木槿品種對鎘脅迫的生理響應(yīng)及耐鎘能力評價

楊馥榕 王曉紅 肖琪 方娟 李立華

（中南林業(yè)科技大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，長沙 410004）

2014年《全國土壤污染狀況調(diào)查公報》顯示，西南、中南地區(qū)土壤中重金屬含量超標(biāo)嚴(yán)重，其中鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率最高，為7.0%［1］。隨著鎘污染的日益嚴(yán)峻［2］，土壤中超標(biāo)的重金屬鎘會造成植株長勢不佳甚至死亡，進(jìn)而對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。鎘具有高毒性與高遷移性，被植物吸收后可以通過食物鏈直接或間接進(jìn)入人體，威脅人的身體健康［3］，如水稻（Oryza sativa）［4］。土壤改良技術(shù)中種植耐鎘能力強(qiáng)或鎘富集能力強(qiáng)的植物性價比最高，既改良土壤又美化環(huán)境。對于城市綠地而言，美化環(huán)境更為重要，種植耐鎘能力強(qiáng)的植物更具有實(shí)用性。早在上個世紀(jì)，Prasann等［5］便發(fā)現(xiàn)光葉子花（Bougainvillea glabra）、紅椿（Toona ciliata Roem）、使君子（Quisqualis indica）等植物有清除土壤、淤泥中重金屬的作用，是很好的重金屬富集植物，還能夠有效地凈化土壤。許艷萍等［6］對大麻（Cannabis sativa）進(jìn)行了鎘脅迫實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)它不僅具有高鎘耐受能力，還具有高鎘富集能力，是很好的土壤凈化植物，白樺（Betula platyphylla Suk）［7］、火炬樹（Rhus Typhina Nutt）［8］等植物也有類似的報道，另外還發(fā)現(xiàn)同種植物不同品種的耐鎘能力差異較大［9］。

木槿（Hibiscus syriacus L.）為錦葵科木槿屬落葉灌木，在我國分布廣泛，因其花色豐富、花期漫長，一直是優(yōu)良的夏季觀花植物，鄉(xiāng)村、城市均適宜種植，應(yīng)用前景廣闊。以往研究發(fā)現(xiàn)，木槿能在一定程度上抵御鹽堿［10］、鋁［11］的脅迫，而且不同品種對干旱［12］、低溫［13］等惡劣環(huán)境的耐受性有差異。王小雪［14］、鄧勇［15］先后對木槿同屬植物海濱木槿（Hibiscus hamabo）、紅麻（Hibiscus cannabinus）進(jìn)行鎘脅迫研究，發(fā)現(xiàn)它們具有較強(qiáng)的耐鎘能力，推測木槿可能也具有較強(qiáng)的耐鎘能力。目前關(guān)于木槿耐鎘能力的研究比較薄弱，國內(nèi)文獻(xiàn)鮮見報道，故而對不同木槿品種進(jìn)行鎘脅迫研究具有重要意義。為此，選擇觀賞價值較高、湖南生長良好、抗逆性普遍較強(qiáng)的3個木槿品種進(jìn)行鎘脅迫實(shí)驗(yàn)，品種分別為‘牡丹’（‘f. paeoniflorus’）、‘紅星’（‘Hong xing’）與‘白花重瓣’（‘f. albus-plenus’），通過對其生長、生理指標(biāo)的測定，探討并比較3個品種在不同時間、不同鎘濃度下的耐受能力，選出耐受能力最強(qiáng)的品種，為木槿在鎘污染地區(qū)的推廣與利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

以來自湖南省森林植物園的‘牡丹’、‘紅星’與‘白花重瓣’2年生扦插苗為實(shí)驗(yàn)材料，統(tǒng)一種植，每盆裝入800 g干土，栽苗1株，置于中南林業(yè)科技大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院樓頂，緩苗30 d，選取生長狀況良好、長勢一致的植株作為試驗(yàn)材料。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)于2020年6-9月進(jìn)行，將CdCl2·2.5H2O配成Cd2+含量為8 g/L的母液，于每天傍晚，每盆取5 mL母液進(jìn)行稀釋，均勻澆灌，澆灌結(jié)束的處理組，使用清水繼續(xù)澆灌，直至盆內(nèi)Cd2+濃度分別達(dá)到 0、50、100、200、400 mg/kg，以0 mg/kg處理組為對照（CK）。每個處理3株，重復(fù)3次。

處理0、60 d，利用游標(biāo)卡尺和量尺測定固定植株的株高、地徑。處理0、15、30、45、60 d時，于早上（8：00-9：00）每組隨機(jī)采摘位置、大小、數(shù)量一致的成熟葉片，清洗干凈后備用。測定時，葉綠素A+B含量利用丙酮浸泡法，可溶性蛋白含量利用考馬斯亮藍(lán) G-250染色法，游離脯氨酸含量利用茚三酮顯色法，SOD活性利用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法，丙二醛含量利用TBA 顯色法等方法進(jìn)行測定［16-17］。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析 利用EXCEL 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、Origin 2018軟件進(jìn)行繪圖，采用比較隸屬函數(shù)值得方法進(jìn)行耐Cd性評價。

公式中，X（u）為測定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，x、xmin、xmax分別表示該指標(biāo)的平均值、最小值和最大值。若該指標(biāo)與植物的耐鎘能力呈正相關(guān)則用隸屬函數(shù)值計算方式，反之則用反隸屬函數(shù)值計算方式。根據(jù)每個品種的各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值的平均值比較得出3個木槿品種的耐鎘能力排序。

2 結(jié)果

2.1 鎘脅迫對木槿品種生長特性的影響

處理60 d后隨脅迫濃度的升高，‘牡丹’的株高增長量逐漸下降，‘紅星’和‘白花重瓣’則先上升后下降；地徑增長量則完全相反，‘牡丹’先上升后下降，‘紅星’和‘白花重瓣’持續(xù)下降（表1）。‘牡丹’的株高增長量在200、400 mg/kg處理組的株高增長量與CK相比，分別顯著下降了78.5%、84.3%；‘紅星’400 mg/kg處理組的株高增長量與CK相比，顯著下降了62.6%；‘白花重瓣’變化不顯著；3個木槿品種的地徑增長量變化均不顯著。極高濃度（400 mg/kg）鎘脅迫對3個品種的生長均有抑制作用，其它濃度處理對株高、地徑增長量的影響有所不同，株高增長量的變化幅度更大。

表1 不同鎘濃度處理60 d后3個木槿品種生長指標(biāo)變化情況Table 1 Changes of growth indexes of three Hibiscus syriacus varieties treated with different cadmium concentrations for 60 d

2.2 鎘脅迫對木槿品種生理特性的影響

2.2.1 葉片葉綠素A+B含量變化影響 木槿葉片葉綠素A+B含量隨著脅迫濃度的升高逐漸下降或呈先上升后下降（圖1）。第45天，‘白花重瓣’200、400 mg/kg處理組的葉綠素A+B含量與CK相比分別顯著下降了14.5%、18.1%（圖1-C）。第60天，‘牡丹’50、100、200、400 mg/kg處理組的葉綠素A+B含量比CK相比分別顯著下降了20.5%、67.5%、75.6%、75.3%（ 圖 1-A）；‘紅星’100、200、400 mg/kg處理組分別顯著下降了56.3%、66.7%、77.3%（圖1-B）；‘白花重瓣’100、200、400 mg/kg處理組分別顯著下降了36.8%、49.9%、57.0%（圖1-C）。低濃度（50 mg/kg）鎘脅迫使得葉綠素A+B含量有輕微升高；高濃度（200、400 mg/kg）鎘脅迫使得葉綠素A+B含量下降明顯，而且隨著時間延長，下降程度加??；3個品種中，‘牡丹’即使在低濃度處理下，葉綠素A+B含量依舊下降明顯，而‘白花重瓣’在高濃度處理下葉綠素A+B含量最先出現(xiàn)顯著下降。

圖1 鎘脅迫下3個木槿品種葉綠素A+B含量變化情況Fig. 1 Changes in chlorophyll A+B content of three H.syriacus varieties under cadmium stress

2.2.2 葉片可溶性蛋白含量變化情況 木槿葉片可溶性蛋白含量，在脅迫前期，隨著脅迫濃度的上升先上升后下降；在脅迫后期，隨著脅迫濃度的上升逐漸降低（圖2）?！档ぁ幚?0 d，400 mg/kg處理組與CK相比顯著下降了17.4%；處理45 d，200、400 mg/kg處理組與CK相比分別顯著下降了14.7%、17.8%；處 理 60 d，100、200、400 mg/kg處 理 組與CK相比分別顯著下降了21.5%、39.7%、46.4%（圖2-A）?！t星’處理45 d，400 mg/kg處理組與CK相比顯著下降了19.0%；處理60 d，100、200、400 mg/kg處理組與CK相比分別顯著下降了32.9%、42.4%、44.0%（圖2-B）?！谆ㄖ匕辍幚?5 d，400 mg/kg處理組與CK相比顯著下降了15.9%；處理60 d，100、200、400 mg/kg處理組與CK相比分別顯著下降了21.5%、22.2%、29.2%（圖2-C）?？梢钥闯?，高濃度鎘脅迫下，‘牡丹’的可溶性蛋白含量下降程度最為明顯。

圖2 鎘脅迫下3個木槿品種可溶性蛋白含量變化情況Fig. 2 Changes in soluble protein content of three H.syriacus varieties under cadmium stress

2.2.3 葉片游離脯氨酸含量變化情況 木槿葉片游離脯氨酸含量多隨著脅迫濃度的上升而升高，唯有‘牡丹’在處理60 d時，400 mg/kg處理組的游離脯氨酸含量出現(xiàn)急劇下降（圖3）?！档ぁ幚?0、45 d，400 mg/kg處理組與CK相比差異顯著，分別上升了149.3%、250.0%；處理60 d，50、100、200、400 mg/kg處理組與CK相比差異顯著，分別上升了71.0%、130.2%、118.3%、79.9%（圖3-A）?！t星’處理30 d，400 mg/kg處理組與CK相比差異顯著，上升了158.8%；處理45 d，100、200、400 mg/kg處理組與CK相比差異顯著，分別上升了65.0%、112.2%、165.4%；處理60 d，100、200、400 mg/kg處理組與CK相比差異顯著，分別上升了77.1%、151.9%、215.0%（圖3-B）?！谆ㄖ匕辍幚?5、30、45 d，400 mg/kg處理組與CK相比差異顯著，分別上升了90.7%、208.8%、149.5%；處理60 d，200、400 mg/kg處理組與CK相比差異顯著，分別上升了118.1%、155.5%（圖3-C）。據(jù)游離脯氨酸變化情況可知，與另外兩個品種相比，‘牡丹’的游離脯氨酸含量最先出現(xiàn)下降。

圖3 鎘脅迫下3個木槿品種游離脯氨酸含量變化情況Fig. 3 Changes of free proline content in three H. syriacus varieties under cadmium stress

2.2.4 葉片丙二醛含量變化情況 木槿葉片丙二醛含量與游離脯氨酸含量變化趨勢大致相似，但‘紅星’高濃度鎘脅迫處理組出現(xiàn)明顯下降（圖4）。‘紅星’處理60 d，400 mg/kg 處理組的丙二醛含量與CK相比差顯著下降了34.9%（圖4-B）；‘白花重瓣’處理15 d，200、400 mg/kg處理組與CK相比分別顯著上升57.4%、60.5%（圖4-C）。其中，高濃度鎘脅迫對‘白花重瓣’的丙二醛含量的影響最小，至脅迫后期仍未出現(xiàn)明顯下降。

圖4 鎘脅迫下3個木槿品種丙二醛含量變化情況Fig. 4 Changes of MDA content in three H. syriacus varieties under cadmium stress

2.2.5 葉片SOD活性變化情況 隨著脅迫濃度的上升，木槿的葉片SOD活性呈逐漸上升或先上升后下降趨勢。‘牡丹’處理15 d，100、200、400 mg/kg處理組的SOD活性與CK相比顯著上升17.8%、90.4%、108.9%；處理30 d，400 mg/kg處理組上升73.5%（圖5-A）?！t星’在400 mg/kg處理組下，處理30、60 d，SOD活性與CK相比分別下降了61.6%、43.7%（圖5-B）?！谆ㄖ匕辍?00 mg/kg處理組下處理60 d，SOD活性變化與CK相比顯著上升了70.9%（圖5-C）。低濃度鎘脅迫下，3個品種的SOD活性均有上升趨勢；極高濃度鎘脅迫下，‘紅星’、‘白花重瓣’的SOD活性明顯下降，而‘牡丹’的SOD活性仍保持上升。

圖5 鎘脅迫下3個木槿品種SOD活性變化情況Fig. 5 Changes of SOD activity in three H. syriacus varieties under cadmium stress

2.3 木槿品種耐Cd 能力綜合評價

植株健康程度受多種指標(biāo)影響，為避免評價的片面性，對多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)綜合評價，根據(jù)評價結(jié)果對3個木槿品種的耐鎘能力進(jìn)行排序（表2）。在50、100 mg/kg處理組，3個木槿品種耐鎘能力：‘紅星’＞‘白花重瓣’＞‘牡丹’；在200 mg/kg處理組，3個木槿品種耐鎘能力：‘紅星’＞‘牡丹’＞‘白花重瓣’；在400 mg/kg處理組，3個木槿品種耐鎘能力：‘白花重瓣’＞‘紅星’＞‘牡丹’。這說明不同品種對不同鎘濃度的耐受能力有所差別，其中‘紅星’在鎘濃度＜400 mg/kg處理組的耐受能力最強(qiáng)；‘白花重瓣’在400 mg/kg處理組的耐受能力最強(qiáng)。

表2 3個木槿品種耐鎘能力綜合評價Table 2 Comprehensive evaluation of Cd resistance of three H. syriacus varieties

3 討論

低濃度（50 mg/kg）鎘處理下，木槿的株高、地徑增長量較之CK有所上升，而葉綠素A+B含量、可溶性蛋白含量有短暫上升，但之后仍會出現(xiàn)下降。推測原因如下：第一，輕度脅迫下，植物產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致株高、地徑增長量與葉綠素A+B含量出現(xiàn)短暫上升；第二，輕度脅迫下，為調(diào)節(jié)體內(nèi)的滲透平衡、緩解鎘脅迫毒害，植株會產(chǎn)生鎘結(jié)合蛋白將鎘運(yùn)出細(xì)胞，使得蛋白質(zhì)含量上升；第三，隨著時間延長，植物體內(nèi)鎘不斷積累，脅迫程度加深，植株代謝受抑制。

當(dāng)土壤中鎘含量為100、200、400 mg/kg時，株高、地徑增長量、葉綠素含量以及可溶性蛋白含量下降程度隨時間延長逐漸加深。王佳星［18］、溫瑀［19］等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨脅迫濃度、脅迫時間的增加，脅迫程度逐漸加深，植物生長受抑制，出現(xiàn)矮小化、葉片黃化萎蔫。宋子文等［20］發(fā)現(xiàn)隨脅迫濃度增加，大青楊（Populus ussuriensis Kom.）的株高、地徑、葉綠素含量有顯著下降。植株遭受鎘毒害后，可能出現(xiàn)葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞、葉綠素合成相關(guān)酶活性降低、葉綠素分解相關(guān)酶活性提高，或者出現(xiàn)根系吸收的水分、營養(yǎng)物質(zhì)減少，這些均會導(dǎo)致葉綠素合成受阻、分解加快［21-22］，使得葉綠素含量降低。與此同時，可溶性蛋白的合成、水解相關(guān)酶可能也發(fā)生了類似變化，造成可溶性蛋白合成受阻、分解加?。?3］，從而導(dǎo)致可溶性蛋白含量的降低。孫初賽［24］、劉翰升［25］等的研究證明，鎘脅迫濃度對葉綠素、可溶性蛋白含量有低促高抑作用，且隨著脅迫時間的延長，促進(jìn)效果減弱、抑制效果加強(qiáng)［26-27］。

鎘脅迫往往伴隨著氧化脅迫，因此植物的抗氧化能力能一定程度反映其鎘耐能力［28］。本次研究發(fā)現(xiàn)，木槿的游離脯氨酸含量、丙二醛含量、SOD活性和脅迫濃度呈正相關(guān)，但長時間、高濃度脅迫下，其含量均會出現(xiàn)不同程度的下降。脅迫前期，可能是因?yàn)榛钚匝醯纳仙せ盍酥参锏难趸瘧?yīng)激機(jī)制，通過產(chǎn)生并積累大量的SOD與游離脯氨酸來抵御氧化脅迫，前者用于清除活性氧，后者可以調(diào)節(jié)滲透平衡、保護(hù)各種膜結(jié)構(gòu)和酶類物質(zhì)；以此同時，仍有部分膜結(jié)構(gòu)被活性氧破壞，使得丙二醛含量出現(xiàn)上升。脅迫后期，因植物抵御氧化脅迫的能力是有限的［29］，超出耐受限度后，隨著SOD活性的降低或游離脯氨酸含量的下降，膜脂過氧化加劇，丙二醛含量繼續(xù)上升，但當(dāng)植物體內(nèi)的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被大量破壞后，丙二醛含量也出現(xiàn)下降。這一結(jié)果證實(shí)了閆晶［30］、劉翰升等［31］的結(jié)論，但其中丙二醛含量的變化趨勢與馬月花等［32］關(guān)于黃芪（Astragalus propinquus Schischkin）的研究結(jié)果不符，這可能是因?yàn)橹参锊牧?、脅迫濃度與脅迫時間的不同造成的差異。

通過隸屬函數(shù)方法分析發(fā)現(xiàn)，不同品種對不同濃度的鎘耐受能力有差異。各濃度處理下，‘牡丹’耐受能力普遍偏低或最低；在50、100、200 mg/kg濃度處理下，‘紅星’的耐受能力均最強(qiáng)；在400 mg/kg處理下，‘白花重瓣’的耐受能力最強(qiáng)。

4 結(jié)論

鎘處理對木槿植株生長有低濃度促進(jìn)、高濃度抑制的作用，而且隨著脅迫時間的延長，促進(jìn)效果減弱，抑制效果加強(qiáng)。3個木槿品種的耐鎘能力因脅迫濃度有所差異，‘牡丹’的耐受能力最弱，但仍適宜長期種植在低濃度（50 mg/kg）鎘污染土壤中；‘紅星’的耐受性在中、高濃度（100、200 mg/kg）鎘污染土壤中高于‘白花重瓣’，在極高濃度（400 mg/kg）鎘污染土壤中低于‘白花重瓣’；3個木槿品種在鎘含量＞100 mg/kg時均不適宜長期種植。綜合判斷，在土壤鎘濃度≤50 mg/kg時，3個品種均值得推廣；在50 mg/kg＜土壤鎘濃度＜100 mg/kg時，‘紅星’更值得推廣；在土壤鎘濃度≥100 mg/kg時，3個品種的生長、生理受抑制嚴(yán)重，不適宜長期種植。