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1、精品论文铜胁迫对烟草养分吸收和根系生理的影响刘鹏 1，张艳英 1，徐根娣 1，周楠 1，蓝丽精 1，孙浩 21. 浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华（321004）2. 浙江师范大学初阳学院，浙江金华 (321004)E-mail: 摘要：通过含有不同浓度铜（0 ，0.5，1，5，10 mgL-1）的 Hoagland 营养液培养烟草幼苗，铜处理的 15d，30d 取样，研究铜胁迫下烟草根系生理特性和营养元素的吸收。结果表 明：根系游离脯氨酸的含量和根系的外渗电导率都随着铜浓度的增加，先减小后增加；而丙 二醛和根系活力则随着铜浓度的增加，先增加后减小。烟草体内的铜、铁、锰含量随着铜浓 度
2、的增加，表现出先增加后降低的趋势，而镁含量随着铜处理浓度的增加呈现先降低后增加 的变化。两个烟草品种各生理指标的变化表现出一定的相似性。 关键词：铜；烟草；根系；养分吸收1. 引言铜是植物生长发育所必需的微量营养元素，它是细胞色素氧化酶，多酚氧化酶，抗坏血 酸氧化酶，多胺氧化酶，Cu-Zn-SOD等蛋白质的重要辅因子，参与呼吸代谢中的氧化还原反 应以及叶绿体质体蓝素中光合作用的电子传递过程等很多生理代谢过程，对作物的发育、品 质、产量等有重要影响1，但Cu具有累积性，过量的铜也会对植物产生毒害作用，阻碍植物 正常生长、减低作物的产量2。铜还可能通过拮抗作用影响其他营养离子的吸收。有研究表 明，
3、外源铜可降低植物对铁的吸收和运输，进而导致叶片失绿，光合作用降低3。近年来， 随着矿产的大量开采和冶金工业的迅速发展，大量重金属Cu、Pb、Zn、As等进入环境，另 外杀虫剂的使用、以及人类生活的垃圾通过下水道进入农田等等，造成生态环境的严重污染 4，不但导致农业生产的巨大损失且经由食物链严重危害人类及动物的健康。并已引起国内 外研究者们的极大关注5-7，但主要集中在稻、麦、玉米等作物上，对烟草的研究较少。本 文以烟草为试验材料，采用水培试验方法，研究铜胁迫对烟草的影响，为铜污染的治理提供 一定的理论依据。2. 材料和方法2.1 植物材料以铜耐性品种89112和铜敏感品种双-70为材料，将种子
4、晒种后，用15%的H2O2消毒15 min，用自来水冲洗干净，在25黑暗浸种24 h，等种子发芽后，将其转移到沙子中，等第 四片真叶完全展开后，转移到HoagLand完全营养液中，预培养7 d后，向营养液中加入铜， 使铜浓度为T1 (0 mgL-1)，T2 (0.5 mgL-1)，T3 (1 mgL-1)，T4 (5 mgL-1)，T5 ( 10 mgL-1)铜以 CuSO45H2O的形式加入，每两天更换一次营养液。处理15 d和30 d后取样进行相应生理指标 的测定，每个处理设3个重复。2.2测定方法电导率的测定方法采用高俊凤8的方法有改动：称取烟草的根约0.2 g，在蒸馏水下轻 轻冲洗，再
5、用去离子水冲洗3次，放入用去离子水清洗干净的短试管中，加入15 mL去离子 水；将试管在30条件下震荡2.5 h，测定其电导率；将试管置于沸水中加热15 min，杀死组 织后，测定其电导率；根系活力采用TTC法测定9；脯氨酸含量参照张殿忠10茚三酮显色法测定；根系的丙- 6 -二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法(TBA)测定11；烟草体内元素含量的测定方法采用火焰 原子吸收分光光度法12。2.3 数据分析采用SPSS13.0进行显著性分析，用Excel 2003进行作图。3.结果与分析3.1 铜胁迫对烟草根系脯氨酸含量的影响由图1可知，在低浓度的铜处理 (小于1 mgL-1)时，两个品种的游
6、离脯氨酸含量降低； 当铜处理浓度大于等于1 mgL-1时，两个品种的游离脯氨酸含量随着铜浓度的增加而增加， 随着处理天数的增加两个品种的游离脯氨酸含量也增加；就两个品种而言，品种89112根部 的游离脯氨酸含量高于品种双-70。T1T2T3T4T5 30.0游离脯氨酸含量Free Proline content g.g-1 ）25.0a20.0b cc15.0da bc bcdaabb b c c d d d10.05.00.08-15d双-15d8-30d双-30d图1 铜胁迫对烟草根系脯氨酸含量的影响Fig 1 Effect of Copper stress on proline cont
7、ent of tobacco roots3.2 铜胁迫对烟草根系丙二醛（MDA）含量的影响从图3可知，在铜处理的15d，当铜浓度为00.5 mgL-1时，烟草根部的MDA含量增加， 当铜浓度大于0.5 mgL-1时，根部的MDA含量降低；在铜处理的30d，铜浓度为01 mgL-1时 MDA的含量增加，510 mgL-1时，MDA含量降低。随着处理时间的增加，两个品种的MDA 含量增加，89112根部的MDA含量高于双-70。T1T2T3T4T5 1.21.0a丙二醛含量MDA content （mg.g-1 ）0.80.60.40.2a aabab b bbbbabba aabbbb0.08-
8、15d双-15d8-30d双-30d图2 铜胁迫对烟草根系丙二醛含量的影响Fig 2 Effect of Copper stress on MDA content of tobacco roots3.3 铜胁迫对烟草根系活力的影响由表1可知，当铜处理浓度为0.5 mgL-1时，两个品种的根系活力都达到最大值，品种89112的根系活力大于品种双-70，与对照相比分别增加了14.79 %（15d）和18.80 %（30d），17.93 %（15d）和30.40 %（30d）；随着处理天数的增加，两个品种的根系活力成上升的趋 势；而且品种89112的变化幅度要小于品种双-70。表1 铜胁迫对烟草根系
9、活力的影响Table 1 Effect of Copper stress on roots activities of tobacco （mg TTF（gh）-1） 铜浓度 / ( mgL-1)品种Species铜处理时间(d)T1T2T3T4T5151.2980.17b1.6380.110a1.3420.044b1.0460.023c0.9090.009d301.490.044c1.9320.035a1.5940.006b1.4950.028c0.8900.003d151.2270.037c1.5720.030a1.2420.014b0.9130.057d0.8710.018d301.337
10、0.025c1.6550.022a1.3110.046b1.2080.025c0.9260.012dTime of Cu treatmentCopper concentration89112双-703.4 铜胁迫对烟草根系电导率的影响由表 2 可知，在 15d 时，两个品种烟草根系的电导率在低浓度的铜处理(00.5mgL-1)下降 低，在高浓度的铜处理下（大于 0.5 mgL-1）电导率随着铜浓度的增加而增加；品种 89112 的电导率低于品种双-70，随着处理天数的增加，在低浓度铜处理下电导率增加，高浓度铜 处理下电导率降低。品种双 70 在铜处理下根系的电导率明显高于品种 89112。表2
11、 铜胁迫对烟草根系电导率的影响Table 2 Effect of Copper stress on of electrical conductivities tobacco roots铜浓度 / ( mgL-1)品种Species铜处理时间(d)Time of Cu treatmentCopper concentrationT1T2T3T4T589112双-701542.3674.290b37.2005.048b45.9331.617ab47.1677.160ab53.2333.443a3042.4003.736a39.3675.315a42.6332.501a44.2005.828a39.1
12、672.454a1543.0007.197ab40.5673.940b47.4671.159ab51.3332.417ab58.50011.1493042.4005.052a46.6677.932a49.1676.809a41.1002.291a40.0333.574b3.5 铜胁迫对烟草体内元素含量的影响从表 3 可以看到，铜胁迫对烟草体内各元素含量有不同程度的影响，地下部各元素含量 都高于地上部分；Fe、Cu 含量随着铜处理浓度的增加，呈现先增加后降低的趋势，89112 在铜浓度为 1 mgL-1Fe、Cu 含量达到最大值，而双-70 在铜浓度为 5 mgL-1 达到最大值；随 着处理天数
13、的增加，烟草体内的 Fe、Cu 元素含量也有所增加；两个品种地上部和地下部的 Mn 含量在 00.5 mgL-1 铜处理下增加，当铜浓度为 0.510 mgL-1 开始降低，但是与对照相 比都有所增加。品种 89112 体内的 Mg 含量在整个处理过程中变化相似，都是随着铜浓度的 增加，Mg 含量先增加后降低，而品种双-70 呈现出先降低后增加的趋势。铜胁迫对烟草 K 元素的吸收影响不明显（数据没有显示）。表 3 不同浓度铜处理下烟草各部位器官各养分元素的含量Table 3 Nutrient concentration in organs of Tobacco under different
14、Copper treatments g g-1元素Element品种Species铜处理时间(d)treatment器官Organ铜浓度 / ( mgL-1)T1T2T3T4T5Mg双-7015地上1.4580.109d2.3710.116b3.2180.106a1.7620.150c1.2950.144d15地下18.1761.290b22.2692.873ab24.1132.63721.1262.063ab17.8292.244b30地上2.0930.131c2.4350.136b3.3890.137a2.6400.099b1.4960.148d30地下18.6232.819bc22.55
15、32.022b27.5592.142a21.7161.453b16.8261.456c15地上1.8820.181c2.7240.170b2.9160.143b3.7070.111a2.7550.124b15地下16.8961.737b20.0861.919ab20.7692.206ab22.0931.699a18.9121.472ab30地上2.3560.140b2.5730.179b2.7200.166b4.4130.174a1.8770.167c30地下17.8391.110c21.9431.855ab23.4261.071a24.3831.410a19.6061.237bc15地上0.
16、3530.015d0.6340.050c2.2890.202a1.1480.040b0.5570.079c15地下1.2280.052d1.4270.121cd3.3860.261a2.6190.1971.6650.147c30地上0.3480.012d0.7920.021c2.0250.100a2.0290.074a0.9890.100b30地下2.3900.075b2.9750.123b10.3601.3089.6710.459a3.3670.203b15地上0.3100.027a0.3370.014a0.3900.012ab0.4640.089a0.4030.026ab15地下1.115
17、0.063d1.8450.122c3.0500.158b4.7450.159a3.0300.170b30地上0.5020.014d0.5160.021d0.6100.023c0.7410.056b0.9350.03830地下1.3070.096e1.7020.106d2.0410.121c2.3310.178b3.3570.137a15地上0.3010.007d0.4110.11a0.3870.014b0.3490.013c0.3100.016d15地下2.9850.103b3.7140.171a3.1950.192b2.0670.105c1.9100.059c30地上0.2670.012b0
18、.4300.022a0.2290.011c0.2060.014c0.1950.022c30地下2.0200.128b2.4610.2269a2.1890.092ab2.0990.120b0.3640.032c15地上0.2220.017c0.4190.012a0.3990.015a0.3250.014b0.3160.018b15地下2.4150.268a2.8550.104a2.4510.237a2.3680.238a1.7030.223b30地上0.1140.008e0.2210.016d0.5610.016b0.4030.103a0.2560.012c30地下0.6110.034d2.39
19、20.165a2.0340.108b2.0340.081b1.0590.055c15地上0.4260.121b0.6810.072a0.8370.129a0.6390.116a0.3430.095b15地下1.7500.071b1.9590.120ab2.2830.314a2.2070.171a1.0790.129c30地上0.3790.058b0.5100.092b0.6790.044a0.5380.030b0.3940.077b30地下0.7170.044ab0.8440.142a0.8760.128a0.6870.059ab0.5780.075b15地上0.5860.036a0.4960
20、.076ab0.4230.021b0.1600.044c0.5530.021a15地下0.8250.113a0.7590.090a0.6780.060a0.6600.071a0.7890.128a30地上0.5510.021ab0.4810.025b0.6790.039a0.6280.031a0.5830.178b4. 讨论30地下0.8490.082b0.5820.060a0.7140.059ab0.7940.126a0.8500.094a重金属对植物体产生毒性的生物学途径可能有 3 个方面: 一是大量的重金属离子进入植物体内干扰了离子间原有的平衡系统，造成正常离子的吸收、运输、渗透和调节等
21、方面的障 碍,从而使代谢过程紊乱；二是较多的重金属离子进入植物体内后，不仅与核酸、蛋白质和 酶等大分子物质结合，而且还可以取代某些酶和蛋白质行使其功能时所必需的特定元素，使 其变性或活性降低；三是重金属胁迫可使植物体内的活性氧自由基积累，导致膜脂过氧化作 用和脱脂化作用而对植物产生伤害。脯氨酸是植物重要的渗透调节物质，它的积累有着对逆境适应的意义13。因此其含量的 变化，可以作为植物对逆境胁迫的一种生理生化指标。当植物受到胁迫时，其体内代谢路径 发生改变，脯氨酸的氧化受阻，蛋白质的合成速度减慢，导致植物体内脯氨酸含量升高，此 含量的升高，可以降低水势，维持植物体内的水分平衡，保持植物的正常生长
22、。本试验结果 表明在高浓度铜大于0.5 mgL-1处理下，游离脯氨酸的含量增加，可能是由于植物生长的外 界环境发生了改变，植物体通过增加游离脯氨酸的含量来适应外界环境。这与其他人在大豆 等植物中是研究结果有一定的相似性13-15。林晓民等16指出不同品种植物中游离脯氨酸的 含量有一定的差异，一般来说，抗性越强的品种中，游离脯氨酸的含量越高，因而，我们可 以看出品种89112的抗铜性大于品种双-70。过量的重金属可以引发植物体内活性氧自由基的大量生成，引起过氧化反应。多不饱和 脂肪酸对过氧化过程很敏感，而脂质的过氧化会导致膜结构和功能的破坏17。MDA是脂质过氧化产物之一，通常作为过氧化程度的测
23、定指标。有研究证明18，过量的铜可引起植物 体内MDA含量上升，且中毒程度与MDA含量成正比。根系活力的大小影响根系对营养物质 的吸收及有效物质的形成，是一种较客观的反应根系生命活动的生理指标，植物根系活力的大小是反映植物对于水培条件的适应能力大小的重要指标之一19,20。根系活力值高，表明植物其抗性水平较高，反之，则抗性较差。植物细胞原生质膜的稳定性在维持细胞内外离子的 浓度差和物质的主动运输起着重要作用21。细胞膜透性是评价植物对污染物反应的方法之 一。细胞外渗液的电导率与污染物浓度成正相关19。本试验的研究结果得到了相似的结果， 当铜浓度为小于1 mgL-1时，有利于烟草的生长，表现为外
24、渗电导率、游离脯氨酸含量低于 其他铜浓度处理，MDA及根系活力大于其他铜浓度处理。重金属铜能够与质膜上的SH强烈配位而破坏质膜的完整性20，还可以通过提高质膜 的非选择性电导和抑制电泵(H+ATPase)活性而改变质膜透性21。Cu污染还会抑制其他营 养元素的吸收，主要是由于Cu对根系的伤害和吸收拮抗作用。刘永厚指出，过量Cu会抑制紫云英K、Zn等养分的吸收，茎叶中含量明显降 22。Alva、黎耿碧等指出，过量的Cu明显抑制柑橘对N、P、K、Ca、Mg、Fe等常量和微量元素的吸收，。外源Cu削弱柑橘对Fe的吸 收和运输，必然会导致叶片失绿，光合速率降低23。Lidon和Henriques24在
25、这方面也做了大 量研究，指出过量Cu也会抑制Mn、Fe、Ca等的吸收。Rhoads等25发现，番茄植株中Ca的吸 收量随Cu浓度增加而降低。此后，徐红宁等也指出，Cu污染存在下，植物根部生育受阻，3-细胞结构损坏，细胞膜渗透性提高，使K+、PO4等离子外渗，植物根部P、K、Ca、Mg、Fe、Na、S等含量趋于降低26。本试验的研究结果和上述的研究结果有一定的相似性，本实 验的结果还表明一定浓度的铜处理有利于烟草对其他矿质元素的吸收，但是高浓度的铜处理 却抑制了其他矿质元素的吸收，而且抑制元素向地上部运输。参考文献1 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,
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33、993, 13(5): 367-371Effects of Copper on Nutrient Uptake and PhysiologicalCharacteristics of Tobacco RootsLiu Peng1, Zhang Yanying1, Xu Gendi1, Zhou Nan1, Lan Lijing1, Sun Hao21.College of Chemistry and Biological Science, Zhejiang Normal University, Jinhua（321004）2. Chu yang College, Zhejiang Normal
34、 University, Jinhua（321004）AbstractThe roots physiological characteristics, nutrient uptake of Nicotiana L. in Hoagland nutrient solution with copper were studied. Results showed that when Copper concentration increased gradually,free-proline and electrical conductivities of tobacco roots first decr
35、eased and then increased; but with the increasing of copper concentration, MDA content of roots and roots activities first increased andthen decreased. When Copper concentration increased gradually Cu, Fe，Mn content of tobacco firstincreased and then decreased, Mg content of tobacco first decreased and then increased. There were some similarity on changes of physiological characteristics between two varieties of tobacco.Key word: Copper; Tobacco; Root; Nutrient uptake