅迫處理下整體上呈先上升后下降的變化趨勢，相對電導(dǎo)率則呈緩慢上升趨勢。[結(jié)論]當(dāng)汞脅迫濃度超過10 mg/kg時會抑制茅蒼術(shù)葉片的光合能力，使其生理功能受到損害。

關(guān)鍵詞：茅蒼術(shù)；汞脅迫；光合特性；生理指標(biāo)

中圖分類號：S567.211 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-1191（2018）03-0448-06

0引言

[研究意義]茅蒼術(shù)[Atractylodes lancea（Thunb.）DC.]為菊科植物茅蒼術(shù)的干燥根莖，具有燥濕健脾、祛風(fēng)散寒之功效（國家藥典委員會，2015）。江蘇省茅山地區(qū)是茅蒼術(shù)的道地產(chǎn)區(qū)，所產(chǎn)茅蒼術(shù)質(zhì)量上乘。但近年來由于各種生產(chǎn)和生活活動頻繁，導(dǎo)致自然生態(tài)環(huán)境越來越惡劣，通過各種途徑產(chǎn)生的重金屬在土壤中不斷積累增加，給生態(tài)環(huán)境及人類健康造成了一系列危害（何建軍，2009）。汞是一種慢性劇毒重金屬元素，在植物體內(nèi)積累可造成其生理功能紊亂，濃度過高時甚至可造成植物枯萎死亡（母波等，2007a）。前人研究發(fā)現(xiàn)，茅山產(chǎn)地的茅蒼術(shù)有害重金屬含量相對較高，并不符合茅蒼術(shù)低毒高效的藥材特征（郭蘭萍等，2002）。因此，研究茅蒼術(shù)在汞脅迫下的光合特性和生理指標(biāo)變化，明確茅蒼術(shù)葉片承受汞脅迫的閾值，對茅蒼術(shù)的無公害栽培具有重要意義。[前人研究進展]由于汞離子具有較強的富集性，能在植物體內(nèi)大量積累，抑制光合作用，導(dǎo)致植株生長緩慢甚至停止，對植物生長傷害極大（孫春燕等，2007）。高大翔等（2008）研究表明，較低濃度的汞離子不會抑制水稻生長，但較高濃度的汞離子可顯著降低水稻的株高和穗重，對水稻生長產(chǎn)生迫害。梁巧玲（2010）研究發(fā)現(xiàn)，葉下珠對重金屬有較強的富集能力，經(jīng)汞脅迫后，其營養(yǎng)成分積累量降低。徐小蓉等（2011）研究表明，受汞脅迫后，蜈蚣草生長緩慢，葉片內(nèi)丙二醛（MDA）和脯氨酸含量迅速上升，過氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）活性隨汞脅迫濃度呈先升高后降低的變化趨勢。楊昱和秦樊鑫（2013）研究發(fā)現(xiàn)，汞離子能使大豆種子的發(fā)芽速度和種子活力降低，種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢與脅迫濃度呈負相關(guān)，且高濃度汞會明顯降低種子品質(zhì)。王賽等（2017）研究了水葫蘆在汞脅迫下的光合特性變化，結(jié)果表明，汞脅迫下水葫蘆的氣孔導(dǎo)度（G_s）、蒸騰速率（T_r）和胞間二氧化碳濃度（C_i）未發(fā)生明顯變化，凈光合速率（P_n）則呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢。[本研究切入點]本課題組前期已研究了高溫（李孟洋等，2015）、淹水（李孟洋等，2016）和酸雨（張文明等，2017）等逆境脅迫對茅蒼術(shù)光合特性及生理指標(biāo)的影響，為進一步完善茅蒼術(shù)無公害栽培技術(shù)，需對其在重金屬脅迫下的光合特性及生理指標(biāo)進行深入研究。[擬解決的關(guān)鍵問題]采用盆栽試驗，探討不同質(zhì)量濃度的汞脅迫對茅蒼術(shù)葉片光合特性及生理指標(biāo)的影響，明確茅蒼術(shù)承受汞脅迫的閾值，為其無公害栽培提供理論參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試材料為江蘇省句容市的茅蒼術(shù)，經(jīng)南京中醫(yī)藥大學(xué)中藥資源與鑒定系的巢建國教授鑒定為菊科植物茅蒼術(shù)[Alancea（Thunb.）DC.]。供試試劑為分析純氯化汞（HgCl₂）。

1.2試驗方法

試驗采用盆栽法。2017年5月，將從南京中醫(yī)藥大學(xué)植物園采集的泥土置于通風(fēng)處，除去碎石和干草等雜物，待干燥后搗碎過5 mn3篩；經(jīng)測定，土壤中銨態(tài)氮含量為13.38 mg/kg，速效鉀49.86 mg/kg，速效磷11.53 mg/kg。試驗用盆為高23 cm、直徑34 cm的白色圓形塑料花盆，每盆裝土8 kg。選取高度一致、葉片繁茂且生長健康的茅蒼術(shù)植株，將其移栽于花盆中，每盆3棵茅蒼術(shù)，共分為5個小組，每小組重復(fù)4次，共計20盆，正常水分管理，培養(yǎng)1周至植株恢復(fù)正常穩(wěn)定狀態(tài)。試驗設(shè)5個汞濃度，分別為0（CK）、1、10、20和50 mg/kg（濃度以Hg²⁺計）。將HgCl₂配制成相應(yīng)濃度的溶液，均勻噴灑于泥土中，于2017年5月中旬開始試驗，分別于汞脅迫處理第0、7、14、21、28和35 d時隨機選取功能旺盛的茅蒼術(shù)葉片測定光合特性和生理指標(biāo)。

1.3測定項目及方法

1.3.1光合特性測定 利用LI-6400型便攜式光合測定儀（美國基因公司生產(chǎn)）于晴天上午9：00～11：00測定光合特性指標(biāo)，從每個脅迫處理的3盆茅蒼術(shù)中各選取1片葉片，以開放式氣路系統(tǒng)測量其P_n、G_s、T_r和C_i，取平均值。

1.3.2生理指標(biāo)測定 葉片SOD和CAT活性采用南京建成生物工程公司的試劑盒測定，POD活性采取愈創(chuàng)木酚法測定，MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定（于金平等，2014），相對電導(dǎo)率采用電導(dǎo)儀測定。

1.4統(tǒng)計分析

采用Excel 2010和SPSS 16.0進行試驗數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計分析，多重比較采用LSD法。

2結(jié)果與分析

2.1汞脅迫對茅蒼術(shù)光合特性的影響

2.1.1對葉片P_n的影響 由圖1-A可知，不同濃度汞脅迫對茅蒼術(shù)葉片P_n的影響存在差異，當(dāng)汞濃度較低（1和10 mg/kg）時，P_n隨脅迫時間的延長呈先增大后減小的變化趨勢，于脅迫第7 d達最大值，分別是CK的113.7%和111.8%，說明較低濃度的汞脅迫處理對茅蒼術(shù)葉片P_n有誘導(dǎo)作用；汞濃度較高（20和50mg/kg）時，P_n隨脅迫時間的延長逐漸減小。1～50mg/kg汞脅迫處理下茅蒼術(shù)葉片的P_n均在脅迫14 d后明顯低于同期CK，至脅迫第35 d時達最小值，分別是CK的45.3%、53.0%、31.2%和18.8%，差異均達顯著水平（P<0.05，下同）。

2.1.2對葉片G_s和T_R的影響 由圖1-B和圖1一C可看出，不同濃度汞脅迫對茅蒼術(shù)葉片G_s和T_r的影響相似，當(dāng)汞濃度為1、10和20 mg/kg時，G_s和T_r均隨脅迫時間的延長呈先增大后減小的變化趨勢，于脅迫第7 d達最大值；當(dāng)汞濃度達50 mg&g時，G_s和T_r均隨脅迫時間的延長逐漸減小。1-50 mg/kg汞脅迫處理下茅蒼術(shù)葉片的G_s和T_r均在脅迫21 d后顯著低于同期CK，至脅迫第35 d時達最小值，G_s分別是CK的55.5%、35.0%、20.1%和21.2%，T_r分別是CK的52.8%、49.9%、43.4%和31.8%。

2.1.3對葉片C_i的影響 由圖1-D可看出，1-50mg/kg汞脅迫處理下茅蒼術(shù)葉片的C_i均隨脅迫時間的延長呈先增大后減小的變化趨勢，于脅迫第7 d達最大值，隨后逐漸減小，且脅迫14 d后均低于同期CK，至脅迫第35 d時達最小值，分別是CK的54.0%、40.5%、38.5%和31.5%。

綜上所述，長時間、高濃度的汞脅迫能降低茅蒼術(shù)葉片的T_r、導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，致使外界CO₂進入受阻，對葉片造成不可逆的傷害，不利于其生長。

2.2汞脅迫對茅蒼術(shù)生理指標(biāo)的影響

2.2.1對POD活性的影響 由圖2-A可知，汞脅迫初期（0 d），不同處理茅蒼術(shù)葉片的POD活性無顯著差異（P>0.05，下同），隨著脅迫時間的延長，POD活性逐漸升高，于脅迫后第28 d升至最高值，隨后由于脅迫時問的延長，茅蒼術(shù)傷害程度增加，POD對過氧化物的消除能力被削弱，POD活性出現(xiàn)下降趨勢。與CK相比，1-50 mg/kg汞脅迫處理下茅蒼術(shù)葉片的POD活性變化較劇烈，在脅迫21 d后均顯著高于同期CK，至脅迫第35 d時，分別是CK的159.5%、194.1%、185.7%和164.1%，以10 mg/kg濃度處理的POD活性最高。

2.2.2對SOD活性的影響 由圖2-B可知，不同濃度汞脅迫對茅蒼術(shù)葉片SOD活性的影響不明顯，除脅迫第14 d時10-50 mg/kg處理的POD活性顯著高于CK外，其他脅迫時間不同處理間均無顯著差異。說明SOD對汞毒害效應(yīng)不敏感。

2.2.3對CAT活性的影響 由圖2-C可知，在1-10mg&g濃度汞脅迫下，茅蒼術(shù)葉片的CAT活性整體上呈逐漸升高趨勢；在20-50 mg/kg汞脅迫下，茅蒼術(shù)葉片的CAT活性前期呈逐漸升高趨勢，脅迫后期又略有降低。至脅迫后第35 d，1-50 mg/kg汞脅迫處理下茅蒼術(shù)葉片的CAT活性分別是CK的114.3%、129.6、107.6%和90%，以10 mg/kg濃度處理的CAT活性最高。

2.2.4對MDA含量的影響 由圖2-D可知，除CK外，茅蒼術(shù)葉片的MDA含量在不同濃度汞脅迫處理下整體上呈先緩慢上升后略有下降的變化趨勢。整個脅迫周期內(nèi)不同濃度汞脅迫處理的MDA含量均高于CK，至脅迫第35 d時，1～50 mg/kg汞脅迫處理下茅蒼術(shù)葉片的MDA含量分別為CK的112.6%、

2.2.5對相對電導(dǎo)率的影響 由圖2-E可知，在不同濃度汞脅迫處理下，茅蒼術(shù)葉片的相對電導(dǎo)率均呈緩慢上升趨勢。整個脅迫周期內(nèi)，相對電導(dǎo)率與脅迫濃度呈正相關(guān)，濃度越高，脅迫時間越長，相對電導(dǎo)率越大。至脅迫第35 d時，1～50 mg/kg汞脅迫處理下茅蒼術(shù)葉片的相對電導(dǎo)率上升至最高值，分別是CK的180%、205.7%、237.1%和251.4%，說明茅蒼術(shù)葉片受到汞離子的毒害。

3討論

植物需要積累自身的有機物以維持生命活動，通常情況下，植物體內(nèi)的有機物積聚越多說明其光合能力越強，同時體現(xiàn)植物的同化能力越強（朱建玲等，2008）。王賽等（2017）研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的汞處理可促進水葫蘆P_n的積累，但隨汞處理濃度的升高，P_n出現(xiàn)下降趨勢，T_r、G_s和C_i與P_n的變化規(guī)律一致，均呈先升高再下降的變化趨勢。本研究結(jié)果顯示，在不同濃度汞脅迫處理下，隨著脅迫時間的延長，茅蒼術(shù)植株的P_n、T_r、G_s和C_i整體上呈先增大后減小的變化趨勢，至脅迫后期時茅蒼術(shù)的光合能力明顯下降，說明汞脅迫抑制了CO₂同化，降低葉片的T_r。由于氣孔能夠調(diào)節(jié)蒸騰作用和光合作用，進而影響C_i，有利于促使植物適應(yīng)周圍環(huán)境，隨脅迫時間的延長，汞離子促使茅蒼術(shù)葉片氣孔關(guān)閉，導(dǎo)致氣孔不能順利地與外界進行氣體、水分和C02等交換，說明汞離子對其過程具有明顯的抑制作用。P_n的影響可分為氣孔限制因素和非氣孔限制因素，氣孔閉合在光合作用中扮演著極其重要的角色，本研究中C_i和G_s隨著P_n同時下降，說明經(jīng)過汞脅迫后，茅蒼術(shù)光合作用能力受抑制是由后者的原因所致。

當(dāng)植物經(jīng)歷逆境時，若是鹽害引起的滲透脅迫，可通過增加脯氨酸、甜菜堿和可溶性糖等大分子物質(zhì)以促使細胞內(nèi)外達到平衡；若是離子脅迫和滲透脅迫引起的氧化脅迫，則可啟動自身的SOD、POD、CAT等抗氧化酶系統(tǒng)（Burdon et a1.，1996；周麗霞等，2016；朱紅霞等，2016；郝磊等，2017；趙霞等，2017；趙永平等，2017）。過昱辰等（2016）研究表明，地毯草經(jīng)受汞脅迫后，其SOD活性呈現(xiàn)先升高后下降的變化趨勢，POD活性則持續(xù)升高趨于平穩(wěn)。本研究結(jié)果表明，經(jīng)不同濃度汞脅迫后，茅蒼術(shù)葉片的SOD活性變化不明顯，說明SOD不是茅蒼術(shù)受到傷害時的敏感性生理指標(biāo)；POD和CAT活性呈先上升再下降的變化趨勢，但CAT活性變化不如POD明顯，表明POD活性是茅蒼術(shù)遭受汞脅迫時比較敏感的生理指標(biāo)，至脅迫后期各處理間的POD活性差異顯著，可能是由于低濃度汞脅迫下雖然植物體內(nèi)產(chǎn)生了一定量的自由基，但其量尚在植物自身能夠清除的閾值之內(nèi)，植株體內(nèi)允許存在較低濃度的汞離子，而有利于誘導(dǎo)POD的產(chǎn)生，催化有毒物質(zhì)降解（周希琴和莫燦坤，2003；母波等，2007b）。

植物生長時需要與外界進行物質(zhì)交流，細胞膜系統(tǒng)在其過程中行使著主要作用，當(dāng)植物遭受外界環(huán)境傷害時，有害物質(zhì)增多并出現(xiàn)膜滲漏，導(dǎo)致細胞膜通透性變大，因此植物體能否進行生理活動主要取決于細胞膜系統(tǒng)（張慶峰等，2006）。李春龍（2017）研究表明，經(jīng)汞脅迫后，紫云英幼苗根系的質(zhì)膜透性增加，MDA含量也表現(xiàn)出同樣趨勢，表明汞脅迫能使細胞膜脂過氧化水平顯著提高，導(dǎo)致葉片褪綠、生長速度緩慢，當(dāng)植物受到汞脅迫后，大量活性自由基在細胞內(nèi)產(chǎn)生，一系列的過氧化反應(yīng)由此進行，進而導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)破壞（Zhang and Tvernlan，1999），對植物有著明顯傷害。本研究結(jié)果顯示，經(jīng)汞脅迫后，茅蒼術(shù)葉片的MDA和相對電導(dǎo)率顯著增加，說明汞脅迫使茅蒼術(shù)細胞膜透性增加，從而使植物體需要的營養(yǎng)物質(zhì)流失，且一些不利于植物生長的物質(zhì)由此進入植株體內(nèi)，從而導(dǎo)致植物體內(nèi)正常的生理功能發(fā)生變化（楊慧等，2011）。

4結(jié)論

不同濃度汞脅迫對茅蒼術(shù)葉片的光合特性及生理指標(biāo)有明顯影響，當(dāng)汞濃度低于10 mg/kg時，植株可誘導(dǎo)體內(nèi)的抗氧化酶活性升高以增強植株抗逆能力，但汞濃度超過10 mg/kg時，茅蒼術(shù)的光合能力被抑制，且濃度越高，抑制作用越明顯，同時高濃度的汞脅迫致使茅蒼術(shù)細胞膜防御系統(tǒng)被破壞，體內(nèi)的酶活性降低甚至失去作用，導(dǎo)致生理功能紊亂。

（責(zé)任編輯 王暉）