土壤中重金屬鎘污染對(duì)潤(rùn)草1號(hào)生理生化指標(biāo)的影響

摘要：潤(rùn)草1號(hào)是2012年育成的新型草坪草品種。通過(guò)盆栽實(shí)驗(yàn)的方法，研究了土壤中重金屬鎘對(duì)潤(rùn)草1號(hào)生理生化指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，隨著重金屬鎘溶液處理濃度的增大，潤(rùn)草1號(hào)游離脯氨酸和葉綠素的含量均表現(xiàn)為先升高后降低，而根系活力表現(xiàn)為逐漸降低，細(xì)胞膜透性表現(xiàn)為逐漸升高。

關(guān)鍵詞：潤(rùn)草1號(hào)；鎘脅迫；生理生化指標(biāo)

中圖分類號(hào)：Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）19-4952-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.19.013

Abstract：Nourishing Grass 1 is a new type of lawn grass bred in 2012. The method of pot experiment，effects of heavy metal cadmium in soil on physiological and biochemical indexes of Nourishing Grass 1 were studied. The results showed that，with the increase of the concentration of heavy metal cadmium solution，free proline content and chlorophyll content of Nourishing Grass 1 were increased first and then decreased，but the vitality of root system was gradually decreased，cell membrane permeability was gradually increased.

Key words：Nourishing Grass 1；cadmium stress；physiological and biochemical indexes

潤(rùn)草1號(hào)是一種新型的草坪草品種，于2012年由江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院培育而成。潤(rùn)草1號(hào)屬于低矮型草種，坪用性狀優(yōu)良。潤(rùn)草1號(hào)具有較強(qiáng)的耐蔭、耐熱性能，抗倒伏和抗病能力強(qiáng)，適宜南方地區(qū)露地栽培，是中國(guó)草坪綠化常用的草坪植物之一，主要用于觀賞草坪的建植，對(duì)于降低環(huán)境污染、城市綠化及美化起著非常重要的作用。

重金屬鎘不是植物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，對(duì)環(huán)境造成的污染和危害大。越來(lái)越多的重金屬鎘，隨著工業(yè)和交通不斷地發(fā)展，被釋放到了人們賴以生存的環(huán)境中，并大量地積累在土壤中。土壤被重金屬鎘污染后，不僅會(huì)造成土壤的質(zhì)量下降、使土壤喪失正常的功能，還會(huì)毒害生長(zhǎng)的植物，進(jìn)而給人類身體健康帶來(lái)危害。在南方地區(qū)的土壤中，重金屬鎘是最常見(jiàn)的污染元素，其含量在土壤中已超過(guò)正常值的3～4倍[1]。土壤中重金屬鎘污染可以利用草坪來(lái)修復(fù)，不僅凈化了土壤，而且對(duì)人類的生產(chǎn)、生活條件和環(huán)境條件都產(chǎn)生了有益的影響。本試驗(yàn)通過(guò)研究土壤中不同濃度重金屬鎘對(duì)潤(rùn)草1號(hào)生理生化指標(biāo)的影響，以期為重金屬污染地區(qū)的土壤中重金屬含量標(biāo)準(zhǔn)的制定、草坪綠地建設(shè)規(guī)劃提供有利的參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)所用的材料為潤(rùn)草1號(hào)，由江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院提供。盆栽土壤取自江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院花房土質(zhì)較好的表層土壤，測(cè)得pH為7.2，土壤重金屬鎘含量為0.056 g/kg。重金屬鎘添加形式為3CdSO4·8H2O，分析純。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2014年9月15日，將供試土壤充分粉碎后過(guò)0.5 cm篩，再將作基肥的5%草炭按1∶3的體積比拌入供試土壤中，充分混合。將混合后的土壤稱重5.5 kg，分別裝入20只塑料花盆中，其中所用花盆的上口直徑、下口直徑和高分別為25.8、16.3、22.5 cm。試驗(yàn)時(shí)以不使用重金屬鎘的處理作為對(duì)照，重金屬鎘的脅迫濃度分別設(shè)定為5、20、50、100 mg/kg（不含背景值，重金屬鎘的脅迫濃度以Cd2+計(jì)），每次處理重復(fù)4次。

按照設(shè)定的重金屬鎘的脅迫濃度，在每只花盆中添加4種不同濃度的重金屬鎘溶液各1 000 mL，每天噴施清水100 mL。平衡14 d后，播種用蒸餾水浸泡24 h的潤(rùn)草1號(hào)種子，播種量為每盆中300粒，保持土壤含水量為田間最大持水量的70%。種植1個(gè)月后，分別取樣分析。

1.3 測(cè)定方法

生理生化指標(biāo)的測(cè)定按照張治安[2]的方法，葉綠素采用95%乙醇提取，UV-2100型紫外/可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定；根系活力測(cè)定采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法；細(xì)胞膜透性測(cè)定采用電導(dǎo)法，使用DDS-12AW型電導(dǎo)儀測(cè)定；游離脯氨酸采用磺基水楊酸提取法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬鎘脅迫對(duì)根系活力的影響

根系不僅是植物吸收水分、礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的主要器官，也是合成氨基酸、激素等物質(zhì)的重要部位，同時(shí)合成并輸送感受外界刺激的信息物質(zhì)。根系的生長(zhǎng)狀況和活力對(duì)于地上部的營(yíng)養(yǎng)、生長(zhǎng)和最終產(chǎn)量的形成至關(guān)重要。根系活力是指植物根系自身具有的合成、吸收、還原及氧化能力等，可以用來(lái)衡量植物根系長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)劣和標(biāo)示植物生長(zhǎng)情況的重要生理指標(biāo)。根系活力大小反映了植物根系代謝強(qiáng)度的大小。如果根系活力越大，則表明根系組織的代謝能力越強(qiáng)，根系長(zhǎng)得越粗壯，這對(duì)整個(gè)植株的生長(zhǎng)發(fā)育是十分有利的[3]。從圖1可以看出，不同濃度重金屬鎘處理后，潤(rùn)草1號(hào)的根系活力低于對(duì)照組，隨著重金屬鎘濃度的逐浙增大，根系活力表現(xiàn)為逐漸降低。當(dāng)重金屬鎘濃度小于5 mg/kg時(shí)，根系活力是與對(duì)照組相近的，這說(shuō)明該濃度對(duì)潤(rùn)草1號(hào)的影響很小。重金屬鎘脅迫使根系活力降低，可能是由于較強(qiáng)的呼吸代謝作用導(dǎo)致了潤(rùn)草1號(hào)過(guò)多地消耗了能量，進(jìn)而抑制了潤(rùn)草1號(hào)的生長(zhǎng)發(fā)育。

2.2 重金屬鎘脅迫對(duì)細(xì)胞膜透性的影響

生物體內(nèi)的細(xì)胞膜是一種具有選擇性的半透膜，對(duì)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的運(yùn)輸和交換起著重要的調(diào)節(jié)和控制作用。外界環(huán)境對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生脅迫時(shí)最敏感的部位是細(xì)胞膜，細(xì)胞膜透性的改變或喪失都是因?yàn)榧?xì)胞受到各種逆境傷害引起的。因此，在植物抗逆性研究中常把細(xì)胞膜透性作為重要的生理指標(biāo)。從表1可以看出，不同濃度重金屬鎘處理后，潤(rùn)草1號(hào)的電導(dǎo)率都比對(duì)照有所增加。在5、20 mg/kg時(shí)細(xì)胞膜透性變化較小，對(duì)潤(rùn)草1號(hào)影響較小。當(dāng)重金屬鎘濃度達(dá)到50 mg/kg時(shí)，細(xì)胞膜透性明顯增大。由傷害率可以看出，隨著重金屬鎘濃度增大，傷害率逐漸增加。重金屬鎘濃度為100 mg/kg時(shí)，對(duì)潤(rùn)草1號(hào)的傷害率最大，達(dá)到29.56%，對(duì)潤(rùn)草1號(hào)影響明顯。

2.3 重金屬鎘脅迫對(duì)脯氨酸含量的影響

脯氨酸是一種水溶性最大的氨基酸，也是一種小分子滲透物質(zhì)。脯氨酸可以調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的滲透平衡，提高植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]，并能有效地阻止植物細(xì)胞內(nèi)氧自由基的產(chǎn)生，以緩解或修復(fù)逆境對(duì)其造成的傷害。因此，游離脯氨酸的含量可以作為潤(rùn)草1號(hào)對(duì)重金屬鎘脅迫的一個(gè)重要生理生化指標(biāo)。從圖2可以看出，不同濃度重金屬鎘處理后，潤(rùn)草1號(hào)的游離脯氨酸含量隨重金屬鎘濃度增大呈先升高后降低的變化。重金屬鎘濃度為5 mg/kg時(shí)升高較小，對(duì)潤(rùn)草1號(hào)影響很小。重金屬鎘濃度為50 mg/kg時(shí)達(dá)到最大值，是對(duì)照組的3.02倍，因此對(duì)潤(rùn)草1號(hào)影響明顯。

2.4 重金屬鎘脅迫對(duì)葉綠素含量的影響

植物體內(nèi)的葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，葉綠素含量和葉綠素a/b是衡量植物葉片長(zhǎng)勢(shì)如何的重要指標(biāo)[4]。在逆境脅迫下，植物體內(nèi)葉綠素含量的多少說(shuō)明了植物抗逆境脅迫能力的大小，因此，葉綠素含量可以作為植物抗逆境脅迫程度的重要生理指標(biāo)[5]。不同濃度的重金屬鎘處理后，潤(rùn)草1號(hào)葉片內(nèi)所含的光合色素含量發(fā)生了明顯變化。從表2中可以看出，潤(rùn)草1號(hào)的葉片內(nèi)所含的葉綠素總量、葉綠素a/b、葉綠素a、葉綠素b以及類胡羅卜素均隨著重金屬鎘濃度的增加而呈先升高后降低的變化趨勢(shì)，且當(dāng)濃度為20 mg/kg 時(shí)均達(dá)到了最大值。類胡蘿卜素含量的增幅分別為各處理后對(duì)照組的13.79%、24.14%、-8.62%和 -17.24%，葉綠素總量的增幅分別為各處理后對(duì)照組的2.29%、11.43%、-3.71%和-10.29%，這說(shuō)明不同濃度的重金屬鎘處理后，潤(rùn)草1號(hào)的適應(yīng)機(jī)理存在顯著差異，造成潤(rùn)草1號(hào)的類胡蘿卜素含量和葉綠素總量的不同。

3 小結(jié)與討論

植物根系是活躍的吸收器官和合成器官。當(dāng)重金屬污染土壤時(shí)，首先是植物的根系受到傷害，其主要表現(xiàn)為植物主動(dòng)吸收能力的降低和根系活力的降低。本試驗(yàn)中，潤(rùn)草1號(hào)的根系活力隨著重金屬鎘處理濃度的增大而逐漸下降，且重金屬鎘處理濃度越高根系活力下降程度越大。原因可能是在重金屬鎘脅迫下，潤(rùn)草1號(hào)自身抗氧化系統(tǒng)酶不能將產(chǎn)生的氧自由基及時(shí)清除掉，根系代謝中的琥珀酸脫氫酶就會(huì)受到多余的氧自由基的傷害，從而使根系活力下降[6]。此時(shí)潤(rùn)草1號(hào)要緩解鎘脅迫對(duì)其造成的傷害，就要消耗大量的代謝產(chǎn)物，這樣就會(huì)影響潤(rùn)草1號(hào)的生長(zhǎng)發(fā)育。在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，潤(rùn)草1號(hào)側(cè)根的生成速率是隨著重金屬鎘處理濃度的增大而減小，這恰好與潤(rùn)草1號(hào)根系生物量隨濃度變化的情況相一致。

細(xì)胞膜系統(tǒng)是植物細(xì)胞和外界環(huán)境相聯(lián)系的界面，也是植物細(xì)胞和外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和信息傳遞的屏障。植物細(xì)胞具有正常的生理功能是以細(xì)胞膜具有較高的穩(wěn)定性為基礎(chǔ)的[7]。在重金屬鎘脅迫下，潤(rùn)草1號(hào)的細(xì)胞膜受到了破壞，使其通透性增加。細(xì)胞膜的損傷不但會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)一系列生理生化過(guò)程的紊亂，而且會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜上結(jié)合酶和細(xì)胞內(nèi)酶失去平衡，使細(xì)胞內(nèi)大量的可溶性物質(zhì)外滲，進(jìn)而造成潤(rùn)草1號(hào)的死亡[8]。在重金屬鎘的脅迫下，隨著重金屬鎘處理濃度的增大，潤(rùn)草1號(hào)葉片組織外滲液的電導(dǎo)率逐漸升高，而且呈明顯的正相關(guān)。究其原因可能是重金屬鎘進(jìn)入潤(rùn)草1號(hào)葉片組織后，與細(xì)胞膜的蛋白質(zhì)分子中的-SH或細(xì)胞膜的磷脂分子層中的磷脂類物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，造成細(xì)胞膜蛋白和磷脂分子層的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，進(jìn)而使細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，這樣細(xì)胞膜系統(tǒng)受到破壞，細(xì)胞膜的通透性增大，從而使細(xì)胞內(nèi)的鹽類或有機(jī)物出現(xiàn)不同程度的滲出，最終導(dǎo)致電導(dǎo)率的增大[9]。

植物體內(nèi)的脯氨酸是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其至作用是維持植物細(xì)胞的滲透壓，當(dāng)外界不良環(huán)境對(duì)植物脅迫時(shí)能起到很好的指示作用[10]。潤(rùn)草1號(hào)葉片內(nèi)游離脯氨酸含量，隨著重金屬鎘處理濃度的增加而增大，當(dāng)脅迫濃度為50 mg/kg時(shí)達(dá)到最大值，這是受到重金屬鎘脅迫時(shí)，潤(rùn)草1號(hào)表現(xiàn)出的正常生理反應(yīng)。當(dāng)受到重金屬鎘脅迫時(shí)，潤(rùn)草1號(hào)葉片組織內(nèi)物質(zhì)的代謝路徑會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，使脯氨酸的氧化過(guò)程受到抑制，從而減慢蛋白質(zhì)的合成速度，造成細(xì)胞內(nèi)脯氨酸含量的升高。細(xì)胞內(nèi)存在的大量脯氨酸能維持潤(rùn)草1號(hào)葉片內(nèi)的水分平衡，保持細(xì)胞內(nèi)原生質(zhì)與外界環(huán)境的滲透平衡，增大細(xì)胞內(nèi)各種蛋白質(zhì)的溶解性，也使各種生物大分子的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性受到保護(hù)[4]。

綠色植物進(jìn)行光合作用的主要色素是葉綠素，植物光合作用的強(qiáng)弱直接受到葉綠素含量的影響，植物同化物質(zhì)能力的大小可以通過(guò)葉綠素含量的多少來(lái)反映。葉綠素受到外界環(huán)境影響時(shí)其含量發(fā)生變化，葉綠素含量的變化又會(huì)引起植物光合性能的改變，甚至影響植物正常的新陳代謝[11]。本試驗(yàn)中，在低濃度重金屬鎘脅迫下，潤(rùn)草1號(hào)葉片中葉綠素的含量緩慢地增大，這是潤(rùn)草1號(hào)葉片中葉綠素合成系統(tǒng)主動(dòng)表現(xiàn)出的應(yīng)激性反應(yīng)。當(dāng)重金屬鎘脅迫濃度大于20 mg/kg時(shí)，潤(rùn)草1號(hào)葉片中葉綠素含量開(kāi)始明顯地減小，其原因可能是過(guò)量重金屬鎘破壞了潤(rùn)草1號(hào)葉片的細(xì)胞膜，使細(xì)胞膜受到損傷而透性增大，從而造成葉綠素分子大量地滲漏出來(lái)；也可能是催化葉綠素合成所需要的3種蛋白酶（膽色素原脫氨酶、原葉綠素脂還原酶和氨基乙酰丙酸合成酶）與重金屬鎘結(jié)合，使蛋白酶的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，這樣就降低了蛋白酶的活性，從而影響了葉綠素的合成；還可能是重金屬鎘破壞了潤(rùn)草1號(hào)葉片細(xì)胞中線粒體的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致葉綠素降解而使其含量降低，抑制了光合作用，使?jié)櫜?號(hào)代謝產(chǎn)生紊亂，造成潤(rùn)草1號(hào)的抗逆性降低[11]。

需要強(qiáng)調(diào)的是，衡量草坪植物應(yīng)用價(jià)值的最重要指標(biāo)是根系的生長(zhǎng)與葉片的綠色度[12]，而對(duì)潤(rùn)草1號(hào)根系生長(zhǎng)起顯著抑制作用的、對(duì)潤(rùn)草1號(hào)的建植及對(duì)污染地區(qū)潤(rùn)草1號(hào)的生產(chǎn)起重要限制作用的都是重金屬鎘。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了使?jié)櫜?號(hào)的根系生長(zhǎng)不受到影響，應(yīng)該嚴(yán)格控制土壤中重金屬鎘的濃度小于20 mg/kg。由于重金屬鎘不是潤(rùn)草1號(hào)生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，且具有較大的毒性，所以更應(yīng)該嚴(yán)格控制重金屬鎘的使用濃度。

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