鎘脅迫對雙腺藤幼苗生長及生理特性的影響*

肖雪，李宗艷，馬長樂，于達勇

(云南省功能性花卉資源及產業(yè)化技術工程研究中心，西南林業(yè)大學 園林園藝學院，云南 昆明 650224)

近年來，隨著礦產開發(fā)、工業(yè)污染、交通排放以及農業(yè)生產等活動的持續(xù)進行，我國土壤重金屬污染愈加嚴重[1-2]。據統(tǒng)計，我國土壤重金屬污染區(qū)域主要分布在中國的中部、南部和西南部等地區(qū)，其中鎘污染率最高[3]。重金屬鎘毒性強，易擴散，難降解，對人類和生態(tài)系統(tǒng)健康具有極大威脅[4]。近年來，媒體曝光了許多“鎘麥”“鎘米”事件，反映了我國重金屬污染的嚴重性[5]。如何有效防止土壤環(huán)境重金屬污染，如何修復土壤尤其是耕地土壤重金屬污染以保障糧食作物安全生產，已成為當前土壤及環(huán)境領域的研究熱點和難點。由于土壤中的重金屬易被植物吸收與積累，因此，植物修復可為傳統(tǒng)的物理或化學修復技術提供經濟有效和可持續(xù)的替代方案[6]，而將園林植物栽植于重金屬污染地區(qū)，將會起到景觀美化和土壤修復的雙重作用。

雙腺藤(Mandevillasanderi)為夾竹桃科(Apocynaceae)雙腺藤屬(MandevillaLindl.)多年生常綠藤本植物，原產美洲熱帶，有著“熱帶藤本皇后”的美稱。該植物花大色艷、花葉繁盛、喜光耐熱、對土壤的適應性強，在豎向立面景觀及園林工程地栽中表現優(yōu)秀，其蔓生性不強，亦適合室內盆栽，具有較高的觀賞價值[7-9]。目前，對雙腺藤的研究主要集中在栽培[10-12]、組培[13-15]、以及病害[16]等方面，重金屬脅迫下雙腺藤的適應性及耐受機制未見報道。本試驗通過對雙腺藤幼苗進行不同濃度(0、5、20、50、100、200 mg/kg)鎘處理，研究雙腺藤在鎘脅迫下的一系列生長變化以及生理響應，為進一步了解植物對鎘脅迫的生長生理響應機制提供理論依據，也為鎘污染地區(qū)選擇新型園林觀花植物提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為2020年7月中旬從上海怡源公司購買的長勢一致、苗齡約1個月的雙腺藤扦插苗，共100盆。換盆于帶有托盤的圓形塑料花盆(15 cm×12 cm)中，每盆500 g風干基質，1盆栽植1株，于西南林業(yè)大學樹木園大棚中進行統(tǒng)一的養(yǎng)分和水分管理，保持其正常的生長發(fā)育和水分代謝。供試基質由腐殖土、自然土與珍珠巖按照4∶1∶1(體積比)的比例配成，pH值為5.6，鎘背景值是0.53 mg/kg。

1.2 試驗設計

在統(tǒng)一的養(yǎng)分和水分管理下培養(yǎng)30 d后，選擇長勢良好且表型一致的植株，開展土壤鎘脅迫試驗。試驗采用盆栽方式，設置5個不同濃度鎘處理：Cd1(5 mg/kg)、Cd2(20 mg/kg)、Cd3(50 mg/kg)、Cd4(100 mg/kg )、Cd5(200 mg/kg)。將CdCl2·2.5H2O水溶液均勻澆灌在需要處理的盆土中，對照(CK)澆灌同體積的清水，每個處理12盆，共72盆。試驗期間的澆水以見干見濕為準則，并進行正常的田間管理。鎘脅迫處理2個月后進行各項指標的測定，每個處理重復3次。

1.3 測定方法

1.3.1 生長指標測定

采集雙腺藤完整植株，用卷尺(精確到0.1 cm)和游標卡尺(精確到0.01 cm)分別測量株高、基徑、根長，并計算單株總葉片數和分枝數；將雙腺藤植株洗凈擦干，用剪刀將其剪成根、莖、葉3部分，分別放入105 ℃烘箱殺青30 min，再將烘箱調至70 ℃烘干至質量不變，取出后準確稱量植株的各部分生物量。

1.3.2 生理指標測定

采用浸泡法測定葉片相對電導率，將用蒸餾水洗凈并擦干的葉片剪成大約1 cm長的長條，快速稱取鮮樣3份，每份0.1 g，分別置于10 mL蒸餾水的試管中，室溫下浸泡12 h，用電導儀測定電導率[17]；采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定丙二醛(MDA)含量，用紫外分光光度計于450、532、600 nm處測定吸光值；可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍染色法測定，5 mL考馬斯亮藍G-520加入酶提取液1 mL，混勻后放置5 min，在595 nm下比色；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定，吸取上層脯氨酸紅色甲苯溶液用紫外分光光度計于520 nm波長處測定吸光值[18]。

稱取0.2 g待測葉片于5 mL的0.05 mol/L磷酸緩沖液(pH=7.8，內含1%的PVP和1 mmol/L的EDTA-Na2)和少量石英砂中冰浴研磨至勻漿，4 ℃下11 000 r/min離心30 min，最后定容至5 mL，上清液即為所需酶液。用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，紫外分光光度計法測過氧化氫酶(CAT)活性[19]。

1.4 數據處理

采用 Microsoft Excel 2010 統(tǒng)計處理數據、計算平均值和標準差；結合SPSS 22.0軟件對各指標進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并用Duncan法進行多重比較，顯著性水平α=0.05。使用Origin 2018軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 不同濃度鎘處理對雙腺藤幼苗生長特性的影響

如表1所示，隨Cd2+濃度增加，雙腺藤幼苗葉片數、分枝數、株高均呈現先增加后降低的趨勢，其中：3個指標的值在Cd1處理中均最大，比CK分別增加了0.6%、5.6%、2.1%，但差異均不顯著，而在其他處理中它們的值均低于CK，且在Cd4、Cd5處理中它們的值與CK差異均達顯著水平(P<0.05)；葉片數和分枝數在Cd4、Cd5處理中分別比CK降低了10.7% 、28.3%和27.8%、44.4%(P<0.05)，而在Cd2、Cd3處理中則均與CK差異不顯著；株高在Cd2處理中與CK差異不顯著，而在Cd3、Cd4、Cd5處理中比CK分別降低了8.1%、10.5%、12%，差異顯著(P<0.05)。隨Cd2+濃度增加，雙腺藤的基徑逐漸降低(表1)，Cd1、Cd2的基徑與CK差異不顯著，Cd3、Cd4、Cd5的基徑分別比CK顯著降低12.2%、12.5%、14.6%(P<0.05)。隨Cd2+濃度增加，雙腺藤的根長呈現出先增后降再增再降的變化規(guī)律(表1)，Cd1比CK高 1.8%，差異不顯著，而其他處理的根長均低于CK，其中：Cd3、Cd5的根長分別比CK顯著降低了12%、15.1%(P<0.05)，Cd2、Cd4的根長均與CK差異不顯著。

表1 不同濃度Cd2+處理對雙腺藤幼苗生長指標的影響Tab.1 Effects of different concentrations of Cd2+ treatments on the growth indices of M.sanderi seedlings

2.2 不同濃度鎘處理對雙腺藤幼苗生物量的影響

由圖1可知，隨著土壤Cd2+濃度的遞增，雙腺藤根生物量呈現先增后降的變化規(guī)律，莖生物量逐漸遞減，而葉、總生物量呈波浪形遞減趨勢。除莖生物量外，各生物量均在Cd1時達到峰值，但與CK相比均不顯著，其他Cd2+濃度處理下的各生物量均比對照低。Cd2時，根、莖、葉、總生物量與CK相比，均未顯著減少。Cd3濃度下的莖生物量比CK顯著下降了16.3%(P<0.05)，其余生物量與CK相比不顯著。Cd4下的根、莖、總生物量均比對照顯著下降，但葉生物量的減少與對照相比不顯著。雙腺藤的各生物量在Cd5時均顯著低于對照，比CK降低了41.4%、39.5%、23.5%、29.1%(P<0.05)。不同濃度鎘脅迫下，雙腺藤的總生物量排列為Cd1>CK>Cd3>Cd2>Cd4>Cd5。

圖1 不同濃度Cd2+處理對雙腺藤幼苗根、莖、葉及總生物量的影響

2.3 不同濃度鎘處理對雙腺藤幼苗葉片膜脂過氧化及滲透調節(jié)物質的影響

從圖2可知，不同濃度的Cd2+處理下，雙腺藤的丙二醛含量均高于CK，Cd2+濃度越高，丙二醛含量越高。Cd1比CK增加2.7%，但差異不顯著，Cd2、Cd3、Cd4與CK相比呈顯著差異(P<0.05)，分別增加了40.8%、50.1%、54.7%，Cd5的丙二醛含量最高，比CK增加了1倍多，差異顯著。

圖2 不同濃度Cd2+處理對雙腺藤幼苗葉片膜脂過氧化及滲透調節(jié)物質的影響Fig.2 Effects of different concentrations of Cd2+ treatments on membrane lipid peroxidation and osmotic regulatory substances in leaves of M.sanderi seedlings

隨著Cd2+濃度增加，雙腺藤幼苗葉片的相對電導率也隨之增大(圖2)。當Cd2+濃度較低時，例如Cd1，其相對電導率與CK相比差異不顯著，但是當Cd2+濃度大于等于Cd2時，雙腺藤的相對電導率相較于CK而言，差異均顯著(P<0.05)，Cd5的相對電導率最大，比對照增加了68.2%。

雙腺藤幼苗葉片可溶性蛋白含量隨Cd2+脅迫濃度增加呈現先降低后升高再降低的趨勢，而脯氨酸含量則隨Cd2+脅迫濃度增加呈現先降低后升高的趨勢(圖2)。Cd1處理下的可溶性蛋白含量與脯氨酸含量均比對照低，但其脯氨酸含量與對照相比差異顯著，降低了28.4%(P<0.05)，而其可溶性蛋白含量相較對照差異不顯著。雙腺藤幼苗葉片可溶性蛋白含量與脯氨酸含量分別在Cd4、Cd5時達到最大，分別為CK的1.9倍和3.2倍。

2.4 不同濃度鎘處理對雙腺藤幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由圖3可見，隨著Cd2+脅迫的增加，雙腺藤幼苗葉片中的SOD、POD、CAT活性總體表現為先增后降的趨勢，但各自變化趨勢又有所不同。其中：葉片SOD活性在Cd1處理時達到最大值，相比于CK差異不顯著，只增加了0.8%，之后，隨Cd2+濃度增加，Cd2～Cd5處理的SOD活性逐漸下降，且均顯著低于CK(P<0.05)，尤其在Cd4和Cd5時較對照分別下降了近1/3和1/2；POD活性在Cd4時達到峰值，比CK顯著高3.4倍(P<0.05)，除Cd1的POD活性不顯著高于CK外，其他濃度的處理均顯著高于CK；Cd3、Cd4、Cd5的CAT活性均比CK顯著增加，其中Cd4的CAT活性最高，比CK增加了約1.4倍(P<0.05)，Cd1、Cd2的CAT活性也比CK高，但差異不顯著。

圖3 不同濃度Cd2+處理對雙腺藤幼苗SOD、POD、CAT活性的影響Fig.3 Effects of different concentrations of Cd2+ treatments on SOD,POD and CAT activity of M.sanderi seedlings

3 討論與結論

鎘脅迫通常會使植物的生長量、生物量以及膜脂過氧化和抗氧化酶系統(tǒng)受到影響。植株的生長指標和生物量等是較易觀察的指標。研究表明，鎘脅迫對某些植物具有“低促高抑”的現象[20-21]。本試驗中，在低濃度(5 mg/kg)Cd2+脅迫下，雙腺藤幼苗未受到明顯影響，株高、根長、葉片數、分枝數和生物量相較對照略有增加，在高濃度(≥100 mg/kg)Cd2+脅迫下，雙腺藤幼苗各生物量和生長指標都顯著下降，說明低濃度Cd2+能促進雙腺藤生長，而高濃度的Cd2+則對雙腺藤的生長和生物量累積有抑制作用。吳朝波等[22]的研究中，海雀稗(Paspalumvaginatum)的耐性指數、生物量、根冠比在低濃度鎘脅迫下與對照無明顯差異，且鎘濃度為1 mg/kg時地下部生物量較對照增加5.3%，高濃度鎘脅迫下海雀稗生物量顯著下降，這與本研究結果一致。劉柿良等[23]也通過研究發(fā)現，較高濃度鎘處理(≥25 mg/kg)明顯抑制了長春花(Catharanthusroseus)的生長，而較低濃度鎘(≤10 mg/kg)下葉較長、葉寬較大、葉數較多。這幾種植物都顯示了對鎘脅迫具有“低促高抑”的現象，但不同植物之間對相同濃度鎘的響應又存在差異，這說明不同植物對同一濃度鎘的耐受性不同，對鎘脅迫的抗性也不同。本研究表明，雙腺藤對低濃度鎘污染具有較強的耐性。

植物受到脅迫時，細胞會產生大量的自由基，最終自由基的積累將加劇膜脂過氧化作用，而丙二醛就是膜脂過氧化最重要的產物之一，MDA含量的高低反映了膜脂過氧化的程度，間接反映膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性強弱。楊塍希等[24]發(fā)現，隨著Cd2+濃度的升高，火炬樹(Rhustyphina)幼苗葉片中MDA含量呈逐漸上升趨勢，其結果與本研究一致：隨著Cd2+濃度增加，雙腺藤葉片中MDA含量逐漸升高，顯示著Cd2+脅迫對雙腺藤植物膜系統(tǒng)有一定的損壞。逆境脅迫下植物葉片細胞的膜系統(tǒng)受到傷害后會導致細胞膜透性增大，內容物外滲，電解質含量增加，進而導致相對電導率增大[18]。賈茵等[25]的研究指出，小報春(Primulaforbesii)的相對電導率總體上隨著鎘濃度的增加不斷增大，在低濃度(5 mg/kg)的鎘處理下其相對電導率比對照略低，但差異不顯著，此結果與本研究基本一致。雙腺藤的相對電導率隨著鎘濃度的增加顯示出不斷增大的趨勢，雖然在低濃度(5 mg/kg)的鎘處理下相對電導率比對照略高，但差異亦是不顯著，可能是低濃度的鎘雖然對植物影響不大，但也可能會對植物體造成短時間的代謝紊亂。

植物在重金屬脅迫下，可溶性蛋白含量增加，細胞滲透勢增大，同時與重金屬離子形成重金屬結合蛋白，從而減輕對植物的毒害，增強植物抗性[26]。在逆境脅迫下，植物體內的游離脯氨酸含量會增加，脯氨酸是一種細胞質滲透調節(jié)物質，能夠穩(wěn)定生物大分子結構，游離脯氨酸積累可防止植物細胞結構和功能受損傷，使其傷害程度降低，此外，游離脯氨酸還可以清除植物體內的活性氧自由基[27]。張家洋等[28]研究報道，在兩葉一心期，小麥(Ttiticumaestivum)和稗草(Beckmanniasyzigachne)游離脯氨酸含量均隨處理濃度的增加而增加。程守夢等[29]的研究中，洋常春藤(Hederahelix)的可溶性蛋白隨著鎘濃度的增加不斷增加。本試驗中，可溶性蛋白、脯氨酸含量在低Cd2+處理下增加不明顯，在高Cd2+脅迫下脯氨酸含量顯著升高，而可溶性蛋白含量先增加，最后在Cd2+濃度為200 mg/kg脅迫下降低了。說明低Cd2+脅迫對雙腺藤葉片影響不大，而高Cd2+脅迫則引起植物體內的可溶性蛋白、游離脯氨酸等滲透調節(jié)物質積極響應，增大細胞的滲透勢，從而增強植物對鎘的抗性。

在逆境條件下，植物細胞內將產生大量的自由基，體內的自由基平衡被破壞。植物體內的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)以及過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶在參與活性氧代謝中扮演著重要的角色，由SOD催化分解自由基轉化成為的H2O2被POD和CAT快速清除，以此來維持植物體內自由基的平衡[27]。在本研究中，雙腺藤幼苗葉片中的SOD、POD、CAT活性隨土壤中鎘含量的增加總體上呈先升后降的變化規(guī)律，但各個酶的具體變化又不盡相同。雙腺藤葉片中SOD活性最大值出現在鎘濃度為5 mg/kg時，此時SOD 通過分解超氧自由基獲得了大量H2O2，在此之后，為了減輕毒害，雙腺藤植株體內的POD和CAT活性被激活；但是當鎘濃度增大到一定值時，由于酶合成中斷以及大量的超氧自由基積累導致酶亞基壓力聚集變化，從而導致SOD、POD、CAT活性受到抑制，雙腺藤的正常生理代謝受到影響。本試驗中的SOD、CAT活性變化與賈茵等[25]的研究結果基本一致，但POD活性變化有所不同，表明不同植物對鎘脅迫有不同的耐性以及不同的抗氧化酶響應機制。

在本試驗中，不同濃度Cd2+脅迫下，雙腺藤幼苗的生長及生理指標均受到不同程度影響，各項指標隨Cd2+濃度的升高總體上呈先升高后降低的趨勢。在低中濃度Cd2+脅迫下雙腺藤幼苗表現出一定的適應性，低濃度(5 mg/kg)Cd2+脅迫對其生長甚至會有輕微促進作用，使其總生物量升高，而高濃度Cd2+脅迫下，雙腺藤幼苗的葉片數、分枝數、株高、基徑、根長以及生物量均會出現不同程度的減少。這表明植物在不同濃度的Cd2+脅迫環(huán)境下會做出相應的生長及生理響應，以維持其生存。隨Cd2+脅迫濃度增加，雙腺藤幼苗葉片的相對電導率以及丙二醛、可溶性蛋白質、脯氨酸含量持續(xù)增加，抗氧化酶活性呈先升高后下降的變化趨勢。綜上所述，苗齡2個月左右的雙腺藤受到≤200 mg/kg的土壤鎘污染后均能保持生存狀態(tài)，表明雙腺藤幼苗具有一定的耐鎘能力，能夠通過調節(jié)體內的滲透調節(jié)物質以及抗氧化酶活性等來抵抗土壤中的鎘脅迫，在土壤鎘污染修復中具有一定的應用潛力，可作為一種新型園林觀花植物應用于土壤鎘污染地區(qū)的園林綠化中。