铅胁迫对2种三峡库区消落带适生植物生理特性及铅积累的影响

1、 铅胁迫对2种三峡库区消落带适生植物生理特性及铅积累的影响 摘要：为了对三峡库区消落带铅污染土壤、水体植物修复提供参考和阐明铅胁迫对三峡库区消落带适生植物狗牙根（Cynodon dactylon(Linn.)Pers）、双穗雀稗（Paspalum Distichum L ）2种草本植物的毒害机制，采用水培实验，模拟三峡库区长江水体Pb2+污染环境，在Hoagland营养液中加入不同浓度的Pb2+（Pb(NO3)2），研究了铅胁迫对2种适生草本植物生长、叶绿素含量、超氧化物歧化酶( SOD)、过氧化物酶( POD) 、过氧化氢酶（CAT）活性和铅富集的影响。结果表明，低浓度铅能促进狗牙根和双穗雀

2、稗植株生长，增加新芽数、新根数和叶绿素含量；高浓度铅导致狗牙根和双穗雀稗新芽数、新根数和叶绿素含量下降。在铅浓度<20mg/L(狗牙根)和10mg/L（双穗雀稗）时，铅处理导致2 种草本植物叶片中POD和CAT 活性都增加，但是当铅浓度20mg/L(狗牙根)和10mg/L（双穗雀稗）时，铅抑制叶片中POD和CAT 活性，而SOD活性随着铅浓度的增加一直下降。这说明，在铅胁迫下，2种草本植物为了清除过多的活性氧，通过抗氧化系统的应激反应形成一个应急系统，以增强植株的抗逆性，减少重金属的毒害作用。在铅浓度为20mg/L(狗牙根)和10mg/L（双穗雀稗）时，狗牙根和双穗雀稗SOD、POD及C

3、AT活性分别为对照的-2.87%、121.02%、46.23%和-8.68%、69.89%、91.48%。2种草本植物地上部分和地下部分铅含量随着铅处理浓度的增高而增加，狗牙根和双穗雀稗地上部分和地下部分富集系数平均值分别为9.15、59.28和14.32、26.26，转运系数平均值分别为0.44、0.42。在铅污染的土壤、水体植物修复中，狗牙根具有一定的潜在应用价值，是三峡库区消落带环境修复优良物种。关键词 铅, 胁迫,适生植物,生理特性 ,铅积累 三峡工程举世瞩目，三峡库区日益频繁的农药化肥的大量施用以及采矿、冶炼、加工、废弃物处置等，加快了重金属在大气、土壤、水体和生态系统中的循环，直接

4、威胁人类的居住环境和健康。铅是重金属中的重要代表。因此，研究铅污染土壤和水体修复新技术具有重 要意义利用超积累植物对重金属的富集特性而进行植物修复，具有廉价、高效和安全等特点，已经成为土壤、水体中重金属污染研究领域的一项新兴技术(张太平等，2003)。目前自然界中存在的超积累植物分布受地域局限，种类稀少，并且生物量低，因此，从植物资源中筛选富集重金属能力较强、生物量高的植物将成为植物修复技术的一条新思路 铅是植物的非必需营养元素，但植物根系能够吸收铅，低浓度铅处理对植物影响较小，而高浓度铅会改变植物细胞膜透性（任安芝等，2000），破坏叶绿体、线粒体等亚显微结构，干扰植物体中酶的活性，影响植物

5、呼吸作用、光合作用和多种代谢活动，从而直接或间接地影响植物的生长发育（Van Assche et al,1990;宋勤飞等，2004）。 近年来，各国环境科学工作者在耐铅植物筛选方面做了大量研究已经发现了17种超积累植物（李东旭等，2011），我国相继发现了圆叶遏蓝菜（ Thlasp irotundifolium）、苎麻（Boehmeria nivea（L.）Gaud.）、东南景天（Sedum alfredii Hance）、蜈蚣草（Pteris vittata L.）、鬼针草（Bidens bip innata）、木贼（ Equisetum hiemale L.）和香附子（Txus rotu

6、ndus L.）等（李东旭等，2011）。但它们不是三峡库区消落带的适生植物。长期研究发现，狗牙根和双穗雀稗（Paspalum Distichum）适合生长在三峡库区消落带，既固土、又耐水淹和干旱，生长快，生物量高，是三峡库区消落带植被恢复与重建的优良物种（刘云峰等，2005），然而关于狗牙根和双穗雀稗对重金属铅污染土壤、水体修复和对铅的富集特性的研究相对缺乏本研究以狗牙根和双穗雀稗为试验材料，采用水培试验，在不同外源铅含量水平的营养液上，分析了2 种适生草本植物的生长状况、铅富集效应，以期为阐明植物遭受铅胁迫的毒害机制和铅污染土壤、水体的植物修复提供理论依据，为三峡库区消落带植被重建过程中物

7、种的筛选及生物修复技术提供科学依据。1材料与方法1.1 材料 实验植物狗牙根（Cynodon dactylon(Linn.)Pers）和双穗雀稗（Paspalum Distichum）均采自于三峡库区万州牌楼消落带，选取生物量大致相同的幼苗，采回后，先移栽到土壤中培养直至长出新叶。移出培养后的植株，先后用自来水、去离子水冲洗狗牙根、双穗雀稗根、茎数次，直至去离子水中检测不出Pb2+后,放于装有65ml的Hoagland营养液的广口试剂瓶中水培培养。1.2 方法 以Hoagland营养液为稀释液，一次性加入Pb(NO3)2，使溶液中含Pb量（以纯Pb计算）分别为0mg/L、10mg/L、20mg

8、/L、40mg/L和80 mg/L，在装有65ml的Hoagland营养液的广口试剂瓶中分别加入上述处理液。保持24h连续通气，白天移到室外充分光照，每天观察。若瓶中液体量减少则进行补充，每五天更换带有重金属的营养液。实验设三个重复，共15个组。都在培养22d后，取植株第2-3叶（从上到下），测定各项生理生化指标。植株生长30天后，收获植物，测定地上（下）部分铅含量，并计算富集系数和转运系数。富集系数= 植物地上或地下部分铅含量/营养液中铅含量转运系数= 地上部分铅含量/根中铅含量1.3 测试项目与方法1.3.1 植物生理指标叶绿素含量采用丙酮一乙醇分光光度法（郝建军，2004）；过氧化物酶（

9、POD）、超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定：购买南京建成生物工程研究所的试剂盒测定；过氧化氢酶（CAT）活性的测定：采用分光光度法（李合生，2000）测定。 1.3.2 植物样品中重金属铅含量的测定将30d后的狗牙根和双穗雀稗用去离子水洗净后根、茎分离，并在4060鼓风干燥箱中烘干。干燥后称重, 将根、茎剪碎后放入磨砂研钵内研磨至大小、粗细均匀的粉末，精确称取0.2000g样品，加入浓HNO3：浓H2SO4=4：1，同时做空白组；将以上溶液在MARS240微波消解系统（美国CEM公司）消解后，移入塑料瓶中保存,用AA-6300原子吸收分光光度计（日本岛津公司）测定样品Pb2+含量。单位为mg

10、/Kg干重。1.4 数据处理 利用SPSS12.0软件进行实验数据处理和分析2 结果与分析2.1 铅胁迫对2种消落带适生草本植物生长的影响铅胁迫对狗牙根和双穗雀稗生长都有一定的影响，从表1 可以看出，随着Pb2+离子浓度的增大狗牙根和双穗雀稗的生长都呈现先升后降的趋势：Pb2+浓度小于20 mg/L（狗牙根） 表1.不同浓度Pb2+处理对两种草本植物生长的影响 Tale1 Effects of Pb2+stress on growth of two herbaceous plantsTreatmentsPb2+/mg/Lnew root numbernew bud numberCynodon

11、dactylon0571068208940568004Paspalum Distichum0341087205440428000 和 10 mg/L（双穗雀稗）时，新发芽数及新根数多于空白组，20 mg/L（10 mg/L）时最大；当Pb2+浓度达到80 mg/L时均生长缓慢，到第30d 死亡；说明低浓度的Pb2+对狗牙根和双穗2.2 铅胁迫对2种适生草本植物叶绿素含量的影响营养液中铅对叶绿素含量的影响与其生长的变化趋势基本相似。如图1可知;狗牙根和双穗雀稗经过铅胁迫后，叶片叶绿素含量在铅低浓度时增加，而随着铅浓度增加叶绿素含量又减少。叶绿素含量呈现先增后递减，各处理间差异显著（P<0.

12、05），其相关系数分别是：-0.539和-0.587。当狗牙根生长在10-20mg/L铅处理的营养液中，其叶绿素含量均比对照高，以20mg/L铅处理的叶绿素含量最高，比对照增加59.03%。而双穗雀稗却以10 mg/L铅处理的叶绿素含量最高，达1.675mg/g,比对照增加59.22%。说明在一定浓度范围内，铅具有促进叶绿素合成的作用，只是不同植物最适浓度不同。当营养液中铅处理浓度均达到80mg/L时，2种植物叶绿素含量都明显降低，分别比对照降低40.2%(狗牙根)和42.99%（双穗雀稗）。植物形态上也有明显变化，表现为植株矮化，叶色变淡甚至出现黄花现象，以双穗雀稗表现较为明显。因此，双穗雀

13、稗叶绿素对铅胁迫较为敏感，而狗牙根叶绿素相对稳定，说明狗牙根对铅胁迫有较强的抵抗能力。 图1 Pb2+ 胁迫对2种草本植物叶绿素含量的影响Fig1 Effects of Pb2+ stress on activities of chlorophyll content in leaves of two plants2.3 铅胁迫对2种适生草本植物超氧化物歧化酶( SOD) 、过氧化物酶( POD)和过氧化氢酶（CAT）活性的影响POD、SOD、CAT共同组成一个有效的活性氧清除酶系统，是植物适应多种逆境胁迫的重要酶类，被称为植物保护酶系统。在植物受到逆境胁迫时，它们可以协同清除植物体内的自由基，

14、从而保护膜系统。高浓度Pb2+胁迫下三者的平衡被打破，植物体内自由基含量上升，影响植物体正常生长，使之出现毒害症状（徐勤松等，2001；周长芳等，2001）。 SOD是重要的活性氧清除酶，在逆境胁迫下，如在重金属胁迫下，植物体内产生大量的活性氧自由基，为了保护细胞免受活性氧胁迫的伤害，SOD能及时有效的清除自由基。SOD 活性的变化可以较好地反映植物遭受逆境胁迫的状况图2可知，狗牙根和双穗雀稗在正常的生长条件下，SOD活性存在一定的差异，随着营养液中外源铅浓度的增加，2种适生草本植物的SOD活性逐渐下降，并低于对照，而且各处理间差异显著（P<0.05），SOD活性与铅浓度呈负相关，相关系

15、数分别是-0.367（狗牙根）和-0.973*（双穗雀稗）。在铅浓度小于20mgL时，狗牙根和双穗雀稗SOD活性分别比对照降低10.28%和14.81%。在铅浓度达到80mgL狗牙根和双穗雀稗SOD活性急剧下降，分别比对照降低62.17%和44.14%。这说明在铅胁迫浓度较低时，植物体内SOD 活性降低较慢，而当铅浓度增加到一定量时，SOD活性迅速降低植株SOD活性明显受到抑制，因此铅对植株叶片SOD活性毒害作用较大。 图2 Pb2+ 胁迫对2种草本植物SOD 活性的影响Fig2 Effects of Pb2+ stress on activities of SOD in leaves of

16、two plants POD和SOD一样，也是植物抗氧化系统中重要的酶。它能将SOD的歧化产物H2O2分解成H2O。严重的逆境可能诱使植物产生更多的过氧化物，增强POD的活性。因此，较高的POD活性可以反映植物组织受到破坏和损害的程度。随着营养液中外源铅浓度的增加，狗牙根和双穗雀稗叶片内POD活性先增加后下降，而且各处理间差异显著（P<0.05），见图3。狗牙根和双穗雀稗POD活性与外源铅浓度呈正相关，相关系数分别为0.899*和0.799。当铅含量为一定量（狗牙根20mg/L，双穗雀稗10mg/L）时，狗牙根和双穗雀稗的POD活性达到最大值，分别比对照增加120.02%和69.89%。

17、当铅含量超过20 mg / L（狗牙根）和10 mg / L（双穗雀稗）时，2 种草本植物的POD 活性迅速下降，说明在同样的铅污染环境中，狗牙根比双穗雀稗具有较强的抵御能力此时铅胁迫超出了植物的耐受能力图3 Pb2+胁迫对2种草本植物POD 活性的影响Fig3 Effects of Pb2+ stress on activities of POD in leaves of two plants CAT可促使H2O2分解为分子氧和水，清除体内的过氧化氢。随着营养液中外源铅浓度的增加，狗牙根和双穗雀稗叶片内CAT活性先增加后下降，而且各处理间差异显著（P<0.05），见图4。狗牙根和双穗雀

18、稗CAT活性与外源铅浓度相关系数分别为0.178和0.536。当铅含量为一定量（狗牙根20mg/L，双穗雀稗10mg/L）时，狗牙根和双穗雀稗的CAT活性均达到最大值，分别比对照增加46.23%和91.48%。当铅含量超过一定量（狗牙根20mg/L，双穗雀稗10mg/L）时，2种植物CAT活性都下降。说明狗牙根比双穗雀稗具有较强的耐受能力，此时铅胁迫超出了植物的耐受能力。 图3 Pb2+胁迫对2种草本植物CAT活性的影响Fig3 Effects of Pb2+ stress on activities of CAT in leaves of two plants2.4 铅在2种适生草本植物体内

19、的积累和分布情况随着营养液中外源铅浓度的增加，狗牙根和双穗雀稗2种草本植物地上部分和地下部分铅积累的浓度明显上升，而且各处理间差异显著（P<0.05），见表2。相关分析表明，狗牙根和双穗雀稗这2种草本植物地上部、地下部铅积累浓度与营养液中外源铅浓度呈正相关，相关系数分别为0.985*、0.975*和0.905*、0.902*。但无论外源铅浓度高或低，2种草本植物地上部铅浓度都低于地下部，这说明根部积累的铅只有部分转移到地上部分。耐性植物选择的重要指标之一是植物对重金属的吸收分布情况，富集系数反映了植物对重金属的富集能力，转运系数则反映了重金属在植物体内的运输和分布情况。狗牙根和双穗雀稗地

20、上部和地下部富集系数平均值分别为9.15、59.28和14.32、26.26，说明这2种植物对铅富集能力狗牙根大于双穗雀稗。狗牙根和双穗雀稗2种草本植物转运系数平均值分别是0.44、0.42，表明狗牙根能较快地将吸收的铜向地上部分转运，但双穗雀稗转运铜的能力相对较低。因此在三峡库区消落带铅污染的土壤、水体上种植狗牙根和双穗雀稗，狗牙根的修复效果较好。 表2 Pb2+在2种草本植物体内的积累和分布情况1） tale2 Pb2+ concentration and distribution in two herbaceous plants under Pb2+ stressTreatmentsPb

21、2+concentration(mg/L)Shoots(mg.kg-1)Roots(mg.kg-1)translocation factors accumulation factorsshootsroots Cynodon dactylon017.25±0.34e28.48±0.37e0.6110102.25±3.27d103.30±2.74d0.9910.2310.3320249.73±2.05c1062.78±2.38c0.2312.4953.1440252.02±2.03b1709.63±1.75b0.156

22、.3042.7480807.36±2.89a3033.76±1.49a0.207.5937.92Paspalum Distichum051.20±0.28e74.80±0.26e0.6010170.30±2.83d410.56±2.54d0.2417.0341.0620238.12±1.67c551.30±1.69c0.1111.9127.5740746.75±2.44b753.88±2.94b0.9918.6718.8580773.43±2.49a1084.47±2.67a

23、0.199.6713.561）同列具有不同字母上标者为差异显著（P<0.05）The different normal letters in the same column indicated significant difference among different treatments（P<0.05）3 讨论 铅影响植物的生长发育（牛之欣等，2010）,本研究表明，低浓度铅胁迫能够提高狗牙根和双穗雀稗新根数和新芽数，但当铅浓度超出一定范围时，新根数和新芽数降低。狗牙根对铅的耐受性强于双穗雀稗，这体现了不同植物对铅的耐受性不同，这与前人的研究结果相同（胡霭堂，2003；Dixi

24、t V et ai)。叶绿素是光合作用的主要色素，其含量的高低直接标志着植物生长能力的强弱。低浓度铅胁迫促进叶绿素形成，而高浓度则抑制叶绿素形成（牛之欣等，2010）。本研究也获得了同样的结论，即低浓度铅胁迫对狗牙根和双穗雀稗叶绿素形成均有促进作用，而高浓度铅则表现抑制作用。SOD、POD和CAT组成植物抗氧化酶系统，其活性直接影响到活性氧的生成代谢。高活性抗氧化酶有利于提高植物对各种生物及非生物胁迫的耐受性(胡霭堂，2003)。本研究表明，低浓度铅处理，对2种草本植物POD和CAT活性均有增加的作用，而高浓度铅处理则表现抑制作用，致使POD和CAT降低，但SOD活性随着铅浓度的增加，逐渐降低

25、，低于对照处理。这说明，铅对植株叶片SOD活性毒害作用较大，植株SOD活性受到抑制明显；随铅浓度的增加，POD活性呈上升的趋势，可能是由于铅胁迫对狗牙根和双穗雀稗POD活性起到了诱导作用；CAT 活性升高的原因可能是由于SOD活性增加，歧化反应的生成产物H2O2增加，为了对过量的H2O2作出应激反应，致使植物体内CAT活性上升。当铅含量超过某一值时，表现为POD和CAT活性下降，而SOD活性一直下降，这表明，在重金属胁迫下，为了清除过多的活性氧，增强植株的抗逆性，减少重金属的毒害作用，植株可通过抗氧化系统的应激反应，形成一个应急系统。随着重金属浓度增加，重金属铅将钝化植株保护酶的活性，最终造成

26、活性氧防御系统的瓦解，致使植物生理代谢紊乱，加速细胞的衰老和死亡，对植物产生抑制效应甚至毒害作用 (Sharma D C et al1996;Pandey V et al 2005) 在铅胁迫下，与双穗雀稗比较，狗牙根有较高的POD和CAT活性，表明狗牙根有较强的耐铅能力。在本研究中，狗牙根和双穗雀稗对铅的富集量随外源重金属铅含量的增加而增大 但是2 种草本植物富集于根中的铅浓度比地上部分( 茎、叶) 多，这与前人的研究结果一致(邱喜阳等，2008） 依据Baker 等（ Baker A J M et al,1983;Panda S K et al,2007)提出的参考值,铅超积累的临界含量为

27、植株地上部的含量达到1 000mg / kg在本试验中，当外源铅处理浓度是80mg/L时，二者地上和地下部分富集铅浓度达最高，其中狗牙根地上、地下部分富集铜浓度达最高，分别为807.36 和3033.76 mg / kg，说明这2 种草本植物都不属于超富集植物狗牙根和双穗雀稗这2种草本植物物转运系数平均值分别为0.44、0.42，表明狗牙根能较快地将吸收的铅向地上部分转运，但双穗雀稗转运铅的能力相对较低。综上所述，在三峡库区消落带重金属铅污染土壤、水体治理中，结合环境绿化，狗牙根有一定的潜在应用价值。5 结论 （1）低浓度铅胁迫增加2种适生草本植物新根数和新芽数、叶绿素含量、POD 和CAT活

28、性，而高浓度却具有抑制作用，而SOD活性则随着Pb2+浓度的增加呈下降趋势。说明，在铅胁迫下，狗牙根和双穗雀稗可通过抗氧化酶系统的应激反应形成一个应急系统，用以清除过多的活性氧，减少重金属的毒害作用，增强植株的抗逆性。并且不同的植物最适浓度不同随着重金属浓度增加,最终造成活性氧防御系统瓦解，活性氧数量迅速增加而使得抗氧化酶活性降低,重金属的毒害作用开始显现。 (2) 虽然2 种适生草本植物对铅的富集都没有达到超富集植物的标准，但从耐铅能力、植株富集铅量和长期耐干旱及水淹等方面综合考虑，在铅污染土壤和水体的植物修复中，狗牙根具有潜在的应用价值，是三峡库区消落带环境修复优良物种 参考文献： 张太平

29、，潘伟斌(2003) 根际环境与土壤污染的植物修复研究进展生态环境 12,3136任安芝,高玉葆,刘爽(2000).铬、镉、铅胁迫对青菜叶片几种生理生化指标的影响.应用与环境生物学 报 6,112-116.Van Assche F, Clijsters H(1990). Effects of metal on enzyme activity in plantsJ. Plant Cell & Environment 13,195-206.宋勤飞,樊卫国(2004).铅胁迫对番茄生长及叶片生理指标的影响.山地农业生物学报 23,134-138.李东旭，文雅(2011).超积累植物在重金属污

30、染土壤修复中的应用.科技情报开发与经济 21,177-180. 刘云峰, 刘正学(2005). 三峡水库消落区极限条件下狗牙根适生性试验.西南农业大学学报(自然科学 版) 27,661-663郝建军(2004)植物生理学试验技术沈阳：辽宁科学技术出版社.pp.82-92李合生(2000)植物生理生化试验原理和技术北京：高等教育出版社pp.65-71徐勤松, 施国新, 杜开和，等(2001).镉胁迫对水车前叶片抗氧化酶系统和亚显微结构的影响.农村生态环境 17, 30-34.周长芳，吴国荣，施国新，等(2001).水花生抗氧化系统在抵御Cu2+ 胁迫中的作用.植物学报 43,389-394.牛之

31、欣,孙丽娜,孙铁珩(2003).水培条件下四种植物对Cd、Pb 富集特征.生态学杂志 29,261-268.胡霭堂(2003)植物营养学(下册)北京：中国农业大学出版社.pp.13-135 Dixit V，Pandey V，Shyam R(2002).Chromium ions inactivate electron transport and enhance superoxide generation in vivo in pea( Pisum sativum L cv Azad) root mitochondria Plant，Cell Environment 25,687-693 Sha

32、rma D C，Sharma C P(1996)Chromium uptake and toxicity effects on growth and metabolic activities in wheat，Triticum aestivum Lcv UP Indian journal of experimental biology 34,689-691 Pandey V，Dixit V，Shyam R(2005) Antioxidative responses in relation to growth of mustard ( Brassica juncea cv Pusa Jaikis

33、an) plants exposed to hexavalent chromium Chemosphere 61,40-47 邱喜阳,许中坚,史红文,等(2008).重金属在土壤一空心菜系统中的迁移分配.环境科学研究 2l,187-192. Baker A J M，Brooks R R，Pease A J，et al(1983) Studies on copper and cobalt tolerance in three closely related taxa within the genus Silence L ( Caryophyllaeeae ) from Zaine Plant a

34、nd Soil 73,377-385 Panda S K(2007) Chromium-mediated oxidative stress and ultrastructural changes in root cells of developing rice seedlingsJournal of Plant Physiology 164,1419-1428Effect of Pb2+ Stress on Physiological Characteristics of Two Plants and Their Pb2+ Uptake Abstract :In order to provid

35、e a theoretic foundation for phytoremediation of Pb-contaminated soil 、water,elucidate the toxic mechanisms of Cynodon dactylon(Linn.)Pers，Paspalum Distichum L under chromiumPb2+stress,water culture method was conducted to investigate the effects of heavy metal ChromiumPb2+.Pb(NO3)2was added into Ho

36、agland solution to imitate Pb2+ polluted water environment and the effects of Pb2+on plant growth，the contents of chlorophyll、the activities of superoxide dismutase ( SOD) 、peroxide enzyme ( POD) 、catalase (CAT) 、 Pb uptake and distribution in two plants.The result showed that the new bud 、root numb

37、er and the chlorophyll content of Cynodon dactylon and Paspalum Distichum were increased under lower pb2+ concentrationsHowever，lower new bud 、root number and the chlorophyll content were observed for the higher Pb2+concentrations.The activities of POD and CAT were increased under 20 mg/L (Cynodon dactylon)and 10 mg/L(Paspalum Distichum ) Pb2+，but the activities of POD and CAT were decreased above 20 mg/L (Cynodon dactylon)and 10 mg/L(Paspalum Distichum ) Pb2+.The activity of SOD of Cynodon dactylon and Pa