鎘脅迫下多穗柯幼苗的生長(zhǎng)及生理響應(yīng)

羅文姬 王藝錦 陳依 王凌暉 滕維超

摘 要 分別用0（對(duì)照）、50、100、150、200和250 mg/L的鎘處理多穗柯（Lithocarpus polystachyus Rehd）幼苗，研究鎘脅迫環(huán)境對(duì)其生長(zhǎng)、生理和光合特性的影響。結(jié)果表明：50 mg/L處理的多穗柯幼苗株高和地莖的增長(zhǎng)量以及整株的干重均比對(duì)照顯著性提高；100、150和200 mg/L處理的幼苗各生長(zhǎng)指標(biāo)均有所降低但差異不顯著，但相對(duì)電導(dǎo)率和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、CAT和POD活性均顯著性增高；250 mg/L處理時(shí)，幼苗的生物量、形態(tài)指標(biāo)顯著性降低，而相對(duì)電導(dǎo)率和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)顯著性增大。說(shuō)明50 mg/L鎘濃度處理有利于多穗柯幼苗的生長(zhǎng)，250 mg/L處理則幼苗的生長(zhǎng)、生理和光合作用受到顯著性抑制。

關(guān)鍵詞 多穗柯；鎘脅迫；生長(zhǎng)；生理

中圖分類號(hào) S567 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Responses of Growth and Physiology of Lithocarpus polystachyus Rehd Seedlings under Cadmium Stress

LUO Wenji， WANG Yijin， CHEN Yi， WANG Linghui*， TENG Weichao

College of Forestry， Guangxi University， Nanning， Guangxi 530004， China

Abstract The effects of cadmium stress on the growth， physiology and photosynthetic characteristics of Lithocarpus polystachyus Rehd were studied by using 0（control）， 50， 100， 150， 200 and 250 mg/L of cadmium. The results showed that the plant height increment， stem increment， and dry weight of 50 mg/L treatment were significantly higher than that of CK. The growth indices of 100， 150 and 200 mg/L treatments were all decreased， but the difference was not significant. However， the relative electrical conductivity and osmotic adjustment substances， CAT and POD activity were significantly increased. Under the 250 mg/L cadmium treatment， the biomass， morphological indexes and photosynthetic parameters of the seedlings were significantly decreased， while the relative electrical conductivity and osmotic adjustment substances were increased significantly. The results indicated that 50 mg/L cadmium concentration was beneficial to the growth of the seedlings， and the growth， physiology and photosynthesis of the seedlings were significantly inhibited by the 250 mg/L treatment.

Key words Lithocarpus polystachyus Rehd； cadmium stress； growth； physiological

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.08.012

多穗柯（Lithocarpus polystachyus Rehd）又名甜茶，為殼斗科櫟屬常綠喬木，以野生狀態(tài)分布于我國(guó)長(zhǎng)江以南各省區(qū)海拔500～2 500 m的低山密林，廣西、湖南等地資源最為豐富。多穗石柯屬藥食同源植物，兼具茶、糖、藥3種功能。民間常采集多穗柯的嫩葉食用，其茶甘甜清爽，香氣濃郁，起到生津止渴，消除疲勞的效果[1]。甜味成分來(lái)源主要是根皮苷、三葉苷和3-羥基根皮苷3種甜味成分，其中根皮苷占的比例最大，約占95%，甜度含量是蔗糖的300倍[2-3]。多穗柯被譽(yù)為“樹(shù)上的蟲(chóng)草”，其具有較強(qiáng)的天然抗氧化性和保護(hù)心腦血管、降血糖降脂、抗癌抗腫瘤、抗菌抗過(guò)敏等重要藥用效果[4-7]。近年來(lái)，城市的土壤重金屬污染日益加重，尤其以鎘污染最為嚴(yán)重[8]。鎘污染不僅影響植物生長(zhǎng)，還通過(guò)植物進(jìn)入人類體內(nèi)，對(duì)人體產(chǎn)生毒害。廣西礦產(chǎn)資源豐富，也是我國(guó)有色金屬的重點(diǎn)產(chǎn)區(qū)，但這也是成為重金屬污染源的主要原因[9]。

目前，關(guān)于多穗柯的研究大多數(shù)集中在其基本化學(xué)成分的構(gòu)成和藥用價(jià)值、機(jī)理等方面，而對(duì)其抗逆性方面的研究未有任何報(bào)道。本研究探討多穗柯在鎘脅迫下生長(zhǎng)與生理的響應(yīng)，以為闡明多穗柯抗逆性機(jī)理提供理論基礎(chǔ)，并為推進(jìn)廣西保健甜茶多穗柯的栽培推廣及園林植物配置應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院提供的3個(gè)月齡長(zhǎng)勢(shì)健康且一致的多穗柯組培苗。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2014年2月在廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃（東經(jīng)108°17′，北緯22°50′）進(jìn)行，栽培基質(zhì)為水塘底部腐殖質(zhì)黑土與苗圃粗砂（4︰1）混合而成。采用單因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，設(shè)置6個(gè)鎘濃度處理，分別為0（CK）、50、100、150、200和250 mg/L，每個(gè)處理20個(gè)重復(fù)，共120盆。具體方法為：稱取CdCl2·2.5H2O配制成相應(yīng)濃度的溶液，每株均勻澆灌100 mL處理溶液，每隔10 d澆1次，持續(xù)2個(gè)月。處理期間統(tǒng)一進(jìn)行定期澆水、松土、病蟲(chóng)害防治、除草等正常管理。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法 （1）生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定。苗高、地徑：測(cè)量苗高（從苗木地徑處到苗木頂芽的直線長(zhǎng)度）和地徑（平行土面處的主莖粗度），均精確到0.01 mm。干重：測(cè)定整株、地上部和地下部的干重，采用烘干稱重法，置80 ℃的烘箱中烘烤72 h，直至恒重，精確到0.001 g。根系生長(zhǎng)：測(cè)定根總體積、根總長(zhǎng)度、根總表面積、根尖總數(shù)。用Epson根系掃描儀及WinRHIZO分析軟件根分析系統(tǒng)測(cè)定。（2）生理指標(biāo)的測(cè)定。鎘濃度處理結(jié)束后，對(duì)苗木進(jìn)行生理生化指標(biāo)的測(cè)定，葉片葉綠素含量采用分光光度法，細(xì)胞膜透性用電解質(zhì)外滲量法，丙二醛含量用硫代巴比妥酸（TBA）法，可溶性糖含量用蒽酮比色法，可溶性蛋白含量用紫外吸收法，過(guò)氧化物酶（POD）含量用紫外分光光度法，過(guò)氧化氫酶（CAT）含量用紫外分光光度法。（2）光合特性的測(cè)定。采用LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定植株的光響應(yīng)曲線。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用LSD法進(jìn)行多重比較，SPSS進(jìn)行線性相關(guān)性和雙因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對(duì)多穗柯幼苗生長(zhǎng)的影響

2.1.1 株高和地徑增長(zhǎng)量及干重 由表1可知，隨著鎘處理濃度的增大，多穗柯幼苗株高和地徑增長(zhǎng)量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。用50 mg/L濃度處理時(shí)，株高和地莖增長(zhǎng)量比對(duì)照均有提高。鎘濃度大于100 mg/L以后，株高和地莖增長(zhǎng)量逐漸下降且低于對(duì)照；當(dāng)濃度大于200 mg/L時(shí)，增長(zhǎng)量相比對(duì)照組顯著性降低。

隨著鎘濃度增大，多穗柯地上部干重與整株干重均呈先升高后下降趨勢(shì)，地下部干重則呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。50 mg/L處理整株干重、地上部干重與對(duì)照差異不顯著，但地下部干重相比對(duì)照顯著降低。150 mg/L處理的地上部和地下部干重以及整株干重均比對(duì)照顯著降低。

2.1.2 根系生長(zhǎng) 由表2看出，在鎘脅迫下，多穗柯幼苗根的總長(zhǎng)度、總表面積和總體積以及根尖的總數(shù)呈高-低-高的變化趨勢(shì)。50 mg/L處理根總長(zhǎng)與對(duì)照相比顯著性降低，而根總體積和根尖總數(shù)比對(duì)照顯著性增大。隨著鎘濃度增加到150 mg/L時(shí)，幼苗根總長(zhǎng)、總表面積和總體積以及根尖總數(shù)相比對(duì)照均顯著性的降低；而到250 mg/L處理時(shí)，根總表面積和根尖總數(shù)顯著性降低時(shí)，根總長(zhǎng)和總體積反而顯著性增加。

2.2 鎘脅迫對(duì)多穗柯幼苗生理特性的影響

2.2.1 相對(duì)電導(dǎo)率和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì) 由表3可知，隨著鎘處理濃度的增大，多穗柯幼苗相對(duì)電導(dǎo)率和丙二醛含量均表現(xiàn)出了顯著性增大的趨勢(shì)；可溶性糖和可溶性蛋白含量表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，但鎘脅迫處理的幼苗仍顯著性高于對(duì)照組。

2.2.2 CAT和POD活性 由表4可知，隨著鎘處理濃度的增大，多穗柯幼苗CAT和POD活性呈現(xiàn)低-高-低的變化趨勢(shì)。50 mg/L鎘濃度處理下，幼苗CAT和POD活性相比對(duì)照組顯著性提高。200 mg/L鎘濃度以上的處理，幼苗2個(gè)抗氧化酶活性相對(duì)下降。

2.3 鎘脅迫對(duì)多穗柯幼苗光合作用的影響

2.3.1 葉綠素含量 由表5看出，隨著鎘處理濃度的增大，多穗柯幼苗葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b含量呈現(xiàn)高-低-高變化趨勢(shì)。低于100 mg/L的處理，葉綠素含量與對(duì)照差異不顯著，150 mg/L處理的葉綠素含量最低。

2.3.2 光響應(yīng)曲線 從表6可以看出，隨著鎘脅迫濃度的增大，多穗柯幼苗的最大凈光合速率、光飽和點(diǎn)、光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率都呈下降趨勢(shì)。

3 討論

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低濃度鎘處理能促進(jìn)多穗柯幼苗的地上部分生長(zhǎng)和根尖總數(shù)的形成，但抑制了根縱向生長(zhǎng)；而高濃度鎘處理抑制多穗柯幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育和生物量的形成，抑制根系伸長(zhǎng)和根尖總數(shù)形成。隨著鎘處理濃度的增大，多穗柯幼苗的各項(xiàng)生長(zhǎng)指標(biāo)均呈現(xiàn)了先升高后降低的趨勢(shì)。50 mg/L處理的根總長(zhǎng)相比對(duì)照顯著性降低，而根總體積和根尖總數(shù)顯著性增大，這與王有年等[10]對(duì)‘麗春桃[Prunus persica（L.）Batsch]的研究結(jié)果一致。當(dāng)鎘濃度增加到100 mg/L，多穗柯幼苗各根系指標(biāo)相比對(duì)照均顯著性的降低，馬沙等[11]研究也顯示：鎘濃度高于100 mg/L時(shí)，對(duì)紫莖澤蘭種子萌發(fā)及幼苗根長(zhǎng)具有明顯的抑制作用。

多穗柯幼苗的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)隨著鎘處理濃度的增大而顯著性增大，可能是因?yàn)殒k脅迫嚴(yán)重破壞了細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能，造成膜透性增大，穩(wěn)定性降低，細(xì)胞內(nèi)的可溶性糖和可溶性蛋白被動(dòng)外滲，以致相對(duì)電導(dǎo)率增大，另外細(xì)胞膜脂過(guò)氧化加劇，膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物MDA顯著增加。

低鎘濃度脅迫對(duì)于多穗柯幼苗的保護(hù)性酶有一定的誘導(dǎo)作用，但在鎘濃度較高的情況下，鎘的毒害作用超出了多穗柯自身的調(diào)節(jié)作用，仍會(huì)使酶活性失效。POD作為細(xì)胞內(nèi)清除活性氧系統(tǒng)中的重要酶，能催化H2O2與酚類的反應(yīng)[12]。CAT能淬滅 H2O2 [13]，對(duì)植物體氧化和抗氧化的平衡起重要作用[14]。本試驗(yàn)中，多穗柯幼苗CAT和POD活性呈低-高-低的變化趨勢(shì)。50 mg/L鎘濃度下，幼苗CAT和POD活性比對(duì)照組顯著性提高，是因?yàn)槠涫艿芥k毒害，應(yīng)激性顯著性增大活性氧，使其體內(nèi)的活性氧自由基可以維持在無(wú)毒害水平。過(guò)量鎘毒害的抗氧化酶比對(duì)照略低，可能是在逆境脅迫下植物組織會(huì)產(chǎn)生并大量積累O2、H2O2等活性氧，其可直接攻擊膜系統(tǒng)的不飽和脂肪酸，從而導(dǎo)致了膜脂過(guò)氧化，誘發(fā)脫脂化，降低了膜的流動(dòng)性，增加細(xì)胞膜的透性，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)和活性氧防御系統(tǒng)遭到破壞。

葉綠素含量顯著性降低，不利于多穗柯光合作用、生長(zhǎng)發(fā)育和生物量的形成。隨著鎘濃度的增大，多穗柯幼苗葉綠素含量呈現(xiàn)高-低-高變化趨勢(shì)。這說(shuō)明在50 mg/L鎘濃度下，多穗柯的光合色素顯著性增大，但隨著鎘脅迫程度的加劇，葉綠體受到不同程度的破壞，迫使其各葉綠素含量顯著性降低。而此時(shí)的凈光合速率和光飽和點(diǎn)顯著性降低，表明隨著鎘脅迫程度加深，多穗柯幼苗光合作用受阻，體內(nèi)的有機(jī)物積累的速度下降。另外，多穗柯幼苗的光補(bǔ)償點(diǎn)和暗呼吸速率顯著性降低，以提高光能利用率，減少自身消耗，保證其體內(nèi)能夠積累更多的有機(jī)物以抵抗鎘脅迫的侵害，對(duì)鎘脅迫環(huán)境適應(yīng)性的加強(qiáng)。

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