多環(huán)芳烴脅迫菜心葉片上下表皮對(duì)其生理特性的影響

李朋欣　龍明華　喬雙雨　唐璇　張會(huì)敏　梁勇生

摘要：以菜心為試驗(yàn)材料，設(shè)定對(duì)照（CK）與低、中、高4個(gè)不同的多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，簡(jiǎn)稱PAHs）濃度：0.0（CK）、0.3、0.6、0.9 mg/L，分別脅迫菜心葉片上表皮（A1處理）和下表皮（A2處理），比較不同濃度的PAHs及脅迫部位對(duì)菜心生理特性的影響。結(jié)果表明，A1、A2處理均使菜心株高降低，且隨著處理濃度的增加，株高逐漸降低，A1處理比A2處理降低得更多。A1處理在高濃度PAHs處理下的葉綠素含量達(dá)到最大值，A2處理在低濃度PAHs處理下的葉綠素含量達(dá)到最大值。A1、A2處理的丙二醛（MDA）含量增加，且在中、高濃度下，A2處理比A1處理的MDA含量增加得更多。A1處理的可溶性蛋白含量有所增加，A2處理的中、低濃度可溶性蛋白含量有所減少，但與對(duì)照組相比無明顯差異。A1、A2處理的過氧化物酶（POD）和抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性均降低，且A2處理比A1處理的APX活性降低得更為明顯，A1、A2處理的過氧化氫酶（CAT）活性均增高。由結(jié)果可知，在不同濃度的PAHs和不同脅迫部位處理下，菜心的株高均降低，葉表比葉背處理降低得更多;用0.0～0.9 mg/L PAHs處理葉表和葉背，對(duì)菜心葉片葉綠素含量均有促進(jìn)作用。中、高濃度PAHs處理葉背比處理葉表的MDA含量增加得更多。PAHs處理對(duì)菜心可溶性蛋白含量無明顯影響。總體看出，在PAHs處理下，POD、APX活性降低，CAT活性提高，且處理葉背的APX活性降低得更為明顯。

關(guān)鍵詞：多環(huán)芳烴;菜心;上表皮;下表皮;生理特性

中圖分類號(hào)： TQ450.1+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）09-0175-04

多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarbons，簡(jiǎn)稱PAHs）是一類分子中包含2個(gè)及2個(gè)以上苯環(huán)的碳?xì)浠衔锏目偡Q，是有機(jī)物在沒有充分燃燒的條件下產(chǎn)生的，它是當(dāng)前自然環(huán)境污染與食品污染的罪魁禍?zhǔn)字籟1-3]。1979年美國環(huán)境保護(hù)局發(fā)布的129種優(yōu)先監(jiān)測(cè)的污染物中，就有16種是PAHs[4-7]。PAHs在環(huán)境中難以降解，由于它們具有半揮發(fā)性、脂溶性特點(diǎn)，因而可以通過大氣沉降作用經(jīng)過植物葉片進(jìn)入植物體內(nèi)或者進(jìn)入土壤中被植物根系吸收，并在植物體內(nèi)遷移、代謝和積累，進(jìn)而通過食物鏈危害人們的身體健康[8]。疏水性較強(qiáng)且亨利系數(shù)>10-4的有機(jī)污染物易從土壤中揮發(fā)至空氣中，進(jìn)而通過葉面吸收進(jìn)入植物體內(nèi)[9]。葉片對(duì)大氣中PAHs的吸收主要是通過蠟狀葉表面對(duì)大氣沉降物中顆粒態(tài)PAHs的攝取或者葉片角質(zhì)層和氣孔對(duì)氣態(tài)PAHs的吸收進(jìn)行的[10-11]。Howsam等研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片中的脂肪含量與葉表皮的蠟質(zhì)對(duì)親脂性PAHs的富集具有重要影響[12]。

目前，國內(nèi)外的研究多集中在PAHs的環(huán)境行為方面，關(guān)于PAHs對(duì)蔬菜影響的研究較少。菜心（Brassica campestris L. ssp. chinensis var. utilis Tsen et Lee）在我國華南地區(qū)分布較廣，本試驗(yàn)擬研究不同濃度PAHs脅迫菜心葉片上表皮、下表皮對(duì)菜心生理特性的影響，分析上表皮、下表皮吸收PAHs量的不同而導(dǎo)致菜心生理特性的差異，以期為評(píng)估菜心葉片上表皮、下表皮分別吸收PAHs后的生理特征響應(yīng)變化提供一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而為菜心乃至蔬菜PAHs污染物的防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

采用廣州市愛普農(nóng)農(nóng)業(yè)科技有限公司研制的超純種501柳葉油綠甜菜心品種為供試材料。選用廣州大觀農(nóng)化科技有限公司生產(chǎn)的泥炭作為基質(zhì)。營養(yǎng)液配方參考華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研究得出的葉菜類營養(yǎng)液配方[13]。PAHs混合液選用16種PAHs中的5種：萘（NAP）、菲（PHE）、熒蒽（FLA）、苯并（a）蒽（BaA）、苯并（a）芘（BaP）。10 mg/L PAHs混合液的配制方法如下：用精確度為0.1 mg的電子天平分別稱取 0.002 0 g 萘、菲、熒蒽、苯并（a）蒽、苯并（a）芘，加入丙酮進(jìn)行充分溶解并定容至1 L，將配制好的PAHs混合液裝入棕色瓶中密封保存，并放入4 ℃冰箱中保存?zhèn)溆?，使用時(shí)稀釋成0.3、0.6、0.9 mg/L濃度的溶液，以蒸餾水為對(duì)照。

1.2 試驗(yàn)方法

2017年2月22日將超純種501柳葉油綠甜菜心播種于廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院蔬菜基地的溫室大棚中，采用穴盤育苗。待菜心幼苗長至2葉1心時(shí)，定植于上口直徑15 cm、下口直徑13 cm、高16 cm的塑料花盆中，每盆種3株，采用盆栽基質(zhì)栽培，澆灌營養(yǎng)液。以后每7 d澆灌1次營養(yǎng)液，其他管理措施與常規(guī)栽培措施相同。3月31日用不同濃度的PAHs混合液分別對(duì)菜心葉片上表皮（A1處理）和下表皮（A2處理）進(jìn)行涂抹處理。隔2 d處理1次，共處理3次，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

最后1次處理完成后，第3天進(jìn)行株高的測(cè)定。之后采集菜心的地上部分帶回實(shí)驗(yàn)室，用清水清洗葉片表面并用濾紙吸干表面的水分。根據(jù)所測(cè)定生理指標(biāo)的需要，分別稱取葉片鮮樣并用錫箔紙包好，用液氮迅速冷卻后，置于-40 ℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

葉綠素含量采用丙酮提取法[14]測(cè)定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[14]測(cè)定，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法[15]測(cè)定，過氧化物酶（POD）活性采用氧化愈創(chuàng)木酚法[15]測(cè)定，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外分光光度法[15]測(cè)定，抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性采用Nakano等的方法[16]測(cè)定。每個(gè)處理重復(fù)測(cè)定3次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003進(jìn)行計(jì)算并制圖，根據(jù)制作的折線圖進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAHs脅迫對(duì)菜心株高的影響

由圖1可以看出，隨著PAHs處理濃度的增加，菜心的株高逐漸降低，A1處理組的株高在不同PAHs濃度下分別比對(duì)照組（CK）下降了5.36%、6.92%、7.59%，A2處理組的株高分別下降了5.01%、5.16%、6.92%，說明PAHs脅迫濃度越高，對(duì)株高的抑制作用越強(qiáng)，A1處理組的株高比A2處理組下降得更多，說明用PAHs處理上表皮比處理下表皮對(duì)菜心株高的抑制作用更強(qiáng)。處理組與對(duì)照組相比株高均明顯下降，各處理組間無明顯差異。

2.2 PAHs脅迫對(duì)菜心葉綠素含量的影響

由圖2、圖3、圖4可以看出，菜心葉片中的葉綠素a含量比葉綠素b含量高;隨著PAHs處理濃度的增加，A1處理組的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量都有上升的趨勢(shì)，在用 0.9 mg/L PAHs處理時(shí)，葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量達(dá)到最大值，分別比對(duì)照組升高了55.07%、44.19%、52.05%，并且在中濃度和高濃度處理之間無明顯差異。A2處理組的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在 0.9 mg/L PAHs處理下，葉綠素含量仍高于對(duì)照組，在 0.3 mg/L PAHs處理下，葉綠素含量達(dá)到最大值，分別比對(duì)照組升高了55.76%、79.63%、62.19%。以上結(jié)果說明，用 0.3～0.9 mg/L PAHs處理菜心葉片上表皮、下表皮，對(duì)菜心葉片葉綠素的含量都有促進(jìn)作用。

2.3 PAHs脅迫對(duì)菜心丙二醛含量的影響

丙二醛是膜脂過氧化作用最重要的產(chǎn)物之一，其含量在一定程度上反映了膜系統(tǒng)的受損程度及植物的抗逆性。由圖5可以看出，與對(duì)照組相比，A1處理組的丙二醛含量增加，且低濃度PAHs處理組明顯高于對(duì)照組，比對(duì)照組提高了 35.67%。隨著PAHs濃度的增加，A2處理組的丙二醛含量逐漸增加，高濃度PAHs處理組的丙二醛含量比對(duì)照組提高了59.06%。以上結(jié)果表明，在不同脅迫部位和不同PAHs濃度處理下，菜心葉片的丙二醛含量都增加了，可見用低濃度PAHs處理葉片上表皮和用高濃度PAHs處理葉片下表皮會(huì)對(duì)葉片的膜系統(tǒng)產(chǎn)生較大傷害。

2.4 PAHs脅迫對(duì)菜心可溶性蛋白含量的影響

植物體內(nèi)的可溶性蛋白大多是參與各種代謝活動(dòng)的酶類，其含量是反映植物總體代謝活動(dòng)的重要指標(biāo)之一。由圖6[CM（25*8]可以看出，與對(duì)照組相比，A1處理組的可溶性蛋白含量均

有增加，低、高濃度PAHs處理的可溶性蛋白含量分別比對(duì)照組提高了8.61%、9.84%。A2處理組的低、中濃度PAHs處理的可溶性蛋白含量低于對(duì)照組，0.6 mg/L PAHs組較對(duì)照下降了5.32%。由以上結(jié)果可知，用PAHs處理菜心葉片上表皮，可以使菜心葉片的可溶性蛋白含量增加，從而使植物總體代謝活動(dòng)增強(qiáng)。

2.5 PAHs脅迫對(duì)菜心POD活性的影響

由圖7可以看出，A1、A2處理組的POD活性與對(duì)照組相比都有所下降。當(dāng)A1處理組的PAHs濃度分別為0.3、0.6、0.9 mg/L時(shí)，POD活性分別比對(duì)照組下降了46.17%、45.87%、50.18%，低、中濃度處理組之間差異不明顯。A2處理組中的PAHs濃度為0.6 mg/L處理組的POD活性最低，比對(duì)照組下降了47.27%，而高濃度PAHs處理組的POD活性比對(duì)照組下降了29.50%，說明用PAHs脅迫菜心葉片上表皮、下表皮后，均使菜心的POD活性降低。與其他處理組相比，用 0.9 mg/L PAHs處理菜心葉片下表皮后，POD活性有所提高。

2.6 PAHs脅迫對(duì)菜心CAT活性的影響

由圖8可以看出，A1的低濃度、高濃度PAHs處理組的CAT活性均明顯高于對(duì)照組，分別比對(duì)照組提高了 42.22%、34.41%，與對(duì)照組相比，中濃度PAHs處理組的CAT活性略微上升，但是差異不明顯。A2處理組的CAT活性先升高后下降，在0.6 mg/L PAHs處理下的CAT活性達(dá)到最大值，比對(duì)照組提高了65.80%，且在此濃度下，A1、A2處理組間的CAT活性差異最明顯。分析以上結(jié)果可知，用低濃度和高濃度PAHs脅迫菜心葉片上表面，可以使葉片的CAT活性增強(qiáng);用0.6 mg/L PAHs脅迫菜心葉片下表面，對(duì)菜心CAT活性的促進(jìn)作用最強(qiáng)。

2.7 PAHs脅迫對(duì)菜心APX活性的影響

由圖9可以看出，A1、A2處理組的APX活性明顯低于對(duì)照組，且A2處理組比A1處理組的APX活性下降得更多。A1的中濃度PAHs處理的APX活性最低，比對(duì)照組降低了49.30%，低、高濃度PAHs處理之間差異不明顯。A2處理組中，低濃度PAHs處理的APX活性最低，比對(duì)照組下降了63.38%，隨著處理濃度的增加，APX活性有升高的趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

植物葉片的表皮可以分為上表皮和下表皮，植物葉片表皮由角質(zhì)層覆蓋，起著保護(hù)葉片和降低水分揮發(fā)損失的作用，一般上表皮具有比下表皮更厚的角質(zhì)層。角質(zhì)層由角質(zhì)和覆蓋于角質(zhì)上的蠟質(zhì)共同構(gòu)成[17]。植物的角質(zhì)層在化學(xué)組成上主要是一些脂肪物質(zhì)，這些囤積于葉片表面的脂肪物質(zhì)是揮發(fā)半揮發(fā)性有機(jī)污染物進(jìn)入植物體內(nèi)的主要途徑[18]。由此可知，植物葉片上表皮含有的脂肪物質(zhì)比下表皮的多，葉片上表皮吸收的揮發(fā)、半揮發(fā)性有機(jī)污染物比下表皮的多。植物葉片上也分布著較多的氣孔，一般而言陽生植物葉片的下表皮上有較多的氣孔，有機(jī)污染物也可以通過氣孔途徑進(jìn)入植物體內(nèi)[17]。大多數(shù)揮發(fā)、半揮發(fā)性有機(jī)污染物主要通過角質(zhì)層被吸收進(jìn)入植物葉片中，通過氣孔吸收的量微不足道[19-20]。Barber等研究發(fā)現(xiàn)，角質(zhì)層較難穿透，且氣孔密度較高時(shí)，氣孔的吸收途徑相對(duì)重要;而當(dāng)角質(zhì)層極易穿透時(shí)，氣孔的作用幾乎為零[21]。

本研究分析了用不同濃度PAHs脅迫菜心葉片上下表皮對(duì)菜心生理特性的影響。結(jié)果表明，PAHs脅迫對(duì)菜心株高有一定的抑制作用，隨著濃度的增加，菜心株高逐漸降低。處理葉片上表皮比處理葉片下表皮對(duì)菜心株高的降低作用更大，可能是由于菜心葉片上表皮比下表皮含更多的脂肪，吸收的PAHs較多，因而對(duì)株高的抑制作用更強(qiáng)。用高濃度PAHs處理葉片上表皮和用低濃度PAHs處理葉片下表皮對(duì)菜心葉片葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素含量均有明顯的促進(jìn)作用，當(dāng)處理葉片下表皮的PAHs濃度在0.3 mg/L以上時(shí)，葉綠素含量有下降趨勢(shì)，而葉片上表皮處理組的葉綠素含量仍然升高，說明在一定的PAHs濃度范圍內(nèi)，處理上表皮比處理下表皮使菜心葉片葉綠素含量增加得更多。

用不同濃度PAHs處理菜心葉片上表皮和下表皮，均使菜心葉片內(nèi)的MDA含量增加，導(dǎo)致葉片膜脂過氧化，并且用PAHs處理菜心葉片下表皮時(shí)，隨著處理濃度的增加，膜脂過氧化增強(qiáng)，膜受損傷的程度增強(qiáng)?？扇苄缘鞍拙哂休^強(qiáng)的親水膠體性質(zhì)，能夠影響細(xì)胞的保水力，植物可以通過可溶性蛋白的主動(dòng)積累來降低滲透勢(shì)，進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)[22]。在菜心葉片上表皮、下表皮分別受到PAHs脅迫后，處理葉片上表皮的菜心可溶性蛋白含量有所增加，處理下表皮的則相反?？赡苡捎谏媳砥ぜ?xì)胞受到脅迫后，細(xì)胞滲透勢(shì)增強(qiáng)，可溶性蛋白含量增加而降低了其滲透勢(shì)。

當(dāng)植物處于逆境條件時(shí)，會(huì)導(dǎo)致活性氧在體內(nèi)的過量積累，從而對(duì)植物造成傷害。而植物體為了保護(hù)自身免受活性氧的傷害，形成了內(nèi)源保護(hù)系統(tǒng)，包括植物細(xì)胞膜的酶保護(hù)系統(tǒng)、非酶抗氧化劑[23]。本研究表明，菜心葉片上表皮、下表皮受到PAHs脅迫后，葉片中的POD、APX活性均降低，并且處理下表皮比處理上表皮后APX活性降低得更明顯，原因可能是在逆境環(huán)境下，菜心葉片中的POD、APX作用于PAHs脅迫產(chǎn)生的H2O2，將其轉(zhuǎn)化為其他活性較低的物質(zhì)，從而使植株能夠正常生長，且下表皮受到PAHs脅迫后，APX發(fā)揮保護(hù)機(jī)體的作用更加明顯。用PAHs處理菜心葉片上表皮和下表皮均使CAT活性提高，且處理下表皮的CAT活性先升高后降低，說明用0.0～0.6 mg/L PAHs處理菜心下表皮對(duì)CAT的活性有一定的促進(jìn)作用，而高濃度PAHs使CAT蛋白受到了破壞或產(chǎn)生了抑制作用。

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