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重金属是全球环境最严重的污染物之一,毒性强,难缓解,不仅能导致植物氧化伤害、代谢紊乱甚至死亡,并且能通过食物链的生物放大作用危害人类身体健康。因此,重金属对植物毒害的机理以及提高植物抗重金属胁迫能力的研究越来越引起人们的关注。多胺(Pas)是植物体内普遍存在的一类脂肪族含氮碱,是调控植物生长、发育的重要活性物质。有关Pas与植物抗旱、抗盐关系的研究较多,然而对于外源Pas缓解水生植物重金属胁迫的研究却甚少。
本文以分布广泛的沉水植物—菹草(Potamogeton crispus L)、浮水植物—菱(Trapa bispinosa Roxb.)和挺水植物—凤眼莲(水葫芦)(Eichhornia crassipes(Mart.)Solms)为材料,以植物非必需金属元素—Cr(六价)为胁迫因子,将植物培养在人工模拟的含有这种典型重金属的污水中,运用生理生化测定、透射电镜、荧光仪等实验手段,较全面系统地研究了水生植物抗重金属胁迫机理以及外源Pas对水生植物重金属胁迫的缓解效应和机理。研究结果表明:
(1)不同处理浓度Cr6+(0、1、10、30和50 mg·L-1)胁迫7d后,菹草叶片内①总叶绿素、叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a/b、荧光参数(Fv/Fm、Fm和Fv/Fo)呈不同程度的下降趋势,Fo先升后降;②可溶性蛋白、谷胱甘肽(GSH)含量和抗坏血酸(AsA)含量均表现为先升后降:③超氧化物歧化酶(SOD)活性逐渐下降,而过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)活性均呈先升后降趋势;④O2·-产生速率、丙二醛(MDA)和可溶性糖含量均表现先降后升趋势;⑤电镜观察发现:随着Cr6+浓度的增加,对细胞超微结构的损伤也加剧,表现为叶绿体膨胀,被膜破裂,类囊体片层解体;线粒体嵴数目减少,呈空泡状。
(2)研究了不同浓度Cr6+(0、1、10、30和50 mg·L-1)对菱叶片叶绿素含量、叶绿素荧光参数、可溶性蛋白、丙二醛含量、可溶性糖含量、谷胱甘肽含量、抗坏血酸含量和活性氧含量的毒害影响。结果表明,随着Cr6+浓度的增加,①菱叶片叶绿素含量、Fv/Fm、Fm和Fv/Fo逐渐下降,Fo先升后降;②可溶性蛋白含量先升后降,GSH和AsA含量均逐渐下降;③SOD活性逐渐下降,而POD、CAT、APX和GR活性均呈先升后降趋势;④O2·-产生速率、MDA和可溶性糖含量均呈上升趋势。Cr6+破坏了菱的正常生理活动的结构基础和离子平衡,并造成功能紊乱。这些都是Cr6+对菱产生毒害的重要原因。
(3)研究了外施0.1 mmg·L-1亚精胺(Spd)对不同处理浓度Cr6+(0、0.5、1、2、4 mmol·L-1)胁迫下凤眼莲Pas含量、活性氧(ROS)水平和MDA含量的影响。在Cr6+处理下:随着Cr6+浓度的增大,腐胺(Put)含量逐渐增多,亚精胺(Spd)和精胺(Spm)含量逐渐降低,O2-产生速率先降后升,MDA含量逐渐升高。外施Spd延缓Put含量的上升、Spd和Spm含量的下降速度。外施Spd还可以延缓O2·-产生速率和MDA含量的上升趋势。这些都说明多胺可以清除自由基,并且Spd和Spm的清除能力要大于Put,而过量积累的Put会使植物出现形态学的伤害。Pas本身即是高效的抗氧化剂,能保护细胞膜、核酸和不饱和脂肪酸免遭氧化损伤。轻度重金属胁迫可能通过合成多胺等途径保持了较低水平的活性氧,使细胞膜免受伤害:但随着胁迫时间的延长,多胺合成受到抑制,O2·-产生速率进入速升阶段,MDA含量和质膜透性迅速增大,表明重金属胁迫下多胺积累的消长与活性氧的产生和质膜性质改变密切相关。因此,外施Spd可以在一定程度上增加内源多胺的含量,进而可以提高水生植物的抗重金属胁迫的能力,起到缓解作用。