鎘脅迫對多肉植物康平壽生長和增殖的影響

田傳玉， 陳建中， 李露園， 李紅麗， 張夢雅， 王鋒敏， 朱婧婧， 洽 丹

(湖州師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院， 浙江 湖州 313000)

多肉植物外觀小巧玲瓏，植株肥厚多汁，造型特異，儀態(tài)萬千，是近年來流行的一類觀賞植物.多肉植物以十二卷屬植物較為名貴.康平壽(Haworthiaemelyae)為百合科十二卷屬軟葉系珍貴多肉植物，原產(chǎn)南非，喜涼爽、干燥，其植株無莖，肉質(zhì)葉上半部呈水平三角形，葉色濃綠肥厚飽滿，排成蓮座狀[1-2].康平壽由于其外形精巧美觀而備受栽培者和園藝愛好者青睞.

由于城市工業(yè)化的迅速發(fā)展，工業(yè)三廢導(dǎo)致的重金屬污染現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，其中重金屬鎘是毒性最大的重金屬元素之一[3-7].過量的鎘能在植物根、莖、葉中大量積聚，不僅嚴(yán)重危害動植物的生長發(fā)育，還具有隱蔽性、長期性和不可逆性等特點(diǎn)[7-11].受鎘污染的植物通常會呈現(xiàn)植株矮小、生長發(fā)育遲緩、發(fā)黃萎蔫、產(chǎn)量下降等癥狀[3,12-17].

目前國內(nèi)外對多肉植物的研究主要集中在組織培養(yǎng)[1,18-19]、資源評價與應(yīng)用等方面，對多肉植物在生長發(fā)育過程中是否會受重金屬污染的研究還未見報道.本文擬在離體培養(yǎng)條件下研究不同的Cd2+濃度對康平壽生長和增殖的影響，探究重金屬對多肉植物可能引起的毒害作用，為重金屬是否會影響植物生長發(fā)育的進(jìn)一步研究提供理論參考，也為篩選有效的鎘污染修復(fù)植物提供參考依據(jù).

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

多肉植物康平壽由湖州師范學(xué)院植物學(xué)實驗室提供.

1.2 實驗方法

1.2.1 康平壽無菌苗的獲得、增殖和生根

取康平壽植物當(dāng)年的春生花莖，將其切成2 cm左右長度的小段，70%酒精消毒30 s，0.1%氯化汞浸泡消毒8 min，經(jīng)無菌水沖洗4～5次后接種于啟動的培養(yǎng)基MS+6-BA 2.0 mg/L(單位下同)+NAA 0.2[18]上，接種后置培養(yǎng)室暗培養(yǎng)，培養(yǎng)室溫度為25 ℃.45 d后將誘導(dǎo)的愈傷組織在培養(yǎng)基MS+6-BA 1.0+NAA 0.2上進(jìn)行繼代增殖，培養(yǎng)室溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度為2 500 Lx，光暗周期比為12 h ∶12 h.愈傷組織增殖培養(yǎng)18 d后，即可發(fā)現(xiàn)芽的分化.繼續(xù)培養(yǎng)1周后，在培養(yǎng)基MS+6-BA 0.5+NAA 0.1上進(jìn)行康平壽無菌苗的增殖，在1/2 MS+IBA 0.1+NAA 0.1培養(yǎng)基上進(jìn)行不定根的誘導(dǎo).

1.2.2 鎘脅迫處理

用硝酸鎘配制10 mmol/L Cd2+母液.在增殖培養(yǎng)基MS+6-BA 0.5+NAA 0.1和生根培養(yǎng)基1/2 MS+IBA 0.1+NAA 0.1中分別添加0.01、0.05、0.10、0.50、1.00 mmol/L Cd2+，設(shè)置5個鎘脅迫梯度，以蒸餾水作為對照.每個處理10瓶培養(yǎng)基，每瓶接種4個康平壽芽，重復(fù)3次.接種后置培養(yǎng)室進(jìn)行光培養(yǎng)，培養(yǎng)條件同上.

經(jīng)鎘脅迫處理培養(yǎng)40 d后，對多肉植物康平壽的植株高度、植株鮮重、增殖系數(shù)，以及試管苗不定根的長度和數(shù)量分別進(jìn)行統(tǒng)計、測量.

1.3 數(shù)據(jù)分析

將所測數(shù)據(jù)輸入Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖分析.應(yīng)用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 經(jīng)不同濃度Cd2+處理后康平壽試管苗的生長情況

研究表明，隨著Cd2+處理濃度的增加，康平壽試管苗的生長和增殖情況逐漸減弱.經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，培養(yǎng)25 d后，經(jīng)0.50 mmol/L Cd2+處理后的康平壽試管苗基部逐漸出現(xiàn)輕微的發(fā)黃現(xiàn)象，植株生長發(fā)育緩慢，40 d時的植株大小與接種時相差無幾；經(jīng)1.00 mmol/L Cd2+處理15 d后，康平壽試管苗開始出現(xiàn)枯黃跡象，并緩慢發(fā)白直至40 d后完全死亡(圖1)，死亡率為100%.

Fig. 1 Haworthia emelyae shoots after treatment with different concentration of Cd2+ for 40 days

注：A～F的Cd2+處理濃度分別為0.00、0.01、0.05、0.10、0.50、1.00 mmol/L.

2.2 Cd2+對康平壽試管苗植株高度的影響

圖2所示，與對照相比，經(jīng)0.01 mmol/L和0.05 mmol/L Cd2+濃度處理后的植株高度沒有出現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)；經(jīng)0.10 mmol/L和0.50 mmol/L Cd2+濃度處理后的康平壽，其植株高度顯著低于對照(P<0.05)；經(jīng)0.01 mmol/L Cd2+處理后的植株高度顯著高于0.05 mmol/L、0.10 mmol/L和0.50 mmol/L Cd2+處理后的植株(P<0.05)；經(jīng)1.00 mmol/L Cd2+濃度處理后的植株全部死亡.可見，Cd2+濃度達(dá)到0.1 mmol/L會對康平壽株高產(chǎn)生抑制.

2.3 Cd2+對康平壽試管苗植株鮮重的影響

圖3表明，經(jīng)0.01 mmol/L和0.05 mmol/LCd2+處理后，康平壽試管苗的鮮重與對照相比，未出現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)；當(dāng)Cd2+濃度≥0.1 mmol/L時，試管苗鮮重顯著低于對照(P<0.05)，顯著抑制了康平壽植株鮮重的增加.

Fig.2 Effect of Cd2+ on plant height of Haworthia emelyae shoots

注：不同處理之間標(biāo)有相同字母的，表示差異不顯著；反之，表示差異顯著(P<0.05).圖3同.

Fig.3 Effect of Cd2+ on fresh weight of Haworthia emelyae shoots

2.4 Cd2+對康平壽試管苗增殖系數(shù)的影響

由圖4可知，經(jīng)0.01 mmol/L和0.05 mmol/L Cd2+處理后,康平壽試管苗的增殖系數(shù)與對照相比，未出現(xiàn)顯著性差異(P>0.05)；當(dāng)Cd2+處理濃度≥0.1 mmol/L時，康平壽植株的增殖系數(shù)顯著低于對照(P<0.05)，試管苗增殖受到較大影響，見圖1.

綜合上述，當(dāng)Cd2+濃度≤0.05 mmol/L時，康平壽試管苗生長正常，株高、鮮重、增殖能力未受到影響；當(dāng)Cd2+濃度>0.05 mmol/L時，康平壽試管苗的生長受到明顯影響，其株高變矮，鮮重下降，增殖能力受抑制；當(dāng)Cd2+濃度=1.0 mmol/L時，康平壽試管苗全部死亡.

Fig.4 Effect of Cd2+ on proliferation coefficient of Haworthia emelyae shoots

2.5 Cd2+對康平壽試管苗生根的影響

將康平壽試管苗接種于生根培養(yǎng)基中，培養(yǎng)12 d后即可從苗的基部切口處發(fā)現(xiàn)黃白色不定根，經(jīng)不同濃度的Cd2+處理后，產(chǎn)生不定根的時間有不同程度的推遲.經(jīng)0.00、0.01、0.05、0.10和0.50 mmol/L Cd2+處理40 d后，試管苗的生根率分別為100%、100%、87%、59%和35%.圖5顯示了經(jīng)不同濃度Cd2+處理后康平壽試管苗產(chǎn)生不定根的根長和根數(shù)變化.經(jīng)0.01 mmol/LCd2+處理后，試管苗產(chǎn)生不定根的數(shù)量和長度與對照相比，沒有顯著差異(P>0.05)；當(dāng)Cd2+濃度≥0.05 mmol/L時，試管苗的生根能力受到明顯影響，其根長和根數(shù)顯著低于對照(P<0.05)(圖5).

Fig.5 Effect of Cd2+ on the rooting of Haworthia emelyae shoots

3 討論與結(jié)論

Cd2+是一種毒性較強(qiáng)的重金屬污染物.隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，鎘污染對土壤、河流等環(huán)境的影響越來越嚴(yán)重[12]，修復(fù)鎘污染環(huán)境迫在眉睫.在多種修復(fù)方式中，植物修復(fù)是一種相對安全、環(huán)保且成本較低的方式.該方式的商業(yè)價值實現(xiàn)關(guān)鍵在于種植的植物是否具有經(jīng)濟(jì)價值，而非純粹的生態(tài)效益.為了篩選有效的鎘污染修復(fù)植物，應(yīng)對鎘污染帶來的負(fù)面影響進(jìn)行研究.近年來國內(nèi)外學(xué)者對植物對鎘污染的耐受性和適應(yīng)性等的研究引起了關(guān)注.

鎘脅迫條件下植物常會表現(xiàn)出根系生長受阻、光合強(qiáng)度和呼吸強(qiáng)度下降等一系列生理代謝紊亂現(xiàn)象[10,16,20-22].王波等[10]采用水培法研究了重金屬鎘對南荻種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，試驗結(jié)果為鎘脅迫對南荻種子根和芽的生長表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用.彭鷗等[16]采用營養(yǎng)液培育試驗方法，分析了不同濃度鎘對水稻生長發(fā)育的影響，結(jié)果顯示低濃度Cd(≤10 μg/L)對水稻生長有促進(jìn)作用，高于10 μg/L時有抑制作用，Cd 濃度越高，抑制作用越明顯.有研究表明，低濃度Cd2+可促進(jìn)小麥種子萌發(fā)，高濃度則抑制萌發(fā)，小麥根和莖的長度、鮮重、干重和相對含水量在Cd2+處理下較對照顯著降低[20].孟自力等[21]的小麥無土栽培試驗結(jié)果表明，經(jīng)0.4～1.2 mmol/L Cd2+處理后，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、株高、根長、地上部干鮮質(zhì)量和地下部干鮮質(zhì)量隨鎘濃度的增加而降低，并且全部顯著低于對照；經(jīng)0.04 mmol/L Cd2+處理后，除了根長外，其余生理指標(biāo)與對照相比無顯著差異.對玉米鎘脅迫研究表明，輕度鎘脅迫(1 mg/kg)能夠促進(jìn)所有基因型玉米的生長，中度鎘脅迫(3 mg/kg)則降低了3個基因型玉米的生物量[22].

近年來，雖然國內(nèi)外已有較多的文獻(xiàn)報道了重金屬鎘影響植物生長發(fā)育的現(xiàn)象，并在生理生化[13-14,17]、遺傳[6]和分子生物學(xué)[15]等方面闡述了鎘脅迫可能的機(jī)理，但未發(fā)現(xiàn)有對多肉植物鎘脅迫的研究，而且大多數(shù)研究并非在完全無菌的培養(yǎng)條件下進(jìn)行，其研究結(jié)果難免受到微生物作用的影響.有研究表明，有些細(xì)菌不僅可以吸收或吸附重金屬鎘和鉛，而且可以對其進(jìn)行固定[23-24].

本文在離體無菌培養(yǎng)條件下研究了重金屬鎘對多肉植物康平壽試管苗生長和增殖的影響.結(jié)果顯示，低濃度Cd(≤0.05 mmol/L)對康平壽試管苗的生長和增殖無明顯影響，較高濃度Cd(0.10～1 mmol/L)則顯著(P<0.05)抑制康平壽試管苗的生長和增殖(圖1～圖4)，而≥0.05 mmol/L Cd2+顯著(P<0.05)影響康平壽試管苗的生根(圖5).該研究結(jié)果與前人的研究[5,8,10,21-22]基本一致.Cd2+影響植物生長在濃度上的差異可能與植物種類、生長時期和培養(yǎng)條件等的不同有關(guān).本試驗利用植物組織培養(yǎng)技術(shù)，在完全無菌的培養(yǎng)條件下，排除了微生物可能對Cd2+的影響，研究結(jié)果更加科學(xué)、可靠.