不同濃度Cd、Pb對紅麻抗逆生理特性的影響

摘要：以紅麻（Hibiscus cannabinus L.）細(xì)胞質(zhì)雄性不育系P3A、恢復(fù)系992及雜交種F1為材料，采用桶栽試驗研究不同濃度鎘（Cd）、鉛（Pb）脅迫下紅麻生理生化特性的變化。結(jié)果表明， 在Cd、Pb脅迫下3個紅麻材料的丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）含量與Cd、Pb處理濃度呈正相關(guān)，即隨Cd、Pb處理濃度的升高而升高，處理最高濃度時MDA、Pro含量達(dá)到最大；過氧化物酶（POD）活性與對照相比總體呈下降趨勢；超氧化物歧化酶（SOD）活性在Cd、Pb處理下先上升后下降。所有生理指標(biāo)變化趨勢中以P3A變化最明顯；F1變化最不明顯，表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：紅麻（Hibiscus cannabinus L.）；鎘；鉛；生理特性

中圖分類號：S563；Q945.78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3568-04

近年來，由于礦產(chǎn)資源的不合理開發(fā)，工業(yè)污水和污泥在農(nóng)業(yè)上廣泛應(yīng)用，使得重金屬污染日趨嚴(yán)重，對土壤和水體環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。其中，Cd和Pb是目前土壤中比較常見的污染重金屬[2]。國內(nèi)外關(guān)于Cd、Pb污染超標(biāo)的事件時有發(fā)生，重金屬污染問題愈來愈受到更多學(xué)者的關(guān)注[3]。

紅麻（Hibiscus Cannabinus L.）是錦葵科木槿屬一年生韌皮纖維植物，其生長周期短，植株生物量大，在我國南北各地均可種植[4]，具有抗逆性強、生長迅速、適應(yīng)性廣等特性[5]。目前尚沒有關(guān)于重金屬對紅麻生理特性影響的報道。試驗以紅麻細(xì)胞質(zhì)雄性不育系P3A、恢復(fù)系992及其雜交種F1為材料，采用不同濃度的Cd、Pb脅迫處理，以未進(jìn)行脅迫處理的作對照，研究Cd、Pb脅迫下紅麻雜交種及其親本生理生化特性的變化，以期為紅麻耐重金屬雜交種的培育及紅麻雜交種在重金屬污染地的種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試材料為紅麻細(xì)胞質(zhì)雄性不育系P3A、恢復(fù)系992及雜交F1種子，由廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院周瑞陽教授提供。

1.2 試驗方法

桶栽試驗于2010年5～11月在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)場試驗基地溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。供試土壤在農(nóng)場試驗基地采集，為0～15 cm耕作層，土壤類型為紅壤，供試土壤基本理化性質(zhì)見表1。土壤風(fēng)干過篩，每桶稱取過篩風(fēng)干土10 kg。土壤與基肥（N∶P∶K=2∶1∶2的復(fù)合肥）混合，裝入有排水孔的塑料桶（高40 cm，直徑50 cm）中。分別加入CdCl2·2.5H2O和Pb（NO3）2配制的不同濃度的Cd、Pb（以純Cd、Pb計），加去離子水平衡14 d后選擇飽滿的種子播種。每桶播10粒種子，出苗后留取長勢一致的5株苗作為試驗樣品。每處理3次重復(fù)，試驗設(shè)計見表2。

1.3 測定指標(biāo)

植株收獲期取樣，取各處理的紅麻葉片用去離子水沖洗干凈，測定相應(yīng)的生理生化指標(biāo)。用硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛（MDA）含量[6]；茚三酮顯色法測定脯氨酸（Pro）含量[6]；愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性[7]；氮藍(lán)四唑光化還原法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性[8]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2003和DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cd、Pb處理對供試紅麻MDA含量的影響

MDA是細(xì)胞膜脂過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，其含量的變化可作為檢測逆境條件下膜系統(tǒng)受損程度的指標(biāo)，其在植物體內(nèi)含量越高，植物細(xì)胞膜受到的傷害也越大[9]。

如圖1所示，紅麻3個材料MDA含量隨重金屬脅迫濃度的增加呈上升趨勢。紅麻3個材料MDA含量均在處理9時達(dá)到最大值，P3A、992、F1的MDA含量分別是對照的2.68、2.49和2.28倍，P3A和992的增幅明顯大于F1。說明3個材料中P3A受到的傷害最大，F(xiàn)1受到的傷害最小。方差分析表明，不同濃度Cd、Pb處理下紅麻3個材料除處理2下992和F1的MDA含量與對照相比差異不顯著外，其余處理與對照間差異均達(dá)顯著水平。

2.2 不同濃度Cd、Pb處理對供試紅麻Pro含量的影響

植物體內(nèi)的Pro可降低細(xì)胞滲透勢，維持壓力勢，保持和穩(wěn)定大分子物質(zhì)，維持細(xì)胞膜的正常功能[10]，故植物體在逆境脅迫下體內(nèi)Pro往往大量積累。從圖2可知，Cd、Pb處理不同程度地提高了紅麻3個材料Pro的含量。各材料在處理9時Pro含量達(dá)到最大值，P3A、992和F1 Pro含量分別為對照的5.31、4.65和4.57倍。方差分析表明，與對照相比，不同處理條件下各品種Pro含量差異都達(dá)到顯著水平。同一處理不同材料之間比較，處理4下P3A與 992、處理8下992與F1 Pro含量差異不顯著，3個材料在其余處理下脯氨酸含量差異均達(dá)顯著水平。

2.3 不同濃度Cd、Pb處理對紅麻SOD活性的影響

SOD是最重要的自由基清除酶，能催化超氧陰離子自由基發(fā)生歧化反應(yīng)，生成O2和H2O2，減輕超氧陰離子自由基對植物體的毒害作用[11]。一般情況下，植物在受到脅迫活性氧代謝失去平衡導(dǎo)致活性氧自由基增加之后，會誘導(dǎo)SOD的產(chǎn)生。由圖3可以看出，不同濃度Cd、Pb處理下，紅麻3個材料SOD活性均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。低濃度的Cd、Pb處理使SOD活性增高，紅麻3個材料中處理4的SOD活性最大，在此處理下，P3A、992、F1的SOD活性分別是對照的1.28、1.20和1.14倍；處理7的SOD活性最小。方差分析表明，3個材料各處理下的SOD活性與對照相比均差異顯著。

2.4 不同濃度Cd、Pb處理對紅麻POD活性的影響

POD作為植物保護(hù)酶系統(tǒng)的關(guān)鍵酶之一，與SOD、CAT共同作用清除植物體內(nèi)過剩自由基，提高植物抗逆性。由圖4可以看出，除了Pb低濃度處理下使POD活性增高外，其他處理條件下，隨著處理濃度的增加POD活性降低，處理9下降最為明顯，P3A、992、F1的POD活性分別為對照的57.63%、64.03%和75.21%。復(fù)合處理下紅麻3個材料的POD活性低于單一處理?？赡苁怯捎趶?fù)合脅迫下加重了對紅麻的傷害作用，超過了紅麻自身的防御能力，使活性氧自由基數(shù)量增多，從而使POD活性下降。

方差分析表明，3個品種除992、F1在處理2下，P3A在處理3下與對照差異不顯著外，其余處理下與對照相比差異均達(dá)極顯著水平。同一處理下3個品種之間差異顯著。

3 小結(jié)與討論

3.1 不同濃度Cd、Pb處理對紅麻MDA含量和Pro含量的影響

MDA的積累在一定程度上反映了植物體內(nèi)自由基活動的動態(tài)，大量的研究表明，重金屬離子濃度越高，MDA積累越多，兩者呈密切的正相關(guān)關(guān)系。在重金屬脅迫下，細(xì)胞膜受到傷害后細(xì)胞內(nèi)的離子和有機物大量外滲，外界有毒物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，導(dǎo)致植物體內(nèi)一系列生理生化過程失調(diào)。研究結(jié)果顯示，隨著重金屬處理濃度的提高，紅麻MDA含量呈增長趨勢，這是因為重金屬脅迫后，細(xì)胞內(nèi)代謝失調(diào)，自由基積累，膜脂過氧化作用加大，MDA含量升高。

重金屬脅迫條件下，植物通過提高體內(nèi)Pro的含量調(diào)節(jié)滲透平衡，保護(hù)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。Pro在清除活性氧、減少自由基的危害、保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能等方面起重要作用。Schat等[12]研究認(rèn)為重金屬脅迫下Pro的積累取決于重金屬誘導(dǎo)植物體內(nèi)水分缺失的狀況。試驗結(jié)果表明，隨著重金屬脅迫濃度的加大，紅麻Pro含量呈遞增的趨勢。Pro可能參與體內(nèi)活性氧自由基的清除，減少重金屬對細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)造成的損傷，提高紅麻的抗氧化能力[13]。

3.2 不同濃度Cd、Pb處理對紅麻抗氧化酶活性的影響

POD、SOD和CAT廣泛存在于植物體內(nèi)不同組織中，能夠反映植物生長發(fā)育、體內(nèi)代謝狀況以及對外界環(huán)境的適應(yīng)性等特點。研究表明植物受重金屬脅迫后，SOD、POD活性會發(fā)生相應(yīng)變化。龐新等[14]、袁祖麗等[15]、許云華等[16]的研究表明，鉛對SOD活性的影響表現(xiàn)為先增后抑的現(xiàn)象。鐵柏清等[17]研究表明龍須草在Cd、Pb單一污染下POD活性隨Cd、Pb處理濃度的增加呈先上升后下降的趨勢。楊居榮等[18]研究了不同作物對Cd脅迫的反應(yīng)，結(jié)果表明，Cd脅迫下耐性弱的作物POD活性均呈下降趨勢。以上研究表明，不同濃度重金屬處理下，不同保護(hù)酶活性響應(yīng)趨勢因物種、耐性強弱及重金屬處理濃度而異。有升高[19]，也有降低[20]，甚至維持不變[21]。曾澤雨[22]研究表明，單一Cd處理下魚腥草SOD活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢，Cd、Pb復(fù)合處理下，隨著Cd處理濃度的增大POD活性呈下降的趨勢。此次研究結(jié)果表明，紅麻3個材料Pb單一處理下POD活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢，復(fù)合處理下POD活性呈下降的趨勢；SOD活性在Cd、Pb處理下呈現(xiàn)先升后降的趨勢。與前人的研究結(jié)果一致，但變化幅度不同，原因可能依植物品種、抗性強弱及重金屬處理濃度的不同而不同。

試驗結(jié)果表明，Cd、Pb處理都不同程度地提高了紅麻3個材料MDA和Pro的含量，也影響了紅麻POD、SOD的活性，并且所有生理指標(biāo)變化趨勢中以P3A變化最明顯；F1表現(xiàn)最不明顯，表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢。

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