铜胁迫对黄瓜幼苗光合色素、保护酶及膜透性的影响

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摘    要：为深入研究铜胁迫对黄瓜幼苗的影响，试验以‘鲁春32’黄瓜品种为试材，设置0，2，8，16，32 μmol·L-1 5个 铜梯度，通过日光温室沙培的方式对黄瓜幼苗进行胁迫处理，测定黄瓜幼苗光合色素含量（叶绿素a和叶绿素b）、保护酶活性[超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）]及细胞膜透性[丙二醛（MDA）]等相关指标。结果表明，随铜浓度的增加，黄瓜幼苗叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a+b）和类胡萝卜素含量及SOD、POD、CAT和APX活性均呈现先升高后降低的单峰变化趋势，其中光合色素含量均于铜浓度2 μmol·L-1时值达到最大值，而保护酶活性依次于8，8，2，8 μmol·L-1时达到最大值;MDA含量则表现出先降低再升高的变化趋势，且在铜浓度2 μmol·L-1时最低，较对照（0  μmol·L-1）降低8.98%。综合而言，本试验所设的铜浓度梯度，2 μmol·L-1处理对黄瓜幼苗光合色素含量的增加、细胞膜结构的稳定及保护酶活性的提高有一定的促进作用，但8 μmol·L-1及以上的浓度处理均产生不利影响。

关键词：铜胁迫;黄瓜;光合色素;保护酶;膜透性

中图分类号：S642.2         文献标识码：A           DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2019.08.002

Abstract： The effects of copper stress on photosynthetic pigments content， protective enzymes activity and membrane permeability of cucumber seedlings were studied by using "Luchun 32" cucumber cultivars as test materials. 5 copper concentrations including 0， 2， 8， 16， 32 μmol·L-1 were set， the photosynthetic pigment content （chlorophyll a and chlorophyll b）， protective enzyme activity [superoxide dismutase （SOD）， peroxidase （POD）， catalase （CAT） and ascorbic acid peroxidase （APX）] and membrane permeability [malondialdehyde （MDA）] of cucumber seedlings were determined. The results showed that with the increasing of copper concentration， the content of chlorophyll a， chlorophyll b， chlorophyll （a+b） and carotenoids， and the activity of SOD， POD， CAT， and APX were first increasing and then decreasing， which the maximum value of photosynthetic pigment content was at the treatment of 2 μmol·L-1 copper concentration， and the maximum value of protective enzyme activities were at the treatments of 8， 8， 2， 8 μmol·L-1 copper concentration， respectively; the MDA content decreased first and then increased， and the minimum value was at the treatment of 2 μmol·L-1 copper concentration， which was 8.98% lower than the control（0  μmol·L-1）. In the copper concentrations gradients of the experiment， the treatment of 2 μmol·L-1 copper concentration could promote the photosynthetic pigments content， cell membrane structure stability and protective enzyme activity in cucumber seedlings， but when copper concentration was 8 μmol·L-1 or more， the negative effects to cucumber seedlings were occurred.

Key words： copper stress; cucumber; photosynthetic pigments; protective enzymes; membrane permeability

铜是植物生长发育必需的微量元素，是多种酶的重要组成部分，对于维持植物的新陈代谢有重要作用[1]。但植物本身对铜的需求范围较窄，稍微过量的铜就会对植物造成毒害，如叶片皱缩失绿、植株矮小、品质降低等[2]。而銅又具有累积性的特点，使得铜被吸收后很难被代谢到植株体外，进一步加重了铜对植物的毒害[3]。在现实生产生活中，工业“三废”的排放，高铜杀菌剂、杀虫剂和除草剂的大量使用，及食用高铜饲料的牲畜粪便大量涌入农田，致使许多农田铜含量超标，既影响了农作物的产量和品质，又造成了环境污染[4]。当前有关铜污染在园林作物[5]、粮食作物[6]的研究报道较多，在蔬菜方面的报道较少，而有关铜污染对黄瓜的影响更是鲜见报道。

黄瓜是我国人民喜食的蔬菜作物，一年四季均有较大的市场需求，复种指数高，化肥和农药投入量大，化肥和农药的残留使土壤中尤其是日光温室土壤中的铜不断得到积累[7]，对黄瓜品质及食用安全带来隐患。但我国人口众多，粮食供应压力较大，很难通过休耕等方式来保证蔬菜供应的安全。因此，进行铜胁迫对黄瓜生理方面的研究，对于确保其食用安全及保证营养品质有重要意义。

本试验通过研究不同强度的铜胁迫对黄瓜幼苗光合色素、保护酶和膜透性的影响，以探寻黄瓜对铜的耐受范围，为进一步探究铜对黄瓜的伤害机理提供数据参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试黄瓜品种为‘鲁春32’。

1.2 试验设计

试验于2018年3月在商丘市农林科学院双八试验站日光温室内进行。将自根苗黄瓜在基质穴盘中培养至2叶1心，选取长势一致的幼苗，用清水洗去根部基质，栽培于长60 cm、宽50 cm、高20 cm的栽培槽内，栽培槽内填充洗净、消毒后的河沙，每槽栽培6株，每处理3个栽培槽，作为3次重复。移栽后，浇灌Hoagland营养液进行自适应培养4 d，放出营养液，再分别浇灌Cu2+含量（以纯Cu计）为0，2，8，16，32 μmol·L-1的Hoagland营养液作为5个铜浓度梯度的处理，其中0  μmol·L-1。铜浓度用CuSO4·5H2O配制，用H2SO4调节pH值至5.5～6.5范围内。每6 d更换1次营养液，铜胁迫培养10 d后测定黄瓜幼苗光合色素含量、保护酶活性和丙二醛（Malonaldehyde，MDA）含量。

1.3 测定项目及方法

采用乙醇丙酮浸提法测定叶绿素含量[8]。采用硫代巴比妥酸（TBA）法测定MDA含量，分别采用愈创木酚法、NBT还原法、高锰酸钾滴定法和紫外分光光度法测定超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）、过氧化氢酶（Catalase，CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）活性[9]。

1.4 数据分析

用DPS6.55软件进行统计分析，通过Microsoft excel 2007进行制图。

2  结果与分析

2.1 铜胁迫对黄瓜幼苗叶片光合参数的影响

由表1可知，随着铜胁迫强度的增加，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a+b）和类胡萝卜素均呈现先升高再显著降低的变化趋势，且均于铜浓度2 μmol·L-1时达到最大值，其中叶绿素a和叶绿素（a+b）含量显著高于对照（P<0.05），而叶绿素b和类胡萝卜素含量与对照差异不显著（P>0.05），在铜浓度8，16，32 μmol·L-1时，光合色素指标均显著低于对照（P<0.05），说明低浓度的铜能促进黄瓜幼苗叶片光合色素合成，但超过阈值后则会抑制其合成。

2.2 铜胁迫对黄瓜幼苗叶片MDA含量的影响

由图1可以看出，随着铜胁迫强度的增加，黄瓜幼苗叶片MDA含量呈先降低再显著升高的变化趋势，在2 μmol·L-1时达到最小值，与对照差异显著（P<0.05），且二者均显著低于其他浓度处理（P<0.05），这说明低浓度的铜胁迫不会对黄瓜叶片细胞膜的完整性造成损伤，而超过阈值则会随着胁迫浓度的增加加剧黄瓜叶片细胞膜的损伤。

2.3 铜胁迫对黄瓜幼苗叶片保护酶活性的影响

由表2可知，随着铜浓度的增加，SOD、POD、CAT和APX活性均呈先升高后显著降低的趋势，且分别于8，8，2，8 μmol·L-1时达到最大值，均显著高于对照（P<0.05）。其中，SOD和POD活性在2，

16 μmol·L-1处理与对照差异均不显著（P>0.05），在32 μmol·L-1处理显著低于对照（P<0.05）;CAT活性在8 μmol·L-1处理与对照差异不显著（P>0.05），16，32 μmol·L-1处理显著低于对照（P<0.05）;APX活性在2 μmol·L-1处理与对照差异不显著（P>0.05），而16 ，32 μmol·L-1处理分别显著高于和低于对照（P<0.05）。

3 结论与讨论

叶绿素是绿色植物进行光合作用的色素，其含量高低可表征植物光合性能的强弱。储玲[10]等研究指出，三叶草经铜处理后，叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素（a+b）和类胡萝卜素含量均在铜浓度低于10 mg·L-1时增高，然后随铜浓度增加而递减。本试验结果表明，叶绿素含量在低浓度（0～2 μmol·L-1）的铜胁迫下呈增加趋势，高浓度（8～32 μmol·L-1）的铜胁迫下呈降低趋势，可能是因为低铜胁迫下植物体可通过重金属结合蛋白束缚一部分重金属离子，避免了重金属毒害，而铜含量较高时，铜能取代叶绿体中蛋白质巯基上的Mg2+、Zn2+、Fe2+，使蛋白质失活，叶绿素分解加快[11]。

当植株遭受重金属胁迫时，保护酶SOD、POD、CAT和APX的活性升高，提高活性氧清除速度，以清除活性氧对机体的毒害[12]，维持细胞稳态[13]。本试验结果表明，黄瓜幼苗叶片SOD、POD、CAT和APX活性随铜胁迫强度的增加呈现先升高再降低的变化趋势，这可能是因为在一定铜胁迫范围内，抗氧化酶系统可通过提高保护酶活性来有效清除机体内积累的活性氧，如SOD可通过Haber-Weiss反应清除植物体内多余O2 -，而当重金属胁迫强度达到一定阈值，超出保护酶清对活性氧的清除能力时，活性氧开始大量积累，细胞膜在活性氧的作用下发生膜脂过氧化反应，细胞膜结构受损[14]。

细胞膜的主要功能是调节和控制细胞内外正常的物质运输和交换，常被用来作为评定植物对污染物反应的指标。细胞膜主要是由双层磷脂和蛋白质构成，含有大量不饱和脂肪酸，而植物在遭受重金属胁迫时产生的自由基对细胞膜上的不饱和脂肪酸有氧化作用，使细胞膜结构受损，金属离子进入细胞内对植物造成毒害作用。MDA是膜脂過氧化的重要产物，是重金属胁迫的一个普遍反应[15]。本试验条件下，当铜浓度高于8 μmol·L-1时，MDA含量逐渐增加，这可能是因为较高强度的铜胁迫破坏了活性氧保护酶系统，使活性氧大量产生并积累，诱发膜系统产生膜脂过氧化反应，MDA含量随之升高;8 μmol·L-1的浓度虽然提高了SOD、POD等保护酶的活性，但MDA含量的显著升高，说明这一浓度的铜胁迫已对黄瓜幼苗叶片造成很大的氧化损伤。

参考文献：

[1]潘瑞炽.植物生理学[M].第4版.北京：高等教育出版社，2001.

[2]李华.嫁接对Cu胁迫下黄瓜幼苗生理生化指标和根系分泌物的影响[D].泰安：山东农业大学，2015：1-52.

[4]周启星，唐世荣，王校常.健康土壤学——土壤健康质量与农产品安全[M].北京：科学出版社，2005.

[3]王友保，刘登义.Cu、As及其复合污染对小麦生理生态指标的影响[J].应用生态学报，2001，12（5）：773-776.

[5]李永杰，李吉跃，方晓娟，等.铜胁迫对白蜡幼苗叶绿素含量及光合特性影响[J].东北林业大学学报，2010，38（6）：35-37.

[6]刘帅，高永光.铜胁迫下玉米叶绿素质量比与光谱反射率关系[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2008，27（1）：125-128.

[7]林义章，徐磊.铜污染对高等植物的生理毒害作用研究[J].中国生态农业学报，2007，15（1）：201-204.

[8]白宝璋，孔祥生，土玉昆，等.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业科技出版社，1996.

[9]赵世杰，史国安，董新纯.植物生理学实验指导[M].北京：中国农业科学技术出版社，1995.

[10]储玲，刘登义，王友保，等.铜污染对三叶草幼苗生长及活性氧代谢影响的研究[J].应用生态学报，2004，15（1）：119-122.

[11]林义章，徐磊.铜污染对高等植物的生理毒害作用研究[J].中国生态农业学报，2007，15（1）：201-204.

[12]张义贤.重金属对大麦（Hordeum vulgure）毒性的研究[J].环境科学学报，1997，17（2）：199-205.

[13]王松华，杨志敏，徐朗莱.植物铜素毒害及其抗性机制研究进展[J].生态环境，2003，12（3）：336-341.

[14]計汪栋.铜胁迫对竹叶眼子菜叶片生理指标和超微结构的影响[J].应用生态学报，2007，18（12）： 2727-2732.

[15]SINGH S， EAPEN S， D SOUZA S F. Cadmium accumulation and its influence on lipid peroxidation and antioxidative system in an aquatic plant， Bacopa monnieri L.[J].Chemosphere，2006，62：233-246.