鎘脅迫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗的萌發(fā)和生長(zhǎng)的影響

徐芳慧 ，王子巍，閆 涵，李 鑫，崔賀豐，許玉鳳

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)a.林學(xué)院,b.生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院,沈陽(yáng) 110161；2.沈陽(yáng)化工研究院，沈陽(yáng) 110023）

自然界中的鎘以CdS和CdCO的形式存在于鋅礦石中，一般為0.01～0.5mg·kg。未污染土壤中鎘主要來(lái)源于成土母質(zhì)。環(huán)境中的鎘污染主要是通過(guò)“三廢”（廢水、廢氣、廢渣）的途徑進(jìn)入自然界中。大氣沉降、污水灌溉、農(nóng)藥與肥料等的不合理使用，使土壤中的鎘污染呈逐年上升的趨勢(shì)。植物根系吸收土壤中的鎘以后會(huì)在體內(nèi)積累，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體危害人類健康。土壤中鎘污染的修復(fù)手段有物理、化學(xué)和生物修復(fù)，其中生物修復(fù)具有綠色和高效等優(yōu)點(diǎn)。植物修復(fù)利用植物根系吸收土壤中的鎘并通過(guò)收獲植物以達(dá)到減少土壤中鎘含量的目的。

歐亞蔊菜（

Rorippa sylvestris

）是十字花科的多年生草本，被認(rèn)定為區(qū)域性入侵物種。其具有抗逆性強(qiáng)、耐踐踏、耐水淹、耐修剪等特性，總狀花序，小花黃色，也是一種具有較高觀賞價(jià)值的園林地被植物。同時(shí)，歐亞蔊菜對(duì)重金屬鎘具有很強(qiáng)的吸收和富集能力，是鎘的超富集植物。在自然界中種子萌發(fā)率低，根蘗繁殖能力極強(qiáng)。根據(jù)克隆器官起源的分類，歐亞蔊菜應(yīng)屬于典型的根源型克隆植物。

植物的克隆繁殖是指通過(guò)無(wú)性繁殖，母株產(chǎn)生與其基因完全相同的個(gè)體?？寺》敝呈强寺≈参锓N群得以延續(xù)的主要途徑。與種子繁殖比，當(dāng)植物受到脅迫或干擾時(shí)，克隆繁殖具有更進(jìn)化的優(yōu)勢(shì)?？寺≈参锏难繋?kù)（可以進(jìn)行克隆繁殖的所有芽）的輸出在植物繁殖和維持種群動(dòng)態(tài)方面具有重要作用。根據(jù)受干擾后芽的數(shù)量和輸出可以評(píng)估植物克隆繁殖能力的高低?？寺≈参镌谑芨蓴_后芽庫(kù)和子株等克隆繁殖的構(gòu)件的數(shù)量變化可反映克隆繁殖能力的變化，其應(yīng)對(duì)不同干擾的響應(yīng)可能是不同的，因此不同的干擾可能伴隨不同的克隆繁殖特征。目前，有關(guān)重金屬污染對(duì)植物克隆繁殖能力影響的研究報(bào)道得比較少。歐亞蔊菜應(yīng)用于鎘污染土壤修復(fù)時(shí)，如何以高效建群也未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以歐亞蔊菜為試材，通過(guò)對(duì)其橫走側(cè)根克隆苗發(fā)生特點(diǎn)以及溫度和鎘脅迫對(duì)克隆苗生長(zhǎng)的影響研究，探討了克隆植物在重金屬脅迫下的空間擴(kuò)展能力，為其在鎘污染土壤上快速建群和提高修復(fù)效率等方面提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

于2020 年5 月5 日在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基地挖取歐亞蔊菜，調(diào)查產(chǎn)生不定芽的橫走側(cè)根在土壤中的分布和生長(zhǎng)特點(diǎn)，觀察橫走側(cè)根和不定芽的形態(tài)特征并拍照記錄。

于2021年4月1日在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基地挖取歐亞蔊菜處于休眠狀態(tài)的根，帶回實(shí)驗(yàn)室，用自來(lái)水清洗干凈，去除根部多余細(xì)小根，然后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

將根段剪切為3cm 長(zhǎng)度，選擇直徑為粗（3mm）、中（2mm）和細(xì)（1mm）3 個(gè)等級(jí)根段，用蒸餾水沖洗干凈，置于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿培養(yǎng)6個(gè)根段，各等級(jí)分別有2個(gè)根段。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)鎘濃度，分別為0，10，25，50，100，200μmol·L，鎘處理是用 Cd(NO)·4HO 配制成的水溶液。每個(gè)培養(yǎng)皿中添加10mL 的含鎘培養(yǎng)液，暗培養(yǎng)在15，20，25，30，35℃培養(yǎng)箱中，每處理3 次重復(fù)，以蒸餾水處理為對(duì)照。培養(yǎng)15d 后統(tǒng)計(jì)克隆苗萌發(fā)數(shù)，并測(cè)量其長(zhǎng)度（cm）；采用硫代巴比妥酸法測(cè)定粗根的克隆苗丙二醛含量，采用酸性茚三酮顯色法測(cè)定脯氨酸含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel軟件進(jìn)行計(jì)算和作圖，用SPSS 22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 歐亞蔊菜橫走側(cè)根及克隆苗發(fā)生的特點(diǎn)

歐亞蔊菜的橫走側(cè)根主要分布在距地表2～3.5cm，平均在2.5cm居多。橫走側(cè)根直徑為1～3mm，多數(shù)2mm。根上布滿不定芽庫(kù)。不定芽可以單生，也可以成對(duì)或成叢，萌發(fā)的不定芽距離2cm，其間分布多數(shù)的休眠不定芽（圖1）。通過(guò)調(diào)查可知，歐亞蔊菜橫走側(cè)根發(fā)達(dá)，克隆苗的繁殖能力極強(qiáng)。

圖1 歐亞蔊菜橫走側(cè)根及克隆苗發(fā)生的特點(diǎn)Figure 1 The characteristics of horizontal lateral root and clonal seedings of Rorippa sylvestris

2.2 溫度對(duì)歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響

圖2為鎘濃度為50μmol·L時(shí)，不同溫度對(duì)歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響。隨著溫度的升高，克隆苗萌發(fā)的數(shù)量呈先增加后減少的趨勢(shì)。當(dāng)溫度為15℃時(shí)，克隆苗數(shù)量較少，但芽生長(zhǎng)正常；在25℃時(shí)克隆苗萌發(fā)的數(shù)量最多（

p

＜0.05），且生長(zhǎng)健壯，粗根、中根和細(xì)根平均萌發(fā)的克隆苗數(shù)分別為14.7，23.8，16.8 個(gè)；當(dāng)溫度升高至35℃時(shí)，無(wú)克隆苗萌發(fā)。同時(shí)，在各個(gè)溫度條件下，中根克隆苗萌發(fā)的數(shù)量是最多的，其次是粗根，細(xì)根最低（除了25℃）。

圖2 溫度對(duì)歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響Figure 2 Effects of different temperatures on clonal seedlings of Rorippa sylvestris under Cd stress

2.3 鎘脅迫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響

當(dāng)溫度為25℃時(shí)，不同濃度鎘脅迫條件對(duì)歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響如圖3 和圖4，各個(gè)等級(jí)的根段萌發(fā)的克隆苗數(shù)量隨著鎘濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，其中鎘濃度為50μmol·L時(shí)克隆苗萌發(fā)數(shù)最高，粗根、中根和細(xì)根平均克隆苗數(shù)分別為23.5，23.8，16.8個(gè)，且各處理間差異顯著（

p

＜0.05）。在鎘脅迫處理下，細(xì)根的克隆苗萌發(fā)的數(shù)量始終低于粗根和中根。當(dāng)鎘濃度低于10μmol·L時(shí)，粗根的克隆苗萌發(fā)數(shù)較高于中根，當(dāng)鎘濃度升高至50μmol·L時(shí)，粗根和中根的克隆苗萌發(fā)數(shù)差異不顯著，當(dāng)鎘濃度繼續(xù)升高時(shí)，中根的克隆苗萌發(fā)數(shù)高于粗根。

圖3 鎘脅迫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響Figure 3 Effects of Cd stress on the germination of clonal seedlings of Rorippa sylvestris

圖4 鎘脅迫下歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)情況Figure 4 The germination situation of clonal seedlings of Rorippa sylvestris under Cd stress

2.4 鎘脅迫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗長(zhǎng)度的影響

由圖5可知，歐亞蔊菜克隆苗的長(zhǎng)度隨著鎘濃度的增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，表現(xiàn)出低促高抑的現(xiàn)象，各處理之間均存在顯著性差異（

p

＜0.05）。當(dāng)鎘濃度為25μmol·L時(shí)，各等級(jí)根段的平均芽長(zhǎng)都是最高的，粗根、中根和細(xì)根分別為4.94，4.94，4.11cm，與其他處理間差異顯著（

p

＜0.05）。當(dāng)鎘濃度高于50μmol·L時(shí)，各等級(jí)根段的克隆苗長(zhǎng)均下降，粗根的克隆苗長(zhǎng)＞中根＞細(xì)根。同時(shí)觀察到，在高濃度Cd脅迫下細(xì)根的克隆苗較細(xì)長(zhǎng)，顏色較淺。

圖5 鎘脅迫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗苗長(zhǎng)的影響Figure 5 Effects of Cd stress on the height of clonal seedlings of Rorippa sylvestris

2.5 鎘脅迫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗中MDA含量的影響

由圖6 可知，隨著Cd濃度的增加，歐亞蔊菜克隆苗中MDA 含量呈現(xiàn)先降低再逐漸升高的趨勢(shì)，當(dāng)鎘濃度為10μmol·L時(shí)達(dá)到最小值為0.39μmol·L，當(dāng)鎘濃度為高于25μmol·L時(shí)逐漸升高，但各處理與對(duì)照比差異不顯著（

p

＞0.05），說(shuō)明歐亞蔊菜對(duì)鎘脅迫具有很強(qiáng)的抵抗能力。

圖6 鎘脅迫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗MDA含量的影響Figure 6 Effects of Cd stress on MDA content in clonal seedlings of Rorippa sylvestris

2.6 鎘脅迫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗游離脯氨酸含量的影響

當(dāng)植物在受到外界脅迫時(shí)，體內(nèi)會(huì)積累大量的游離脯氨酸，以增加它的抵抗力。由圖7 可知，隨著鎘濃度的增加，游離脯氨酸含量逐漸升高，在200μmol·L濃度下達(dá)到最高值，為535.44μmol·g，說(shuō)明Cd脅迫可以顯著影響歐亞蔊菜克隆苗中游離的脯氨酸含量（

p

＜0.05）。

圖7 鎘脅迫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗游離脯氨酸含量的影響Figure 7 Effects of Cd stress on the free proline content in clonal seedings of Rorippa sylvestris

3 討論與結(jié)論

眾多研究表明，植物在逆境條件下，地下芽庫(kù)儲(chǔ)存芽可以使植物快速恢復(fù)，抵抗并穩(wěn)定繁殖?？寺≌峡梢栽诓焕麠l件下緩解植物生長(zhǎng)生存脅迫，提高子株在脅迫下生存，而且在生理生態(tài)方面可以表現(xiàn)出植物克隆整合的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)植物受重金屬脅迫時(shí)，重金屬被分隔在根或芽等不同植物器官內(nèi)。這樣克隆植物的分株可以緩解重金屬的脅迫。本試驗(yàn)對(duì)歐亞蔊菜根段進(jìn)行不同鎘濃度處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，低濃度鎘脅迫條件下，克隆苗萌發(fā)的數(shù)量較多，同時(shí)伴有較多的側(cè)根發(fā)生。這可能是因?yàn)楦蚊劝l(fā)時(shí)生出的側(cè)根，可以吸收溶液中的鎘，并使其在根中積累。低濃度Cd脅迫可以促進(jìn)根段萌發(fā)，可能是因?yàn)楫?dāng)植物受到外界脅迫時(shí)表現(xiàn)出的一種適應(yīng)性的抵御反應(yīng)，這與曹明等研究在鉛脅迫下蘆葦?shù)姆痔Y芽耐性策略表現(xiàn)不受脅迫影響甚至增加的現(xiàn)象一致，高濃度Cd脅迫會(huì)抑制根段克隆苗的萌發(fā)，這可能是由于重金屬對(duì)克隆苗萌發(fā)的毒害作用。當(dāng)植株受到重金屬Cd脅迫時(shí)，植物形態(tài)指標(biāo)相比未受到脅迫的植株表現(xiàn)出明顯的劣勢(shì)。歐亞蔊菜克隆苗，低濃度的Cd脅迫可以促進(jìn)其生長(zhǎng)，但高濃度的Cd脅迫對(duì)其生長(zhǎng)有抑制作用。本研究結(jié)果表明，歐亞蔊菜的橫走側(cè)根分布較淺，在近地表2.5cm，具有極強(qiáng)的克隆繁殖能力。在25℃下克隆苗萌發(fā)的數(shù)量最多，說(shuō)明在沈陽(yáng)地區(qū)春季是克隆苗快速萌發(fā)和生長(zhǎng)階段，夏季溫度高不利于克隆苗的萌發(fā)。

MDA 是膜脂過(guò)氧化的主要產(chǎn)物，通過(guò)MDA 積累量的變化可以反映植物受害的程度。在Cd脅迫下，植物葉片MDA 含量呈先降低后升高的趨勢(shì)，但是各處理間差異不顯著，說(shuō)明歐亞蔊菜的克隆苗對(duì)鎘具有很強(qiáng)的耐性。脯氨酸在植物體內(nèi)含量變化可作為植物抗逆境能力的生理指標(biāo)之一。在本試驗(yàn)中，隨著Cd 濃度的增加，歐亞蔊菜克隆苗中脯氨酸含量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)（

p

＜0.05），這與溫瑀等研究杞柳和紅瑞木對(duì)重金屬脅迫生理響應(yīng)一致，證明了植物體內(nèi)脯氨酸會(huì)隨著植物受重金屬迫害的程度增大而大量積累。本研究結(jié)果表明，隨著溫度的升高，歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)數(shù)量先升高后降低，說(shuō)明低溫和高溫對(duì)歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)起到抑制作用。隨著Cd 處理濃度的增加，歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)數(shù)量和苗長(zhǎng)呈先升高后降低的現(xiàn)象，在Cd 濃度為25μmol·L時(shí)克隆苗萌發(fā)數(shù)量最多，在Cd 濃度為50μmol·L時(shí)克隆苗最長(zhǎng)，說(shuō)明低濃度Cd 對(duì)歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)和生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用，高濃度Cd 起到抑制作用。隨著鎘濃度的增加，克隆苗中丙二醛含量的增加差異不顯著（

p

＞0.05），脯氨酸含量逐漸增加，各處理間差異顯著（

p

＜0.05），說(shuō)明歐亞蔊菜克隆苗對(duì)鎘具有很強(qiáng)的抗性，可能是通過(guò)增加脯氨酸含量以適應(yīng)鎘脅迫。