2種菊科植物對鎘脅迫的生長和生理響應(yīng)

王利芬 孔叢玉 吳思琳

摘要：以金盞菊（Calendula officinalis）、萬壽菊（Tageteserecta）為材料，研究水培條件下0.0、0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L不同質(zhì)量濃度鎘（Cd）脅迫對這2種菊科植物株高、總根長度、總根表面積、總根投影面積、根尖數(shù)及葉片中丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性等指標的影響。結(jié)果表明，0.5、1.0 mg/L 低質(zhì)量濃度Cd脅迫處理下的萬壽菊、金盞菊，其株高增長量高于0.0 mg/L（對照）處理，2.0、4.0 mg/L 高質(zhì)量濃度Cd脅迫處理下的萬壽菊、金盞菊，其株高增長量低于對照;隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，2種菊科植物葉片中MDA含量及金盞菊POD、CAT活性呈先增后減趨勢，萬壽菊葉片中SOD、POD、CAT活性及金盞菊CAT活性呈下降趨勢，Cd脅迫質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時2種菊科植物葉片MDA含量高于對照;Cd脅迫質(zhì)量濃度1.0 mg/L處理的萬壽菊、2.0 mg/L處理的金盞菊其總根長度、總根表面積、總根投影面積、根尖數(shù)根系等生長指標相對較高。金盞菊和萬壽菊對鎘的耐性生理響應(yīng)存在差異，金盞菊對Cd的耐性強于萬壽菊。

關(guān)鍵詞：花卉;菊科;鎘;脅迫;耐性;生理特性

中圖分類號：S682.1+10.1 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0164-03

隨著社會發(fā)展，各類污染問題隨之而來，重金屬污染便是其中之一。鎘（Cd）作為一種污染范圍及生物毒性很大的重金屬，不僅會對土壤造成危害，且Cd隨著工農(nóng)業(yè)廢水排出時，會給水體帶來極大的污染，同時，由于Cd能夠被植物吸收而進入食物鏈，因此其危害不僅僅是對水土和植物而言的，對動物、人類甚至各大生態(tài)系統(tǒng)都會帶來嚴重影響[1]，如何有效合理修復(fù)Cd污染問題亟待解決。在治理重金屬污染的眾多方法中，相較于物理、化學(xué)方法，利用植物進行修復(fù)不僅能夠改善污染問題，還能美化環(huán)境，而且成本低廉、操作簡單、不會破壞土壤結(jié)構(gòu)，這使得植物修復(fù)受到越來越多環(huán)保者的青睞[2]。Cd會對植物產(chǎn)生許多毒害作用，如抑制根系活力，降低葉綠素含量和葉綠體數(shù)量，降低碳同化能力和新陳代謝速率等[3-6]，篩選出耐Cd植物對利用植物修復(fù)Cd污染環(huán)境極為重要。

金盞菊（Calendula officinalis）、萬壽菊（Tageteserecta）是園林綠化中常用的2種菊科草本觀賞花卉，花期長、株型緊密、易栽培、好管理、適應(yīng)性強，在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。水培是一種利用營養(yǎng)液栽培植物的方式，可人為控制營養(yǎng)液中的養(yǎng)分、溫度、溶解氧、酸堿度等環(huán)境條件[7]，相比傳統(tǒng)土壤栽培而言，水培營養(yǎng)吸收有效性高，養(yǎng)分供應(yīng)充分、迅速，在相關(guān)科研和生產(chǎn)中被得到廣泛應(yīng)用[8-9]。本研究通過水培方式，探討營養(yǎng)液中添加不同濃度Cd對萬壽菊、金盞菊生長、抗氧化酶活性及根系生長等生理特性的影響，分析萬壽菊和金盞菊在水培條件下對Cd脅迫的生理響應(yīng)機制，為其在Cd污染修復(fù)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗處理

供試萬壽菊品種為“發(fā)現(xiàn)”、金盞菊品種為“棒棒”，其種子均來源于虹越花卉股份有限公司。2017年11月上旬進行播種，挑選大小規(guī)格均一、飽滿的種子，經(jīng)催芽后播種在海綿塊中;將海綿塊放入水培盆中，置于培養(yǎng)室內(nèi)進行培養(yǎng)，溫度保持在26～28 ℃，光照度為5 000～6 000 lx，光照時間為 12 h/d，培養(yǎng)液采用霍格蘭營養(yǎng)液;當幼苗長出3～4張真葉時，挑選生長狀況基本一致的幼苗移栽到含Cd（試劑為 CdCl2·2.5H2O）質(zhì)量濃度分別為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L的不同營養(yǎng)液上進行水培，以Cd質(zhì)量濃度為0.0 mg/L處理為對照（CK），每處理5株幼苗，重復(fù)3次。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 株高 移栽時及之后每隔7 d，采用數(shù)顯游標卡尺測量株高，直至移栽28 d結(jié)束，植株株高增長量為培養(yǎng)28 d時植株株高與移栽時株高的差值。

1.2.2 根系生長指標 鎘脅迫處理28 d，每處理隨機選取植株3株，采用愛普生中國股份有限公司產(chǎn)Epson Perfection V700 Photo型掃描儀對其根系進行掃描，利用根系分析系統(tǒng)WinRHIZO得出總根長度、總根表面積、總根投影面積、根尖數(shù)。

1.2.3 丙二醛含量和保護酶活性 鎘脅迫處理28 d，選取同一部位植株葉片，分別采用硫代巴比妥酸顯色法、氮藍四唑還原法、愈創(chuàng)木酚顯色法、紫外分光光度法測定丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性[10-12]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫對2種菊科植物株高增長量的影響

由圖1可見，Cd脅迫處理下，金盞菊、萬壽菊植株的生長受到不同程度影響，隨Cd脅迫濃度的增加，2種菊科植物株高增長量呈先增后減趨勢，0.5、1.0 mg/L低質(zhì)量濃度Cd處理的2種菊科植物株高增長量都略高于對照，2.0、4.0 mg/L高質(zhì)量濃度Cd處理的2種菊科植物株高增長量都略低于對照，低質(zhì)量濃度鎘脅迫可促進植株的生長，而高質(zhì)量濃度抑制植株的生長;同一Cd質(zhì)量濃度脅迫處理下，金盞菊株高增長量明顯高于萬壽菊。

2.2 Cd脅迫對2種菊科植物根系生長的影響

由表1可見，隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，2種菊科植物總根長、總根投影面積、總根表面積、根尖數(shù)等根系生長指標總體呈先增后減趨勢;鎘脅迫質(zhì)量濃度為1.0 mg/L時，萬壽菊的總根長、總根投影面積、總根表面積、根尖數(shù)相對最大，分別比對照增加68.56%、24.35%、35.52%、75.51%，而鎘脅迫質(zhì)量濃度為2.0 mg/L時，金盞菊的總根長、總根投影面積、總根表面積、根尖數(shù)相對最大，分別比對照增加37.44%、11.80%、25.06%、35.92%。

2.3 Cd脅迫對2種菊科植物葉片MDA含量保護酶活性的影響

2.3.1 MDA含量 由圖2可見，隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，2種菊科植物葉片中MDA含量呈先增后減趨勢;Cd脅迫質(zhì)量濃度為0.5、1.0 mg/L時，萬壽菊葉片MDA含量高于對照，且在Cd質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時MDA含量相對最高，為對照植株的 2.83倍，Cd脅迫質(zhì)量濃度為2.0、4.0 mg/L時，萬壽菊葉片中MDA含量低于對照;Cd脅迫對金盞菊葉片MDA含量的影響沒有萬壽菊明顯，Cd脅迫質(zhì)量濃度為 0.5 mg/L 時，金盞菊葉片中MDA含量高于對照，其他質(zhì)量濃度脅迫處理均略低于對照。

2.3.2 SOD活性 由圖3可見，隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，萬壽菊葉片中SOD活性呈下降趨勢，Cd脅迫質(zhì)量濃度為4.0 mg/L時，其SOD活性相對最低，僅為5.40 U/g;與萬壽菊不同，隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，金盞菊葉片中SOD活性呈先增后降趨勢，Cd脅迫質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時，金盞菊葉片中SOD活性相對最高，略高于對照，而其他Cd質(zhì)量濃度脅迫處理均低于對照，且下降幅度較小。

2.3.3 POD活性 過氧化物酶是植物產(chǎn)生的一類氧化還原酶，與呼吸作用、光合作用等許多植物生長發(fā)育過程中的重要反應(yīng)相關(guān)，其酶活性高低與植物代謝強度有密切關(guān)系，可使生物活性氧維持在一個較低水平上，以防止活性氧的傷害[13]。由圖4可見，隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，萬壽菊葉片中POD活性呈下降趨勢，POD活性由對照的1 087.50 U/g下降到Cd脅迫質(zhì)量濃度為4.0 mg/L處理時的710.14 U/g，下降幅度為 34.70%，這與其SOD活性規(guī)律相似;隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，金盞菊葉片中POD活性呈先增后降趨勢，與對照相比，總體增減幅度相對較小，POD活性維持在224.07～168.67 U/g，Cd脅迫質(zhì)量濃度為0.5、1.0 mg/L時金盞菊葉片POD活性略高于對照，2.0、4.0 mg/L Cd質(zhì)量濃度處理的金盞菊葉片POD活性略低于對照。

2.3.4 CAT活性 由圖5可見，隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，萬壽菊葉片中CAT活性呈明顯下降趨勢，對照葉片中CAT活性相對最高，為82.15 U/g，Cd脅迫質(zhì)量濃度為 4.0 mg/L 時CAT活性相對最低，僅為13.48 U/g，為對照的16.41%;金盞菊葉片中CAT活性變化規(guī)律與萬壽菊相似，但其CAT活性值明顯低于萬壽菊;Cd脅迫質(zhì)量濃度為0.5、1.0 mg/L 時，金盞菊葉片中CAT活性略低于對照，Cd脅迫質(zhì)量濃度增加到2.0 mg/L時，金盞菊葉片中CAT活性較對照下降明顯，Cd脅迫質(zhì)量濃度達到 4.0 mg/L 時，其CAT活性僅為0.46 U/g。

3 結(jié)論與討論

鎘作為一種非必需元素，可能與植物必需營養(yǎng)元素競爭根部的吸收位點，或通過影響植物生理生化過程來影響植物的正常生長，從而在高質(zhì)量濃度下造成植物生物量的下降[14]。本試驗結(jié)果表明，隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，萬壽菊、金盞菊植株高度增長量呈先增后降的規(guī)律，0.5 mg/L Cd質(zhì)量濃度處理的萬壽菊、1.0 mg/L Cd質(zhì)量濃度處理的金盞菊，其植株株高增長量相對最大;從根系生長狀況看，低質(zhì)量濃度Cd脅迫可以促進萬壽菊、金盞菊這2種菊科植物根系的生長，根系總根長、總投影面積、總表面積、根尖數(shù)的最大值出現(xiàn)時萬壽菊Cd脅迫質(zhì)量濃度為1.0 mg/L，而金盞菊則為 2.0 mg/L。這在一定程度上反映根系對Cd的耐受質(zhì)量濃度高于植株地上部分，金盞菊對Cd的耐受能力強于萬壽菊。

重金屬脅迫等不良環(huán)境能誘發(fā)植物代謝過程產(chǎn)生自由基，從而對植物膜產(chǎn)生傷害作用，而植物自身的保護酶系統(tǒng)能夠清除自由基，以減輕其危害[15]。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）是植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)的組成部分，能有效清除植物體內(nèi)的自由基和過氧化物[16]。本試驗結(jié)果表明，隨Cd脅迫質(zhì)量濃度的增加，金盞菊葉片中POD、CAT活性呈先增后減趨勢，萬壽菊葉片中SOD、POD、CAT活性呈下降趨勢，且高質(zhì)量濃度Cd脅迫下，POD、CAT活性下降明顯，這可能是由于植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧不能被及時清除而質(zhì)子化成毒性更強的·OH自由基有關(guān)，這與田治國等的研究結(jié)論[17]較為吻合。

萬壽菊、金盞菊這2種菊科植物對Cd毒害響應(yīng)存在明顯的品種差異，對Cd的耐受質(zhì)量濃度有所不同，相對而言，金盞菊對Cd脅迫具有較高的耐性，可作為綠化植物在城市鎘污染水體或土壤嚴重的地區(qū)種植，以用于對土壤或水體的修復(fù)。

參考文獻：

[1]Wang L，Zhou Q X，Ding L L，et al. Effect of cadmium toxicity on nitrogen metabolism in leaves of Solanum nigrum L. as a newly found cadmium hyperaccumulator[J]. Journal of Hazardous Materials，2008，154（1/3）：818-825.

[2]苗欣宇，周啟星. 污染土壤植物修復(fù)效率影響因素研究進展[J]. 生態(tài)學(xué)雜志，2015，34（3）：870-877.

[3]何俊瑜，王陽陽，任艷芳，等. 鎘脅迫對不同水稻品種幼苗根系形態(tài)和生理特性的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2009，18（5）：1863-1868.

[4]Baryla A，Carrier P，F(xiàn)ranck F，et al. Leaf chlorosis in oilseed rape plants （Brassica napus） grown on cadmium-polluted soil：causes and consequences for photosynthesis and growth[J]. Planta，2001，212（5/6）：696-709.

[5]張金彪，黃維南. 鎘脅迫對草莓光合的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2007，18（7）：1673-1676.

[6]萬雪琴，張 帆，夏新莉，等. 鎘處理對楊樹光合作用及葉綠素熒光參數(shù)的影響[J]. 林業(yè)科學(xué)，2008，44（6）：73-78.

[7]洪堅平，謝英荷，孟會生，等. 水培油菜營養(yǎng)液養(yǎng)分動態(tài)變化研究[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2008，24（1）：330-334.

[8]曹晨書，曾春霞. 蔬菜水培技術(shù)的研究進展[J]. 上海蔬菜，2012（6）：3-4.

[9]張啟翔，康紅梅，唐 菁，等. 切花月季無土栽培技術(shù)的研究[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，25（3）：22-27.

[10]郝再彬，蒼 晶，徐 仲. 植物生理實驗[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004：115-116.

[11]曲 敏，秦麗楠，劉羽佳，等. 兩種檢測SOD酶活性方法的比較[J]. 食品安全質(zhì)量檢測學(xué)報，2014（10）：3318-3323.

[12]李仕飛，劉世同，周建平，等. 分光光度法測定植物過氧化氫酶活性的研究[J]. 安徽農(nóng)學(xué)通報，2007，13（2）：72-73.

[13]吳建勛，張姍姍. Cr、Co、Pb單一脅迫對浮萍SOD、POD、MDA的影響[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2013，29（15）：188-194.

[14]涂 從，鄭春榮，陳懷滿. 土壤-植物系統(tǒng)中重金屬與養(yǎng)分元素交互作用[J]. 中國環(huán)境科學(xué)，1997，17（6）：526-529.

[15]蔣興一，李景吉，錢美玲. 三種菊科草本植物對重金屬Cd污染土壤的修復(fù)效應(yīng)實驗研究[J]. 四川環(huán)境，2017，36（5）：29-33.

[16]奉 斌，代其林，王 勁. 非生物脅迫下植物體內(nèi)活性氧清除酶系統(tǒng)的研究進展[J]. 綿陽師范學(xué)院學(xué)報，2009，28（11）：50-53，77.

[17]田治國，王 飛. 不同品種萬壽菊對鎘脅迫的生長和生理響應(yīng)[J]. 西北植物學(xué)報，2013，33（10）：2057-2064.