海南野生狗牙根對鎘脅迫的生理生態(tài)響應(yīng)

楊雨婷，譚淑端*，董方旭，陳 鑌

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410128；2. 洞庭湖區(qū)農(nóng)村生態(tài)系統(tǒng)健康湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410128)

土壤的重金屬污染物主要包括鉛、汞、鎘、鉻、砷等物質(zhì)，這些重金屬被廣泛應(yīng)用于化工業(yè)、紡織工業(yè)等區(qū)域，隨著廢棄物釋放相繼增多，導(dǎo)致水體、土壤污染愈發(fā)嚴(yán)重[1]。根據(jù)我國2014年環(huán)保部報告顯示，全國土壤超標(biāo)嚴(yán)重，其中鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率已達(dá)7.0 %[2]。鎘相比于其他金屬汞、砷、鉻等物質(zhì)，對植物毒害尤為嚴(yán)重，陳偉等[3]研究表明，Cd脅迫抑制黑麥草、高羊茅根系橫向、縱向的生長能力以及根系長、表面積、總分叉數(shù)和總根尖數(shù)、根系活力。另外，鎘對種子活力、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢等均存在不同影響。原因在于鎘被植物吸收后，植物體內(nèi)原有的離子平衡會遭到破壞，從而對植物的生理形態(tài)造成較顯著影響，如植物根系萎縮、葉片顏色變淺，干枯、植株矮小、生物量顯著降低，葉綠素含量下降；同時通過食物鏈的遷移，鎘對人的肝，脾，肺，腎，骨以及人體內(nèi)五大功能系統(tǒng)產(chǎn)生較大傷害，如骨骼變形，骨質(zhì)疏松，痛痛病等[3]，因此凈化和修復(fù)污染土壤成為世界綠色環(huán)保項目的一大難題[4]。

狗牙根(Cynodondactylon)，也叫絆根草、鐵線草，禾本科(Gramineae)狗牙根屬，是暖季型草種之一，廣泛分布在熱帶、亞熱帶及溫帶沿海地區(qū)。我國狗牙根屬植物主要存在2種1變種，分別是普通狗牙根[C.dactylon(Linnaeus)Person]、彎穗狗牙根(C.arcuatus)、變種雙花狗牙根(C.dactylonvar.biflorusMerino)。目前，國內(nèi)草坪主要依賴進(jìn)口草本植物，其品質(zhì)單一，適應(yīng)能力差，成本較高，對地方環(huán)境草坪管理造成不便。野生禾本科資源是選育新品種的重要基因源，其生物學(xué)特性可作為重金屬污染地區(qū)土壤植被的修復(fù)材料[5]。野生狗牙根經(jīng)過長期的自然選擇獲得優(yōu)良性狀，具有耐踐踏、耐鹽堿、耐旱、生長快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，其根莖發(fā)達(dá)且繁殖快，在地表形成致密覆蓋，可吸收眾多污染物。且草坪植物不進(jìn)入食物鏈，用其修復(fù)鎘污染土壤不會對人類健康產(chǎn)生隱患[6]。前人研究表明，采自重金屬鎘污染地區(qū)如湖南和湖北的野生狗牙根對鎘具有較強(qiáng)耐性，它能在鎘含量高達(dá)106mg/kg的污染土壤中正常生長[7]。因此利用狗牙根修復(fù)鎘污染土壤具有巨大的應(yīng)用潛力。

海南作為我國最南端的綠色城市，土壤中的重金屬危害非常輕微，處于清潔安全狀態(tài)。其中鎘的平均污染指數(shù)為0.40，尚未出現(xiàn)明顯鎘污染[7]。由于海南地理環(huán)境十分優(yōu)越，光熱資源豐富，植物種類繁茂，該地區(qū)禾本科植物有101屬205種和1亞種、22變種和1變型，其中狗牙根分布甚廣。本試驗(yàn)試圖應(yīng)用沒有遭受鎘污染區(qū)域生長的海南野生狗牙根為試驗(yàn)對象，采取盆栽試驗(yàn)的方法，研究了不同鎘脅迫對海南狗牙根的生長發(fā)育，如株高、葉長、葉寬、莖節(jié)長、莖基直徑、生物量、生理指標(biāo)POD、CAT、SOD、MDA和葉綠素的影響、本試驗(yàn)旨在從生理生態(tài)角度探討重金屬鎘脅迫下，海南狗牙根對鎘的耐受能力及其對鎘脅迫的抗氧化防御機(jī)制。試圖從生理生態(tài)角度探討海南狗牙根耐鎘污染的能力，以及生長于重金屬污染較低的海南狗牙根是否在重金屬污染較高的湖南地區(qū)具有適宜性提供參考，這對加快修復(fù)重金屬污染區(qū)域具有舉足輕重的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

海南狗牙根采用海南省澄邁縣紅崗農(nóng)場濟(jì)公山山腳下草坪，草坪土壤pH為5、有機(jī)質(zhì)含量為16.1 g/kg、全氮1.5 g/kg、全磷0.76 g/kg、全鉀11 g/kg、堿解氮含量為82.5 ng/kg、有效磷含量為36.9 ng/kg，速效鉀含量為68.5 ng/kg。試驗(yàn)期間供試土壤為細(xì)沙土和有機(jī)質(zhì)的混合物(3∶1，v/v)，細(xì)沙土為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園土，基質(zhì)富含有機(jī)質(zhì)和腐殖酸等，供試土壤經(jīng)過自然風(fēng)干，萃土過100目篩后裝盆培養(yǎng)，每盆供試土壤深度在花盆的8 cm左右。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)于2016年9月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)前，選取生長基本一致的海南狗牙根(品種為野生雜交狗牙根)材料的2～3個莖節(jié)扦插于統(tǒng)一規(guī)格長38×19×14 cm的塑料花盆中進(jìn)行繁殖，每盆統(tǒng)一扦插10株，將所有盆栽置于氣溫在20～28 ℃的溫室大棚中，進(jìn)行正常的田間管理，澆水和除雜草，鎘脅迫處理在植株生長30 d后進(jìn)行，鎘處理是將外源Cd2+(鎘源為CdCl2·2.5H2O)加入去離子水中，添加濃度為0、10、20、30 mg/L，然后以澆水的方式加入準(zhǔn)備好的盆栽植株中，供試土壤含水率保持在60 %左右。以上各處理3個重復(fù)，待45 d后分別取樣并進(jìn)行以下形態(tài)和生理生態(tài)指標(biāo)的測定分析。

1.3 測定指標(biāo)與方法

分別于海南狗牙根處理45 d取樣測定各指標(biāo)。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)；丙二醛(MDA)參考肖旭峰等方法測定[8]；前期(生長15 d)、中期(生長30 d)和后期(處理45 d)葉綠素采用用便攜式葉綠素測定儀(SPAD-502Plu)測量SPAD值，植株的莖、葉、根分別用去離子水洗凈并晾干，待烘箱殺青后調(diào)至80 ℃烘干至恒重，用精確度為0.001的電子天平測量植株各部位的生物量并記錄，鎘元素用原子吸收分光光度計進(jìn)行測定；鎘富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)參照曾露蘋等[9]方法計算。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)用Excel 2003整理與制圖，用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對狗牙根形態(tài)指標(biāo)影響

如表1所示，鎘脅迫對海南狗牙根的株高和莖節(jié)長有一定影響。隨著鎘濃度的增加，狗牙根株高呈增加的趨勢，而莖節(jié)長則呈下降趨勢。鎘濃度為30 mg/kg時，狗牙根株高(43.42±8.89)cm顯著高于對照組值(30.11±7.76)cm，莖節(jié)長(2.16±0.66)mm顯著小于對照組長度(2.59±0.91)mm。此外，海南狗牙根的葉長、葉寬和莖基直徑，并沒有隨鎘濃度的增加而產(chǎn)生顯著變化。

表1 Cd脅迫對狗牙根形態(tài)指標(biāo)的影響

注：表中數(shù)值均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同列不同字母表示不同處理之間的差異顯著(P<0.05)。

Note: the values in the table are average plus or minus standard error; Different letters in the same column indicate significant differences between different treatments (P<0.05).

2.2 鎘脅迫對狗牙根SPAD值影響

圖1所示，鎘脅迫對狗牙根前期、中期、后期的SPAD值存在不同程度的影響，3個生育期的SPAD值均大于對照組。前期隨鎘濃度升高，實(shí)驗(yàn)組狗牙根的SPAD值呈上升趨勢，在鎘濃度達(dá)30 mg/kg時，顯著高于對照組，中期隨鎘濃度升高無顯著變化。后期隨鎘濃度升高實(shí)驗(yàn)組狗牙根的SPAD值呈上升趨勢，鎘濃度為10和30 mg/kg時均出現(xiàn)顯著變化。

2.3 鎘脅迫對狗牙根丙二醛含量和抗氧化酶活性影響

如圖2所示，在鎘處理下SOD與POD起到主要防御作用，CAT對試驗(yàn)中鎘濃度脅迫并不敏感，無顯著變化。隨鎘濃度的增加，SOD呈下降趨勢，均低于對照組，在鎘濃度為20 mg/kg時下降趨勢更為顯著。POD的活性呈上升趨勢，均大于對照值，在鎘濃度為30 mg/kg時，POD活性顯著高于對照值。表明鎘濃度高于20 mg/kg時，植物體內(nèi)氧自由基急劇增加，細(xì)胞膜透性受到破壞，使其透性增加，SOD作為第一防線與其它抗氧化酶相互協(xié)同，有效清除植物體內(nèi)積累的大量氧自由基和過氧化物，減緩鎘脅迫對狗牙根的毒害作用。因此，當(dāng)較少Cd2+進(jìn)入狗牙根內(nèi)，機(jī)體利用自身應(yīng)激機(jī)制，誘導(dǎo)激活抗氧化酶，維持自由基含量及抗氧化酶防御系統(tǒng)的平衡，減緩逆境脅迫對植物產(chǎn)生的毒害作用；當(dāng)較多Cd2+離子進(jìn)入后，超出了植物體的自我調(diào)控范圍，活性氧自由基增多，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受到損害，影響植物正常生長。

圖1 Cd脅迫對狗牙根SPAD值的影響Fig.1 Effects of Cd stress on the SPAD activity in Bermudagrass

2.4 鎘脅迫對狗牙根生物量及鎘含量的影響

如表2所示，鎘脅迫對狗牙根地上、地下部分生物量均存在不同程度的影響。隨鎘濃度增加，其生物量均呈上升趨勢，且都高于對照組(CK)。當(dāng)鎘濃度達(dá)到30 mg/kg時，實(shí)驗(yàn)組狗牙根地上生物量(2.40±0.31a)顯著高于對照組(1.50±0.36b)，為對照組的1.6倍。而實(shí)驗(yàn)組狗牙根地下部分生物量隨鎘濃度升高而顯著上升，分別為對照組的2.38、2.49、2.81倍，且隨著土壤中鎘含量濃度的增加，植株中的重金屬含量呈上升趨勢，都高于對照值(CK)。

2.5 鎘脅迫對狗牙根的富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

由表3可知，在鎘脅迫下，隨著鎘濃度的升高，狗牙根的富集系數(shù)呈先升后降趨勢，在鎘濃度為20 mg/kg時達(dá)最大值且顯著大于對照值(CK),而狗牙根的轉(zhuǎn)移系數(shù)隨鎘濃度升高呈下降趨勢，隨著土壤中鎘含量逐漸升高，其植物地上部分含鎘量呈先增后減趨勢，在鎘濃度達(dá)20 mg/kg時達(dá)最大值(140.43±25.72a)，顯著大于對照值(6.31±0.32b)，而地下部分鎘含量呈上升趨勢，且在0～30 mg/kg的鎘濃度處理中，狗牙根對鎘的富集系數(shù)均大于其轉(zhuǎn)移系數(shù)，地下部分的含鎘量均大于地上部分的含鎘量。

3 討 論

在0～30 mg/kg鎘脅迫處理下，狗牙根株高呈大致增加的趨勢，而莖節(jié)長則呈下降趨勢。鎘濃度為30 mg/kg時，狗牙根株高顯著高于對照組值，莖節(jié)長顯著小于對照組長度。此外，海南狗牙根的葉長、葉寬和莖基直徑，并沒有隨鎘濃度的增加而產(chǎn)生顯著變化。表明狗牙根對低濃度鎘處理有一定的耐性和自我保護(hù)性。

植物進(jìn)行光合作用的主要細(xì)胞器是葉綠體，葉綠素則是光合作用中吸收光能的色素，葉綠素含量多少直接影響光合作用強(qiáng)弱。與呼吸作用相比，植物光合作用對重金屬離子更敏感[10]，因此葉綠素含量是研究重金屬對植物毒害作用的一項基本指標(biāo)。

圖2 Cd脅迫對狗牙根抗氧化酶活性和MDA含量的影響Fig.2 Effects of Cd stress on antioxidant enzyme activities and content of MDA in Bermudagrass

處理(mg/kg)土壤鎘濃度(mg/kg)植物部位干重(g)分部位含量(mg/kg)全株含量(mg/kg)016.62地上部分1.50±0.36b6.3122.55地下部分0.12±0.05b16.241024.06地上部分1.90±0.20ab89.08178.93地下部分0.29±0.05a89.852032.98地上部分1.99±0.30ab140.43343.86地下部分0.31±0.14a203.433038.37地上部分2.40±0.31a124.98379.41地下部分0.35±0.05a254.43

注：表中數(shù)值均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同列不同字母表示不同處理之間的差異顯著(P<0.05)。

Note: The values in the table are average plus or minus standard error; Different letters in the same column indicate significant differences between different treatments (P<0.05).

表3 鎘脅迫對狗牙根富集系數(shù)與轉(zhuǎn)移系數(shù)的影響

注：表中數(shù)值均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同列不同字母表示不同處理之間的差異顯著(P<0.05)。

Note: The values in the table are average plus or minus standard error; Different letters in the same column indicate significant differences between different treatments (P<0.05).

在鎘處理下，3個生育期的SPAD值均大于對照組。前期和后期狗牙根的SPAD值隨鎘濃度呈上升趨勢，在鎘濃度達(dá)30 mg/kg時，前期SPAD值顯著高于對照組，中期無顯著變化。后期在鎘濃度為10、30 mg/kg時均出現(xiàn)顯著變化。結(jié)合表1中狗牙根的葉長、葉寬變化趨勢，在鎘濃度為10和30 mg/kg時，均有一定上升趨勢。說明鎘脅迫下對狗牙根光合作用和葉綠素合成產(chǎn)生一定程度影響，刺激狗牙根中葉綠素合成來完成光合作用和植物生長，從而提高其對低濃度鎘毒害作用的適應(yīng)性。

丙二醛(MDA)是衡量植物體內(nèi)氧化損傷程度的指標(biāo)，也是衡量重金屬對植物的毒害方面的一項指標(biāo)。由圖1可知，MDA含量隨鎘濃度升高無顯著變化趨勢，說明在鎘脅迫處理下，實(shí)驗(yàn)組狗牙根并未出現(xiàn)嚴(yán)重的氧化損傷。這與植物體內(nèi)存在的多種抗氧化酶是分不開的，SOD作為第一道防御體系，能歧化氧自由基產(chǎn)生過氧化氫，圖2中SOD與POD起到主要防御作用，能把過氧化氫分解成無害的氧和水，減少不飽和脂肪酸含量，降低細(xì)胞膜透性，能夠達(dá)到保護(hù)植物細(xì)胞的作用[11-12]。CAT、MDA對試驗(yàn)中鎘濃度脅迫并不敏感無顯著變化。隨鎘濃度的增加，SOD在鎘濃度為20 mg/kg時下降趨勢尤為顯著。POD的活性在鎘濃度為30 mg/kg時顯著高于對照值。表明在鎘濃度高于20 mg/kg時，植物體內(nèi)氧自由基急劇增加，細(xì)胞膜透透性增加，使細(xì)胞膜受到一定損害，但由于SOD作為第一防線與其它抗氧化酶相互協(xié)同，有效清除植物體內(nèi)積累的大量氧自由基和過氧化物，減緩了鎘脅迫對狗牙根的毒害作用。表明海南狗牙根在0～30 mg/kg鎘濃度處理下不易受到其毒害，可作為重金屬污染修復(fù)區(qū)域的好材料。

狗牙根地上、地下部分生物量、植株中的重金屬含量隨鎘濃度增加，均呈上升趨勢，都高于對照值。表明狗牙根在鎘污染土壤濃度為0～30 mg/kg時能正常生長，其根系是感受鎘脅迫最敏感的器官，鎘通過根系吸收轉(zhuǎn)運(yùn)到植物其他部位，但植物細(xì)胞通過自身的防御機(jī)制，能有效限制鎘在植物體內(nèi)的吸附與轉(zhuǎn)運(yùn)，植物也會改變其根系形態(tài)分布來適應(yīng)環(huán)境中的逆境脅迫。所以地下部分生物量在鎘濃度達(dá)10mg/kg時就顯著升高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與徐正浩的研究結(jié)果一致[13]，揭示了海南狗牙根有較強(qiáng)的耐鎘形態(tài)生理特征，能夠緩解鎘脅迫對海南野生狗牙根的毒害。

狗牙根對鎘的富集系數(shù)均大于3，且大于轉(zhuǎn)移系數(shù)，地下部分的含鎘量均大于地上部分的含鎘量。說明狗牙根對鎘具有超富集性，對鎘的吸收能力遠(yuǎn)大于其轉(zhuǎn)移能力，地下部分對鎘的吸收能力較地上部分要強(qiáng)，且在鎘濃度為0～20mg/kg時，狗牙根對鎘的富集能力較好。因?yàn)楣费栏赏ㄟ^自身防御機(jī)制限制鎘在植物體中的吸附與轉(zhuǎn)運(yùn)，改變其根系形態(tài)分布來適應(yīng)環(huán)境中的逆境脅迫，從而正常生長。

4 結(jié) 論

綜上所述，鎘脅迫處理≥20 mg/kg時，對狗牙根的株高、地上部分、地下部分生物量、植株中的鎘含量、POD、前期和后期狗牙根的SPAD值有一定促進(jìn)作用，對狗牙根莖節(jié)長、SOD有一定抑制作用，并在鎘處理濃度為0～20 mg/kg時狗牙根對鎘的富集系數(shù)均大于3且大于轉(zhuǎn)移系數(shù)，地下部分的含鎘量均大于地上部分的含鎘量，而狗牙根的葉長、葉寬、莖基直徑、MDA、CAT、中期SPAD值對試驗(yàn)中鎘脅迫并不敏感，均無顯著變化綜合本試驗(yàn)研究結(jié)果表明鎘脅迫對海南狗牙根的生理生化特性影響較小，且海南狗牙根具有較強(qiáng)的耐鎘性，初步表明生長于土壤重金屬污染較小的海南野生狗牙根在遺傳上可能具有對鎘毒害作用的耐受潛力，在以后的研究中應(yīng)更深入延伸，從細(xì)胞、分子等深層次、多方面展開研究，包括鎘運(yùn)輸特征分析、鎘的亞細(xì)胞分布含量分析、鎘的賦予形態(tài)分析、鎘在植株體內(nèi)分布特征的測定，從而能更全面、精確地解釋狗牙根對鎘耐受性及解毒的能力。