Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗生長及部分生理指標的影響

付佳佳，韓玉林，李亞亞，許 敏

重金屬污染是近年來人們廣泛關注的環(huán)境問題之一，目前，用植物修復重金屬污染土壤是一種較為理想的方法[1-2]。重金屬污染的土壤，特別是點源污染源周邊的土壤，往往重金屬和有機物等多種污染源并存。因此，探求或發(fā)現(xiàn)具有一定耐重金屬污染或富集重金屬能力的植物種類并用于重金屬污染土壤的修復和改良，必將有效改善土壤重金屬污染的現(xiàn)狀，減輕由此而引發(fā)的農(nóng)業(yè)生態(tài)危機給人類帶來的十分嚴峻的壓力，也可帶來巨大的社會和經(jīng)濟效益[2-3]。

鳶尾屬（IrisL.）植物對重金屬具有較好的耐性和富集能力[2-4]，其中的黃菖蒲（I.pseudacorusL.）、馬藺〔I.lacteaPall.var.chinensis（Fisch.）Koidz.〕、喜鹽鳶尾（I.halophilaPall.）和花菖蒲（I.ensataThunb. var.hortensisMakino etNemoto）等植物對 Pb的抗性很強，并有一定的積累作用[5-6]?；ㄝ牌褳槎嗄晟薷荼局参铮^賞價值高，并具有生長快、生物量較大和可反復收割利用等優(yōu)點，而且對 Pb有一定的積累和耐受能力[7]，具備修復重金屬污染土壤的優(yōu)勢，是具有 Pb污染修復潛能的植物種類之一，但在 Pb-Cd復合脅迫條件下花菖蒲的適應性、耐性以及對污染物的積累能力等方面尚未見研究報道。

作者對 Pb、Cd單一及復合脅迫條件下花菖蒲幼苗的生長和生理代謝的變化進行了研究，以期為花菖蒲對 Pb、Cd耐性機制的研究及其在污染環(huán)境治理中的應用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試花菖蒲種子來源于江蘇省·中國科學院植物研究所鳶尾種質(zhì)圃的花菖蒲無性繁殖群體?；ㄝ牌巡シN及幼苗培育方法參照文獻[2-8]。選取生長一致的花菖蒲幼苗（株高約10 cm）栽植于裝有300 mL1/2Hoagland營養(yǎng)液的培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)，培養(yǎng)瓶外用黑色塑料膜包裹，每瓶栽種6株幼苗，在1/2Hoagland營養(yǎng)液中預培養(yǎng)1周后用于 Pb、Cd單一脅迫和復合脅迫處理。

1.2 方法

1.2.1 Pb和 Cd脅迫處理方法 實驗在江西財經(jīng)大學資源與環(huán)境管理學院植物生理實驗室內(nèi)進行。共設置500m g·L-1Pb單一脅迫、25m g·L-1Cd單一脅迫和500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫3個處理組，對照（CK）則不添加 Pb和 Cd（0m g·L-1Pb，0m g·L-1Cd），各處理均重復3次。分別用去離子水將 Pb（NO3）2和 CdC l2配制成母液，然后加入相應的1/2Hoagland營養(yǎng)液中，每隔4天更換1次培養(yǎng)液，脅迫處理周期為20 d。

1.2.2 生長勢和生理指標測定 脅迫處理8 d后，每個處理隨機選取2株幼苗，取地上部分和地下部分相同部位用于各項生理指標的測定。將花菖蒲幼苗用自來水沖洗干凈，分別稱取0.1 g地上部分和地下部分用于測定各項生理指標。用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性；用丙酮提取法測定葉綠素和類胡蘿卜素的含量[9]；用硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）的含量[10]。

脅迫處理20 d后取樣用于花菖蒲生長勢測定。將花菖蒲幼苗用自來水洗凈，首先用直尺測量各處理組幼苗的根系長度，然后參照文獻[2]的方法計算各處理組花菖蒲幼苗的耐性指數(shù)（to lerance index）；將幼苗的地上部分（葉片）和地下部分（包括根莖和根系）分開，于80℃烘干至恒質(zhì)量后，用千分之一電子天平分別稱取地上部分和地下部分的干質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理

實驗數(shù)據(jù)采用 Excel和 SPSS軟件進行處理和分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗干質(zhì)量和耐性指數(shù)的影響

Pb、Cd單一及復合脅迫處理20 d后花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的干質(zhì)量以及耐性指數(shù)見表1。由表1可見，在500m g·L-1Pb單一脅迫條件下，花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的干質(zhì)量與對照（CK）差異不顯著（P＞0.05），表明500m g·L-1Pb單一脅迫對幼苗生長的抑制作用不顯著；在25m g·L-1Cd單一脅迫和500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的干質(zhì)量均顯著低于對照組和500m g·L-1Pb單一脅迫處理組（P＜0.05），其中，在復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的干質(zhì)量分別比對照下降了35.2％和33.7％。表明25m g·L-1Cd單一脅迫和Pb-Cd復合脅迫對花菖蒲幼苗的生長有顯著的抑制作用。

表1 Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗干質(zhì)量及耐性指數(shù)的影響（±SD）1） Table1 Effects of sing le and com b ined stresses of Pb，Cd on dry weigh t and to lerance index of Iris1）ensa ta Thunb.var.ho rtensis Mak ino et Nem oto seed ling（±SD）

表1 Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗干質(zhì)量及耐性指數(shù)的影響（±SD）1） Table1 Effects of sing le and com b ined stresses of Pb，Cd on dry weigh t and to lerance index of Iris1）ensa ta Thunb.var.ho rtensis Mak ino et Nem oto seed ling（±SD）

1）表中數(shù)據(jù)為3次重復的平均值 The datum s in this Table are the average of three rep lications.CK：0 mg·L-1 Pb-0 mg·L-1 Cd；Pb：500mg·L-1 Pb；Cd：25mg·L-1 Cd；Pb-Cd：500mg·L-1 Pb-25mg·L-1 Cd.同列中不同的小寫字母表示經(jīng)鄧肯氏新復極差檢驗在0.05水平上差異顯著 D ifferent sm all letters in the sam e co lum n ind icate the significant difference at0.05 level by Duncan’s new m u ltip le range test.

處理Treatment干質(zhì)量/g D ryw eigh t地上部分Above-ground part地下部分Under-ground part耐性指數(shù)To lerance index CK 0.128±0.010a 0.086±0.003a 1.00 Pb 0.119±0.006a 0.082±0.006a 0.98 Cd 0.099±0.012b 0.063±0.008b 0.86 Pb-Cd 0.083±0.015c 0.057±0.008b 0.79

由表1還可以看出，在 Pb、Cd單一及復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗的耐性指數(shù)均不同程度減小。在500m g·L-1Pb單一脅迫條件下，花菖蒲幼苗的耐性指數(shù)較對照僅下降了2％，表明花菖蒲幼苗對500 m g·L-1Pb單一脅迫有一定耐受性；而在25 m g· L-1Cd單一脅迫和500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗的耐性指數(shù)分別較對照下降了 14％和 21％，說明 25 m g·L-1Cd單一脅迫和500m g·L-1Pb-25 m g·L-1Cd復合脅迫對花菖蒲幼苗的毒性增強，顯著抑制了幼苗根系的生長?；ㄝ牌延酌缒托灾笖?shù)的這種差異與3種脅迫處理對花菖蒲幼苗地上部分和地下部分干質(zhì)量的影響效應基本一致。

2.2 Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗部分生理指標的影響

2.2.1 對葉片中光合色素含量的影響 Pb、Cd單一及復合脅迫處理8 d后花菖蒲幼苗葉片中葉綠素和類胡蘿卜素的含量見表2。由表2可以看出，在500m g·L-1Pb單一脅迫條件下，葉片中葉綠素 a（Chla）、葉綠素 b（Ch lb）和類胡蘿卜素（Car）的含量均顯著高于對照（P＜0.05），分別為對照的1.36、1.11和1.31倍。在25 m g·L-1Cd單一脅迫條件下，葉片中的 Chla和 Chlb含量分別較對照下降了42.6％和43.7％，而 Car含量比對照增加了15.5％，差異均達到顯著水平（P＜0.05）。在500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫條件下，葉片中的 Chla、Chlb和 Car含量均顯著下降，分別較對照下降了55.7％、58.0％和41.5％。表明500m g·L-1Pb單一脅迫處理對花菖蒲幼苗葉片中光合色素的合成具有一定的促進作用，而25m g·L-1Cd單一脅迫及 Pb-Cd復合脅迫對花菖蒲幼苗葉片中光合色素有一定的破壞作用，其中的葉綠素對脅迫處理更敏感。

表2 Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗葉片中光合色素含量的影響（±SD）1）Table2 Effects of sing le and com b ined stresses of Pb，Cd on photo-Msyn akth in e to ic e p t N igm emenot toco sne etde n lint g in（ lea ± f S o D f） I1r）is ensa ta Thunb.var.ho rtensis

表2 Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗葉片中光合色素含量的影響（±SD）1）Table2 Effects of sing le and com b ined stresses of Pb，Cd on photo-Msyn akth in e to ic e p t N igm emenot toco sne etde n lint g in（ lea ± f S o D f） I1r）is ensa ta Thunb.var.ho rtensis

1）表中數(shù)據(jù)為3次重復的平均值 The datum s in this table are the average of th ree rep lications.CK：0 m g·L-1 Pb-0 m g·L-1 Cd；Pb：500mg·L-1 Pb；Cd：25mg·L-1 Cd；Pb-Cd：500mg·L-1 Pb-25mg·L-1 Cd.同列中不同的小寫字母表示經(jīng)鄧肯氏新復極差檢驗在0.05水平上差異顯著 D ifferent small letters in the same column indicate the significant difference at0.05 level by Duncan’s new multip le range test.

處理Treatment光合色素含量/m g·g-1 Content of photosynthetic p igment葉綠素a Chla葉綠素b Ch lb類胡蘿卜素Carotenoid CK 2.255±1.046b 1.528±0.495b 0.239±0.168c Pb 3.064±1.258a 1.699±0.488a 0.312±0.255a Cd 1.295±0.035c 0.861±0.214c 0.276±0.283b Pb-Cd 0.998±0.154d 0.642±0.345d 0.140±0.198d

2.2.2 對MDA含量的影響 Pb、Cd單一及復合脅迫處理8 d后花菖蒲幼苗中MDA含量見表3。由表3可知，在500m g·L-1Pb單一脅迫條件下，花菖蒲幼苗地上部分的MDA含量顯著低于對照，而地下部分的MDA含量顯著高于對照；在25 m g·L-1Cd單一脅迫條件下，地上部分和地下部分的MDA含量均高于對照，較對照分別增加了28.8％和5.9％，但地下部分的MDA含量與對照差異不顯著；在500m g· L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的MDA含量最高，且均與對照有顯著差異（P＜0.05），分別是對照的1.7和2.7倍。表明 Pb、Cd單一和復合脅迫均能夠引起花菖蒲幼苗細胞內(nèi)活性氧的積累，導致細胞不同程度的膜脂過氧化，表現(xiàn)為MDA含量不同程度的增加。

表3 Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗MDA含量和 POD活性的影響（±SD）1）Table3 Effectso f single1a）nd com b ined stresses of Pb，Cd on MDA con ten t and POD activ ity of Iris ensa ta Thunb.var.ho rtensis Mak ino etNem oto seed ling（±SD）

表3 Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗MDA含量和 POD活性的影響（±SD）1）Table3 Effectso f single1a）nd com b ined stresses of Pb，Cd on MDA con ten t and POD activ ity of Iris ensa ta Thunb.var.ho rtensis Mak ino etNem oto seed ling（±SD）

1）表中數(shù)據(jù)為3次重復的平均值 The datum s in this Table are the average of three rep lications.同列中不同的小寫字母表示經(jīng)鄧肯氏新復極差檢驗在0.05水平上差異顯著 D ifferent small letters in the same column indicate the significant difference at0.05 level by Duncan’s new mu ltip le range test.

處理Treatm en t MDA含量/nmo l·g-1 MDA content地上部分Above-ground part地下部分Under-ground part POD活性/U·g-1·m in-1 POD activity地上部分Above-ground part地下部分Under-ground part0mg·L-1 Pb-0mg·L-1 Cd（CK）0.233±0.028c 0.136±0.058c 6.232±0.218c 2.335±0.173c500mg·L-1 Pb 0.178±0.024d 0.256±0.034b 6.562±0.545c 2.349±0.309c25m g·L-1 Cd 0.300±0.071b 0.144±0.015c 12.437±1.072b 5.938±0.489b500mg·L-1 Pb-25mg·L-1 Cd 0.391±0.094a 0.367±0.038a 15.364±1.142a 8.051±0.714a

2.2.3 對 POD活性的影響 Pb、Cd單一及復合脅迫處理8 d后花菖蒲幼苗的 POD活性也見表3。由表3可見，在500m g·L-1Pb和25m g·L-1Cd單一脅迫以及500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的 POD活性均高于對照，其中500 m g·L-1Pb單一脅迫處理組的POD活性與對照差異不顯著，而25m g·L-1Cd單一脅迫處理組和500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫處理組的 POD活性與對照有顯著差異（P＜0.05），且在復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的 POD活性最高，分別是對照的2.5和3.4倍。表明 Pb、Cd單一和復合脅迫對花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的 POD活性均有較強的誘導能力。

3 討 論

Pb和 Cd是導致環(huán)境中重金屬污染的主要重金屬元素，對植物而言，當體內(nèi)的重金屬含量超過某一閾值時就會對其生長和代謝產(chǎn)生不利影響，嚴重時導致植株死亡。植物對重金屬污染的耐性因植物種類、重金屬元素種類及濃度以及污染方式的不同而有一定的差異，采用耐性指數(shù)可以評價植物在不同污染狀況下的抗性。本實驗結(jié)果表明，在500m g·L-1Pb單一脅迫條件下，花菖蒲幼苗的耐性指數(shù)較高，達到0.98；而在25m g·L-1Cd單一脅迫和500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗的耐性指數(shù)均減小，分別為0.86和0.79。說明花菖蒲幼苗對 Cd單一脅迫及 Pb-Cd復合脅迫的耐受性低于 Pb單一脅迫，表現(xiàn)為花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的干質(zhì)量以及耐性指數(shù)顯著下降，特別是 Pb-Cd復合脅迫還可進一步加重對花菖蒲幼苗的傷害，對其生長產(chǎn)生嚴重影響。Zhou等[11]在研究黃菖蒲對Pb和 Cd的耐性時也得出了相似的結(jié)果。

葉綠素是植物光合作用的主要色素，其含量高低直接反映植物光合作用能力的強弱，葉片中葉綠素含量低，光合作用弱，對植物的生長不利，而植物受到逆境脅迫后也可導致葉綠素含量下降[11]。Zhou等[11]的研究結(jié)果顯示，高濃度 Pb脅迫可導致黃菖蒲地上部分葉綠素含量降低。作者的研究結(jié)果顯示，在500 m g·L-1Pb單一脅迫條件下，花菖蒲幼苗葉片中葉綠素 a和 b的含量均有所提高；而在25 m g·L-1Cd單一脅迫和500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗葉片中葉綠素 a和 b的含量均顯著降低，說明500m g·L-1Pb單一脅迫對花菖蒲幼苗葉片葉綠素含量的影響不大，間接反映出對幼苗的正常生長無明顯影響；而25m g·L-1Cd單一脅迫和500m g·L-1Pb-25 m g·L-1Cd復合脅迫則可使花菖蒲幼苗的生長受到不同程度的影響，尤其是 Pb-Cd復合脅迫條件下，光合色素的合成受到了顯著抑制。Pb單一脅迫處理造成花菖蒲葉片葉綠素含量增加的原因很多，可能由于實驗所設置的 Pb的質(zhì)量濃度較低，不足以破壞葉綠素的合成過程，對葉片中葉綠素酶的活性也沒有影響[12-13]；或者是由于葉綠素分子中的 Fe2+、Zn2+和Mg2+并沒有被 Pb等重金屬元素所取代[12]。孫賽初等[14]的研究結(jié)果表明，Cd脅迫可引起植物光合色素含量的降低。推測 Cd單一脅迫和 Pb-Cd復合脅迫導致花菖蒲葉綠素含量降低的主要原因有兩方面：一方面是由于 Cd對花菖蒲的毒害更重；另一方面是復合脅迫條件下 Pb和 Cd可能具有協(xié)同作用，對花菖蒲的毒害作用大于各自的單一脅迫處理。

MDA是植物體內(nèi)膜脂過氧化的產(chǎn)物，其含量高低反映了細胞膜脂過氧化程度的大小，含量越高表明細胞膜脂過氧化程度越高，細胞膜結(jié)構(gòu)完整性越差。重金屬脅迫可誘發(fā)生物代謝過程產(chǎn)生自由基，對植物細胞膜具有傷害作用，進而導致膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量明顯增加[11，13]。本研究中，在500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗地上部分和地下部分MDA含量均顯著提高，說明細胞的生物膜已受到傷害，加之葉片中 Chla和 Chlb含量顯著下降，花菖蒲幼苗生長受到了顯著抑制。表明本研究中采用的 Pb-Cd復合脅迫對花菖蒲幼苗的傷害已經(jīng)超過了其對 Pb-Cd復合脅迫的耐受性以及抵御 Pb-Cd復合脅迫的誘導防護能力。

生物體自身的保護酶系統(tǒng)能清除自由基、維持細胞膜結(jié)構(gòu)的功能和完整性，進而減輕危害[15-16]。POD是重要的抗氧化酶之一，在植物呼吸代謝過程中起重要作用[16]。在 Pb、Cd單一及復合脅迫條件下，花菖蒲幼苗地上部分和地下部分的 POD活性均高于對照，說明 Pb、Cd單一及復合脅迫均可激發(fā)花菖蒲幼苗 POD活性，使其在減輕 Pb、Cd單一及復合脅迫對花菖蒲幼苗傷害的過程中起到了一定的作用。

綜合分析表明，花菖蒲幼苗對500m g·L-1Pb單一脅迫具有一定的耐受性，而對25m g·L-1Cd單一脅迫和500m g·L-1Pb-25m g·L-1Cd復合脅迫的耐受性較小，特別是在復合脅迫條件下，Pb和 Cd具有協(xié)同作用，加劇了對花菖蒲幼苗生長和代謝的損害。

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