紅錐幼苗對鎘脅迫的光合生理和生化響應

楊家強，劉德承，韋秀媚，吳志南，王柳平，譚長強，申文輝，滕維超

（1．廣西壯族自治區(qū)國有維都林場，廣西來賓 546100；2．廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院，廣西南寧530002；3．廣西大學，廣西南寧 530004）

近年來，汽車排放尾氣、工業(yè)生產(chǎn)中排放廢物、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥及化肥殘留等使土壤中鎘（Cd）含量升高[1-2]。鎘是植物生長的非必要元素，有很高的致癌性[2]，鎘對土壤的污染會影響植物的生長，植物吸收后通過食物鏈進入人和動物體內(nèi)，影響動物與人類的健康。廣西是有色金屬之鄉(xiāng)，部分地區(qū)土壤重金屬污染嚴重，由于鎘污染造成的社會公共危機事件已經(jīng)有報道[3]。

紅錐（Castanopsis hystrix）是常綠大喬木，主要分布在海拔30 ～1 600 m 的緩坡及山地，常為林木的上層樹種，老年大樹的樹干有板狀根。該樹種常見于我國南方，成年后韌皮纖維發(fā)達，材質(zhì)堅硬且有彈性，木材紋理直且耐腐性能穩(wěn)定，用材價值高[4]。目前，關于紅錐脅迫響應的研究主要有紅錐對鋁脅迫、鉛脅迫及干旱脅迫的響應[5-8]，對鎘脅迫的研究未見報道。植物受到脅迫時，常出現(xiàn)植株矮小、葉片變黃等癥狀，植物細胞內(nèi)的各類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗逆性物質(zhì)等均會發(fā)生變化以適應或抵抗鎘脅迫。本研究通過探究不同鎘濃度下紅錐幼苗光合生理和生化指標，探究紅錐對鎘脅迫的光合生理生化響應，為紅錐幼苗培育提供更多的理論參考。

1 材料與方法

1．1 試驗地概況

試驗地設在廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學研究院苗圃（108°34′E，22°92′N），屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫21．8 ℃，平均相對濕度79%，降雨主要集中在5—9月。土壤pH 值為4．73，有機質(zhì)含量為17．31 g/kg，全氮含量為0．54 g/kg，水解氮含量為66．73 mg/kg，全磷含量為0．34 g/kg，有效磷含量為1．26 mg/kg，全鉀含量為7．08 g/kg，速效鉀含量為98．14 mg/kg 和全鎘含量為0．25 mg/kg。

1．2 試驗材料

土壤經(jīng)風干、粉碎和過篩后，分別按各處理組所需的鎘含量，將CdCl2·2．5H2O（分析純）溶液一次性加入土壤中，將土壤淋透后，在遮雨棚下放置1 周。據(jù)廣西土壤鎘污染的程度（西江流域部分地區(qū)農(nóng)田土壤鎘含量為0．27 ～185．10 mg/kg）[9]及前人的研究[10]，設置4 個處理組，土壤的鎘含量分別為0（CK）、30（Cd1）、60（Cd2）和120（Cd3）mg/kg。紅錐為1年生幼苗，苗高為（3．87 ± 0．20）cm，地徑為（1．43±0．03）mm，生長良好。

1．3 試驗方法

鎘脅迫的試驗育苗方法有水培法[11-12]和土培法[13-14]。本研究使用土培法，與紅錐苗木培育實況相似。

2020年2月20日，移栽1年生紅錐幼苗，每盆栽植1 株，每處理20 盆。在盆下放置塑料托盤，將盤內(nèi)滲出水分倒回盆中，以免鎘流失；按照常規(guī)方法進行松土、除草等養(yǎng)護管理，試驗期間保持土壤濕潤。2020年5月20日，每個處理隨機采摘多株20 ～30 片成熟功能葉，放在冰盒中帶回實驗室，迅速用蒸餾水洗凈后擦干，用于葉片生理指標測定。

1．4 指標測定

采用丙酮-乙醇提取法測定葉綠素和類胡蘿卜素含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白質(zhì)含量，采用酸性茚三酮比色法測定游離脯氨酸含量，采用硫代巴比妥酸顯色法測定丙二醛（MDA）含量，采用氮藍四唑（NBT）光化還原法測定超氧化物歧化（SOD）酶活性[15]。

采用LI-6400XT 便攜式光合作用測量儀測定光合氣體交換參數(shù)[16]，設定光照強度為1 000 μmol·m-2·s-1，每處理選取6株，每株選取1片長勢均勻、完全展開的成熟功能葉，測定葉片光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間二氧化碳（Ci）和蒸騰速率（Tr）。

1．5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件進行數(shù)據(jù)整理；采用SPSS 22．0 軟件對紅錐生理指標進行描述性統(tǒng)計分析，采用Duncan法進行多重比較[17]。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同鎘含量對紅錐幼苗生化指標和光合色素的影響

隨鎘含量升高，可溶性蛋白含量呈先下降后上升的趨勢；Cd1 和Cd2 處理的可溶性蛋白含量顯著低 于CK 和Cd3（P＜0．05），分別降低52．37% 和41．84%（表1）。隨鎘含量升高，MDA 含量呈逐漸上升的趨勢；Cd1、Cd2 和Cd3 處理的MDA 含量均顯著高 于CK（P＜0．05），分別高出9．99%、13．00% 和23．27%。隨鎘含量升高，可溶性糖含量呈先升高后下降的趨勢；與CK 相比，Cd1、Cd2 和Cd3 處理的可溶性糖含量分別高出40．32%、24．96%和16．48%；Cd1 處理的可溶性糖含量顯著高于CK（P＜0．05），Cd2 與Cd3 處理與CK 差異不顯著。隨鎘含量升高，游離脯氨酸含量呈逐漸上升的趨勢；Cd1、Cd2 和Cd3 處理的游離脯氨酸含量均顯著高于CK（P＜0．05），分別高出56．46%、56．53%和57．41%。

表1 不同鎘含量對紅錐幼苗生化指標和光合色素的影響Tab.1 Effects of different cadmium contents on biochemical indexes and photosynthetic pigments of C.hystrix seedlings

隨鎘含量升高，SOD 活性呈先上升后下降的趨勢；與CK 相比，Cd1 處理的SOD 活性高出6．38%，Cd2 和Cd3 處理分別降低2．49%和0．95%，均與CK差異不顯著。

葉綠素含量與其光合速率有緊密的聯(lián)系，光合指標在一定程度內(nèi)可體現(xiàn)苗木當前的生長營養(yǎng)狀況。隨鎘含量升高，葉綠素a含量呈下降的趨勢；與CK 相比，Cd1、Cd2 和Cd3 處理分別降低了8．97%、32．05%和53．85%；Cd1處理的葉綠素a含量與CK差異不 顯著，Cd2 和Cd3 處理與CK 差異顯著（P＜0．05）。隨鎘含量升高，葉綠素b 含量呈下降的趨勢；Cd1、Cd2 和Cd3 處理的葉綠素b 含量均顯著低于CK（P＜0．05），分別降低了30．77%、58．97%和60．10%。隨鎘含量升高，葉綠素a+b含量呈下降的趨勢；Cd1、Cd2 和Cd3 處理與CK 相比分別降低19．87%、46．15%和58．33%；Cd1 處理的葉綠素a + b含量與CK 差異不顯著，Cd2 和Cd3 處理的葉綠素a + b 含量均與CK 差異顯著（P＜0．05）。隨鎘含量升高，類胡蘿卜素含量呈逐漸減少的趨勢；Cd1、Cd2和Cd3 處理均顯著低于CK（P＜0．05），分別降低了47．37%、36．84%和63．16%。

2．2 不同鎘含量對紅錐幼苗光合參數(shù)的影響

隨鎘含量升高，紅錐幼苗的Pn、Gs、Ci和Tr均呈下降的趨勢，Cd1、Cd2 和Cd3 處理均顯著低于CK（P＜0．05）（表2）。Pn、Gs、Ci和Tr均在Cd3處理最低，分別為3．37 μmol·m-2·s-1、0．11 μmol·m-2·s-1、220．83 μmol/mol和1．14 mol·m-2·s-1；與CK相比，分別降低了66．27%、38．89%、7．56%和54．76%。

表2 不同鎘含量對紅錐幼苗光合參數(shù)的影響Tab.2 Effects of different cadmium contents on photosynthetic parameters of C.hystrix seedlings

2．3 鎘脅迫下各光合生理和生化指標的相關性分析

在鎘脅迫下，游離輔氨酸與Ci呈極顯著負相關（P＜0．01），葉綠素b 與Gs和Pn均呈極顯著正相關（P＜0．01），葉綠素a+b 與葉綠素a、葉綠素b、Pn、Tr和Gs均呈顯著正相關（P＜0．05），Tr與葉綠素a 呈顯著正相關（P＜0．05），Pn和Gs呈極顯著正相關（P＜0．01）（表3）。

表3 光合生理和生化指標的相關性分析Tab.3 Correlation analysis of photosynthetic physiological and biochemical indexes

3 討論與結(jié)論

研究表明植物生長受鎘脅迫的影響主要表現(xiàn)為“低促高抑”[18-20]。本研究中，鎘低濃度時未促進紅錐幼苗生長，未施鎘處理時，紅錐幼苗生長狀態(tài)最好，與“低促高抑”現(xiàn)象存在差異，這可能與鎘濃度、植物種類和培養(yǎng)環(huán)境等因素有關[21]。

MDA 是一種脂質(zhì)的過氧化物產(chǎn)物，MDA 含量可反應膜的損傷程度[22]。本研究中，隨鎘濃度升高，葉片MDA 含量增加，活性氧含量大，膜脂過氧化加劇，與張明華等[23]研究羽扇豆（Lupinus micranthus）、歐報春（Primula acaulis）植物在鎘濃度為0 ～80 mg/kg，葉片MDA含量逐漸增加相似。植物受到毒害時，可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸會在體內(nèi)積累，使細胞液濃度升高。可溶性糖的主要功能是調(diào)節(jié)細胞滲透壓和維持植物體內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)定[24]。本研究結(jié)果表明，隨鎘含量升高，可溶性糖含量呈先升后降的趨勢，這與韋獻東[25]對楓香（Liquidambar formosana）幼苗對鎘脅迫響應研究和張阿芳等[26]對銀灰楊（Populus canescens）對鎘脅迫響應的研究結(jié)果一致。本研究中，隨鎘濃度升高，紅錐葉片可溶性蛋白含量呈先降后升的趨勢，尚玉坤等[27]、楊馥榕等[14]和查應琴等[28]均發(fā)現(xiàn)隨鎘濃度升高，可溶性蛋白含量下降，本研究與其他研究結(jié)果不一致的原因需進一步探導。譚長強等[29]研究表明，隨鎘濃度升高，蜆木（Excentrodendron hsienmu）游離脯氨酸含量高于對照組，本研究結(jié)果與其結(jié)果基本一致。彭昌琴[30]在尾穗莧（Amaranthus caudatus）對鎘脅迫響應研究中得到相似的結(jié)論。

脅迫條件下，不同植物體內(nèi)的SOD 活性隨鎘濃度升高呈現(xiàn)不同變化趨勢。王迪華等[20]報道，隨土壤鎘（0 ～40 mg/kg）含量升高，白菜葉片SOD 活性呈先升后降的趨勢。本研究也有相似的趨勢，在Cd1處理下，紅錐葉片SOD 活性升高；在Cd2與Cd3處理下，SOD 活性降低，可能是Cd2 與Cd3 處理的鎘含量超過紅錐耐受閾值。本研究中，隨鎘濃度升高，紅錐幼苗葉片內(nèi)葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b 和類胡蘿卜素含量降低，該結(jié)果與賴秋羽等[31]結(jié)果相似。

植物在重金屬毒害下，體內(nèi)葉綠素合成受到嚴重影響，進而影響光合指標［32-34］。本研究中，隨鎘濃度升高，Pn、Gs、Gi和Tr濃度均呈下降的趨勢，影響植物正常生長發(fā)育，該研究結(jié)果與文靜等［35］的研究結(jié)果一致，這可能是鎘損壞葉綠體內(nèi)部結(jié)構，影響葉綠素合成，導致植物體內(nèi)葉綠素含量下降，需要進行葉片微觀結(jié)構試驗進一步分析。本試驗中，紅錐幼苗葉片Ci在3 個鎘含量處理差異不顯著，Pn、Gs、Tr與葉綠素含量均隨鎘濃度升高而降低，且Pn、Gs和Tr與葉綠素含量均呈顯著正相關，是因為葉綠素含量在植物光合作用中影響著Pn、Gs和Tr。

綜合各項生理指標，鎘含量為30 ～120 mg/kg對紅錐幼苗毒害嚴重，紅錐幼苗應對鎘毒害的能力較弱。本研究為豐富修復重金屬污染植物提供理論依據(jù)，為全面揭示紅錐對鎘的響應機理，后續(xù)可從分子水平等方面進行深入研究。