重金屬Cu2+脅迫對綠豆生理生化指標(biāo)的影響

莊楓紅 張曉娟

摘要 [目的]探究重金屬Cu2+對綠豆幼苗生長發(fā)育的影響，以期為進(jìn)一步研究重金屬Cu2+對植物生長發(fā)育的毒害機(jī)制提供參考。[方法]綠豆在水培（1/2 Hoaglands營養(yǎng)液）條件下，外源添加0，100，200，400，600 mg/L的CuSO4進(jìn)行脅迫處理，測定其對綠豆幼苗株高和鮮重，葉片葉綠素含量、丙二醛含量、可溶性糖含量以及抗氧化酶活性的影響。[結(jié)果]隨著Cu2+濃度的增加，綠豆幼苗的平均株高和平均鮮重受抑制程度逐漸升高，其中最高抑制率分別為45.4%和53.8%;Cu2+脅迫下的綠豆葉片葉綠素含量均高于對照組，呈先上升后下降的趨勢;丙二醛及可溶性糖含量隨Cu2+濃度增加而升高，最高增長率分別為132%和80.9%;綠豆葉片受到Cu2+脅迫后，其抗氧化酶活性均有不同程度的升高，SOD、POD及 CAT活性最高增長分別為對照的2.36，2.29和2.53倍。[結(jié)論]綠豆幼苗在受到重金屬Cu2+脅迫時(shí)，其生長被顯著地抑制，葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)受到損傷，但其葉綠素、可溶性糖含量及抗氧化酶活性升高，表現(xiàn)出一定的抗性。

關(guān)鍵詞 綠豆;Cu2+脅迫;生長發(fā)育;生理生化指標(biāo)

Abstract [Objective] Mung bean was used as material to explore the effects of heavy metal Cu2+ on its growth and development，so as to provide reference for further studying of the toxic mechanism of heavy metal Cu2+ on plant growth and development.[Method] Under the condition of water culture （1/2 Hoaglands nutrient solution），different concentrations of? CuSO4 （0，100，200，400，600 mg/L） were added for stress treatment，and the effects of CuSO4 on the plant height and fresh weight of mung bean，the content of chlorophyll，malondialdehyde and soluble sugar and the antioxidant enzyme activity of leaves were measured.[Result]With the increase of Cu2+ concentration，the inhibition degree of the average plant height and fresh weight of mung bean increased gradually，and the highest inhibition rate was 45.4% and 53.8% respectively.The chlorophyll content of mung bean leaves in the stress treatment group was higher than that in the control group，which showed a trend of increasing at first and decreasing later.The content of malondialdehyde and soluble sugar increased with the increase of Cu2+ concentration，with the highest growth rates of 132% and 80.9% respectively.Besides，the antioxidant enzyme activity of mung bean leaves increased when treated with Cu2+.The highest activity of SOD，POD and CAT rose 2.36，2.29 and 2.53 times，respectively.[Conclusion]Under the stress of heavy metal Cu2+，the growth of mung bean was significantly inhibited and the cell membrane system was damaged，but the contents of chlorophyll，soluble sugar and antioxidant enzyme activity increased，showing certain resistance.

Key words Mung bean;Cu2+ stress;Growth and development;Physiologicalbiochemical characteristic

隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平快速增長，人們的生活水平得到不斷提高。但同時(shí)污水灌溉、大氣沉降、農(nóng)藥及化肥的使用、礦產(chǎn)資源的開發(fā)等造成了嚴(yán)重的土壤重金屬污染。據(jù)報(bào)道，我國受農(nóng)藥和重金屬污染的耕地面積已達(dá)上千萬公頃，主要集中在長三角、珠三角以及東北地區(qū)[1]。其中珠三角地區(qū)部分城市約有40%的農(nóng)田土壤重金屬污染超標(biāo)[2]。重金屬元素Cu是植物生長所必須的微量元素，低濃度的Cu有利于植物的生長，然而，當(dāng)土壤中Cu污染嚴(yán)重時(shí)，高濃度的Cu會(huì)對植物的生長造成毒害。有研究表明，高濃度Cu抑制黑麥草的根系長度以及葉綠素合成[3]。蓖麻葉片中的MDA含量和細(xì)胞膜透性在高濃度Cu處理后顯著升高[4]。一定濃度的Cu脅迫下，水稻和小麥種子的萌發(fā)、幼苗的生物量、根長及葉綠素含量均受到顯著抑制，幼苗丙二醛含量顯著升高[5]。

綠豆又名青小豆，在世界各熱帶、亞熱帶地區(qū)廣泛栽培，是廣受歡迎的藥食兩用作物，也是我國傳統(tǒng)的豆類作物，在我國已經(jīng)有2 000多年的栽培史。綠豆生長周期短、適應(yīng)性強(qiáng)，籽粒蛋白質(zhì)含量高、脂肪含量低，食用綠豆有降壓、消暑

等保健功能。近年來，隨著人們生活質(zhì)量的提高以及飲食健康觀的轉(zhuǎn)變，人們對綠豆的需求逐漸增加。綠豆的生長發(fā)育受到溫度、水分等條件的影響，備受關(guān)注的重金屬污染對綠豆的生長也有明顯的影響[6]。有研究表明，Cd2+脅迫導(dǎo)致綠豆葉片凈光合速率降低，DNA含量降低[7]。Hg2+和Pb2+污染能夠抑制綠豆種子的萌發(fā)和幼苗的生長[8]。然而，重金屬Cu2+對綠豆生長發(fā)育影響的相關(guān)研究較少。本研究以綠豆為研究對象，探討不同濃度的CuSO4對綠豆幼苗生長，抗氧化酶活性以及幼苗傷害程度的影響，為進(jìn)一步深入了解重金屬對綠豆生長的毒害機(jī)制提供參考，也為重金屬污染的綜合治理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)所用綠豆種子購自廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蔬菜所。

1.2 試驗(yàn)方法

選取籽粒飽滿的綠豆種子，用5%次氯酸鈉溶液消毒5 min，蒸餾水沖洗5次，待用。取干凈的培養(yǎng)盒，內(nèi)鋪3層干凈濾紙，分別加入15 mL 含有0、100、200、400、600 mg/L CuSO4的1/2Hoaglands 營養(yǎng)液，選取100粒大小一致的綠豆種子均勻擺在培養(yǎng)盒中，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)平行實(shí)驗(yàn)組。將培養(yǎng)盒放入溫度25 ℃，濕度60%，光照度4 000 lx的光照恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)7d，期間每天更換1次營養(yǎng)液。處理第8 d測量綠豆幼苗株高、鮮重，綠豆幼苗葉片的葉綠素、丙二醛、可溶性糖含量以及抗氧化酶活性。

1.3 測定指標(biāo)及方法

植株株高的測量和鮮重的稱量采用常規(guī)法，用直尺測量株高，用電子天平稱植株鮮重。采用乙醇提取法測定葉綠素含量;采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量;采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量;采用氮藍(lán)四唑法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性;采用愈創(chuàng)木酚比色法測定過氧化物酶 （POD）活性;采用紫外吸收法測定過氧化氫酶 （CAT）活性[9-10]。

1.4 數(shù)據(jù)分析 采用 Excel 2003 整理數(shù)據(jù)并借助Graphpad 5 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，多組間采用One Way ANOVA分析（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cu2+脅迫對綠豆幼苗生長的影響

株高和鮮重是衡量植物生長狀態(tài)的重要指標(biāo)。由圖1可知，隨著Cu2+濃度的增加，綠豆幼苗的生長逐漸受到抑制。100、200、400、600 mg/L Cu2+脅迫處理的綠豆平均株高均顯著小于對照（CK），分別降低15.2%、22.0%、35.1%和45.4%。綠豆幼苗鮮重也隨著Cu2+濃度的升高而顯著降低，分別降低16.7%，26.9%，39.1%和53.8%。結(jié)果表明，重金屬Cu2+對綠豆幼苗的生長具有抑制作用。試驗(yàn)組中最低濃度的Cu2+對綠豆生長也具有一定的抑制效果，說明綠豆生長所需要的Cu2+低于100 mg/L。

2.2 不同濃度Cu2+脅迫對綠豆葉片葉綠素含量的影響

植物的光合作用離不開葉綠素，光合作用的強(qiáng)弱關(guān)系到植物體內(nèi)有機(jī)物合成的多少。由圖2可知，處理組綠豆葉片葉綠素含量均高于對照，隨著Cu2+濃度的增加，綠豆葉片葉綠素含量呈先增加后降低趨勢，當(dāng)Cu2+濃度達(dá)到400 mg/L時(shí)，處理組葉綠素含量達(dá)到最高，比對照組增加47.7%。由此可知，低濃度的Cu2+對綠豆葉片中葉綠素的積累具有促進(jìn)作用。葉綠素含量的增加有利于合成更多的有機(jī)物來抵抗Cu2+帶來的毒害，說明綠豆對重金屬Cu2+帶來的脅迫具有一定的抗逆性。當(dāng)Cu2+濃度增加到600 mg/L時(shí)，葉綠體結(jié)構(gòu)受到破壞，葉綠素含量下降，光合作用受阻。

2.3 不同濃度Cu2+脅迫對綠豆葉片丙二醛含量的影響

丙二醛（MDA）是細(xì)胞膜脂過氧化的產(chǎn)物之一，植物體內(nèi)MDA積累的量越多，膜脂過氧化的程度就越大。由圖3可知，隨著Cu2+濃度的增加，MDA的含量呈逐漸增加趨勢，與對照相比，不同Cu2+濃度處理的MDA含量分別增加29.8%、68.9%、91.3%和132%。低濃度Cu2+處理的MDA含量有所增加，但未達(dá)到顯著水平，當(dāng)Cu2+濃度達(dá)到200 mg/L時(shí)，丙二醛含量顯著高于對照。由此可知，隨著Cu2+脅迫增強(qiáng)，綠豆葉片MDA含量升高，葉片膜脂過氧化程度逐漸加大。

2.4 不同濃度Cu2+脅迫對綠豆葉片可溶性糖含量的影響

可溶性糖是植物體光合作用的產(chǎn)物，為植物的生命活動(dòng)提供能量，也可作為滲透調(diào)節(jié)劑維持細(xì)胞內(nèi)滲透平衡?？扇苄蕴呛吭黾涌梢越档椭亟饘賹C(jī)體的毒害，從而提高植物體的抗逆能力。由圖4可知，隨著Cu2+濃度的增加，綠豆葉片中可溶性糖含量逐漸增加。與對照相比，不同濃度Cu2+處理的綠豆葉片可溶性糖含量分別增加10.8%、30.3%、58.6%和80.9%。低濃度的Cu2+處理與對照無顯著差異，當(dāng)Cu2+濃度達(dá)到200 mg/L時(shí)，綠豆葉片可溶性糖含量顯著增加。結(jié)果表明，隨著Cu2+脅迫程度增大，綠豆葉片合成更多的可溶性糖來提供能量，維持細(xì)胞滲透平衡，抵抗Cu2+毒害。

2.5 不同濃度Cu2+脅迫對綠豆葉片抗氧化酶活性的影響

當(dāng)植物受到逆境脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)活性氧的含量增多，植物體內(nèi)進(jìn)化形成的抗氧化酶系統(tǒng)可以一定程度地清除活性氧，從而減輕對植物產(chǎn)生的傷害。SOD、POD和CAT是重要的抗氧化酶。其中，SOD可以將細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的超氧陰離子自由基，生成H2O2，POD和CAT再進(jìn)一步催化H2O2分解為無毒的H2O和O2。由圖5可知，與對照相比，當(dāng)綠豆幼苗受到Cu2+脅迫時(shí)，隨著Cu2+濃度的增加，綠豆葉片SOD、POD及CAT酶活性均呈上升趨勢，在Cu2+濃度最高時(shí)3種酶的酶活性達(dá)到最高值，分別是對照的2.36、2.29和2.53倍。其中，低濃度Cu2+處理（100 mg/L）的CAT活性與對照無顯著差異，高濃度的Cu2+處理與對照差異顯著。由此可知，綠豆幼苗受到Cu2+脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)SOD、POD和CAT活性升高，體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧得到較好地清除，減輕綠豆幼苗受到的傷害，說明綠豆對重金屬Cu2+污染具有一定的抗性。