1. 引言
核能作为清洁能源在中国得到大规模的开发利用 [1] [2] 。核能的利用必然伴随着铀矿的开采，铀矿开采和水冶过程会对生态环境造成严重的危害。研究表明，铀矿开采量大的国家每年会产生数千万吨的铀尾矿 [3] ，绝大多数的铀尾矿都处于露天堆放的状态，铀尾矿中残留的铀通过风化和雨水的淋洗进入周围土壤和水体，部分甚至进入深层土壤和地下水系统，造成铀矿区的环境污染 [4] 。我国铀矿大多分布在人口相对稠密的湘粤赣等地，长期生活在铀污染环境中会给当地居民的健康造成巨大的隐患 [2] [5] 。因此，铀污染土壤修复成为铀矿开采中凾待解决的重要问题。
植物修复方法成本低廉，对环境扰动较小，不会造成二次污染且对污染区环境具有绿化和美化的作用 [6] 。因此，研究铀胁迫对植物生理生态的响应，对铀污染土壤的植物修复具有重要意义 [7] 。
本文通过盆栽实验，研究铀胁迫对空心菜与木耳菜的MDA含量、叶绿素含量、可溶性蛋白质含量、CAT和POD活性的响应，为进一步研究空心菜与木耳菜在铀胁迫下的光合生理和抗氧化方面的耐性机制及其用于修复植物筛选提供一定的科学依据。
2. 材料与方法
2.1. 实验材料
盆栽实验植物空心菜(water spinach (Ipomoea aquatica Forsk))和木耳菜(Gynura cusimbua (D. Don) S. Moore)，种子采购于种子市场；供试土壤来自广州大学城某菜地土壤；浇灌水采自广东省韶关市某铀尾矿区的含铀废水，铀浓度平均值为6.55 ± 1.28 mg∙L−1。
2.2. 试验方法
将菜地土壤用含铀废水搅拌均匀，放置熟化两个月，等量(8 kg)地放置4个塑料盆(直径62 cm，高17 cm)中，其中2盆播种空心菜，另外2盆播种木耳菜，本底对照组为校内生物大棚菜地同一时间播种的空心菜与木耳菜。种子播种到菜苗长到三叶期后，定期用含铀水对实验植物进行浇灌，对照组植物则用池塘水浇灌，并采取叶片除虫及铲除杂草等措施保证植物正常生长。40天后对植株中上部叶片进行采集、冲洗、冷冻，并立即进行实验。同时采集根部土壤。
2.3. 测定方法
丙二醛(MDA)含量的测定采用硫代巴比妥酸法 [8] ；叶绿素含量的测定方法见文献 [9] ；采用考马斯亮蓝法测可溶性蛋白质含量 [10] ；植物过氧化物酶(POD)活性的测定采用愈创木酚法 [11] ；过氧化氢酶(CAT)活性采用过氧化氢法测定 [12] 。土壤铀含量用消解法预处理，用偶氮胂Ⅲ分光光度法测量铀含量。所有试验重复3次，全部数据用Origin8软件处理。
3. 试验结果与讨论
3.1. 土壤铀含量
空心菜空白实验和两组对照实验的土壤铀含量分别是9.4、12.4和12.7 mg∙kg−1，木耳菜空白实验和两组对照实验的土壤铀含量分别是10.2、12.9和13.4 mg∙kg−1。空白实验的土壤铀含量低于对照实验组。两组对照实验的铀含量相差不大，能保证对照实验土壤铀含量基本一致。
3.2. 铀胁迫对空心菜和木耳菜丙二醛(MDA)含量的影响
丙二醛(MDA)是因植物器官衰老或在逆境条件下受到伤害，组织或器官膜脂质发生过氧化反应的产物，其含量高低直接反映植物膜脂过氧化程度和植物的抗逆性 [13] [14] 。铀胁迫对两种植物的MDA含量的影响见图1和图2。
由图1可以看出，随着土壤中铀含量的增加，空心菜叶片的丙二醛(MDA)含量呈递增趋势。这说明铀促进了空心菜叶片的膜脂过氧化反应，在铀胁迫下，产生的超氧自由基不断累积，加剧植物膜脂的氧化程度，但由于土壤铀含量变化不大，MDA含量的变化趋势并不明显。由图2可知，木耳菜叶片的丙二醛(MDA)含量呈现了先降低后升高的趋势，与铀胁迫对油菜幼苗MDA含量的影响趋势相同 [15] 。在土壤铀含量最低(10.2 mg∙kg−1)时，MDA含量达到最高，MDA含量最低值则出现在土壤铀含量为12.9 mg∙kg−1，MDA含量降低了29.1 %。可能是由于木耳菜叶片在一定浓度范围内存在保护机制使其在铀胁迫下受到的伤害减少。
3.3. 铀胁迫对空心菜和木耳菜叶绿素含量的影响
叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量是植物重要的生理指标之一，叶绿素含量在一定程度上反应了植物同化物质的能力 [16] 。叶绿素含量的变化既可反应植物叶片光合作用功能的强弱，也可用于表征逆境胁迫下植物组织、器官的衰老状况 [17] 。图3、图4表明不同的土壤铀含量分别对空心菜和木耳菜叶绿素总量的影响。
由图3可见，空心菜的叶绿素含量随铀含量的增加先上升后降低，在土壤铀含量为12.4 mg∙kg−1时，叶绿素含量最高(0.294 mg∙g−1)，与最低值(0.243 mg∙g−1)相比，增加了21.1%，与空心菜对重金属铜胁迫下叶绿素含量的变化规律一致 [18] ，但由于后两组土壤铀含量相差较小，叶绿素含量只相差4.3 %，说明当土壤铀含量变化很小时，植物中的叶绿素含量变化也很小，间接证明了相同种植条件下，植物中叶绿素含量主要受铀含量影响。图4中木耳菜的叶绿素总量随着土壤铀含量的上升呈现明显增加的趋势：叶绿素含量从0.207 mg∙g−1升高到0.309 mg∙g−1，增幅达49.0%。这说明低浓度的铀可刺激植物光和色素含量的增加，促进植物的生长。
Figure 1. Effects of uranium stress on MDA content in water spinach (Ipomoea aquatica Forsk)
图1. 铀胁迫对空心菜MDA含量的影响
Figure 2. Effects of uranium stress on MDA content in Gynura cusimbua
图2. 铀胁迫对木耳菜MDA含量的影响
Figure 3. Effects of uranium stress on chlorophyll content in water spinach (Ipomoea aquatica Forsk)
图3. 铀胁迫对空心菜叶绿素含量的影响
Figure 4. Effects of uranium stress on chlorophyll content in Gynura cusimbua
图4. 铀胁迫对木耳菜叶绿素含量的影响
3.4. 铀胁迫对空心菜和木耳菜抗氧化酶(CAT、POD)活性的影响
植物在正常生长条件下，体内活性氧的产生与清除达到平衡。当植物受到逆境胁迫时，平衡会被打破，引起活性氧的大量积累，如超氧阴离子(
)和氧氢自由基(HO2·) [19] ，从而引发膜脂过氧化，影响植物正常生长。抗氧化酶可有效清除植物体内过多的氧化物和自由基，CAT和POD正是抗氧化酶系统中重要的两种酶，在生物抗逆性方面发挥重要的作用 [20] [21] 。铀胁迫对空心菜和木耳菜CAT和POD活性的影响见图5~8。
由图5~8可以看出，随着土壤铀含量的增加，空心菜与木耳菜的CAT、POD活性均呈现先上升后降低的趋势。空心菜的抗氧化酶活性在土壤铀含量为12.4 mg∙kg−1时达到最高，CAT、POD活性比实验中最低值分别高约98.7%、197.1%；木耳菜的抗氧化酶活性在土壤铀含量为12.9 mg∙kg−1时达到最大值，CAT、POD活性较最低值高出约36.5%、91.7%。空心菜与木耳菜抗氧化酶活性相同的变化趋势与前人的研究结果一致 [2] [14] [15] [22] [23] 。
3.5. 铀胁迫对空心菜和木耳菜可溶性蛋白质含量的影响
可溶性蛋白质含量是植物受逆境胁迫时生长发育的一个重要指标，是植物体内主要的有机成分和构成细胞的主要物质，能够调节细胞代谢和遗传信息表达。铀胁迫对空心菜和木耳菜可溶性蛋白质含量的影响结果见图9和图10。
由图9和图10可知，空心菜和木耳菜的可溶性蛋白质含量都随土壤铀含量的上升而明显降低，空心菜可溶性蛋白质含量降幅达44.2%，木耳菜降幅达33.2%。这说明铀进入植物体后，与其他化合物结合形成金属络合物，抑制了植物蛋白质的合成。
4. 结论
1) 低浓度的铀胁迫，使空心菜叶片的膜脂过氧化产物MDA含量逐渐升高；木耳菜的MDA含量则先降低后升高，可能是由于木耳菜存在某些保护机制在一定浓度范围内能抑制膜脂过氧化反应的产生。
2) 两种植物的叶绿素含量均随着土壤铀含量的增加呈不同程度的上升，说明低浓度的铀胁迫能刺激叶绿素的合成，对植物的生长起促进作用。
3) 空心菜与木耳菜的抗氧化酶活性随土壤铀浓度的增加呈显著的先上升后降低的趋势；两种植物的可溶性蛋白质含量均逐渐下降。
Figure 5. Effects of uranium stress on CAT activity in water spinach (Ipomoea aquatica Forsk)
图5. 铀胁迫对空心菜CAT活性的影响
Figure 6. Effects of uranium stress on CAT activity in Gynura cusimbua
图6. 铀胁迫对木耳菜CAT活性的影响
Figure 7. Effects of uranium stress on POD activity in water spinach (Ipomoea aquatica Forsk)
图7. 铀胁迫对空心菜POD活性的影响
Figure 8. Effects of uranium stress on POD activity in Gynura cusimbua
图8. 铀胁迫对木耳菜POD活性的影响
Figure 9. Effects of uranium stress on soluble protein content in water spinach (Ipomoea aquatica Forsk)
图9. 铀胁迫对空心菜可溶性蛋白含量的影响
Figure 10. Effects of uranium stress on soluble protein content in Gynura cusimbu
图10. 铀胁迫对木耳菜可溶性蛋白含量的影响
基金项目
国家自然科学基金(41373117, U1501231, 40930743)项目资助。