鎘脅迫對萬壽菊屬植物幼苗生理及富集的影響

劉翰升 趙春莉 劉玥 國偉強

摘要：【目的】研究不同質量濃度（0、0.3、3、20、60、120、180、240mg.L）鎘脅迫下，萬壽菊屬植物幼苗（萬壽菊、孔雀草）的生理指標與富集指標，比較可溶性蛋白、丙二醛、過氧化物酶、超氧化物歧化酶與鎘吸收量，明確不同質量濃度鎘脅迫下萬壽菊屬植物幼苗生理調節(jié)機制與富集能力?！痉椒ā客ㄟ^水培試驗，采用鎘脅迫處理幼苗，測定可溶性蛋白、丙二醛、過氧化物酶、超氧化物歧化酶與鎘吸收量，研究鎘脅迫對萬壽菊、孔雀草幼苗的生理指標與幼苗富集效果的影響?！窘Y果】隨著Cd脅迫質量濃度的增加，萬壽菊幼苗的可溶性蛋白質含量逐漸降低，丙二醛含量隨Cd質量濃度增加先降低后升高再降低，過氧化物酶活性逐漸升高，超氧化物歧化酶活性先降低后升高再降低;孔雀草幼苗可溶性蛋白質含量逐漸降低，丙二醛含量先下降后上升再下降后又上升，過氧化物酶先上升后下降，超氧化物歧化酶含量先上升后下降再上升后下降;萬壽菊、孔雀草幼苗對鎘的吸收量隨Cd脅迫質量濃度的增加積累能力逐漸增強，萬壽菊幼苗與孔雀草幼苗在180mg·LCd脅迫時，幼苗內Cd含量分別達到440.40、478.23mg.kg?！窘Y論】中、低量的Cd脅迫（0.3-120mg.L）對萬壽菊、孔雀草幼苗生理影響小，自身可以調節(jié)，高量的Cd脅迫（180、240mg.L）產生破壞作用，影響較大;萬壽菊、孔雀草幼苗富集量隨Cd脅迫質量濃度升高而升高，直到幼苗不萌發(fā);萬壽菊幼苗抵抗Cd脅迫生理機制過氧化物酶起主導作用，孔雀草幼苗抵抗Cd脅迫生理機制超氧化物歧化酶起主導作用;采用萬壽菊、孔雀草種子進行植物修復有較大應用前景。

關鍵詞：萬壽菊屬;鎘脅迫;生理指標;鎘富集

中圖分類號：S681.9

文獻標志碼：A 文章編號：1008-0384（2019）10-1221-07

0引言

【研究意義】伴隨著我國經濟持續(xù)增長，工業(yè)“三廢”：農業(yè)化肥與農藥的不合理施用，致使我國環(huán)境日漸惡劣、土壤污染日趨嚴重，使重金屬污染成為當今面積最廣、危害性最大的環(huán)境問題之一，由于重金屬的不可降解性，在環(huán)境中只能物質之間的相互遷移轉換，所以重金屬污染的消除往往更為困難，對生物引起的影響和危害使人類更為關注。重金屬鎘污染對植物具有毒害作用，對我國作物產量、環(huán)境安全及植物生長等方面造成了巨大影響，萬壽菊屬植物對重金屬鎘脅迫有較強的抗性，為我國植物修復技術領域提供新的思路?！厩叭搜芯窟M展】目前，關于鎘脅迫植物生理的研究主要集中于低濃度鎘脅迫下植物的可溶性蛋白、MDA、抗氧化酶系統(tǒng)等指標的變化。鎘富集植物研究多集中于超富集植物，但因其生物量小、生長緩慢、地域局限導致難以大規(guī)模應用，萬壽菊與孔雀草全國各地均可種植，具有生長速度快、生物量大、觀賞性強等特點，已有研究表明孔雀草是新型的耐鎘植物。研究萬壽菊及孔雀草在不同質量濃度鎘脅迫下的幼苗生理響應與富集指標，對萬壽菊色素提取產業(yè)、美化環(huán)境、植物修復技術發(fā)展等有較大意義?！颈狙芯壳腥朦c】目前植物修復技術存在超富集植物生長緩慢、生物量小等問題，適用于高濃度重金屬污染地區(qū)植物修復的研究未見報道，針對重金屬污染，高效、實用的修復技術并不多。萬壽菊屬植物對重金屬鎘脅迫的耐性較強，且萬壽菊相比較于一般超富集植物生物量大，栽培密度高，采用種子的方式進行播種節(jié)約成本，發(fā)芽初期種子生長迅速，富集效率相對高。【擬解決的關鍵問題】本試驗對萬壽菊屬植物種子在不同質量濃度鎘脅迫下對植物種子幼苗生理生化指標與鎘吸收量方面進行研究，比較不同質量濃度鎘脅迫對可溶性蛋白、丙二醛、過氧化物酶、超氧化物歧化酶等生理指標與鎘吸收能力，以期為萬壽菊屬植物種子在鎘脅迫下的生理生化響應機制提供更為詳細的數據模型，為以直接播種的方式進行植物修復提供理論依據，為植物修復技術的發(fā)展提供理論基礎。對我國減輕重金屬污染，進行生態(tài)修復具有一定的指導意義。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試材料為萬壽菊（Tagetes erecta L.）、孔雀草（Tagetes patula L.）種子。試驗于2018年9月到2018年10月在吉林農業(yè)大學園藝學院園林專業(yè)實驗室進行。

1.2試驗方法

1.2.1發(fā)芽試驗 依據中華人民共和國國家土壤環(huán)境質量標準（GB36600-2018和GBl5618-2018）以及預試驗所得結果，設置Cd質量濃度為0（CK）、0.3、3、20、60、120、180、240mg.L，設置萬壽菊、孔雀草各處理分別為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8，Bl、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8。cd供源由分析純CdCl2·2.5H2O配制所得，將cd以溶液的形式加入到PC培養(yǎng)皿中，模擬土壤受到不同程度的重金屬污染。在超凈工作臺內，每份試材選取50粒籽粒飽滿、大小均一的種子，整齊擺放在墊有雙層濾紙已滅菌的PC培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿中添加8mL不同濃度梯度的Cd溶液，以添加8mL無菌水為對照，進行單因素試驗。試驗在模擬最優(yōu)自然生長環(huán)境的人工氣候箱中進行，溫度設置為（19±4）℃，相對濕度設置為50%-90%，光照設置為0-3級，24h暗處理后，培養(yǎng)7d，3次重復，以此獲得幼苗進行生理與富集試驗。

1.2.2生理試驗萬壽菊、孔雀草幼苗中可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定;MDA含量采用硫代巴比妥酸法;POD活性用愈創(chuàng)木酚法測定;SOD活性的測定采用NBT光還原法。

1.2.3富集試驗將植株種皮摘掉后，沖洗3次，后用干燥濾紙吸掉植株表面的水分，每處理使用分析天平取10g，剪碎后裝在聚四氟乙烯消解管中，編號。加入5mL硝酸浸泡過夜，第二天消解前加入0.5mL高氯酸，然后先用石墨消解儀180%消解45min，再將溫度升高到220%繼續(xù)消解到黃棕色煙霧完全冒盡，加入2mL過氧化氫，繼續(xù)加熱到白煙冒盡，溶液透明，消解結束后冷卻到室溫，定容至25mL，搖勻。使用原子吸收分光光度計測定溶液濃度。

1.3數據處理

采用SPSS20.0、Word2013對數據進行Duncan新復極差法顯著性分析、數據整理與制作圖表。

2結果與分析

2.1鎘對萬壽菊幼苗生理指標的影響

2.1.1鎘對萬壽菊幼苗可溶性蛋白含量的影響

植物體內的可溶性蛋白質大多數是參與各種代謝的酶類，測其含量是了解植物體總代謝的一個重要指標，是衡量植物抗逆性的重要指標。由表1可知，隨著鎘脅迫質量濃度的增加，萬壽菊幼苗可溶性蛋白含量隨之降低，A2處理與A1相比差異不顯著，A3處理與A1處理相比極顯著下降，下降6.82%，A3、A4、A5處理差異均不顯著，A6、A7處理與A1相比極顯著降低，分別下降19.55%和30.91%。從萬壽菊幼苗可溶性蛋白的質量分數表明，低濃度鎘脅迫對萬壽菊幼苗可溶性蛋白的形成幾乎無抑制，中低濃度鎘脅迫對萬壽菊幼苗可溶性蛋白的形成抑制作用較弱且抑制效果穩(wěn)定，但隨著鎘脅迫質量濃度的增加，對萬壽菊幼苗可溶性蛋白形成的抑制作用逐漸增強。

2.1.2鎘脅迫對萬壽菊幼苗丙二醛含量的影響丙二醛含量是植物細胞膜質過氧化程度的體現，丙二醛含量高，說明植物細胞膜質過氧化程度高，細胞膜受到的傷害嚴重。由表1可知，A，處理與A，處理相比，鎘脅迫對萬壽菊幼苗丙二醛含量幾乎生成無促進，A3處理丙二醛含量相較于A1處理表現為極顯著下降，下降48.99%。A4、A5處理丙二醛的含量均顯著高于A1處理，上升40.47%和39.22%，此時萬壽菊幼苗內丙二醛大幅度生成;A6、A7處理與A】處理相比極顯著降低，分別下降6.82%和8.22%，此時萬壽菊幼苗丙二醛生成再次被抑制。萬壽菊幼苗丙二醛質量分數變化表明，低濃度鎘脅迫對萬壽菊幼苗丙二醛含量影響不大，中低濃度的鎘脅迫對萬壽菊幼苗丙二醛含量產生抑制，對萬壽菊幼苗的細胞膜傷害性逐漸增加。

2.1.3鎘對萬壽菊幼苗抗氧化酶含量的影響抗氧化酶具有將體內形成過氧化物轉換為毒害較低或無害的物質的功能，抗氧化酶的活性是植物能否對逆境適應的重要指標之一。由表1可知，隨著Cd脅迫質量濃度的增加，過氧化物酶活性極顯著增加，A7處理時達到最大值，處理A2、A3、A4、A5、A6、A7分別達到處理A1的1.08、1.60、1.88、1.97、2.69、4.24倍。超氧化物歧化酶活性與過氧化物酶活性呈相反狀態(tài)，隨著Cd脅迫質量濃度的增加，SOD的活性先降低后升高再降低，A7處理時達到最小值，與A1處理存在極顯著性差異，下降58.19%。隨著鎘脅迫質量濃度的增加，對萬壽菊幼苗過氧化物酶活性的促進作用逐漸增強;低濃度鎘脅迫對萬壽菊幼苗超氧化物歧化酶活性抑制明顯，中低濃度鎘脅迫對萬壽菊幼苗超氧化物歧化酶活性有一定促進作用，但隨著鎘脅迫質量濃度的增加，萬壽菊幼苗超氧化物歧化酶活性的抑制作用再次逐漸增強。

2.2鎘對孔雀草幼苗生理指標的影響

2.2.1鎘對孔雀草幼苗可溶性蛋白含量的影響由表2可知，隨著鎘脅迫質量濃度的增加，孔雀草的可溶性蛋白質含量呈現先升高再下降的態(tài)勢，B2處理相較于B，處理可溶性蛋白含量極顯著增加，極顯著促進可溶性蛋白的生成，與B1相比上升了10.89%;B3、B4、B5、B6、B7處理與B1處理相比均極顯著下降，分別下降了18.32%、25.74%、27.72%、32.18%和36.14%，B4、B5處理無顯著差異。低濃度鎘脅迫對孔雀草可溶性蛋白的形成促進作用較強，但隨著鎘脅迫質量濃度的增加，孔雀草幼苗可溶性蛋白形成的促進作用轉為抑制作用，并逐漸增強。

2.2.2鎘對孔雀草幼苗丙二醛含量的影響

由表2顯示，隨著鎘脅迫質量濃度的增加，孔雀草幼苗丙二醛的含量呈現先減后增的趨勢，B2處理丙二醛的含量與B1處理相較極顯著下降，分別降低了28.17%，B3處理丙二醛的含量隨后上升，與B1處理相較差異不顯著，B4處理丙二醛的含量再次極顯著降低，與B1處理相較下降40.45%，Bs、B6處理較B4處理顯著增高，但B5、B6處理本身差異不顯著，B7處理丙二醛含量極顯著增高，達到峰值。低中濃度鎘脅迫對孔雀草幼苗丙二醛生成抑制效果顯著，隨著鎘脅迫質量濃度的增加，丙二醛生成抑制效果逐漸消失轉為促進。

2.2.3鎘對孔雀草幼苗抗氧化酶活性的影響表2可知，在不同質量濃度鎘處理下，對孔雀草幼苗過氧化物酶、超氧化物歧化酶活性的影響。隨著鎘脅迫質量濃度的增加，過氧化物酶的活性先升高再降低，B2、B1處理過氧化物酶的活性呈上升趨勢，與B1處理相比極顯著升高，分別上升了65.26%、81.63%;B4、Bs、B6、B7處理與B1處理相比極顯著上升，但上升趨勢減小，分別上升了47.41%、38.12%、9.54%和8.87%。超氧化物歧化酶活性先升高后降低再升高后降低，B2處理與B1處理相比極顯著升高，上升了19.10%，B3處理與B1處理無顯著差異，B4處理與B，處理相比極顯著升高，上升了137.48%，B5、B6處理與B1處理無顯著差異，B7處理與B1處理相比表現為極顯著降低，降低了18.81%。低濃度鎘脅迫，對孔雀草幼苗過氧化物酶活性的促進作用較強，隨著鎘脅迫質量濃度的增加，中高濃度鎘脅迫對孔雀草幼苗過氧化物酶活性的促進作用逐漸減弱;低濃度鎘脅迫對孔雀草幼苗超氧化物歧化酶活性促進明顯，隨后抑制，中高濃度鎘脅迫對萬壽菊幼苗超氧化物歧化酶活性有一定促進作用，但隨著鎘脅迫質量濃度的增加，對萬壽菊幼苗超氧化物歧化酶活性的抑制作用再次逐漸增強。

2.3鎘對萬壽菊及孔雀草幼苗富集指標的影響

從圖1可知，鎘脅迫萬壽菊的Cd含量隨著Cd濃度的增加而逐漸增大，A2、A3處理與A1處理相比差異不顯著，鎘含量分別為0.37和1.57mg·kg;A4、A5、A6、A7處理與A1處理相比極顯著升高，鎘含量分別達到了22.9、87.27、128.30和440.40mg·kg;孔雀草幼苗鎘含量隨著鎘脅迫質量濃度的增加而上升，B2、B3處理與B1處理相比差異不顯著，鎘含量分別達到了0.47和1.83mg.kg;B4、B5、B6、B7處理與B1處理相比極顯著升高，鎘含量分別達到了23.10、76.63、138.63和478.23mg·kg，通過柱形圖對比，鎘脅迫對萬壽菊、孔雀草在幼苗體內的積累含量差異不大，基本相似。

3討論與結論

可溶性蛋白作為滲透調節(jié)作用的重要物質，其含量在一定程度上可以自身調節(jié)?？扇苄缘鞍缀吭谌f壽菊、孔雀草葉中均隨cd濃度的增加表現為先增高后減少，可溶性蛋白含量越多，越能促進功能蛋白數量增加，對植物細胞維持正常代謝起促進作用，但過量鎘脅迫對蛋白質合成起抑制作用，但過量的cd造成了萬壽菊體內蛋白質的分解和運輸受阻，促進蛋白水解酶活性，導致原有蛋白質分解加速，且cd對合成蛋白質的有關酶類、細胞器具有毒害性和破壞作用，使新蛋白合成受到了抑制，最終導致萬壽菊及孔雀草體內的可溶性蛋白質含量大幅度下降。李建龍等提出隨著重金屬脅迫增強，油菜（Brassica napus L.）體內光合系統(tǒng)產生破壞，導致蛋白質分解及運輸受阻，最終導致蛋白質含量下降，與本試驗研究結果相似。

鎘脅迫會誘變植物的質膜發(fā)生過氧化，細胞膜損傷，與外界的通透性增強，因自由基作用的脂質發(fā)生過氧化反應，最終生成具有細胞毒性的氧化終產物丙二醛。萬壽菊幼苗丙二醛含量隨著cd濃度增加，與對照比較表現先升高后降低的現象，但在3mg·L時表現下降趨勢。彭昌琴等研究表明，在重金屬鎘的脅迫作用下，僅在一定范圍內對植物的生長具有抗逆性，當超過這個極限濃度，植物自身的抗性就會消失，這與本試驗中萬壽菊幼苗丙二醛含量的先下降再上升后下降，萬壽菊幼苗對低質量濃度鎘脅迫傷害的抗逆性顯著，后隨著質量濃度升高，丙二醛含量突然劇增后逐漸下降，表明植物自身抗性逐漸減弱，生長發(fā)育受到嚴重影響的結果相類似?？兹覆萦酌绫┖侩Scd濃度的逐漸增加表現先降低后升高。劉柿良等提出，不同濃度鎘處理下龍葵（Solanum nigrum L.）幼苗丙二醛含量會隨著cd質量濃度的升高而增加，這與本試驗中孔雀草幼苗丙二醛含量的先下降后升高的結果不一致，應是孔雀草幼苗對鎘擁有較強抗逆性強，直到180mg·L時，脂質過氧化反應才劇烈進行的原因。

過氧化物酶可作為組織老化的一種生理指標，與植物光合作用及呼吸作用、生長素養(yǎng)化均有關;超氧化物歧化酶對細胞免疫損傷起保護作用，在活性氧清除系統(tǒng)中扮演重要角色。萬壽菊幼苗隨cd濃度的增加，過氧化物酶活性呈現逐漸上升趨勢，超氧化物歧化酶活性呈現逐漸下降趨勢，徐旭等提出cd濃度超過一定范圍后，導致過氧化物酶、超氧化物歧化酶活性降低甚至失活，這與本試驗中萬壽菊幼苗超氧化物歧化酶活性隨著鎘脅迫質量濃度的增加而降低相一致，但與本試驗中萬壽菊幼苗過氧化物酶活性隨著鎘脅迫質量濃度增加不同，這應是萬壽菊幼苗過氧化物酶體系較一般植物抗逆性更強導致的?？兹覆萦酌邕^氧化物酶、超氧化物歧化酶活性均呈現先升高后下降的趨勢，劉周莉等提出，低濃度鎘脅迫對超氧化物歧化酶的產生有促進作用，活性增強對植物有保護作用，在25mg.LCd脅迫之后，超氧化物歧化酶活性降低，這與本試驗中孔雀草幼苗超氧化物歧化酶活性隨著鎘脅迫質量濃度的增加先升高后降低相一致。

鎘超富集植物的臨界標準100mg·kg：本試驗中，萬壽菊幼苗與孔雀草幼苗在180mg·L鎘脅迫時，幼苗內鎘含量分別達到440.40、478.23mg·kg，120mg.LCd脅迫時128.30、138.63mg-kg，與張銀秋研究的植物對鎘的吸收、轉運及積累隨著植物種類的不同而有所差異結果相似。修復濃度在100mg·kg以上的土壤，鎘吸收效率高，每7d生物量為1kg的富集量可以達到鎘超富集植物一個生長周期的富集量。劉威等提出寶山堇菜Viola baoshan-ensis 150d富集量為233-1846mg.kg，這與本文中采用萬壽菊與孔雀草種子以相同方法按150d計算，富集量分別可以達到9437.14mg·kg與10247.79mg.kg，采用萬壽菊屬植物種子進行植物修復鎘脅迫有更大的應用范圍與空間。

植物在鎘脅迫的逆境條件下，鎘會對植物造成嚴重損害，最直接的表現是植物的生理生化的反應。萬壽菊、孔雀草體內的可溶性蛋白質含量、丙二醛含量、過氧化物酶、超氧化物歧化酶的活性與cd的濃度有關，cd濃度越高，對植物的生理影響越大，鎘對萬壽菊屬植物幼苗的富集能力隨濃度增大而增強。鎘對萬壽菊和孔雀草具有多方面的傷害，包括鎘脅迫減少植物可溶性蛋白質的合成，改變其膜的通透性，降低酶活性等生理生化過程。萬壽菊屬植物在相同濃度鎘脅迫下，生理抵抗機制表現為不同的反應，萬壽菊幼苗抵抗鎘脅迫生理機制中過氧化物酶不斷提高，起主導作用，孔雀草幼苗抵抗鎘脅迫生理機制中超氧化物歧化酶起主導作用，與丙二醛完全相反，但富集指標影響大體一致，具體機制還有待進一步研究。