硅對鎘脅迫下不同狼尾草屬牧草生理代謝的影響

邵 將, 陳 瑤， 劉大林， 陳鳴暉, 吳 亞, 黃玉婷

(揚州大學動物科學與技術學院， 江蘇 揚州225009)

鎘(Cd)是重金屬污染“五毒”之一”，對土壤和水體都有嚴重污染，不僅威脅著人類的健康，還對生態(tài)系統(tǒng)有著巨大危害[1]。21世紀以來，隨著工業(yè)化的發(fā)展，我國重金屬污染土壤面積約2 000萬公頃，占總耕地面積的1/5，其中鎘污染耕地達到了1 133萬公頃[2]。鎘脅迫會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]，同時也會對酶活性等生理生化進程造成不良影響[6]，水稻[7]、小麥[8]等農作物籽粒也由于鎘污染帶來的富集而無法食用。

美洲狼尾草(Pennisetumamericanum)和雜交狼尾草(Pennisetumamericanum×P.purpureum)是狼尾草屬中常見且廣泛種植的禾本科牧草，喜南方高溫濕潤的氣候條件，具有高產、生物量大、抗旱耐澇等特性，是優(yōu)質的牧草，同時也可作為能源草和觀賞草，用途十分廣泛[9]。狼尾草主要種植于長江流域及淮河以南區(qū)域[10]，高大的生物量、用途的廣泛性、良好生態(tài)習性使其具有更大種植優(yōu)勢，但是狼尾草在鎘污染嚴重地區(qū)不能良好生長，因此研究減輕鎘毒害的技術措施十分必要。

硅是植物體內一種重要的元素，有關硅緩解植物鎘脅迫的研究表明，硅能夠很好的調節(jié)植物的光合作用和蒸騰作用，適量的硅可以加厚植物細胞壁，降低細胞呼吸速率，減緩植物凋萎速度，硅還能夠提高多種植物的生物量，改善植物的生理生化指標，增強植物的抗逆性，緩解鎘對植物的毒害[11-14]。但在硅緩解重金屬毒害方面，主要研究還集中在水稻等糧食作物上，而對狼尾草屬牧草的研究還鮮有報道，本試驗選用雜交狼尾草和美洲狼尾草為材料，研究外源硅對鎘脅迫下不同狼尾草屬牧草生理代謝的影響，旨在探討外源硅緩解狼尾草屬牧草鎘脅迫的作用機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在揚州大學教科園區(qū)進行，播種基質為黏土和黃沙的混合物,按1:3的比例配制。土壤有機質含量為11.3 mg·kg-1，全氮含量為1.5 g·kg-1，速效磷含量為34.3 mg·kg-1，速效鉀含量為86.2 mg·kg-1，Cd含量為0.05 mg·kg-1(HNO3-HC1O4-HF提取，ICP-MS測定)。

試驗中重金屬Cd的添加形式為分析純CdCl2·2.5H2O，硅以K2Si03的形式加入，均由國藥集團化學試劑有限公司生產。試驗材料為美洲狼尾草和雜交狼尾草,種子均為江蘇省農科院畜牧研究所提供。

1.2 試驗設計

試驗為盆栽，每盆(直徑50 cm，高45 cm)裝基質土8 kg，基肥為復合肥(尿素、磷酸二胺、硫酸鉀)，按高產田水平施用(5 g每盆)。于播種前兩周將基礎土樣、基礎肥料攪拌混勻后裝入盆中，鎘以CdCl2·2.5H2O溶液形式加入，硅以K2Si03的形式加入，以蒸餾水作為對照(CK)，三葉期定苗3株/盆，覆土1.5～2 cm，視情況澆水。設置13個處理組，每個處理組重復3次：①CK(不加硅不加鎘)；②加鎘不加硅：鎘的處理分別為20，40，80 mg·L-1等3個濃度梯度，依次編號為Cd20,Cd40,Cd80；③加硅加鎘：硅共設1.0，2.0，4.0 mmol·L-1等3個處理濃度，分別記作Si1、Si2和Si4。具體試驗設計如表1所示。

表1 土壤不同處理Table 1 Different soil treatments

1.3 試驗方法

種子出苗后60 d后，每隔3天隨機采取狼尾草新鮮倒三片功能葉進行生理指標測量，每個處理取3個重復。超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性分別采用南京建成生物工程研究所試劑盒測定；細胞膜透性采用DDS-11A電導儀測定[15]，以相對電導率(%)表示；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)氧化法測定；脯氨酸(Pro)含量采用磺基水楊酸抽提法測定[16]。

1.4 數據處理

用Excel 2003對測定數據進行進行輸入和簡單整理，圖中數據為3次重復的平均值±標準差，再用SPSS 17.0中單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小差異顯著法(LSD)在0.05水平上比較不用數據組間差異性，最后用Excel 2003制圖。

2 結果與分析

2.1 硅對鎘脅迫下2種狼尾草葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD)是植物體內重要的酶促防御系統(tǒng)之一[16]，它的活性與植物的抗逆性密切相關。由圖1可知，外源不施加硅的情況下，2種狼尾草葉片的SOD活性均隨著Cd濃度的增加呈先增加后減小的變化趨勢；其中Cd濃度為40 mg·L-1時，2種狼尾草葉片的SOD活性均顯著高于對照組(P<0.05)；而Cd濃度為80 mg·L-1時，2種牧草SOD活性卻顯著低于對照組(P<0.05)；由此可見，高濃度Cd處理下(80 mg·L-1)，2種狼尾草葉片的SOD活性較對照均顯著下降(P<0.05)。硅處理組的SOD活性均高于Cd脅迫組，其中美洲狼尾草在Si4處理下，SOD活性顯著高于對照組(P<0.05)，與對照相比增加了15.6%，雜交狼尾草則在Si2、Si4處理下均顯著高于對照組(P<0.05)。

圖1 外源硅對鎘脅迫下2種狼尾草超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響Fig.1 Effect of Exogenous Silicon on the superoxide dismutase (SOD) activity of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress注：不同小寫字母表示處理之間差異顯著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate significant difference between treatments at the 0.05 level,the same as below

2.2 硅對鎘脅迫下2種狼尾草過氧化物酶(POD)活性的影響

過氧化物酶(POD)與植物的呼吸作用、光合作用及生長素的氧化都有密切關系，從圖2可知，不同濃度鎘處理下2種狼尾草的POD活性整體上均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。但美洲狼尾草在Cd濃度為40 mg·L-1時，其POD活性顯著高于對照組(P<0.05)，Cd濃度為80 mg·L-1時，其POD活性顯著低于對照組(P<0.05)。雜交狼尾草在Cd濃度為40 mg·L-1、80 mg·L-1時POD活性均顯著低于對照組(P<0.05);美洲狼尾草在Cd濃度為80 mg·L-1時加不同濃度硅處理后，其活性逐漸增加，當硅濃度為4.0 mmol·L-1時，POD活性顯著高于對照組(P<0.05)。雜交狼尾草加不同濃度硅處理后，其POD活性都呈現(xiàn)升高，當硅濃度達到4.0 mmol·L-1時，雜交狼尾草在Cd濃度為40 mg·L-1和80 mg·L-1處理下的POD活性都顯著高于對照組(P<0.05)。

圖2 外源硅對鎘脅迫下2種狼尾草過氧化物酶(POD)活性的影響Fig.2 Effect of Exogenous Silicon on the peroxidase (POD) activity of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress

2.3 硅對鎘脅迫下狼尾草屬葉片細胞膜透性的影響

細胞膜透性是反應植物抗逆性強弱的指標[17]，主要表現(xiàn)在電導率上。由圖3可知，在不施硅的情況，2種狼尾草隨著Cd濃度的增加而增加，且其電導率均顯著高于對照組(P<0.05);施加硅處理后均能有效的降低電導率，美洲狼尾草在硅濃度為4.0 mmol·L-1時都顯著低于對照組(P<0.05)，其中在Cd濃度為40 mg·L-1、80 mg·L-1時，硅濃度為2.0 mmol·L-1時其相對電導率也顯著低于對照組(P<0.05)；雜交狼尾草在Cd濃度為40 mg·L-1時，硅濃度達到4.0 mmol·L-1時與對照相比能夠顯著降低電導率(P<0.05)，而在Cd濃度為80 mg·L-1時，3個硅處理濃度均能顯著降低電導率(P<0.05)。

圖3 外源硅對鎘脅迫下2種狼尾草葉片相對電導率的影響Fig.3 Effect of Exogenous Silicon on the relative electrical conductivity of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress

2.4 硅對鎘脅迫下2種狼尾草葉片脯氨酸(Pro)含量的影響

脯氨酸作為滲透調節(jié)物質，保持原生質與環(huán)境的滲透平衡，在植物處于逆境時，游離脯氨酸含量便會大量積累[17]。由圖4可知，在不同Cd處理下2種狼尾草葉片脯氨酸含量增加，在Cd濃度為40 mg·L-1、80 mg·L-1時，2種狼尾草葉片脯氨酸含量均顯著高于對照組(P<0.05);加不同濃度硅處理后可有效的降低2種狼尾草葉片脯氨酸含量，美洲狼尾草在Cd濃度為40 mg·L-1時，硅濃度達到4.0 mmol·L-1可以顯著降低脯氨酸含量(P<0.05)，而在Cd濃度為80 mg·L-1時，3個硅處理組脯氨酸含量均顯著低于對照組(P<0.05);對于雜交狼尾草只有在Cd濃度達到80 mg·L-1時，硅濃度達到2.0 mmol·L-1、4.0 mmol·L-1時葉片脯氨酸含量才顯著低于對照組(P<0.05)。

圖4 外源硅對鎘脅迫下2種狼尾草葉片脯氨酸含量的影響Fig.4 Effect of Exogenous Silicon on the Proline content of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress

2.5 硅對鎘脅迫下2種狼尾草葉片丙二醛(MDA)含量的影響

丙二醛(MDA)作為植物組織在逆境下遭受氧化脅迫發(fā)生膜脂過氧化的產物，用以表示膜脂過氧化的程度和對逆境條件反應的強弱[18-19]。2種狼尾草隨著Cd濃度的增加MDA的含量逐漸增加，其中美洲狼尾草在Cd濃度達到80 mg·L-1時，MDA含量顯著高于對照組(P<0.05)，而雜交狼尾草則在3個Cd處理濃度均顯著高于對照組(P<0.05)。加硅處理后2種狼尾草的MDA含量低于對照組，且隨著硅濃度的增加MDA含量降低越明顯，在Cd濃度為80 mg·L-1時，硅濃度為4.0 mmol·L-1時美洲狼尾草MDA含量降低達到顯著(P<0.05)，降幅為18.4%，而雜交狼尾草在Cd濃度為40 mg·L-1、80 mg·L-1條件下，硅濃度為4.0 mmol·L-1時MDA含量均顯著低于對照組(P<0.05)，降幅分別為24.2%、22.5%(圖5)。

圖5 外源硅對鎘脅迫下2種狼尾草屬丙二醛含量的影響Fig.5 Effect of Exogenous Silicon on the malondialdehyde (MDA) content of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress

3 討論

SOD作為細胞清除活性氧的第一道防線，有研究表明，超氧化物歧化酶具有抗過氧化作用，可以通過歧化反應催化超氧陰離子自由基轉化為H2O2和Q2[20]，逆境脅迫下其含量的升高能有效地清除活性氧自由基，阻抑膜脂過氧化，從而對植物細胞進行保護作用，而POD會進一步催化H2O2分解為H2O和O2，從而降低對膜的損害。本試驗發(fā)現(xiàn)，2種狼尾草在不施加硅的情條件下，其葉片中抗氧化酶活性隨著鎘濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，低濃度鎘脅迫時，SOD、POD活性一直升高，說明SOD、POD確實起到了清除活性氧的作用，而高濃度的鎘脅迫使得兩種狼尾草體內活性氧清除系統(tǒng)遭到破壞，SOD、POD的活性顯著降低造成對活性氧的清除能力降低和H2O2等自由基和過氧化物在植物體內積累，造成膜脂過氧化，從而損傷膜結構，加速了細胞的衰老和死亡，這也與劉雪云[21]等研究天藍苜蓿在鎘脅迫下研究結果一致。

4 結論

綜上所述，外源硅能有效的緩解了鎘對狼尾草的毒害，說明外源硅改善了狼尾草逆境生理性狀，其通過減輕狼尾草質膜氧化作用和增加滲透調節(jié)能力，提高了酶促防御系統(tǒng)并穩(wěn)定了質膜的透性，從而改善了狼尾草的生長性能。