司衛(wèi)靜，原海燕，韓玉林，①，許 敏

〔1.江西財經大學藝術學院園林系江西省生態(tài)環(huán)境實驗教學示范中心，江西南昌330032;2.江蘇省·中國科學院植物研究所(南京中山植物園)，江蘇南京210014〕

近年來，由于工礦業(yè)的發(fā)展使得大量的有害重金屬不斷流入人類的生存和生活環(huán)境。重金屬鉛(Pb)對環(huán)境有顯著毒性，具有極強的累積性和不可逆性，在環(huán)境中滯留時間很長，Pb污染難以治理且能夠對人類健康產生極大危害［1］，因而，研究Pb對植物生長和生理的影響具有重要的理論和實踐意義。目前，有關Pb污染對植物影響方面的研究多采用水培法［2-4］，實驗條件與植物的實際生長環(huán)境差別較大，研究結果具有一定的局限性。

多數豆科(Fabaceae)植物具有耐高溫、耐貧瘠和較抗旱的特性，不但可為人類提供高質量的植物性蛋白質，而且可通過生物固氮作用增加土壤的含氮量、提高土壤肥力。當前很多國家都很重視豆科植物對重金屬的耐受性研究，并取得了一系列的研究成果［5-6］?？姼？〉龋?］對16株分離自蘭坪鉛鋅尾礦區(qū)的豆科植物根瘤菌進行了Pb耐性研究，結果表明大多數菌株具有良好的Pb耐性。香豌豆(Lathyrus odoratus Linn.)是一種觀賞價值很高的豆科植物，在園林綠化中應用廣泛，目前尚未見有關其Pb耐性方面的研究報道。

作者以香豌豆幼苗為實驗材料，研究了土壤中添加不同質量濃度Pb對香豌豆幼苗部分生長和生理生化指標的影響，以期為探討豆科植物對重金屬Pb的耐性機制及其對Pb污染環(huán)境的修復功能提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 材料

供試香豌豆種子為當年自然結實的種子，購于江蘇連云港蘇北花卉園藝公司。

1.2 方法

1.2.1 幼苗培養(yǎng)及Pb處理方法 采用 Han等［8］的方法培養(yǎng)香豌豆幼苗。選擇生長健壯、長勢一致的幼苗(株高約5 cm)栽植于規(guī)格為10 cm×15 cm的塑料花盆中，每盆種植3株苗;盆內套2層塑料袋以避免土壤中Pb的流失，栽培基質為質量相同且已消毒的園土(用質量體積分數 0.15%HgCl2溶液消毒5 min)，Pb以Pb(NO3)2形式一次性加入園土中;土壤中Pb的質量濃度分別設置為0(CK)、150、300、450和600 mg·kg-1，每處理3盆，每盆視為1次重復。實驗期間每隔2天澆1次水。

1.2.2 生長及生理生化指標的測定 脅迫處理48 d后取出每一處理的所有植株，用自來水沖洗干凈后再用蒸餾水洗凈全株，吸干表面水分后用于各項生長和生理生化指標的測定。

從每一處理的各重復中任意選取2株苗，用直尺分別測量幼苗的株高(最長葉的長度)和根長(最長根的長度)，結果取平均值。將幼苗分為地上部分和地下部分，置于105℃殺青2 h，然后于60℃條件下干燥至恒質量，分別稱取地上部分和地下部分的干質量，并計算耐性指數。

分別取香豌豆幼苗地上部分和地下部分相同部位的鮮樣測定各項生理指標。采用Zhou等［9］的方法測定相對電導率;參照李合生［10］的方法測定脯氨酸(Pro)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性和過氧化物酶(POD)活性;參考 Kampfenkel等［11］的方法測定抗壞血酸(AsA)含量;參考Ma等［12］的方法測定谷胱甘肽(GSH)含量。

1.3 數據計算和統(tǒng)計分析

按以下公式計算耐性指數:耐性指數=(處理組根長/對照組根長)×100%。應用Excel 2007和SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件對實驗數據進行統(tǒng)計和方差分析(ANOVA)，并采用鄧肯氏新復極差法對實驗數據進行差異顯著性分析。

2 結果和分析

2.1 Pb脅迫對香豌豆幼苗生長指標的影響

不同質量濃度Pb脅迫條件下香豌豆幼苗株高、根長、地上部分和地下部分干質量以及耐性指數的變化見表1。

由表1可以看出:隨土壤中Pb質量濃度的提高，香豌豆幼苗的株高和根長基本呈不斷下降的趨勢。在Pb質量濃度為450和600 mg·kg-1的脅迫條件下香豌豆幼苗的株高和根長與對照均有顯著差異(P＜0.05)，其中，在 Pb質量濃度為600 mg·kg-1的條件下香豌豆幼苗的株高和根長均最低，較對照分別降低24.0%和 27.5%。

由表1還可見:隨土壤中Pb質量濃度的提高，香豌豆幼苗的地上部分與地下部分干質量也均呈現逐漸下降的趨勢，且各處理組與對照均有顯著差異(P＜0.05)。在600 mg·kg-1Pb脅迫條件下，香豌豆的生長受到顯著抑制，其地上部分和地下部分的干質量分別比對照降低42.9%和35.7%。

在Pb脅迫條件下，各處理組的耐性指數均低于對照，且隨Pb質量濃度的提高，香豌豆幼苗的耐性指數表現為低質量濃度時增加、高質量濃度時降低的變化趨勢。在300 mg·kg-1Pb脅迫條件下，香豌豆的耐性指數較對照降低幅度最小，僅下降6.04%，說明低質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗生長的影響不大;而在600 mg·kg-1Pb脅迫條件下，香豌豆的耐性指數降低幅度最大，較對照下降27.51%，說明高質量濃度Pb脅迫條件下香豌豆對Pb的耐性降低，香豌豆幼苗生長受到明顯抑制。

2.2 Pb脅迫對香豌豆幼苗生理生化指標的影響

2.2.1 對相對電導率和脯氨酸含量的影響 不同質量濃度Pb脅迫條件下香豌豆幼苗地上和地下部分相對電導率和脯氨酸(Pro)含量的變化見表2。

從實驗結果(表2)可以看出:與對照相比，在不同質量濃度Pb脅迫條件下香豌豆幼苗地上部分和地下部分的相對電導率均隨Pb質量濃度的提高呈逐漸增加的趨勢。其中，150和300 mg·kg-1Pb處理組的相對電導率與對照無顯著差異(P＞0.05);而在450和600 mg·kg-1Pb脅迫條件下，幼苗地上和地下部分的相對電導率均顯著高于對照 (P＜0.05)，其中，600 mg·kg-1Pb處理組地上和地下部分的相對電導率分別較對照增加65.3%和59.3%，說明在較高質量濃度Pb脅迫條件下，香豌豆的細胞膜受到較為嚴重的破壞。

表1 不同質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗生長指標的影響(±SD)1)Table 1 Effect of Pb stress with different mass concentrations on growth indexes of Lathyrus odoratus Linn.seedlings(±SD)1)

表1 不同質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗生長指標的影響(±SD)1)Table 1 Effect of Pb stress with different mass concentrations on growth indexes of Lathyrus odoratus Linn.seedlings(±SD)1)

1)同列中不同的小寫字母表示經鄧肯氏新復極差檢驗差異顯著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference by Duncan’s new multiple range test(P＜0.05).

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表2 不同質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗不同部位相對電導率和脯氨酸含量的影響(±SD)1)Table 2 Effect of Pb stress with different mass concentrations on relative electric conductivity and proline content in different parts of Lathyrus odoratus Linn.seedlings(±SD)1)

表2 不同質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗不同部位相對電導率和脯氨酸含量的影響(±SD)1)Table 2 Effect of Pb stress with different mass concentrations on relative electric conductivity and proline content in different parts of Lathyrus odoratus Linn.seedlings(±SD)1)

1)同列中不同的小寫字母表示經鄧肯氏新復極差檢驗差異顯著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference by Duncan’s new multiple range test(P＜0.05).

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由表2還可見:在不同質量濃度Pb脅迫條件下，香豌豆幼苗地上部分和地下部分的Pro含量均呈低濃度時降低、高濃度時增加的變化趨勢。150和300 mg·kg-1Pb處理組地上部分和地下部分的Pro含量均顯著低于對照(P＜0.05)，且在300 mg·kg-1Pb脅迫條件下地上部分和地下部分的Pro含量均達最低，分別較對照降低8.0%和36.4%。隨Pb質量濃度的提高，地上部分和地下部分的Pro含量呈大幅增加的趨勢，其中600 mg·kg-1Pb處理組的Pro含量均顯著高于對照(P＜0.05)。表明較高質量濃度Pb脅迫可誘導香豌豆體內Pro的積累以便提高植株的相對抗性，但較高質量濃度的Pb脅迫也可能導致其體內滲透調節(jié)物質的代謝失調，并最終影響植株的生長。

2.2.2 對SOD和POD活性的影響 不同質量濃度Pb脅迫條件下香豌豆幼苗地上和地下部分SOD和POD活性的變化見表3。

表3 不同質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗不同部位SOD和POD活性的影響(±SD)1)Table 3 Effect of Pb stress with different mass concentrations on SOD and POD activities in different parts of Lathyrus odoratus Linn.seedlings(±SD)1)

表3 不同質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗不同部位SOD和POD活性的影響(±SD)1)Table 3 Effect of Pb stress with different mass concentrations on SOD and POD activities in different parts of Lathyrus odoratus Linn.seedlings(±SD)1)

1)同列中不同的小寫字母表示經鄧肯氏新復極差檢驗差異顯著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference by Duncan’s new multiple range test(P＜0.05).

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實驗結果(表3)表明:在不同質量濃度Pb脅迫條件下香豌豆幼苗地上部分和地下部分的SOD活性均高于對照，總體上與對照有顯著差異(P＜0.05)。在300 mg·kg-1Pb脅迫條件下香豌豆幼苗地上部分和地下部分的SOD活性分別僅較對照增加29.3%和19.2%;隨Pb質量濃度的提高，地上和地下部分的SOD活性總體上呈逐漸增加的趨勢，在600 mg·kg-1Pb脅迫條件下達到最高且顯著高于對照和其他處理組(P＜0.05)，分別較對照增加 80.2% 和 39.9%。說明Pb脅迫對香豌豆幼苗葉片的保護酶系統(tǒng)未造成明顯的傷害，這可能與Pb脅迫刺激了抗氧化酶的生物合成有關;隨Pb脅迫的增強SOD對香豌豆細胞的保護作用也隨之增強，表明SOD在香豌豆耐Pb過程中可能起到重要作用。

由表3還可見:在不同質量濃度Pb脅迫條件下香豌豆幼苗地上部分和地下部分的POD活性均高于對照，總體上與對照有顯著差異(P＜0.05)。在150～450 mg·kg-1Pb脅迫條件下，地上部分和地下部分的POD活性均隨Pb質量濃度的提高呈逐漸增加的趨勢，且450 mg·kg-1Pb處理組地上和地下部分的POD活性均達到最高，分別較對照增加43.6%和68.8%，說明在此濃度下香豌豆幼苗對Pb脅迫有較強的響應，POD活性的提高表明其體內抗氧化酶保護體系啟動以保護香豌豆幼苗免受Pb脅迫的進一步傷害。然而，在Pb質量濃度為600 mg·kg-1的脅迫條件下，香豌豆幼苗地上部分和地下部分的POD活性均顯著下降(P＜0.05)，說明高質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗的保護酶系統(tǒng)造成破壞。

2.2.3 對谷胱甘肽和抗壞血酸含量的影響 不同質量濃度Pb脅迫條件下香豌豆幼苗地上部分和地下部分谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(AsA)含量的變化見表4。

從實驗結果(表4)可以看出:在150 mg·kg-1Pb脅迫條件下，香豌豆幼苗地上部分和地下部分的GSH含量均高于對照，分別比對照增加13.2%和6.0%;在450和600 mg·kg-1Pb脅迫條件下，香豌豆幼苗地上部分和地下部分的GSH含量均顯著低于對照以及150和300 mg·kg-1Pb 處理組(P＜0.05)，其中，在600 mg·kg-1Pb脅迫條件下，香豌豆幼苗地上部分和地下部分的GSH含量均最低，與對照相比分別下降22.6%和38.0%。說明高質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗地上部分和地下部分GSH的積累有顯著抑制作用，導致其抗氧化能力降低?？梢?低質量濃度Pb脅迫可促進香豌豆體內GSH的合成和積累，而高質量濃度Pb脅迫則對其有抑制作用。

由表4還可見:隨Pb質量濃度的提高，香豌豆幼苗地上和地下部分的AsA含量呈低質量濃度條件下增加、高質量濃度條件下降低的趨勢，但均與對照無顯著差異(P＞0.05)。其中，在300 mg·kg-1Pb脅迫條件下，香豌豆地上和地下部分的AsA含量均最高，但分別僅比對照增加9.7%和8.9%;在600 mg·kg-1Pb脅迫條件下，香豌豆地上和地下部分的AsA含量水平與對照基本一致。實驗結果說明低質量濃度Pb脅迫對香豌豆體內AsA的合成和積累有一定的誘導作用，而高質量濃度Pb脅迫對AsA的合成及積累無明顯的抑制作用。

表4 不同質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗不同部位谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(AsA)含量的影響(±SD)1)Table 4 Effect of Pb stress with different mass concentrations on glutathione(GSH)and ascorbic acid(AsA)contents in different parts of Lathyrus odoratus Linn.seedlings(±SD)1)

表4 不同質量濃度Pb脅迫對香豌豆幼苗不同部位谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(AsA)含量的影響(±SD)1)Table 4 Effect of Pb stress with different mass concentrations on glutathione(GSH)and ascorbic acid(AsA)contents in different parts of Lathyrus odoratus Linn.seedlings(±SD)1)

1)同列中不同的小寫字母表示經鄧肯氏新復極差檢驗差異顯著(P＜0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference by Duncan’s new multiple range test(P＜0.05).

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3 討論和結論

Pb是土壤中的主要重金屬污染元素之一。已有的研究結果表明:適量的Pb能夠促進植物生長，但過量的Pb可導致植物體內Pb累積并對植物造成毒害作用，嚴重時可導致植株死亡［1，3］。干物質含量直接反映了植物的產出能力，是重金屬脅迫條件下分析植物生長狀況的重要參考指標之一。本研究結果表明:在不同質量濃度Pb脅迫條件下，各處理組香豌豆幼苗的株高、根長以及地上部分和地下部分的干質量均低于對照，而且隨土壤中Pb質量濃度的提高總體上呈現逐漸降低的趨勢。說明在Pb脅迫條件下香豌豆幼苗的生長均受到一定的影響，由此也可以看出，香豌豆對Pb脅迫的耐性并不強，其耐性指數的變化也說明了這一點。

實驗結果顯示:Pb脅迫使香豌豆的膜系統(tǒng)受到損傷，導致細胞內電解質外滲;隨Pb質量濃度的提高，相對電導率呈上升趨勢;在600 mg·kg-1Pb脅迫條件下香豌豆地上和地下部分的相對電導率顯著高于對照，說明其膜系統(tǒng)受到明顯的損害。脯氨酸(Pro)是植物細胞內重要的滲透調節(jié)物質，與植物體內活性氧自由基的清除以及細胞膜脂過氧化程度的減輕密切相關［13］;而香豌豆體內Pro含量也均隨Pb質量濃度的提高呈逐漸增加的趨勢，與細胞膜系統(tǒng)的損傷趨勢基本一致。

超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)是植物體內清除氧自由基的酶類，重金屬脅迫誘發(fā)植物體內的活性氧含量增加，也使其體內SOD和POD活性隨之增強，以有效減輕活性氧對植物體的傷害程度［13］。在本實驗中，香豌豆幼苗的SOD活性隨著Pb質量濃度的提高而增強，說明在Pb脅迫條件下，香豌豆清除自由基的能力增強，從而提高植株的抗逆能力。重金屬脅迫下植物體內POD活性的提高在一定程度上可以減輕細胞受毒害的程度。本實驗中，在Pb質量濃度低于450 mg·kg-1的脅迫條件下隨Pb質量濃度的提高香豌豆幼苗地上和地下部分的POD活性不斷升高，而當Pb質量濃度繼續(xù)升高時POD活性降低，說明香豌豆對Pb脅迫的耐性是有限的，當Pb質量濃度過高時細胞內的POD合成受到影響，表明植物體受到明顯的傷害。

谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(AsA)是普遍存在于植物體內的水溶性抗氧化成分，在植物抗氧化脅迫、清除活性氧自由基等方面都具有重要作用［12］。本實驗結果表明:低質量濃度(150 mg·kg-1)Pb脅迫對香豌豆體內GSH的合成有促進作用，而高質量濃度Pb脅迫則抑制GSH的合成，從而導致香豌豆的抗氧化能力降低，生長也受到抑制［14］。本實驗結果還證實:在較低質量濃度Pb脅迫條件下，AsA在增強香豌豆抗Pb性方面發(fā)揮了重要作用;而高質量濃度Pb脅迫下AsA含量僅略有下降，說明香豌豆對Pb脅迫具有一定的耐性。總體上看，Pb脅迫導致香豌豆體內產生大量的活性氧自由基，打破了活性氧產生與清除的平衡，致使體內的活性氧不能及時清除，最終導致植株受到傷害［15］。

經過綜合分析可見:在不同質量濃度Pb脅迫條件下，香豌豆植株的生物量、膜系統(tǒng)的完整性及透性、保護酶的活性和活性氧的代謝均受到不同程度的影響，但總體上表現出對低濃度Pb脅迫具有一定的耐性，可用于輕度Pb污染環(huán)境的修復。

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