铬污染对延胡索生长和生理特性的影响

余顺慧++方荣美++唐洁++谭俊++陆亚萍++罗杨++孙嘉

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.064

摘要：为了阐明Cr6+污染对延胡索的毒害机理，探索重金属对延胡索生长发育的影响。采用土培试验，研究不同浓度的Cr6+（0、50、75、100、150、200、250、300 mg/kg）对延胡索生长、抗氧化酶活性和Cr6+积累等的影响。结果表明，延胡索在Cr6+污染下生长受抑制，生物量下降；Cr6+污染能明显影响延胡索抗氧化酶活性，即超氧化物歧化酶（SOD）活性随Cr6+浓度的升高而逐渐降低，过氧化物酶（POD）的活性随Cr6+浓度的升高而逐渐增加，过氧化氢酶（CAT）活性均随Cr6+浓度的升高而先增后减；Cr6+污染能明显影响延胡索叶绿素含量、可溶性糖含量、丙二醛（MDA）含量等。叶绿素含量与可溶性糖的含量随着Cr6+浓度的升高而先增后减，而MDA含量逐渐增加。随着Cr6+污染浓度的升高，延胡索对Cr6+的积累在地下块茎逐渐增多，在Cr6+浓度为150 mg/kg时Cr6+含量增加速度最大，生产上应该注意土壤中的Cr6+含量。延胡索栽培中应尽量选择Cr6+污染较少的土地进行。

关键词：铬污染；延胡索；生长；生理特性；栽培模式

中图分类号： S567.21+9.01文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0236-04

收稿日期：2015-08-12

基金项目：重庆市应用开发计划（编号：cstc2014yykfA110024）。

作者简介：余顺慧（1964—），女，重庆万州人，教授，主要从事植物生态学研究。Tel：（023）58105874；E-mail：ysh_dch@163.com。延胡索别称元胡、玄胡索、玄胡，为罂粟科紫堇属一年生草本植物，以其地下块茎入药，为常用中药，具有行气、活血、止痛的作用。铬广泛存在于环境中，在自然状态下，铬离子有Cr+3和Cr6+ 2种形态，其中Cr6+则是一种毒性较大的致畸、致突变离子[1]。Cr6+容易被植物吸收，能在植物体残留对植物产生毒害[2-5]。而农作物受到铬毒害后，不但严重影响农产品的产量和质量，更为严重的是通过食物链影响人畜健康[6]。随着现代工业的发展，铬在化工行业中的广泛应用，导致环境中的铬总量显著增加，致使土壤、水体和生物遭到不同程度的污染。目前对延胡索的研究主要集中在测定生物碱含量方面，但是有关重金属对延胡索的产量和品质的影响鲜有报道。笔者所在实验室用重金属铜、铅等胁迫狗牙根以研究其耐性机理，并取得了一定的成绩[7-10]。本试验以延胡索为研究对象，设置不同浓度Cr6+处理，测定不同处理延胡索生长发育状况及抗氧化酶活性等，为了提高延胡索的产量，优化其质量，提高经济效益，为栽培模式提供实践指导和理论依据，通过对延胡索进行不同铬浓度的处理，探讨重金属对其生长的影响。

1材料与方法

1.1材料

供试材料采于重庆三峡学院百安坝校区实验基地。

1.2方法

1.2.1试验设计本试验在重庆三峡学院百安坝校区实验基地内完成。试验材料为2014年10月由浙江省东阳市农业局提供的延胡索块茎，从中挑选出大小基本一致的地下块茎105块，移栽至深25 cm、内径30 cm的花盆中，每盆装土壤 8 kg，进行常规管理，让其自然生长。

采用7个处理，1个对照，3组平行，每盆装小粉土，按含铬0、50、75、100、150、200、250、300 mg/kg分别加入K2Cr2O7混和均匀，重复3次，种植延胡索5块于每盆中。对照（CK）不含铬，定期检查生长情况。持续处理4个月时间，试验过程中除了重金属浓度不同以外，保持其余环境条件完全一致。

供试土壤肥力基础为：有机质含量89%，全氮含量023%，水解氮含量12.58 mg/kg，速效钾含量50.34 mg/kg，速效磷含量11.34 mg/kg，含铅13.4 mg/kg。

1.2.2测定指标120 d后延胡索出现伤害症状，选取各植株上部第3或4张叶用于测定叶绿素含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性、过氧化氢（CAT）活性、丙二醛（MDA）活性和可溶性糖含量。

生物量的测定：在延胡索出现伤害症状后，收获，取其地下部分洗净称鲜质量，烘箱中80 ℃烘干至恒质量称干质量。

叶绿素含量采用丙酮-乙醇分光光度法[11]测定，3个平行，计算平均值。

叶绿素的提取：鲜质量叶片剪成细丝状后准确称取0.2 g放入加有25 mL混合提取液（丙酮、乙醇体积比为1 ∶1）的洁净试管中，封口后将试管置于暗处直至叶片颜色完全变白。

使用江苏南京建成生物工程研究所购买的SOD、POD试剂盒测定SOD、POD活性。CAT活性测定采用分光光度法[11]；丙二醛（MDA）含量测定采用硫代巴比妥酸法[12]；可溶性糖含量测定采用蒽酮法[13]；微波消解样品测定其重金属铬含量。

收获后，延胡索地下部分分别用自来水、去离子水冲洗3次，80 ℃烘干，粉碎后，精确称取延胡索各0.200 0 g，加入酸液（浓HNO3、浓H2SO4体积比为4 ∶1），同时做空白组；用MARS240微波消解系统消解以上溶液后，冷却。过滤（滤液在25 mL容量瓶中定容），保存在塑料瓶中，样品中Cr6+含量（mg/kg干质量）用AA-6300原子吸收分光光度计测定。

1.2.3统计分析数据处理和分析采用Sigmapiot 10.0软件；采用单因素方差分析方法（one-way ANOVA）进行平均值间的比较。

2结果与分析

2.1铬污染对延胡索生物量的影响

如表1所示，随着Cr6+处理浓度升高，延胡索块茎的生物量呈现出递减趋势。不同Cr6+处理条件下生物量差异不显著（P>0.05）。这表明延胡索对Cr6+有一定的耐性。研究表明，生物量在Cr6+处理浓度为200 mg/kg时减少幅度突然增加，鲜质量由 150 mg/kg 的28.40%增加到200 mg/kg的54.47%，干质量由150 mg/kg的30.20%增加到200 mg/kg的65.77%（均和对照相比），说明Cr6+污染浓度200 mg/kg对延胡索生长和产量有明显的影响。在生产上要注意土壤中Cr6+含量。

2.2Cr6+污染对延胡索叶绿素含量的影响

植物进行光合作用必需的色素为叶绿素，一定程度上其含量高低反映了光合作用水平，叶绿素含量低，光合作用弱。由图1可见：延胡索经Cr6+处理后，与对照相比，在Cr6+浓度≤100 mg/kg时，叶绿素（a+b）含量随Cr6+浓度的逐渐降低而减少；随着Cr6+处理浓度的升高，各处理之间的差异越明显，叶绿素含量在Cr6+浓度>150mg/kg时明显下降，说明对延胡索叶片的伤害作用随着Cr6+浓度升高而增大。

2.3Cr6+污染对延胡索MDA含量的影响

MDA是生物体内自由基作用于脂质发生过氧化反应所产生的氧化终产物，它会引起蛋白质、核酸等生物大分子的交联聚合，且具有细胞毒性，是植物膜系统受伤害的重要指标，其含量可反映膜脂过氧化的程度[14]。从图2可以看出，随着Cr6+浓度的不断升高，MDA含量总体呈上升趋势，在 300 mg/kg 时最大，与对照相比，增加了97.97%，表明了重金属胁迫大大提高了延胡索的膜脂过氧化水平，MDA含量在植物体内迅速聚集，表示植物膜系统受伤害越来越严重，植物的抗逆性减弱。

2.4Cr6+污染对延胡索可溶性糖含量的影响

可溶性糖具有调节渗透胁迫的作用，积累脯氨酸需要碳水化合物，脯氨酸的合成需要氧化还原能力，由碳水化合物通过氧化磷酸化作用提供，是植物代谢的基础物质。由图3可以看出，延胡索叶片细胞内可溶性糖含量随着Cr6+浓度的升高总体呈先升后下降趋势。延胡索叶片细胞内可溶性糖含量在Cr6+浓度为100 mg/kg时最大，比对照增加64.76%；随着Cr6+浓度的进一步升高，延胡索叶片细胞内可溶性糖含量逐渐降低，到300 mg/kg时最小，比对照减少了55.19%。这说明在Cr6+胁迫浓度较低时，Cr6+对其合成有一定的促进作用，高浓度Cr6+处理时，可溶性糖合成被抑制，对植物的生长发育有重大影响。

2.5Cr6+污染对延胡索抗氧化酶系统的影响

2.5.1Cr6+污染对延胡索SOD活性的影响植物体内存在抗氧化酶系统，由SOD、POD、CAT三者组成，若要有效清除植物细胞内的自由基和过氧化物，则需要它们三者的相互协调作用。清除细胞内的活性氧自由基由SOD酶完成。在逆境条件下，如重金属胁迫时，SOD酶能及时有效地清除植物细胞内产生的大量活性氧自由基，保护植物不被重金属胁迫。从图4中可以看出，SOD酶活性随着Cr6+浓度的升高呈下降的趋势，在Cr6+浓度为300 mg/kg时SOD活性最低，与对照相比，降低了93.10%。可能是在铬胁迫下植株SOD活性受到抑制，铬对延胡索叶片SOD活性毒害作用较大所致。

2.5.2Cr6+污染对延胡索POD活性的影响在植物叶片中，POD酶和SOD酶同等重要，其功能是将SOD酶的歧化产物双氧水分解成水。经研究发现，严重的逆境也可能增强POD的活性，因为逆境诱使植物产生更多的过氧化物。植物组织受到损害和破坏的程度越高，其POD活性越高。由图4可知，延胡索叶片的POD活性随着Cr6+浓度升高逐渐上升，在300 mg/kg时最大，与对照相比，增加了84.38%，这说明在重金属Cr6+胁迫作用下，随Cr6+浓度升高，植物叶片内的过氧化氢迅速积累，导致植株叶片内POD活性大幅度增加。

2.5.3Cr6+污染对延胡索CAT活性的影响CAT与SOD共同作用将H2O2分解为O2和H2O，催化能力很强。由图4可知，Cr6+浓度在小于100 mg/kg时延胡索叶片的CAT活性逐渐上升，在100 mg/kg时酶的活性最高，比对照增加了 68.09%，之后CAT活性下降，在Cr6+浓度为300 mg/kg时最低，减小了45.71%（与对照相比）。究其原因，低浓度Cr6+促进植株催化过氧化氢的生成量出现增加，CAT活性出现升高，CAT活性在Cr6+浓度>100 mg/kg后开始逐渐下降。在Cr6+浓度为300 mg/kg时酶的活性最低，此时Cr6+胁迫对植株表现出抑制作用，植物CAT活性降低。

2.6Cr6+污染对延胡索重金属含量的影响

由图5可知，随着Cr6+浓度的升高，延胡索地下部分Cr6+积累量增加，各处理间差异明显，并且浓度越大，延胡索地下块茎Cr6+增长的幅度也越大，积累的量越大。在Cr6+浓度为150 mg/kg时，Cr6+含量增加速度最大，达到 87.23 mg/kg，比Cr6+浓度为100 mg/kg时增加了91.95%；Cr6+浓度为300 mg/kg时，Cr6+积累量为93.04 mg/kg，比Cr6+浓度为250 mg/kg增加了3.62%。

3讨论与结论

3.1Cr6+ 污染对延胡索生长的影响

Cr6+污染影响延胡索的生长。本研究发现，Cr6+污染降低延胡索的生物量和产量。随着Cr6+处理浓度的升高，延胡索块茎的生物量呈现出递减趋势，Cr6+污染浓度200 mg/kg对延胡索生长和产量有明显的影响。鲜质量和干质量减少幅度突然增加，鲜质量由Cr6+污染浓度150 mg/kg时的 28.40% 增加到200 mg/kg时的54.47%，干质量由 150 mg/kg 的30.20%增加到200 mg/kg的65.77%（均和对照相比）。

3.2Cr6+污染对延胡索生理特性的影响

延胡索叶绿素含量能被Cr6+污染明显影响。绿色植物进行光合作用的主要色素对植物的生长发育有着重要作用，其含量在一定程度上能反映植物同化物质的能力。许多试验结果表明，绿色植物的光合作用在重金属胁迫下都表现为抑制作用，且抑制效果与胁迫的程度成正相关，另外光合抑制也与植物种类和发育时期以及重金属的种类有关[15]。本研究发现，Cr6+浓度小于100 mg/kg时，叶绿素（a+b）含量随Cr6+浓度逐渐降低而减少。下降原因可能是Cr6+进入延胡索叶片细胞内，使叶绿体酶活性失调，加速叶绿素分解，同时由于Cr6+局部积累较多，与叶绿体中蛋白质上-SH结合等使叶绿素蛋白中心离子组成发生变化而失和。如果重金属Cr6+浓度够高，植物不能进行光合作用得到足够的养分，会出现生长缓慢，甚至会停止生长，其生物量降低。MDA是一种高活性的膜脂过氧化产物，其含量的多少能反映组织细胞膜损伤程度，衰老和逆境引起组织中MDA含量的增加量与细胞膜损伤程度呈正相关，而叶绿素含量与MDA含量呈显著负相关[16]。本研究也获得了同样的结论，并且叶绿素含量与MDA含量也呈现明显的负相关.由于MDA为高活性的膜脂过氧化物，通过交联脂类、核酸、糖类及蛋白质可影响质膜和叶绿体片层膜的结构和功能，影响膜的流动性及其与酶的结合力，从而影响位于片层上的叶绿素含量[17]。重金属Cr6+对可溶性糖含量有影响，可溶性糖含量随着重金属Cr6+浓度的升高而先升后降，可溶性糖是小分子物质，具有调节渗透胁迫的作用，可溶性糖含量的减少表明渗透调节胁迫系统紊乱，氧化还原增强。

植物抗氧化酶系统由SOD、POD和CAT共同构成，活性氧的生成和代谢受其活性直接影响[18]。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[19]。本研究表明，低浓度Cr6+处理，对延胡索的POD活性和CAT活性均有增加作用，而高浓度Cr6+处理则表现抑制作用，导致CAT活性降低，而POD酶活性一直增加。可能低浓度的Cr6+对CAT活性有一定的刺激作用，这说明CAT对低浓度Cr6+有耐受作用，能在一定范围内催化有毒物质的分解，但是超过一定的范围，依然会破坏CAT的活性。POD酶活性一直上升，说明在重金属Cr6+胁迫作用下，随Cr6+浓度的升高，植物叶片内的过氧化氢迅速积累，导致植株叶片内POD活性大幅度增加。但SOD活性随着Cr6+浓度的升高逐渐降低，低于对照处理。这说明Cr6+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。这一结果暗示保护酶系统在高浓度Cr6+胁迫下对活性氧的清除能力大大削弱，自由基在细胞内的积累已不能阻止，使膜发生膜脂过氧化，其过氧化产物MDA产生并积累，膜透性增加，导致膜功能受损，从而引起细胞的衰老和死亡，对植物产生抑制效应甚至毒害作用。

本研究结果表明，延胡索的生长对Cr6+污染有明显的影响，延胡索在种植时要注意土壤中Cr6+含量，延胡索栽培中应尽量选择Cr6+污染较少的土地进行。

参考文献：

[1]Gu G W，Zhang H W. Trace elements and malignant tumor[M]. Shanghai：Shanghai Science and Technology Press，1993：199-205.

[2]Sharma D C，Sharma C P，Tripathi R D. Phytotoxic lesions of chromium in maize[J]. Chemosphere，2003，51（1）：63-68.

[3]Choudhury S，Panda S K. Toxic effects，oxidative stress and ultrastructural changes in moss Taxithelium nepalense （Schwaegr.） Broth. under chromium and lead phytotoxicity[J]. Water Air and Soil Pollution，2005，167（1/2/3/4）：73-90.

[4]Pandey V，Dixit V，Shyam R. Antioxidative responses in relation to growth of mustard （Brassica juncea cv. Pusa Jaikisan） plants exposed to hexavalent chromium[J]. Chemosphere，2005，61（1）：40-47.

[5]Sinha S，Gupta A K，Bhatt K. Uptake and translocation of metals in fenugreek grown on soil amended with tannery sludge：involvement of antioxidants[J]. Ecotoxicology and Environmental Safety，2007，67（2）：267-277.

[6]郑爱珍. 重金属Cr6+污染对辣椒幼苗生理生化特性的影响[J]. 农业环境科学学报，2007，26（4）：1343-1346.

[7]李廷真，付川，余顺慧，等. Cu2+胁迫下三峡库区消落带的狗牙根生长状况及其铜富积效应[J]. 贵州农业科学，2013，41（7）：184-186.

[8]余顺慧，来守军，王绍恒，等. 铜胁迫对三峡库区消落带适生植物狗牙根生理特性和铜积累的影响[J]. 西南大学学报：自然科学版，2013，38（11）：58-63.

[9]余顺慧，黄怡民，潘杰，等. 铜胁迫对2种三峡库区消落带适生植物生长及铜积累的影响[J]. 西南农业学报，2014，27（3）：1196-1201.

[10]潘杰，来守军，黄怡民，等. 铅胁迫对2种三峡库区消落带适生植物生长及铅积累的影响[J]. 江苏农业科学，2014，42（6）：332-335.

[11]郝建军. 植物生理学试验技术[M]. 沈阳：辽宁科学技术出版社，2004.

[12]赵世杰，许长成，邹琦，等. 植物组织中丙二醛测定方法的改进[J]. 植物生理学通讯，1994，30（3）：207-210.

[13]李合生. 植物生理生化试验原理和技术[M]. 北京：高等教育出版社，2000.

[14]李志刚，梅利民，万雪芹，等. 低浓度重金属Cr6+对紫狼尾草生理生化特性的影响[J]. 广西农业科学，2009，40（5）：478-482.

[15]江行玉，赵可夫. 植物重金属伤害及其抗性机理[J]. 应用与环境生物学报，2001，7（1）：92-99.

[16]严明理，冯涛，向言词，等. 铀尾沙对油菜幼苗生长和生理特征的影响[J]. 生态学报，2009，29（8）：4215-4222.

[17]徐振柱，于振文，董庆裕，等. 水分胁迫对冬小麦旗叶细胞质膜及叶肉细胞超微结构的影响[J]. 作物学报，1997，23（3）：370-375.

[18]韩金龙，李慧，蔺经，等. 核黄素对盐胁迫下杜梨叶片抗氧化系统的影响[J]. 江苏农业学报，2015，31（4）：893-898.

[19]Vannini C，Iriti M，Bracale M A，et al. The ectopic expression of the rice Osmyb4 gene in Arabidopsis increases tolerance to abiotic，environmental and biotic stresses[J]. Physiological and Molecular Plant Pathology，2006，69（1/2/3）：26-42.陈璐，苏家乐，李畅，等. 贮藏时间、温度及PEG胁迫对云南杜鹃种子萌发的影响[J]. 江苏农业科学，2016，44（10）：240-242.