铜胁迫对大冶铜绿山小飞蓬叶绿素和可溶性糖含量的影响

摘 要：本文以湖北大冶铜绿山铜矿区优势植物之一小飞蓬为材料，研究了当地Cu胁迫对这种植物细胞中叶绿素及可溶性糖含量的影响。结果表明：在Cu的作用下，小飞蓬体内的叶绿素含量随着土壤中Cu含量的升高呈“M”型规律变化，即升-降-升-降规律变化；可溶性糖含量呈倒“N”型规律变化，即降-升-降规律变化。这与小飞蓬在重金属胁迫下的防御机制有关。

关键词：铜胁迫；小飞蓬；叶绿素；可溶性糖；防御机制

Effect of Cu Stress on the Content of Chlorophyll and Soluble Sugar in Conyza Canadensis in Daye Tonglushan Copper Mine

Zhou Yi Yang Honggang Tao Ziye

（Wuhan University of Technology， Wuhan Hubei 430070）

Abstract： Taking Conyza Canadensis as testing material， one of the dominant plants in the district of Daye Tonglushan Copper Mine in Hubei， this paper aims at exploring the effect that local Cu could exert on the content of Chlorophyll and soluble sugar in its cells. It is shown by the result that， under the effect of Cu， corresponding to the increase of Cuin soil， the content of Chlorophyll in Conyza Canadensis changes in a curve of “M，” namely a regularity of up – down – up – down， while the content of soluble sugar in an inverted “N，” which means a regularity of down – up – down. That regularity is related to the recovery system of Conyza Canadensis under the circumstance of heavy metal stress.

Key Words： Cu Stress； Conyza Canadensis； Chlorophyll； Soluble sugar； Recovery system

铜是高等植物生长发育过程中的一种重要微量营养元素。但铜具有积累性，过量的铜会导致植物体的铜毒害，不仅影响了植物的生长发育，而且通过食物链的生物放大作用直接或间接危害人类的健康和生命[1]。近年来，随着重金属污染土地植被重建和植物修复研究的兴起，人们越来越重视对重金属型植被的研究。

铜绿山矿是我国六大铜生产基地之一，位于湖北省大冶市 [2]。铜绿山土壤中的Fe和Cu含量非常高，尤其是有效Cu含量达538 mg/kg，远高于一般植物的毒性闽值15 mg/kg[3]。小飞蓬又称作加拿大飞蓬（Conyza canaden-sis），属菊科白酒草属，一年生草木。具有生命力强，生长迅速，生物量大的特点，在铜陵尾矿有很强的生长优势[4]。本研究中供试小飞蓬采自湖北大冶铜绿山铜矿区，在植被区随机设置13个1×1m的样方，采集样方内的小飞蓬以及小飞蓬根部0～20cm的土壤，对小飞蓬体内的叶绿素和可溶性糖以及对应土壤中的铜进行了含量测定，对Cu胁迫对小飞蓬体内叶绿素和可溶性糖含量的影响进行了初步的研究，分析其变化规律并对原因进行进一步的探讨。

1 材料与方法

取相同大小的小飞蓬叶片，擦净表面的污物，剪碎，准确称量后测定叶绿素、可溶性糖含量。叶绿素含量采用乙醇比色法测定[5]，可溶性糖含量用苯酚法比色法测定[6]。土壤样品混匀后置于室内阴凉处，摊平自然风干。除去石块、植物凋落物等，磨碎，过100目标准筛，取3g左右准确称量后HNO3+HF+HCLO4消化，定容，保存。土壤Cu含量用原子吸收分光光度法[7]测定。

2 结果与分析

2.1矿区土壤铜含量背景值

土壤Cu含量介于11.76mg/kg～2631.37mg/kg之间，平均为962.28mg/kg。据束圣文[8]研究铜绿山Cu含量平均值为7789mg/kg。本实验所测数值都要小于这个数值，原因是采样时湖北大冶长时间阴雨天气导致土壤中的Cu随雨水的冲刷有一定的迁移，因此数值偏小。由于采集的小飞蓬均处于幼苗期且植株大小一致，生长环境一致，对实验结论影响不大。

2.2 Cu胁迫对小飞蓬叶绿素含量的影响

图1显示了Cu对小飞蓬叶绿素含量的影响。随着Cu含量的增加，小飞蓬叶片中的叶绿素和类胡萝卜素的含量均呈“M”型变化，这可能与小飞蓬自身的防御机制有关。叶绿素是植物进行光合作用的色素，而铜是叶绿素合成过程中酶促反应的辅因子[1]，因此Cu微量时，叶绿素含量增加。过量的Cu与相关酶作用，抑制叶绿素前体的合成，促进叶绿素的分解或直接破坏其结构。当铜胁迫达到防御系统的刺激阈值时，防御机制启动，生成相应的解毒物质[9]。在低浓度重金属胁迫下，植物体内的活性氧清除酶系统和具抗性特征的生理活动被诱导而加快，用以清除重金属胁迫导致植物体内所产生活性氧自由基[10]。因此叶绿素的含量缓慢上升。

重金属浓度增加时，植物体中的的活性氧自由基增加超过了正常的歧化能力极限而对组织细胞多种功能膜及酶系统破坏，以至抑制酶活性增加而急剧或缓慢下降[10]。另外膜脂发生不可逆的氧化作用，细胞膜通透性改变，细胞内的离子和有机物大量外渗[10]。植物的吸收及转运功能下降，一些物质的吸收量减少，叶绿素合成所需物质减少，加之酶活性降低，以致合成速度下降。

2.3铜胁迫对小飞蓬可溶性糖质量分数的影响

可溶性糖是参与细胞渗透调节的主要物质。图2显示了Cu对小飞蓬叶中可溶性糖含量的影响。可溶性糖含量随Cu含量的上升呈倒“N”型变化。低浓度Cu直接破坏可溶性糖结构或抑制其合成。胁迫增加后，活性氧自由基含量升高，作为伤害信号分子，引起小飞蓬对铜胁迫产生响应[10]。可溶性糖含量增加可能是葡萄糖酶、蔗糖酶活性异常所致，也可能是细胞内大分子糖类的合成受抑分解加强、蔗糖葡萄糖等合成加快。此外在重金属胁迫下，由于外界渗透势较低，植物会发生失水现象，胁迫作用会使植物的物质代谢发生改变，一些大分子物质分解成小分子物质（可溶性糖、氨基酸），作为渗透调节物质来保护细胞免受伤害，维持原有生理过程。小飞蓬体内可溶性糖含量的增加在一定程度上减弱了Cu对植物体的毒害作用。Cu含量到达一定阈值后，防御机制不能抵消毒害作用，植物生理生化过程紊乱，光合作用降低，物质的吸收和合成减少，可溶性糖含量减少。

3 讨论

研究证实，土壤中总Cu含量达到150～400mg/kg，或者是有效态Cu（DTPA）超过15mg/kg时，就会对植物产生毒害。微量的铜促进叶绿素的合成，因此测试结果中土壤Cu含量为135.74mg/kg之前小飞蓬叶绿素的含量随着Cu浓度的升高而升高。后期倒“N”型变化趋势与植物体内的防御机制有关。试验样中小飞蓬体内的叶绿素和可溶性糖在低含量Cu时的变化趋势不同以及两者对应的防御效应峰值不同，这与两者生化特性及Cu胁迫作用机制有关，同时矿区环境和土壤理化性质也会有影响。

小飞蓬是大冶铜绿山矿区的一种自然生长的耐性植物，不同株的耐性也有细微差别，自然品种中会有突变为耐性更强（弱）的独株。因此可以根据所测小飞蓬的综合防御效应峰值所对应的土壤的铜含量，培养小飞蓬同时进行诱发突变的工作，内含物的综合含量或活性越高说明防御机制效应越高，小飞蓬的铜耐性越强。据此筛选出耐性最强的植株进行植物细胞工程[14]的培养，培育大量高耐性植株用于矿区废弃地的植物修复工作。

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