两种培养方式下砷对大叶井口边草生理生化的影响

摘要：分别采用水培和土培实验方法，研究了两种培养方式下砷对砷超富集植物大叶井口边草（Pteris cretica var. nervosa）生理生化的影响。将大叶井口边草分两组培养：一组置于0、5、20、50 mgAs·L-1 含砷Hoagland 营养液下，另一组置于0、50、100 和200 mgAs·kg-1 土培条件下。培养14 d 后，测定叶片光合色素、游离脯氨酸、可溶性糖含量、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）活性等指标。结果表明，砷胁迫导致大叶井口边草叶片叶绿素、游离脯氨酸和可溶性糖含量以及POD、CAT、SOD 活性发生明显变化。随着砷浓度增加，无论水培和土培方式，相对于对照，叶绿素a、a+b 含量均显著减少（P<0.05），但叶绿素a/b 无显著差异（P>0.05），游离脯氨酸和可溶性糖含量显著增加（P<0.05），CAT 活性显著降低（P<0.05）。游离脯氨酸和可溶性糖对砷胁迫下大叶井口边草的砷耐性起了重要作用。

    砷是一种致癌、致畸、致突变的元素，其对水体和土壤的污染是国内外关注的重要问题之一[1-3]，利用对砷具有耐性或超富集特性的植物修复砷污染环境是当前的一大研究热点。目前，砷超富集植物蜈蚣草（Pteris vittata） 已用于污染土壤和水体的植物修复。Huang 等[4]运用蜈蚣草去除饮用水中的砷，结果表明在24 h 内，蜈蚣草能够将水中的砷浓度从200 μg·L-1降至2.8 μg·L-1。Chen 等[5]成功地运用蜈蚣草修复砷污染土壤。继蜈蚣草之后，韦朝阳等[6]通过对两个中国典型的砷矿区（炼砷区）土壤与植物的调查与分析，发现10 余种植物对砷具有极强的耐性和不同程度的富集能力，其中大叶井口边草（Pteris cretica var. nervosa）是一种能超富集砷的植物。
    野外研究结果表明，大叶井口边草地上部的平均含砷量为418 mg·kg-1（干重，下同），最高可达694mg·kg-1；根的平均含砷量为293 mg·kg-1，最高含砷量为552 mg·kg-1（土壤含砷量为111～299 mg·kg-1，平均值为168 mg·kg-1）[6]。大叶井口边草砷超富集特性的发现进一步丰富了砷超富集植物种质资源库，为深入研究植物富集砷的机理提供了实验材料。Huang 等[7]运用同步辐射扩展X 射线吸收精细结构（SR EXAFS）研究了大叶井口边草中砷的化学形态及其在植物体
中的转化。结果表明，在大叶井口边草中砷主要与O配位，根部存在与谷胱苷肽（GSH）结合的砷，但是在羽叶中未发现这一现象。在NaAsO2 和Na2HAsO4 处理中，植物根系的砷分别以As（Ⅲ）和As（Ⅴ）为主，但在叶柄和羽叶中砷都以As（Ⅲ）为主。植物根系吸收的As（Ⅴ）在向上转运的过程中具有向As（Ⅲ）转化的趋势，其转化过程主要发生在根部。聂灿军等[8]研究不同热解气氛和升温速率下大叶井口边草的热解特征及其与砷含量的关系。在空气气氛条件和25℃·min-1 的升温速率下，该植物的热解曲线特征明显且实验速度适中，热解温度主要集中在200～500 ℃之间。谢飞等[9] 采用室内水培试验方法，研究了砷胁迫对大叶井口边草和非砷超富集植物剑叶凤尾蕨（Pteris ensiformis）叶片的过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶SOD）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性以及丙二醛（MDA）含量和自由基O-2·产生速率的影响，结果表明大叶井口边草比剑叶凤尾蕨具有更强的抗氧化能力，并且POD 在其抗氧化体系中起关键作用。

    在实地修复中，水和土壤环境介质不同，在不同环境介质中生长的同种植物也会出现重金属吸收和生理生化等方面的差异。据报道，水培条件下高浓度磷抑制蜈蚣草对砷的吸收和富集[10-12]，相反，土培条件下磷却能促进蜈蚣草对砷的富集[13-14]。大叶井口边草是与蜈蚣草同属的砷超富集植物，在不同环境介质中生长的大叶井口边草生理生化指标是否有变化，是将其用于砷污染土壤和水体修复必须要加以关注的问题。加之大叶井口边草在云南广为分布，生态适应性强，因此本研究运用水培和土培两种培养方式，研究了不同砷浓度处理下大叶井口边草叶片抗氧化酶、游离脯氨酸、光合色素和可溶性糖含量的变化，初步探索其逆境伤害和抗逆机制，重点考查不同培养方式下砷胁迫对大叶井口边草生理生化的影响，为进一步研究砷超富集植物对不同环境介质抗逆的生理生化机制提供背景资料。