鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗的生長及生理特性的影響

馬 冰， 張 杰， 魏媛媛， 謝思敏

(1.安徽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽省重要生物資源保護與利用研究重點實驗室，安徽 蕪湖 241000)

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，土壤中銅鎘污染狀況越發(fā)嚴(yán)重[1]。在諸多治理方法中，植物修復(fù)技術(shù)因其環(huán)境友好，且不產(chǎn)生二次污染等特點而受到人們的重視。研究者在選擇治理植物時傾向于超積累植物，但其往往生長緩慢，生物量小，導(dǎo)致實際修復(fù)中無法有效應(yīng)用[2]。有研究發(fā)現(xiàn)荻[Miscanthussacchariflorus(Maxim.)Benth.]生長迅速，生物質(zhì)產(chǎn)量高[3]，對銅和鎘具有較強的耐性和穩(wěn)定化能力[4-5]，同時又是一種很重要的能源植物。此外，荻是多年生植物，這使得連續(xù)修復(fù)易于開展，有助于緩解能源壓力和環(huán)境保護[6]。而且荻各器官中的金屬含量具有元素特異性，地上部鎘的含量高于根部，相反，根部銅含量高于其他器官[7]，可以使地上部和根部分別富集重金屬鎘和銅。因此，荻在重金屬污染土壤修復(fù)方面必將具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)植物生長在重金屬污染的土壤中時，植物體內(nèi)的鎘達(dá)到一定的濃度時,會影響植物的光合作用，抑制植物保護酶的活性等，使植株發(fā)育緩慢，導(dǎo)致植株矮小[8]。銅雖然是植物體內(nèi)所需的微量元素之一，但當(dāng)土壤中銅濃度提高至某一閾值時,會抑制植物的光合作用,減緩植物生長[9]。鑭(lanthanum，La)元素作為稀土元素之一，在有機體中含量很少，但對生命活動具有重要的調(diào)節(jié)作用。王蕊研究表明，5～10mg/L的稀土鑭元素可以提高豌豆幼苗的抗氧化酶活性，提高植物對外界重金屬脅迫的抗逆性[10]；加西亞等人研究表明低濃度的鑭可以提高植株的生物量[11]；孫嘉欣研究表明低濃度的鑭可以促進野生扁穗雀麥幼苗根系的生長，降低幼苗的相對電導(dǎo)率，減輕細(xì)胞膜的受損傷程度[12]。但是將荻作為研究對象，研究稀土元素鑭對重金屬脅迫下植物生長產(chǎn)生的影響還鮮見報道。

因此本實驗以荻為實驗材料、La(NO3)3(10mg/L)作為調(diào)節(jié)因子，研究鑭對不同濃度銅、鎘單一脅迫下荻幼苗生長及抗氧化酶活性的影響以及對Cu2+、Cd2+在荻體內(nèi)的富集特征進行研究比較，為稀土元素在重金屬污染方面的研究以及荻修復(fù)重金屬污染土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 幼苗的培養(yǎng)

供試驗植物荻種子于2017年12月18日采自蕪湖市近郊，采集荻穗，經(jīng)自然風(fēng)干后，剝離并挑選籽粒飽滿的種子。沙子于2018年3月22日采自安徽師范大學(xué)赭山校區(qū)操場沙坡，過2mm孔徑篩，用自來水沖洗干凈后，再用蒸餾水沖洗3次，放入恒溫箱110℃殺菌消毒3h后，放入塑料盆中備用。將荻種子用75%酒精消毒殺菌60s，用蒸餾水沖洗干凈，靜置風(fēng)干一夜。將處理過的種子整齊放入沙盆中，加水濕潤，放入30℃氣候箱中催芽。待荻種子出芽后，改澆改良的Hangland營養(yǎng)液。

1.2 幼苗處理

將沙培60d后的荻幼苗分別移入高13.5cm，底部直徑13cm，杯口直徑17cm的塑料杯中，加改良的Hoagland營養(yǎng)液分組穩(wěn)苗10d，穩(wěn)苗結(jié)束后對分組的幼苗進行處理(表1)。處理后的營養(yǎng)液中不再施加NH4H2PO4，改為每天日照結(jié)束后向葉面噴灑，目的是為了防止和La(NO)3、CdCl2形成沉淀。按照處理分為10組，每組15杯平行，每杯十株長勢基本相同的荻幼苗，每杯一次性加入1L營養(yǎng)液，試驗在自然光照下進行。

表1 幼苗處理

荻培養(yǎng)階段于2018年3月24號開始，2018年6月2號結(jié)束，實驗地點在安徽師范大學(xué)生態(tài)學(xué)實驗室。前期培養(yǎng)(3月24日—5月23日)采用人工氣候箱培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為日間14h，28℃，80%光照強度，夜間10h，22℃，無光，每天添加1次營養(yǎng)液；后期穩(wěn)苗(5月23日—6月2日)采用室內(nèi)自然方式培養(yǎng)。2018年6月2日開始取樣。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)活性的測定 稱取各株相同位置荻葉片0.5g，分次加入5ml預(yù)冷的50mmol/L pH=7.8的磷酸緩沖液在冰浴中研磨成勻漿，在冷凍離心機中于4℃下15000r/min離心15min，取部分上清液經(jīng)適當(dāng)稀釋后用于酶活性測定。SOD活性測定采用NBT光化還原法，以抑制NBT光化還原50%的酶量為一個酶活力單位[13]；POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法，以每分鐘吸光度值變化(升高)0.01為1個酶活性單位(U)[14]；CAT活性測定使用紫外吸收法，以每分鐘A值減少0.01為一個酶活性單位(U)[15]。

1.3.2 葉綠素含量和丙二醛(MDA)含量的測定 葉綠素含量采用浸提法，稱取0.2g葉片放入乙醇丙酮混合液(乙醇∶丙酮=1∶1)10ml中，放置于避光處，40h后葉片完全變白，取浸提液用紫外分光光度計測定[16]；丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸(TBA)顯色法[17]。

1.3.3 生長指標(biāo)及銅、鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定 用直尺測量荻幼苗的株高、根長，用分析天平稱量荻幼苗的整株重量，記為鮮重。將荻幼苗的根部、地上部分開，分別放到干燥箱中100℃殺青30min、80℃烘干至恒重。然后將根部、地上部的樣品分別消化，送至校外專業(yè)機構(gòu)檢測其中銅、鎘和鑭的含量。

在第0、9d，測量荻幼苗的生長指標(biāo)；在第0、3、6、9d，測定荻幼苗的SOD、POD和CAT活性、MDA含量、葉綠素含量；在第9d采樣測定荻幼苗體內(nèi)的銅、鎘和鑭含量。為遵循重復(fù)性原則，每一指標(biāo)測定3次。

1.3.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析 實驗數(shù)據(jù)的處理和分析采用SPSS 21.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗生長特征的影響

植株的根長、株高以及單株重量可以直觀地表現(xiàn)出植株的生長情況，La組與CK組相比，荻幼苗的株高、根長和鮮重均有提高，說明稀土元素鑭對荻幼苗生長有一定的促進作用。由表2可知，在不同銅濃度脅迫下，鑭提高了25mg/L銅濃度脅迫下荻幼苗的株高、根長和鮮重，降低了100mg/L銅濃度脅迫下荻幼苗的株高和根長(P>0.05)。在不同鎘濃度脅迫下，鑭顯著提高了5mg/L鎘濃度脅迫下荻幼苗的根長(P<0.05)，降低了20mg/L鎘濃度脅迫下荻幼苗的株高和根長，植株鮮重有所升高(P>0.05)。說明銅、鎘濃度低時，鑭對荻幼苗生長有一定的促進作用，但隨著銅、鎘脅迫強度的加強，鑭與銅、鎘發(fā)生了協(xié)同作用，加深了對荻幼苗生長的脅迫影響。

表2 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗生長特征的影響

2.2 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗葉綠素含量的影響

由表3可知，第3天時，Cu2La，Cd1La，Cd2La組的葉綠素a/b高于Cu2，Cd1，Cd2組，但無顯著性差異(P>0.05)，各組的葉綠素總量無顯著性差異(P>0.05)。第6天時，La組的葉綠素a/b顯著高于CK組(P<0.05)，是CK的1.45倍；Cu2La組和Cd2La組的葉綠素總量分別高于Cu2組和Cd2組(P>0.05)，La組低于CK組(P>0.05)。第9天時，Cu1La組和Cd1La組的葉綠素總量分別顯著高于Cu1組和Cd1組(P<0.05)，分別是無鑭組的1.91倍和2.03倍。我們可以通過葉綠素總量與葉綠素a/b的數(shù)值衡量植物在逆境下受到的傷害大小，一般來說，植物的葉綠素總量越大，葉綠素a/b數(shù)值越高，其生長情況也就越好?？梢钥闯?，隨著時間的延長，鑭可以緩解低濃度銅、鎘重金屬對荻幼苗的傷害，促進葉綠素的積累與幼苗生長。

表3 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻葉片葉綠素a/b及葉綠素總量的影響

2.3 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗SOD活性的影響

由表4可知，第3天時，Cd1組與Cd1La組有顯著性差異(P<0.05)，Cd1La組是Cd1組的1.67倍。第9天時，Cu1、Cd2組低于Cu1La、Cd2La組，Cu2、Cd1組高于Cu2La、Cd1La，但差異不顯著(P>0.05)；Cu1La組顯著高于其他組(P<0.05)。說明在鎘脅迫下，初期鑭有提高SOD活性的潛力，但與Cd濃度和時間有關(guān)，隨著鎘脅迫強度的增強，鑭可能與鎘發(fā)生了協(xié)同作用。而在銅脅迫下時，鑭也有提高銅脅迫下荻幼苗SOD活性的能力，與Cu濃度有關(guān)，低濃度的銅脅迫下效果更為顯著。La組相對于CK組，SOD活性隨時間先升高后降低。說明鑭有著提高荻植株SOD活性的能力，但是這與時間長短有關(guān)。

表4 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗SOD活性的影響

2.4 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗POD活性的影響

由表5可知，Cd處理組中第6天和第9天時加鑭組均高于無鑭組，且第9天時Cd2La組顯著高于Cd2組(P<0.05)，是其2.37倍。Cu處理組中加鑭組也均高于無鑭組，但差異不顯著(P>0.05)。說明在Cu、Cd分別脅迫下，鑭有提高荻幼苗POD活性的能力，且可以顯著減輕高濃度鎘對荻幼苗的危害，提高了荻幼苗POD活性。

表5 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗POD活性的影響

2.5 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗CAT活性的影響

由表6可知，第3天時，除La組外其他實驗組的CAT活性均低于CK組，但差異性不顯著(P>0.05)。第6天時，La組和CK組數(shù)值接近，Cu2、Cd1、Cd2、Cu1La、Cu2La、Cd1La、Cd2La組均顯著低于CK組(P<0.05)，分別為CK組的31.41%、32.76%、26.35%、22.44%、15.96%、9.68%、36.28%。第9天時，實驗組均顯著低于CK組(P<0.05)。說明鑭有提高CAT活性的能力，但與時間有關(guān)，隨著時間的增長，鑭可能與銅和鎘發(fā)生協(xié)同作用降低了CAT活性。

表6 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗CAT活性的影響

2.6 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗MDA含量的影響

由表7可知，第3天時La組顯著高于CK組(P<0.05)，是其1.97倍。第6天時，Cu1、Cd1組低于Cu1La、Cd1La組，Cu2、Cd2組高于Cu2La、Cd2La組，但無顯著性差異(P>0.05)。第9天時，Cd2La組顯著低于Cd2組(P<0.05)，且Cd1La組顯著高于Cd1組(P<0.05)，說明鑭在Cd(20mg/L)脅迫下具有保護作用，在Cd(5mg/L)脅迫下可能是因為荻本身對低濃度鎘具有抗性，而鑭的添加使得質(zhì)膜透性更大，導(dǎo)致MDA含量升高。Cu處理組均與CK組無顯著性差異。

表7 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗MDA含量的影響

2.7 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗體內(nèi)銅、鎘分布和富集的影響

由表8可知，第9天時，Cu1La組地上部Cu濃度低于Cu1組，但差異不顯著(P>0.05)，而Cu2La組地上部Cu濃度顯著高于Cu2組(P<0.05)，是其1.43倍。Cu1組根部Cu濃度高于Cu1La組，Cu2組低于Cu2La組，但無明顯差異(P>0.05)。Cd2La組地上部La濃度顯著高于La組(P<0.05)。Cd1La組地上部Cd濃度高于Cd1組(P<0.05)，Cd2La組地上部Cd濃度顯著高于Cd2組(P<0.05)。加鑭的鎘處理組根部Cd濃度均低于無鑭的鎘處理組，但無顯著性差異(P>0.05)。轉(zhuǎn)運系數(shù)是指植物地上部中的重金屬含量與地下部中的金屬含量的比值，Cd1La組和Cd2La組鑭的轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于Cu1La組、Cu2La組和La組，但無顯著性差異(P>0.05)。Cd1La組和Cd2La組銅轉(zhuǎn)運系數(shù)均大于1，且與CK組有顯著性差異(P<0.05)，說明鎘和鑭的添加促進了荻地上部對銅的富集。Cd1La組中鎘的轉(zhuǎn)運系數(shù)顯著大于Cd1組(P<0.05)，說明鑭的添加提高荻植株地上部對鎘的富集，且與鎘脅迫的濃度有關(guān)，在鎘濃度為5mg/L時效果顯著(P<0.05)，但是本實驗為水培，具體機制有待于后期進一步的研究。

表8 鑭對銅、鎘單一脅迫下荻幼苗中鑭、銅和鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)及轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

3 結(jié)論和討論

株高、根長是植物重要的生長指標(biāo)，葉綠素總量、葉綠素a/b是植物重要的生理指標(biāo)。劉建新等人研究表明低濃度硝酸鑭(10～50mg/L)能夠提高黑麥草種子的活力，促進幼苗的生長[18]；克嘉文等人研究表明低濃度La3+處理對大豆幼苗的生長和光合作用有明顯的促進作用[19]。不同濃度的Cu、Cd脅迫會使植物葉綠素含量減少，同時抑制根的生長，對植物生長產(chǎn)生脅迫。本研究中，葉綠素總量在第9天時與La濃度間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.762，說明鑭提高了荻幼苗葉綠素總量，其原因可能是因為鑭的加入促進了荻幼苗對氮和磷的吸收，從而誘發(fā)了葉綠素前體化合物的大量合成，同時也可能作為相關(guān)酶的活化劑增加了葉綠素的合成[20]。荻幼苗的鮮重和Cd濃度間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，說明隨著Cd濃度的上升，荻幼苗生長狀況變差，其原因可能是因為鎘不是植物所必需的的微量元素，所以相對于銅來說，鎘對荻幼苗的脅迫更加嚴(yán)重。由此可見10 mg/L的La3+的加入可以提高荻幼苗的葉綠素總量，鑭可能誘發(fā)了葉綠素前體化合物的大量合成，參與了提高植物體內(nèi)葉綠素的生理生化反應(yīng)，加強了荻幼苗的光合作用，提高了荻幼苗的生存能力。

實驗結(jié)果表明，銅和鎘在荻幼苗內(nèi)的富集情況為：根部>地上部。銅處理的濃度越大，在植物體內(nèi)富集越多，荻幼苗地上部和根部的銅含量與銅濃度間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.737和0.994，且荻根部銅含量(y)與銅處理濃度(x)間存在線性關(guān)系，線性方程為：y=0.772x-7.435,R2=1,(P<0.01)，說明荻幼苗體內(nèi)銅含量與銅處理濃度密切相關(guān)。同一銅處理濃度下，Cu2La組地上部的銅含量顯著高于Cu2組(P<0.05)，可能是因為銅本身是植物體內(nèi)多種抗氧化酶的重要組成部分[27]，鑭的加入提高了荻體內(nèi)抗氧化酶的數(shù)量，從而提高了荻體內(nèi)的銅含量。荻幼苗根部的鎘含量也和鎘處理濃度有著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.987，且荻根部鎘含量(y)與鎘處理濃度(x)間存在線性關(guān)系，線性方程為：y=0.872x+0.439,R2=0.998,(P<0.05)。荻幼苗地上部La含量與鎘處理濃度有著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.922；而根部La含量與銅處理濃度有著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.979?？赡苁氰|與鎘和鑭與銅之間在荻體內(nèi)啟動了某種防御機制，促進了荻地上部對鎘和鑭的吸收以及根部對銅和鑭的吸收。說明鑭在一定程度上可以緩解銅和鎘對荻幼苗生長的脅迫，提高荻體內(nèi)抗氧化酶的活性，而另一方面又可以提高荻地上部和根部對銅、鎘重金屬產(chǎn)生特異性的富集。鑭的加入促進了荻幼苗根部對銅的富集，加強了荻根部對鑭和銅的吸收，鑭加強了荻幼苗體內(nèi)的鎘從根部對地上部的轉(zhuǎn)運能力，提高了荻幼苗地上部富集鎘的能力，稀土元素鑭提高了荻幼苗對重金屬銅、鎘的吸收富集能力。因此認(rèn)為，鑭在荻治理銅、鎘重金屬污染土壤方面具有一定的應(yīng)用潛力和前景。