鎘脅迫對多花黑麥草鎘積累特征、生理抗性及超微結(jié)構(gòu)的影響

孫園園,關(guān) 萍，何 杉，石建明

(1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.六盤水市鐘山區(qū)城市管理局，貴州 六盤水 553000)

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鎘脅迫對多花黑麥草鎘積累特征、生理抗性及超微結(jié)構(gòu)的影響

孫園園1,2,關(guān) 萍1，何 杉2，石建明1

(1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025； 2.六盤水市鐘山區(qū)城市管理局，貴州 六盤水 553000)

采用盆栽試驗(yàn)的方法，研究鎘(Cd)脅迫對多花黑麥草(Loliummultiflorum)鎘積累特性、生理抗性及葉片超微結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，1)在不同濃度Cd脅迫下，多花黑麥草地上部含Cd量小于臨界值(100 mg·kg-1)，且地上部含Cd量小于根部含Cd量，此外，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1。2)低濃度Cd(50 mg·kg-1)脅迫下的多花黑麥草葉綠素含量升高，高濃度Cd脅迫抑制其合成。隨Cd濃度增加，初始熒光強(qiáng)度(F0)逐漸升高，最大熒光強(qiáng)度(Fm)先升后降，光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)和PSⅡ的潛在光化學(xué)效率(Fv/F0)逐漸降低，光量子產(chǎn)量(ФPSⅡ)、電子傳遞效率(ETR)、光化學(xué)淬滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)淬滅系數(shù)(qN)均呈現(xiàn)先升后降的趨勢。3)過氧化氫酶(CAT)的活性均表現(xiàn)出先降后升再降的趨勢，超氧化物歧化酶(SOD)的活性呈現(xiàn)先升后降的趨勢；與對照無Cd脅迫相比，過氧化物酶(POD)的活性大體上是升高的；脯氨酸的含量隨Cd脅迫濃度增加而逐漸升高；Cd脅迫下多花黑麥草葉片丙二醛(MDA)含量升高不顯著(P>0.05)，其膜脂過氧化程度不高。4)高濃度Cd(300 mg·kg-1)脅迫對多花黑麥草葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)有所損傷，部分葉綠體空洞化，基粒片層溶解，線粒體嵴結(jié)構(gòu)減少，嗜鋨粒增多。研究發(fā)現(xiàn)，多花黑麥草對鎘脅迫具有較強(qiáng)的積累能力及抗性，可用于鎘污染土壤的修復(fù)。

鎘；多花黑麥草；積累；超微結(jié)構(gòu)；抗氧化酶

鎘(Cd)主要來源于電鍍、采礦、冶煉、燃料、電池和化學(xué)工業(yè)等排放的廢水，Cd污染危害環(huán)境和人類健康，被認(rèn)為是全球最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一[1]。在受污染土壤中生長的植物能夠吸收和積累Cd等重金屬，植物可食組織構(gòu)成了鎘進(jìn)入食物鏈的主要途徑[2]。Cd一旦過量吸收就會(huì)干擾植物的生理代謝過程，表現(xiàn)出葉色減褪、植物矮化、物候期延遲、生物產(chǎn)量下降等[3]。

多花黑麥草(Loliummultiflorum)又稱一年生黑麥草，為禾本科草本植物，生長快，再生性好，產(chǎn)量高，是重要的栽培牧草和綠化植物，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，且對重金屬具有吸附性[4]。但有關(guān)多花黑麥草的Cd富集特征、生理生化特性及光合系統(tǒng)對Cd脅迫響應(yīng)的研究報(bào)道較少。為此，本研究探討了多花黑麥草Cd積累特性、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、葉綠素含量、抗氧化酶活性、脯氨酸含量及丙二醛含量對不同梯度Cd脅迫的響應(yīng)，揭示不同濃度Cd脅迫對多花黑麥草的Cd積累、生理抗性及葉肉細(xì)胞中超微結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)，為耐Cd植物的篩選、修復(fù)Cd污染的土壤及環(huán)境治理提供一定的參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試材料

供試多花黑麥草種子購自丹農(nóng)國際種子公司。供試土壤為購買的營養(yǎng)土，其主要理化性狀為：容重0.2～0.8 g·cm-3，孔隙度54%～75%，土壤中可溶性鹽含量(Ec值)1～3.5 mg·cm-1，氮、鉀、磷總含量2%，pH 5.5～7.5，有效態(tài)鎘含量0.017 mg·kg-1。脅迫試驗(yàn)所用分析純氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)。

1.2盆栽試驗(yàn)

2014年3月15日至7月15日，盆栽試驗(yàn)于溫室內(nèi)自然光照條件下培養(yǎng)，Cd脅迫處理設(shè)置5個(gè)梯度，分別為0(CK)、50、100、200、300 mg·kg-1，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每盆500 g土壤，氯化鎘配成的溶液用噴淋器均勻噴淋至盆裝土壤中，每盆直接移栽4株大小長勢一致的土培兩周的幼苗。磚紅色塑料花盆作為盆栽容器，花盆高度12.5 cm、上口直徑14.5 cm、下口直徑10.5 cm。試驗(yàn)期間不施加任何肥料，每天采用稱重澆水的方法定時(shí)為植物補(bǔ)水，土壤含水量維持田間持水量的80%，待盆栽多花黑麥草生長90 d左右植株生長旺盛時(shí)期取樣進(jìn)行生理生化指標(biāo)的測定。

1.3鎘含量的測定

分別采集植物地下部(根)和地上部(莖、葉)兩部分樣品，植物樣品上的泥土等污物用自來水沖洗干凈，再用去離子水沖洗數(shù)次，將水分瀝去后于65 ℃烘箱中烘干至恒重。不同Cd脅迫下每盆植物的地上部及地下部樣品分別稱取0.5 g，3次重復(fù)，送由上海微譜化工技術(shù)服務(wù)有限公司測定Cd含量。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=地上部分的重金屬含量/地下部分的重金屬含量[5]。

1.4葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定

多花黑麥草經(jīng)Cd處理90 d后，其葉綠素?zé)晒鈪?shù)用LI-6400 XT配備熒光葉室6400-40測定。各處理每盆隨機(jī)選擇植株中上端功能健壯的葉片，暗適應(yīng)30 min后測定熒光指標(biāo)，包括初始熒光強(qiáng)度(F0)、最大熒光強(qiáng)度(Fm)、PSⅡ的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSⅡ的潛在光化學(xué)效率(Fv/F0)。打開活化光，1 000 μmol·(m2·s)-1持續(xù)光照射20 min，然后測定葉片熒光誘導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括光合電子傳遞效率(ETR)、光量子產(chǎn)量(ФPSⅡ)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(qN)，每次測定重復(fù)4次。

1.5生理指標(biāo)的測定

葉綠素含量測定按照陳毓荃[6]的方法，丙二醛(MDA)含量按張志良等[7]的方法測定；過氧化物酶(POD)活性測定按陳建勛等[8]的方法；超氧化物酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法[9]測定；過氧化氫酶(CAT)活性測定按照李仕飛等[10]的方法測定；脯氨酸含量測定采用酸性茚三酮法[7]。各處理下每盆植物樣品分別測定，各3次重復(fù)。

1.6超微結(jié)構(gòu)的測定

取各處理下多花黑麥草相同部位的葉片，用去離子水洗凈，然后切成1 mm2大小的樣塊，迅速置于3%戊二醛(0.1 mol·L-1PBS，pH 7.2～7.8)配置溶液中，抽氣直至材料下沉為止，于4 ℃冰箱中固定24 h及以上。固定的材料用雙蒸水沖洗，乙醇系列脫水，環(huán)氧樹脂812，Power Tome PC型超薄切片機(jī)切片，經(jīng)檸檬酸鉛和醋酸雙氧鈾染色后，用JEM-1200EX透射電鏡對其進(jìn)行觀察、拍照。

1.7數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2007軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對整理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，差異顯著性水平為0.05。超微結(jié)構(gòu)圖片用Photoshop CC進(jìn)行處理。

2　結(jié)果與分析

2.1Cd脅迫對多花黑麥草Cd積累特性的影響

Cd濃度在50～300 mg·kg-1，多花黑麥草地上部和根中的Cd積累量隨Cd處理濃度的增加均呈現(xiàn)遞增的趨勢(表1)，且Cd脅迫處理與對照間差異顯著(P<0.05)。在外界Cd濃度達(dá)到300 mg·kg-1時(shí)，地上部植株含量為35.65 mg·kg-1，而根中卻高達(dá)418.5 mg·kg-1。多花黑麥草體內(nèi)Cd含量分布特征表現(xiàn)為根部>地上部。各處理Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，且比對照低，其中100～300 mg·kg-1Cd脅迫下，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨Cd脅迫濃度的增加逐漸降低，可見，在不同濃度Cd脅迫下，多花黑麥草的根系對Cd具有較強(qiáng)的富集能力，但是其向地上部轉(zhuǎn)移Cd的能力較弱，此外，地上部Cd含量小于超富集植物臨界含量(100 mg·kg-1)[11]，因此，多花黑麥草不具備Cd超積累植物的特征。

2.2Cd脅迫對多花黑麥草葉片熒光參數(shù)的影響

2.2.1Cd脅迫對多花黑麥草葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響50～300 mg·kg-1Cd脅迫使多花黑麥草的F0升高(表2)，且與對照間差異顯著(P<0.05)，說明Cd脅迫可能使多花黑草葉片的PSⅡ反應(yīng)中心的D1蛋白失活或降解。在50～300 mg·kg-1處理下，Cd脅迫使多花黑麥草的Fm升高，且與對照間差異顯著(P<0.05)，表明低濃度Cd脅迫可以提高多花黑麥草的電子傳遞能力。在50～300 mg·kg-1Cd脅迫下的Fv/Fm和Fv/F0均低于對照，但與對照間差異不顯著(P>0.05)，說明Cd脅迫對多花黑麥草葉片的光化學(xué)效率影響較小。

表1　Cd脅迫對多花黑麥草鎘含量及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

注：同列不同字母表示處理間存在顯著差異(P<0.05)。下同。

Note: Different lower case letters within the same column indicate significant difference among different Cd concentrations at 0.05 level. The same below.

表2　Cd脅迫對多花黑麥草葉片F(xiàn)0、Fm、Fv/Fm和Fv/F0的影響

2.2.2Cd脅迫對多花黑麥草葉片葉綠素?zé)晒庹T導(dǎo)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響在不同濃度Cd脅迫下，多花黑麥草葉片的ФPSⅡ先升后降。在300 mg·kg-1脅迫下的ФPSⅡ最低(表3)，顯著低于對照和50、100 mg·kg-1Cd脅迫處理(P<0.05)。隨Cd脅迫濃度的增加，各處理間的ETR先升后降，而qP一直下降，但各處理間差異不顯著(P>0.05)，可見，Cd脅迫能夠提高多花黑麥草的電子傳遞效率，但作用不顯著。qN隨Cd脅迫濃度的增加呈現(xiàn)先升后降趨勢，其中300 mg·kg-1脅迫下qN值最低，且顯著低于50和100 mg·kg-1脅迫下的qN值(P<0.05)，說明高濃度Cd脅迫可以減弱多花黑麥草的光保護(hù)能力，不能將過剩的光能耗散為熱。

2.3Cd脅迫對多花黑麥草葉綠素含量的影響

在0～300 mg·kg-1Cd脅迫下，多花黑麥草葉綠素的含量先升后降，其中50 mg·kg-1Cd脅迫下葉綠素的含量最大(圖1)，比對照高50.36%，與對照間差異顯著(P<0.05)。而300 mg·kg-1Cd脅迫下的葉綠素含量最低且與對照差異不顯著(P>0.05)。由此可知，在本研究條件下，Cd脅迫對多花黑麥草葉綠素的合成呈現(xiàn)低濃度促進(jìn)作用、高濃度抑制作用，但抑制程度不明顯。

表3　 Cd脅迫對多花黑麥草葉片葉片ФPSⅡ、ETR、qP和qN的影響

圖1　Cd脅迫對多花黑麥草葉片葉綠素含量的影響

注：不同小寫字母表示不同處理間顯著差異(P<0.05)。下同。

Note：Different lower case letters indicate significant difference among different Cd concentrations at 0.05 level. The same below.

2.4Cd脅迫對多花黑麥草葉片抗氧化酶活性的影響

在0～300 mg·kg-1Cd脅迫下，多花黑麥草的過氧化氫酶(CAT)活性呈現(xiàn)先降后升再降的趨勢，其中50 mg·kg-1脅迫下的CAT活性最低，與對照相比，顯著降低了28.9%(P<0.05)(圖2)。0～200 mg·kg-1Cd脅迫下的超氧化物歧化酶(SOD)活性沒有顯著變化，但在300 mg·kg-1Cd脅迫下較對照顯著降低了44.55% (圖2)。對于過氧化物酶(POD)而言，其活性在各濃度Cd處理下相比對照雖然略有升高，但與對照間差異不顯著(P>0.05)(圖2)。由此可知，多花黑麥草的抗氧化酶系統(tǒng)對Cd脅迫產(chǎn)生了不同程度的生理響應(yīng)，可能有助于降低Cd脅迫對植物細(xì)胞的傷害。

2.5Cd脅迫對多花黑麥草葉片脯氨酸含量的影響

與對照相比，50～300 mg·kg-1Cd脅迫下多花黑麥草的脯氨酸含量均升高(圖3)，脯氨酸含量在3.57～23.66 mg·g-1，且100、200和300 mg·kg-1Cd脅迫下的脯氨酸含量與對照間差異顯著(P<0.05)。由此可知，中、高濃度Cd脅迫明顯提高多花黑麥草葉片脯氨酸的含量，可能有助于保護(hù)細(xì)胞的功能和結(jié)構(gòu)免于Cd脅迫的傷害。

2.6Cd脅迫對多花黑麥草葉片丙二醛含量的影響

0～300 mg·kg-1Cd 脅迫下多花黑麥草丙二醛(MDA)的含量隨脅迫濃度增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(圖4)，在50 mg·kg-1Cd脅迫下表現(xiàn)為最高，但各處理與對照間差異不顯著(P>0.05)。這說明在Cd脅迫下，多花黑麥草細(xì)胞膜的過氧化程度不高，其結(jié)構(gòu)損傷不大。

圖2　Cd脅迫對多花黑麥草葉片CAT、SOD和POD活性的影響

圖3　Cd脅迫對多花黑麥草葉片脯氨酸含量的影響

2.7Cd脅迫對多花黑麥草葉片超微結(jié)構(gòu)的影響

正常生長條件下，多花黑麥草葉片超微結(jié)構(gòu)，葉肉細(xì)胞中葉綠體均分布于細(xì)胞邊緣，葉綠體形狀為梭形或橢球形；葉綠體雙層膜和類囊體結(jié)構(gòu)清楚，基?；蚧|(zhì)片層結(jié)構(gòu)清晰，呈平行排列；線粒體為橢圓形，線粒體內(nèi)嵴結(jié)構(gòu)清晰，可見被膜(圖5)。然而，在300 mg·kg-1Cd脅迫下，多花黑麥草葉片超微結(jié)構(gòu)，部分葉綠體形狀發(fā)生明顯膨脹，由原來的橢圓形變成球形；類囊體腫脹，一些基質(zhì)片層發(fā)生溶解，基粒有些紊亂；線粒體數(shù)目減少，線粒體由原來的圓形變成橢圓形，有的線粒體已失去完整的膜結(jié)構(gòu)，幾乎與周圍介質(zhì)融合，線粒體內(nèi)嵴結(jié)構(gòu)不清晰，嵴分化或消失；此外，葉綠體中出現(xiàn)數(shù)量很多的嗜鋨顆粒，且有些嗜鋨顆粒呈現(xiàn)相互聚集的趨勢(圖6)。這表明高濃度的Cd脅迫會(huì)造成多花黑麥草葉綠體結(jié)構(gòu)的破壞，加速其衰老。

圖4　Cd脅迫對多花黑麥草葉片MDA含量的影響

3　討論與結(jié)論

Cd超積累植物同時(shí)具有3個(gè)特征:一是在同一生長條件下，植物地上部(莖或葉)Cd含量是普通植物的100倍，其Cd臨界含量為100 mg·kg-1；二是植物地下部Cd含量小于其地上部Cd含量；三是植物的生長沒有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀，且對Cd具有較強(qiáng)的耐性[11]。大部分植物能夠?qū)⒅亟饘俎D(zhuǎn)移至植物地上地上部，比如鎘脅迫下丹參(Salviamiltiorrhiza)葉片和根系中Cd含量極顯著增加[12-13]。本研究結(jié)果表明，在不同Cd處理下，多花黑麥草植物體內(nèi)Cd含量分布特征相同，均表現(xiàn)為根部>地上部，其根系對Cd具有較強(qiáng)的富集能力，但是其向地上部的轉(zhuǎn)移Cd能力較弱，這與其他研究者[14-15]的結(jié)果類似。此外，多花黑麥草地上部Cd含量均小于100mg·kg-1，因此，多花黑麥草雖未達(dá)到Cd超積累植物的臨界標(biāo)準(zhǔn)，但植株生長過程沒有明顯的損傷，屬于耐Cd較強(qiáng)的植物，在植物穩(wěn)定修復(fù)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖5　對照處理下多花黑麥草葉片葉綠體和線粒體超微結(jié)構(gòu)

注：Chl 葉綠體；Gra，基粒片層；M，線粒體；Cr，嵴；CW，細(xì)胞壁；CM，細(xì)胞膜；S，嗜鋨顆粒。圖6同。

Note: Chl, chloroplast; Gra, grana sheet; M, mitochondria; Cr, crest; CW, cell wall; CM, membrane; S, osmiophilic particles. The same in Fig.6.

隨著Cd處理濃度的升高，重金屬破壞植物葉片中葉綠體結(jié)構(gòu)，使葉綠素含量降低[16]。有研究表明[17]，Cd能夠顯著降低草地早熟禾葉綠素的含量。本研究結(jié)果表明，低濃度Cd脅迫促進(jìn)多花黑麥草葉片葉綠素的合成，而高濃度Cd脅迫對葉綠素合成具有一定的抑制作用，這與朱志勇等[18]高濃度Cd脅迫抑制小麥(Triticumaestivum)旗葉葉綠素合成的結(jié)果相類似。葉綠素?zé)晒夥治黾夹g(shù)是研究植物生理狀況，探測植物與逆境脅迫關(guān)系的理想探針[19]。初始熒光(F0)是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全開放時(shí)間的熒光產(chǎn)量，其變化趨勢可以反映引起光合機(jī)構(gòu)變化的內(nèi)在機(jī)制；最大熒光(Fm)是PSⅡ反應(yīng)中心處于完全關(guān)閉時(shí)的熒光產(chǎn)量，可反映通過PSⅡ的電子傳遞情況；可變熒光(Fv)反映可參與PSⅡ光化學(xué)反應(yīng)的光能輻射部分，其變化能反映PSⅡ活性的變化結(jié)果；Fv/F0和Fv/Fm分別代表PSⅡ的潛在光化學(xué)效率和最大光化學(xué)效率，其變化趨勢可以反映光化學(xué)變化的內(nèi)在機(jī)制[20]。研究表明，在高濃度Cd脅迫下，水稻(Oryzasativa)Fv/Fm、ФPSⅡ、qP、qN均顯著下降[21]。本研究結(jié)果表明，隨Cd脅迫濃度的增加，多花黑麥草的F0增大，F(xiàn)m先升后降，F(xiàn)v/Fm、Fv/F0逐漸降低，表明高濃度Cd脅迫使多花黑麥草的PSⅡ反應(yīng)中心受損，降低其電子傳遞能力。賈中民等[22]研究表明，隨Cd濃度的增加，楓楊(Pterocaryastenoptera)幼苗的ФPSⅡ、ETR、qP、qN逐漸下降。本研究結(jié)果表明，隨Cd脅迫濃度的增加，多花黑麥草的ФPSⅡ、ETR、qP、qN均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，表明高濃度Cd脅迫降低多花黑麥草葉片的光合能力和散熱能力。植物細(xì)胞遭受重金屬脅迫后其細(xì)胞器會(huì)發(fā)生不同程度的損傷，主要表現(xiàn)為葉綠體、線粒體、液泡、質(zhì)膜等發(fā)生異常變化[23]。如Cd脅迫可以使玉米(Zeamays)葉綠體膨大，類囊體排列不規(guī)則，細(xì)胞器損傷嚴(yán)重甚至解體[16]。在Cd脅迫下，水稻葉肉細(xì)胞中葉綠體空泡化，部分線粒體出現(xiàn)腫脹甚至解體[24]。本研究結(jié)果表明，未經(jīng)Cd脅迫處理下多花黑麥草葉肉細(xì)胞中葉綠體為梭形或橢球形，主要分布于細(xì)胞邊緣，基?；蚧|(zhì)片層結(jié)構(gòu)清晰，且按一定順序平行排列，膜被有內(nèi)膜和外膜組成。線粒體為球形，有膜被，嵴結(jié)構(gòu)清晰。而在高濃度Cd脅迫下，多花黑麥草葉肉中大部分葉綠體為橢球形，小部分葉綠體空泡化，嗜鋨顆粒增多。線粒體數(shù)目減少，線粒體內(nèi)嵴結(jié)構(gòu)減少，膜被尚可見?？芍?，高濃度Cd脅迫對多花黑麥草葉片超微結(jié)構(gòu)有一定程度上的損傷，但低濃度Cd脅迫有利于其光合作用。

圖6　300 mg·kg-1 Cd脅迫下多花黑麥草葉片葉綠體和線粒體超微結(jié)構(gòu)

在逆境條件下，植物細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生和清除自由基的平衡被破壞，自由基增加，而植物的生長對輕微逆境具有一定的適應(yīng)性，主要表現(xiàn)為超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)的活性增加[25]。本研究結(jié)果表明，在不同梯度Cd脅迫下，多花黑麥草葉片抗氧化酶產(chǎn)生不同程度的生理響應(yīng)，表明多花黑麥草對Cd脅迫的固有調(diào)節(jié)能力，以降低Cd脅迫對植物細(xì)胞的傷害，這與楊衛(wèi)東等[26]的結(jié)果一致。在逆境脅迫下，植物體內(nèi)一種生理生化反應(yīng)表現(xiàn)為游離脯氨酸含量的增加，脯氨酸是一種細(xì)胞質(zhì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，能夠穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)，游離脯氨酸積累可防止植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受損傷，使其傷害程度降低，此外，活性氧自由基可以被清除[26]。本研究結(jié)果表明，多花黑麥草葉片脯氨酸含量隨Cd脅迫濃度的增加而逐漸在體內(nèi)積累，這是對逆境脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)，這與前人[27-29]的結(jié)果類似。在逆境條件下，丙二醛作為植物膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量能夠指示植物體內(nèi)脂類過氧化程度，植物的抗性通常與其體內(nèi)丙二醛含量呈負(fù)相關(guān)[30]。本研究結(jié)果表明，Cd處理下多花黑麥草葉片丙二醛含量升高不顯著，其膜脂過氧化程度不高，結(jié)構(gòu)損傷不大。

綜上所述，在不同梯度Cd脅迫下，多花黑麥草體內(nèi)Cd含量均表現(xiàn)為地下部>地上部的分布特征，根系積累Cd能力較強(qiáng)，且在植株生長過程沒有出現(xiàn)明顯的毒害癥狀，因此，可用其提取重金屬污染土壤中的Cd。同時(shí)，多花黑麥草葉片抗氧化酶、脯氨酸、丙二醛對Cd脅迫產(chǎn)生不同程度的生理響應(yīng)，可以看出多花黑麥草對Cd脅迫具有一定的生理適應(yīng)能力，以降低Cd脅迫對植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的傷害。此外，高濃度Cd脅迫在一定程度上損傷多花黑麥草葉片的超微結(jié)構(gòu)，但低濃度Cd脅迫有利于其光合作用。因此，多花黑麥草若廣泛應(yīng)用于城市的綠化建設(shè)，不僅可以美化環(huán)境，也具有修復(fù)重金屬污染土壤的應(yīng)用潛力。

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(責(zé)任編輯王芳)

Effects of Cd stress on Cd accumulation, physiological response and ultrastructure ofLoliummultiflorum

Sun Yuan-yuan1,2, Guan Ping1, He Shan2, Shi Jian-ming1

(1.College of life Sciences, Guizhou University, Guiyang 550025, China;2.Urban Management Bureau of Zhongshan District, Liupanshui 553000, China)

The pot experiments were conducted to investigate effects of cadmium(Cd) stress on cadmium accumulation, physiological response and ultrastructure ofLoliummultiflorumunder different concentrations of Cd stress. The results showed that aboveground Cd content was less than the critical value (100 mg·kg-1) and underground Cd contents and the translocation factor was less than 1 which suggest thatL.multiflorumis not Cd hyperaccumulator. The low concentrations (50 mg·kg-1) Cd stress stimulated the chlorophyll synthesis whereas high concentration Cd stress inhibited the chlorophyll synthesis. With Cd concentration increasing, the initial fluorescence (F0) gradually increased, the maximum fluorescence (Fm) firstly increased and then decreased, while photochemical efficiency of PSⅡ(Fv/Fm) and potential photochemical efficiency of PSⅡ (Fv/F0) gradually decreased, quantum yield (PSⅡ), electron transfer efficiency (ETR), photochemical quenching coefficient (qP), non photochemical quenching coefficient (qN) firstly increased and then decreased. The indices of physiological had different performance. With Cd concentration increasing, CAT activities firstly decreased and then increased and decreased again, however, superoxide dismutase activities firstly increased and then decreased and proline contents gradually increased. Compared with the control, POD activities increased, however, MDA contents had no significant increase which suggest that the leaves ofL.multiflorumdid not have high degree membrane lipid peroxidation. The high Cd concentration (300 mg·kg-1) injury ultrastructure ofL.multiflorumwhich made part of the chloroplast grana lamellae hollowed, granum lamella dissoluted, mitochondrial cristae structure reduced and osmiophilic particles increased. This study indicated thatL.multiflorumhad stronger accumulated ability and physiological resistance to Cd stress and could be used in remidiation for Cd contaminated soil.

Cd;Loliummultiflorum; accumulation; ultrastructure; antioxidant enzymes

Shi Jian-mingE-mail:guanp508@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0518

2015-09-16接受日期：2015-12-08

貴州省社會(huì)發(fā)展公關(guān)課題(201303137)

孫園園(1987-)，女，黑龍江牡丹江人，在讀碩士生，研究方向?yàn)橹参锷锛夹g(shù)與次生物質(zhì)代謝。E-mail:sun.786@163.com

石建明(1962-)，男，貴州貴陽人，副教授，碩士，研究方向?yàn)橹参飳W(xué)。E-mail:guanp508@163.com

S543+.6;Q945.78

A

1001-0629(2016)8-1589-09

孫園園,關(guān)萍，何杉，石建明.鎘脅迫對多花黑麥草鎘積累特征、生理抗性及超微結(jié)構(gòu)的影響.草業(yè)科學(xué),2016,33(8)：1589-1597.

SunY Y,Guan P,He S,Shi J M.Effects of Cd stress on features of Cd accumulation,physiological response and ultrastructure inLoliummultiflorum.Pratacultural Science，2016,33(8)：1589-1597.