鎘脅迫對(duì)兩種狼尾草不同生育時(shí)期生長(zhǎng)性能、光合作用特征及鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)差異的影響

劉大林，孫啟鑫，邵 將，陳鳴暉，張 華

(1.揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009; 2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

鎘脅迫對(duì)兩種狼尾草不同生育時(shí)期生長(zhǎng)性能、光合作用特征及鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)差異的影響

劉大林1，孫啟鑫1，邵 將1，陳鳴暉1，張 華2

(1.揚(yáng)州大學(xué)動(dòng)物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009; 2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

采用盆栽法研究在不同濃度(0、5、25、50、75、100 mg·kg-1)鎘脅迫下美洲狼尾草(ML,Pennisetumamericanum)和雜交狼尾草(ZL,P.americanum×P.purpureum)不同生育期的生長(zhǎng)指標(biāo)、光合作用特征，并比較兩者耐鎘性和對(duì)鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)差異。結(jié)果表明,1)相同生育期下，隨Cd濃度的增加兩種狼尾草株高先升高后降低，葉寬沒(méi)有顯著性變化，鮮重和干重逐漸降低；2)同一生育期，ML的葉綠素a和葉綠素b含量均高于ZL；低Cd濃度(5 mg·kg-1)，對(duì)植株的光合指標(biāo)影響不大，但Cd濃度增加后，各處理與對(duì)照相比顯著下降(P<0.05)，高濃度Cd處理對(duì)ZL光合作用影響要大于ML；3)ML生長(zhǎng)性能受Cd脅迫影響比ZL要小，但ZL富集系數(shù)高于ML，ML耐鎘性更好，而ZL修復(fù)鎘污染土壤的能力更強(qiáng)；4)根系是主要富集部位并且鎘從根系往地上部位轉(zhuǎn)移系數(shù)較低，3個(gè)生育期中幼苗期植株中Cd含量最高。

鎘；狼尾草；生長(zhǎng)性能；光合作用；富集系數(shù)

近年來(lái)，隨著工業(yè)化快速發(fā)展，土壤重金屬污染現(xiàn)在已成為人類(lèi)面臨的重大生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年向環(huán)境中釋放的鎘在3萬(wàn)t左右，其中82%～94%的鎘會(huì)進(jìn)入到土壤中。我國(guó)受重金屬污染的耕地約占耕地總面積的1/5，約為2 000萬(wàn)hm2,其中鎘污染耕地占1 133萬(wàn)hm2[1]。修復(fù)土壤污染的方法有物理客土法、化學(xué)吸附法、微生物吸收法和植物修復(fù)法，而對(duì)于大面積污染土壤，物理、化學(xué)和微生物方法都存在相應(yīng)的局限性,難以實(shí)施。利用植物的富集作用吸收土壤中過(guò)量的重金屬的植物修復(fù)技術(shù)因成本低、不破壞土壤、易實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)受到重點(diǎn)關(guān)注[2]。鎘脅迫會(huì)引起植株表面中毒癥狀[3]，如莖葉變黃[4]、葉壞死和根褐化[5],同時(shí)也會(huì)對(duì)光合作用[6]、酶活性[7]等生理生化進(jìn)程造成不利影響，而且對(duì)水稻(Oryzasativa)[8]、小麥(Triticumaestivum)[9]等農(nóng)作物籽粒也會(huì)帶來(lái)污染導(dǎo)致無(wú)法食用。近年來(lái)，有關(guān)草坪草、豆科牧草對(duì)鎘污染土壤修復(fù)已有較多報(bào)道[10-11]，草坪草可以適用于非農(nóng)耕區(qū)種植可以達(dá)到綠化、保持水土等作用而在農(nóng)耕區(qū)會(huì)造成資源的浪費(fèi)；豆科牧草多為直根系,對(duì)水分過(guò)多較為敏感，在南方濕度較大的地區(qū)會(huì)引起根的腐爛[12]，是否能尋找到既不造成耕作土壤的浪費(fèi)又適應(yīng)南方氣候的富集植物成為一個(gè)難點(diǎn)。美洲狼尾草(Pennisetumamericanum)和雜交狼尾草(P.americanum×P.purpureum)是禾本科狼尾草屬重要牧草，狼尾草屬于熱帶、亞熱帶草本植物，喜南方高溫濕潤(rùn)的氣候條件，植株可高達(dá)3 m，莖葉繁茂，須根發(fā)達(dá)，具有生長(zhǎng)速度快、抗旱耐澇抗病蟲(chóng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是優(yōu)質(zhì)牧草、能源草和觀賞草。狼尾草主要種植于長(zhǎng)江流域及淮河以南區(qū)域[13]，高大的生物量、廣泛的用途、良好的生態(tài)習(xí)性使其具有更大種植優(yōu)勢(shì)，而且在耕作區(qū)種植具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，以上特點(diǎn)使其具有修復(fù)植物可能性。因此,本研究選用二倍體美洲狼尾草和三倍體雜交狼尾草為材料，研究鎘脅迫對(duì)這兩種狼尾草的生長(zhǎng)性能、光合特性的影響及這兩種牧草吸收土壤中鎘的效果，為南方受鎘污染土地修復(fù)和牧草利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于5月中旬在揚(yáng)州大學(xué)教科園區(qū)進(jìn)行，播種基質(zhì)為黏土和黃沙的混合物,按1∶3的比例配制。土壤pH為6.7，堿解氮含量73.6 mg·kg-1，全磷含量0.61 g·kg-1，全鉀含量5.3 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量為11.3 g·kg-1，全氮含量1.5 g·kg-1，速效磷含量為34.3 mg·kg-1，速效鉀含量86.2 mg·kg-1，土壤鎘全量0.05 mg·kg-1(HNO3-HC1O4-HF提取，ICP-MS測(cè)定[8])。試驗(yàn)材料為美洲狼尾草(ML)和雜交狼尾草(ZL)，種子均由江蘇省農(nóng)科院畜牧研究所提供。試驗(yàn)中重金屬Cd 的添加形式為分析純CdCl2·2.5H2O，由國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

因?yàn)槲覈?guó)南方部分農(nóng)田[14]和礦區(qū)[15]土壤中Cd濃度最大值基本小于100 mg·kg-1，平均值在2～28 mg·kg-1，所以設(shè)定最大Cd濃度為100 mg·kg-1，在進(jìn)行正式試驗(yàn)之前，先做了土壤Cd脅迫預(yù)試驗(yàn)，Cd濃度設(shè)定為0、2、5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mg·kg-1，發(fā)現(xiàn)2 mg·kg-1雖然是嚴(yán)重污染程度，但與無(wú)Cd對(duì)照生長(zhǎng)情況無(wú)差異，而5 mg·kg-1時(shí)出現(xiàn)差異，其它濃度也表現(xiàn)出差異，所以本研究設(shè)定6個(gè)Cd處理濃度(土壤中Cd濃度、以CdCl2·2.5H2O溶液形式加入)，分別為0、5、25、50、75、100 mg·kg-1，標(biāo)記為Cd0、Cd5、Cd25、Cd50、Cd75、Cd100，以Cd0為對(duì)照，加入等量蒸餾水。試驗(yàn)為盆栽，每盆(直徑30 cm，高25 cm)裝基質(zhì)土8 kg，基肥為尿素，按高產(chǎn)田水平施用(5 g·盆-1)。于播種前兩周將基質(zhì)土、基肥和鎘試劑混勻后裝盆，每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)期間根據(jù)土壤情況定量澆水。待長(zhǎng)勢(shì)穩(wěn)定后每盆留取15株長(zhǎng)勢(shì)相近植株，3個(gè)生育時(shí)期分別選取5株進(jìn)行測(cè)定。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.2.1 株高、葉寬測(cè)定 每個(gè)生育期各處理隨機(jī)取10株長(zhǎng)勢(shì)相近完整的狼尾草，用直尺測(cè)定植株基部到頂部的距離為植株自然高度(cm)，每個(gè)處理3次重復(fù)；選取從上到下第3片完全展開(kāi)的完整葉片，用游標(biāo)卡尺測(cè)量葉片最寬處為葉寬(cm)，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.2.2 植株鮮重、干重測(cè)定 每個(gè)生育期各處理隨機(jī)取若干株完整的狼尾草，將根系洗凈，濾紙吸干根系表面的水分后，用天平稱(chēng)重。計(jì)算單株的平均重量為鮮重(g·株-1)，每個(gè)處理3次重復(fù)；稱(chēng)完后將上述植株放入干燥箱105 ℃條件下，殺青0.5 h，并在75 ℃下烘干至恒重，計(jì)算單株的平均重量為干重(g·株-1)，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.2.3 光合指標(biāo)測(cè)定 葉片氣體交換參數(shù)：抽穗期在自然空氣條件下，利用美國(guó)LI-COR公司產(chǎn) LI-6400系列便攜式光合儀，選取健康成熟功能葉(從分蘗外往里數(shù)第2或第3片展開(kāi)葉片中部較健康、無(wú)折痕的部位)，測(cè)定時(shí)間為09:00-11:00，測(cè)定出葉片凈光合速率[Pn, μmol·(m2·s)-1]、蒸騰速率[Tr, mmol·(m2·s)-1]、氣孔導(dǎo)度[Gs, mmol·(m2·s)-1]、細(xì)胞間CO2濃度(Ci, μmol·mmoL-1)，計(jì)算水分利用效率(WUE=Pn/Tr,%)，測(cè)定重復(fù)5次，設(shè)定光照強(qiáng)度為1 500 lx、溫度為25 ℃時(shí)的測(cè)定值進(jìn)行分析。

葉綠素a和葉綠素b含量[16]:每個(gè)生育期稱(chēng)取0.20 g新鮮葉片(吸干表面水分)，研磨至勻漿變白，過(guò)濾到25 mL棕色容量瓶，用95%乙醇定容。室溫下避光靜置；以95%乙醇為空白在665、649 nm下測(cè)定吸光值。根據(jù)下列公式計(jì)算：

Chla=13.95A665-6.88A649；

葉綠素a含量=Chla·V/W；

Chlb=24.96 A649-7.32 A665；

葉綠素b含量=Chb·V/W。式中：Chla為葉綠素a的濃度(mg·L-1)；Chlb為葉綠素b的濃度(mg·L-1)；A665、A649分別表示665和649 nm下吸光值；V為提取后體積(L)；W為葉片鮮重(g)。

1.2.4 鎘含量測(cè)定 植物樣測(cè)定：每個(gè)生育期，每盆選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的狼尾草植株，洗凈，將地上部分與根系分離，105 ℃條件下，殺青0.5 h，并在80 ℃下烘干至恒重。烘干樣品粉碎后過(guò)0.25 mm篩，各處理稱(chēng)取0.20 g粉樣于消煮管中，然后加入10 mL HNO3-HCLO4(4∶1)混合酸，放置過(guò)夜后，置于遠(yuǎn)紅外消煮爐上進(jìn)行消化，待白煙冒盡，溶液呈清涼無(wú)色，停止加熱冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移

至25 mL容量瓶中，加去離子水定容，搖勻后得試樣溶液，同時(shí)做試劑空白對(duì)照。用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定樣品中的Cd含量。富集系數(shù)(bioconcenrration factor, BCF)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(translocation factor, TF)公式[17]如下：

BCF=植物地上部分Cd含量/土壤中總Cd含量;

TF=植物地上部分Cd含量/根中Cd含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0軟件對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示測(cè)定結(jié)果，用Duncan法對(duì)各測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較；采用Excel 2010制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對(duì)狼尾草生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

2.1.1 葉寬 三因素分析得出,品種、濃度、生育時(shí)期、生育時(shí)期×品種對(duì)植株葉寬都有顯著影響(P<0.05)。幼苗期相同濃度處理下,ZL葉寬顯著高于ML(P<0.05)，ZL的葉寬隨著Cd濃度的增加與對(duì)照組之間均沒(méi)有顯著差異(P>0.05)，ML在25和100 mg·kg-1Cd濃度時(shí)顯著高于對(duì)照。分蘗期和抽穗期相同濃度處理下ML和ZL葉寬之間沒(méi)有顯著差異，隨著Cd濃度的增加，ML的葉寬在分蘗期和抽穗期與對(duì)照均差異不顯著，ZL在抽穗期所有Cd處理與對(duì)照也無(wú)顯著差異，但在分蘗期，75 mg·kg-1Cd濃度處理顯著高于對(duì)照(圖1)。

2.1.2 株高 三因素分析得出，濃度、品種、生育時(shí)期以及生育時(shí)期×品種對(duì)植株株高都有顯著影響(P<0.05)。3個(gè)生育時(shí)期ML株高均高于ZL，且在分蘗期和抽穗期兩者間呈顯著差異(P<0.05)，幼苗期除對(duì)照外兩者均無(wú)顯著差異(P>0.05)。隨著Cd濃度增加兩種牧草的株高大體上呈降低趨勢(shì)，幼苗期和分蘗期ML在Cd濃度為100 mg·kg-1時(shí)均顯著低于對(duì)照，ZL各處理濃度與對(duì)照相比均不顯著(P>0.05)；抽穗期ZL的100 mg·kg-1處理顯著低于對(duì)照(圖2)。

2.1.3 鮮重 三因素分析得出，品種、濃度、生育時(shí)期、生育時(shí)期×品種、生育時(shí)期×濃度對(duì)植株的鮮重都有顯著影響(P<0.05)。3個(gè)生育時(shí)期相同濃度下ZL鮮重均大于ML，幼苗期ML和ZL各處理濃度均顯著低于對(duì)照且兩者之間無(wú)顯著差異(P>0.05)；分蘗期ZL鮮重均顯著高于ML,且ML在Cd濃度為100 mg·kg-1時(shí)鮮重顯著小于對(duì)照，ZL在Cd濃度為75和100 mg·kg-1時(shí)顯著小于對(duì)照；抽穗期ML鮮重隨著Cd濃度的增加逐漸降低，而ZL則隨Cd濃度增加先上升后降低，兩者在Cd濃度為75、100 mg·kg-1時(shí)都顯著小于對(duì)照(P<0.05)(圖3)。

圖1 Cd脅迫在不同生育時(shí)期對(duì)狼尾草葉寬的影響Fig.1 Effects of Cd stress on the leaf width ofPennisetum during different growth stages

注：同一品種不同小寫(xiě)字母表示不同Cd濃度處理間差異顯著(P<0.05)，ns表示同一濃度不同品種間差異不顯著(P>0.05)，*表示同一濃度不同品種間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant difference in different concentrations of the same species at the 0.05 level, ns indicates no significant difference in different species of the same concentration(P>0.05)，* indicates significant difference in different species of the same concentration at the 0.05 level, similarly for each of the following figures.

2.2 Cd脅迫對(duì)狼尾草光合指標(biāo)的影響

2.2.1 葉綠素a含量 三因素分析得出，濃度、生育時(shí)期、品種×濃度對(duì)植株葉片的葉綠素a含量都有顯著影響(P<0.05)。除分蘗期25 mg·kg-1Cd處理外，3個(gè)生育時(shí)期兩種狼尾草葉綠素a含量在相同Cd脅迫濃度下均無(wú)顯著差異(P>0.05)。幼苗期和分蘗期ML和ZL在Cd濃度為100 mg·kg-1時(shí)葉綠素a含量顯著低于對(duì)照組(P<0.05)；抽穗期隨著Cd濃度的增加，ML對(duì)照組顯著高于其它處理濃度(P<0.05)，而ZL各個(gè)濃度處理與對(duì)照間均不存在顯著差異(P>0.05)(圖4)。

圖2 Cd脅迫對(duì)不同生育時(shí)期下狼尾草株高的影響Fig.2 Effects of Cd stress on the height ofPennisetum during different growth stages

圖3 Cd脅迫對(duì)不同生育時(shí)期狼尾草鮮重的影響Fig.3 Effects of Cd stress on the fresh weight ofPennisetum during different growth stages

圖4 狼尾草在三個(gè)生育時(shí)期的葉綠素a含量Fig.4 Content of chlorophyll a in differentPennisetum during different growth stages

2.2.2 葉綠素b含量 三因素分析得出，濃度、生育時(shí)期、品種×濃度對(duì)植株葉片葉綠素b含量都有顯著影響(P<0.05)。3個(gè)生育時(shí)期兩種狼尾草總體沒(méi)有顯著差異，幼苗期相同處理濃度下，隨著Cd濃度的增加，ML葉綠素b含量整體呈下降的趨勢(shì)，在濃度達(dá)到100 mg·kg-1時(shí)，葉綠素b含量顯著低于對(duì)照，ZL各個(gè)處理組與對(duì)照之間無(wú)顯著差異(P>0.05)；分蘗期ML隨著Cd濃度增加，總體呈先升后降趨勢(shì)，ZL葉綠素b含量則總體呈逐漸下降趨勢(shì)，且在5、75、100 mg·kg-1濃度時(shí)顯著低于對(duì)照(P<0.05)；抽穗期隨著Cd濃度的增加，ML對(duì)照組葉綠素b含量顯著高于其它濃度處理，而ZL各Cd濃度處理與對(duì)照間無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖5)。

2.2.3 光合參數(shù) 隨著Cd濃度的增大，兩種牧草葉片的Pn、Tr、Gs逐漸呈下降趨勢(shì)，Ci總體呈先升后降趨勢(shì)，但也存在差異(表1)。ML的Pn在Cd濃度為25 mg·kg-1時(shí)開(kāi)始起顯著低于對(duì)照(P<0.05)；75和100mg·kg-1Cd處理的Tr顯著小于對(duì)照(P<0.05)；各濃度處理的Gs都顯著低于對(duì)照；25、50和100 mg·kg-1Cd濃度下的Ci都顯著高于對(duì)照；WUE各濃度處理與對(duì)照間均不顯著(P>0.05)。ZL的25、50、75和100 mg·kg-1Cd處理下Pn、Tr均顯著小于對(duì)照，且隨著Cd濃度的增加Pn、Tr持續(xù)降低；各濃度處理的Gs均顯著小于對(duì)照；Ci無(wú)明顯變化規(guī)律，100 mg·kg-1Cd處理著高于對(duì)照；WUE在75和100 mg·kg-1處理下顯著小于對(duì)照。

圖5 狼尾草在三個(gè)生育時(shí)期的葉綠素b含量Fig.5 Content of chlorophyll b in differentPennisetum during different growth stages

2.3 Cd脅迫對(duì)狼尾草Cd含量的影響

2.3.1 Cd脅迫對(duì)狼尾草地上部分Cd含量的影響 三因素分析得出，品種、濃度、生育時(shí)期、品種×濃度、生育時(shí)期×品種、生育時(shí)期×濃度和生育時(shí)期×品種×濃度都對(duì)植株地上部分Cd含量有顯著影響(P<0.05)。3個(gè)生育時(shí)期中隨著Cd濃度的增加，兩種狼尾草地上部分Cd含量逐漸增加，Cd濃度高于5 mg·kg-1的處理均顯著高于對(duì)照。幼苗期ZL在同一濃度處理下總體均顯著高于ML(P<0.05)；分蘗期Cd濃度為0～75 mg·kg-1時(shí)ZL顯著高于ML,100 mg·kg-1時(shí)ML顯著高于ZL。當(dāng)Cd濃度為100 mg·kg-1時(shí)地上部分Cd含量都顯著高于其它濃度處理和對(duì)照；抽穗期各濃度處理下兩種狼尾草均顯著高于對(duì)照，同一濃度總體上ZL大于ML，除5 mg·kg-1處理下ZL顯著高于ML外，其它處理下均無(wú)顯著差異(P>0.05)(圖6)。

表1 分蘗期Cd脅迫對(duì)狼尾草凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、 胞間二氧化碳濃度和水分利用效率的影響Table 1 Effects of Cd stress on the net photosynthetic rate(Pn), transpiration rate(Tr), stomatal conductance(Gs), CO2 concentration(Ci) and water use efficiency(WUE) of Pennisetum in tillering stage

圖6 3個(gè)生育時(shí)期狼尾草地上部分Cd含量Fig.6 Cd content with aboveground ofPennisetum during different growth stages

2.3.2 Cd脅迫對(duì)狼尾草根系Cd含量的影響 三因素分析得出,濃度、品種、生育時(shí)期、生育時(shí)期×品種、生育時(shí)期×濃度、生育時(shí)期×品種×濃度對(duì)植株根系Cd含量均有顯著性影響(P<0.05)。3個(gè)生育時(shí)期,Cd濃度為50、75和100 mg·kg-1時(shí)兩種牧草均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，且隨著Cd濃度的增加根系中Cd含量逐漸增加；除5 mg·kg-1Cd處理外，幼苗期相同濃度下ML根系Cd含量均高于ZL；分蘗期相同濃度下ML根系Cd含量均低于ZL；抽穗期25 mg·kg-1時(shí)ZL顯著大于ML,75 mg·kg-1時(shí)ML顯著大于ZL(圖7)。

圖7 3個(gè)生育時(shí)期狼尾草根系Cd含量Fig.7 Cd content with roots of Pennisetumduring different growth stages

2.3.3 Cd脅迫對(duì)狼尾草不同生育期轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)的影響 兩種狼尾草在抽穗期的轉(zhuǎn)移系數(shù)和3個(gè)生育期的富集系數(shù)總體隨著Cd濃度的增大呈降低趨勢(shì)(表2)。ML在分蘗期和抽穗期時(shí)土壤Cd濃度為5 mg·kg-1時(shí)的轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，75 mg·kg-1時(shí)最低，幼苗期以Cd濃度為50 mg·kg-1時(shí)轉(zhuǎn)移系數(shù)最大，100 mg·kg-1最??；抽穗期總體高于幼苗期和分蘗期；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)總體為7.88%～44.25%。富集系數(shù)方面，ML在3個(gè)生育時(shí)期均以Cd濃度為5 mg·kg-1處理顯著高于其它濃度處理(P<0.05)，而隨著生育時(shí)期的延長(zhǎng)略顯降低，其范圍為7.86%～46.61%。ZL轉(zhuǎn)移系數(shù)與ML表現(xiàn)類(lèi)似，但幼苗期不同，隨著Cd濃度增加呈先升高后降低趨勢(shì)，當(dāng)Cd濃度為75 mg·kg-1時(shí)表現(xiàn)值最大；3個(gè)生育時(shí)期的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)范圍為6.09%～76.36%。ZL的Cd濃度為5 mg·kg-1時(shí)處理富集系數(shù)顯著高于其它濃度處理，但兩種牧草的富集系數(shù)有所不同，同一生育時(shí)期內(nèi)，ZL富集系數(shù)通常高于ML，范圍為7.17%～69.56%。

表2 Cd脅迫對(duì)狼尾草不同生育期轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)的影響Table 2 Effects of Cd stress on the transfer factor and bioconcentration factor of Pennisetum during different growth stages

3 討論

3.1 Cd脅迫對(duì)狼尾草生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

Cd是植物的非必需元素，一定濃度會(huì)嚴(yán)重阻礙植物生長(zhǎng)甚至死亡。有研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的Cd2+能夠促進(jìn)野燕麥(Avenafatua)幼苗株高和地上、地下部分干、鮮重量的積累，高濃度Cd2+能抑制野燕麥幼苗生長(zhǎng)[18]。紫花苜蓿(Medicagosativa)的株高隨鎘濃度增加而降低，鮮重則先升高后降低[19]。本研究結(jié)果顯示，兩種狼尾草的株高隨Cd濃度增加先稍微增高后再逐漸下降，這也說(shuō)明了低濃度的Cd對(duì)植株生長(zhǎng)有一定的刺激作用；而葉寬卻沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的變化，這可能是莖葉生長(zhǎng)內(nèi)在原因不同：莖中含有較多生長(zhǎng)素，Cd可能抑制生長(zhǎng)素的合成或運(yùn)輸，Cd會(huì)對(duì)葉片細(xì)胞中類(lèi)囊體等造成損害[20]，但應(yīng)該沒(méi)有破壞細(xì)胞壁；鮮重和干重的逐漸降低也反應(yīng)出高濃度Cd加重了對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制效果。盡管狼尾草株高、葉寬受Cd脅迫導(dǎo)致平均鮮重下降，但Cd濃度為100 mg·kg-1時(shí)仍隨著生育期延長(zhǎng)而增大，可見(jiàn)狼尾草對(duì)Cd脅迫有良好的耐受性。Cd對(duì)兩種狼尾草抑制作用為株高>葉寬，雜交狼尾草>美洲狼尾草，這說(shuō)明葉比莖耐受性大，美洲狼尾草對(duì)Cd的耐受性強(qiáng)于雜交狼尾草。

3.2 Cd脅迫對(duì)狼尾草光合指標(biāo)的影響

葉綠素是光合作用的的最重要色素，直接反映光合效率大小，高等植物中葉綠素由葉綠素a和葉綠素b組成。當(dāng)植物受到重金屬離子脅迫時(shí)，葉綠素合成和光合作用一般會(huì)受到抑制，使葉綠素總量和光合效率降低。一般認(rèn)為光合速率降低原因有：Gs與Ci相同變化時(shí)為氣孔因素限制；Gs與Ci相異變化時(shí)為非氣孔因素限制[21]。有研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫下菜豆葉片中光合色素含量隨著Cd濃度的增加和時(shí)間的延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)[22]。但本研究結(jié)果顯示，總體上葉綠素a和葉綠素b含量隨Cd濃度增加逐漸下降，但有些生育期中呈先升后降趨勢(shì)，這與劉周莉等[23]研究結(jié)果相似。也有研究表明，Cd濃度的增加抑制匍匐剪股穎(Agrostisstolonifera)葉綠素含量[24]。這可能是植株體內(nèi)攝入過(guò)多的Cd，造成葉綠素酶活性比例失調(diào)，加快葉綠素分解，從而導(dǎo)致含量下降。隨著生育期的延長(zhǎng)，兩種葉綠素的含量也在增加，但抽穗期的最高濃度處理都顯著低于幼苗期的低濃度(5 mg·kg-1)，說(shuō)明較低濃度Cd處理對(duì)狼尾草的葉綠素含量較小，濃度比時(shí)間的脅迫影響更強(qiáng)些。葉綠素a是光反應(yīng)的中心色素，葉綠素b則捕獲光子，葉綠素a和b含量使光反應(yīng)受阻，氣孔導(dǎo)度下降和胞間二氧化碳濃度變化使得凈光合速率下降。

陳良等[25]研究表明，Cd脅迫下，兩種菊芋(Helianthustuberosus)幼苗的Pn、Gs、Tr值均明顯下降，Ci較穩(wěn)定，能通過(guò)增加葉片的類(lèi)胡蘿卜素含量緩解Cd的抑制作用。本研究結(jié)果顯示，兩種狼尾草的Pn、Gs、Tr值亦均明顯下降，美洲狼尾草的Ci值先升后降，因此其光合速率的降低是由氣孔因素造成，即葉肉細(xì)胞光合活性降低所致；雜交狼尾草的Ci變化不規(guī)律，處理組高于對(duì)照說(shuō)明氣孔因素和非氣孔因素都會(huì)影響其光合速率，這與孫璐等[26]研究結(jié)果相似。蒸騰速率降低是植物的一種自我保護(hù)反應(yīng)，減少對(duì)水分吸收同時(shí)也減少對(duì)重金屬離子的吸收。水分利用率是顯示植物水分吸收利用過(guò)程效率的一個(gè)指標(biāo)[27]，其值逐漸降低顯示出遭受Cd脅迫程度也在增大。

3.3 Cd脅迫對(duì)狼尾草Cd含量的影響

許多研究表明不同的植株對(duì)Cd吸收能力存在差異，這些耐性植物能在根部富集大量重金屬離子，而限制向地上部分運(yùn)輸，從而使地上部分免受傷害，一定程度提高植株的耐性[28]。

比如大豆(Glycinemax)[29]、小白菜(Brassicarapa)[30]、寶山堇菜(Violabaoshanensis)[21]等品種對(duì)Cd都能吸收，而寶山堇菜是超富集植物，其對(duì)Cd具有很強(qiáng)的吸收能力，這是由于植物的遺傳特性和自身生物特點(diǎn)所決定的。研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd脅迫下，印度芥菜(Brassicajuncea)根部Cd離子含量明顯高于地上部分[31]。本研究中地上部分和根系中Cd含量都隨Cd濃度的增大而增大，而根系顯著高于地上部分和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)都小于1，說(shuō)明狼尾草根部是主要的Cd富集器官，這表現(xiàn)為普通植物的特征，并不滿(mǎn)足超富集植物的要求，且Cd從根部到地上的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較小，這與狼尾草具有發(fā)達(dá)的須根系和較高的株高密切相關(guān)。當(dāng)土壤中Cd濃度高達(dá)100 mg·kg-1時(shí)生長(zhǎng)狀況仍良好，所以狼尾草對(duì)鎘脅迫具有良好耐性。

富集系數(shù)在土壤鎘濃度為5～25 mg·kg-1時(shí)下降迅速，隨后下降緩慢，說(shuō)明低濃度狼尾草主動(dòng)吸收Cd，高濃度抑制對(duì)Cd的吸收[32]。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤中Cd含量為1.57 mg·kg-1時(shí)，水稻富集系數(shù)為0.56[33]；土壤鎘濃度為0.28 mg·kg-1時(shí)，小麥富集系數(shù)為0.49[34]；土壤中Cd含量為0.35 mg·kg-1時(shí)，苜蓿富集系數(shù)為0.93[11]。本研究中低濃度Cd處理時(shí)富集系數(shù)為0.45，這可能是相同的科中存在某種類(lèi)似的轉(zhuǎn)移機(jī)制或者體內(nèi)其它元素拮抗導(dǎo)致。

4 結(jié)論

鎘脅迫抑制了兩種狼尾草的生長(zhǎng)、光合作用和蒸騰作用，隨著鎘濃度增加和生育期的延長(zhǎng)，抑制作用加強(qiáng)，其中美洲狼尾草耐受性強(qiáng)于雜交狼尾草，但雜交狼尾草吸收鎘的能力要優(yōu)于美洲狼尾草。

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(責(zé)任編輯 茍燕妮)

Effects of Cd concentrations on growth, photosynthetic indices and bioconcentration of twoPennisetumduring different growth stages

Liu Da-lin1, Sun Qi-xin1, Shao Jiang1, Chen Ming-hui1, Zhang Hua2

(1.College of Animal Science and Technology, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China;2.College of Agricultural Engineering Equipment, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The growth, photosynthetic indices ofPennisetumamericanum(ML) andP.americanum×P.purpureum(ZL) under different cadmium(0，5，25，50，75，100 mg·kg-1)were investigated by pot experiment and make a comparison between the two cadmium tolerance and the difference on the absorption and transport of cadmium. Results showed that: 1) the plant height decreased after increasing Cd concentration, fresh weight and dry weight decreased while leaf width changed no significant with the Cd concentration increased at the same growth stage; the indicators above increased gradually with the extension of the growth period at the same Cd concentration, however leaf width and fresh weight of ZL showed bigger; 2) At the same growth stage, Chla and Chlb content in ML were more than ZL. When Cd concentration at 5 mg·kg-1, it showed little effects on the net photosynthetic rate, transpiration rate, intercellular carbon dioxide concentration, but with the Cd concentration increased each treatment became significantly decreased compared with the control(P<0.05), which indicated that high concentrations of Cd treatment had significant effect on the photosynthesis ofPennisetumespecially ZL. 3) Growth performance of American pennisetum was better than hybrid pennisetum, while the bioconcentration factor was less, indicating that the former had better tolerance to Cd, and the latter was more suitable for the remediation of cadmium contaminated soil. 4) the root system is the main bioconcentration site and Cd in root part transfered little to the overground part, in three growth stages,the content of Cd was the highest in seedling stage, which showed the seedling stage was when the plant was the most susceptible to Cd stress. ZL had a better effect than ML on the remediation of cadmium contaminated soil. If the soil under low Cd concentrations(<1.0 mg·kg-1), pennisetum still can be used as edible forage.

Cadmium;Pennisetum; growth performance; photosynthesis; bioconcentration factor

Liu Da-lin Email：jsdalin@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0117

2016-03-07 接受日期：2016-06-14

江蘇省草學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)基金(js2015010)；2014年江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃(CXLX_1430)

孫啟鑫(1990-)，男，山東蘭陵人，在讀碩士生，主要從事草學(xué)研究。E-mail：953177628@163.com

劉大林(1963-)，男，江蘇興化人，副教授，博士，主要從事草學(xué)教學(xué)與研究工作。E-mail：jsdalin@163.com

S543+.9;Q945.78;Q945.11

A

1001-0629(2017)1-0084-10*

劉大林，孫啟鑫，邵將，陳鳴暉，張華.鎘脅迫對(duì)兩種狼尾草不同生育時(shí)期生長(zhǎng)性能、光合作用特征及鎘吸收轉(zhuǎn)運(yùn)差異的影響.草業(yè)科學(xué),2017,34(1)：84-93.

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