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(貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025)

近年來，我國(guó)工業(yè)發(fā)展非常猛速，對(duì)自然環(huán)境的污染也隨之加劇。相關(guān)調(diào)查顯示，目前我國(guó)重金屬超標(biāo)點(diǎn)位占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%，其中最為嚴(yán)重的是鎘污染，超標(biāo)率達(dá)7.0%[1]。重金屬污染具有長(zhǎng)期性、隱蔽性和不可逆性等特點(diǎn)，尋求環(huán)保、高效、經(jīng)濟(jì)等解決方案已迫在眉睫[2]。在重金屬脅迫下衡量植物耐受性的一個(gè)重要指標(biāo)是植物長(zhǎng)勢(shì)。同時(shí)植物吸收重金屬主要取決于重金屬在培養(yǎng)液中存在的形態(tài)，其中容易被植物吸收的形態(tài)會(huì)對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響[3]。重金屬污染會(huì)降低生物多樣性并影響多種重要經(jīng)濟(jì)作物和農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，已成為全球面臨的重要環(huán)境問題[4]。重金屬污染土壤修復(fù)治理是近年來國(guó)際上興起的植物修復(fù)新技術(shù)[5]。利用某些植物對(duì)重金屬具有超富集能力，能將重金屬富集到自身體內(nèi)[6]，達(dá)到修復(fù)土壤的目的。植物修復(fù)具有三個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)：一是適用范圍廣[7]；二是可實(shí)施原位修復(fù)；三是投入成本較低。因而，對(duì)重金屬污染的治理需要植物修復(fù)技術(shù)，植物修復(fù)技術(shù)可美化環(huán)境，又可使被污染的土壤得以再利用。

尾穗莧(Amaranthuscaudatus)是莧科(Amaranthaceae)莧屬(AmaranthusL.)一年生草本植物，抗性強(qiáng)、易生長(zhǎng)、耐旱、耐濕、耐高溫，病蟲害很少發(fā)生，葉雜有各種顏色可供觀賞。研究表明，尾穗莧為超積累鎘特征植物，對(duì)鎘等重金屬陽(yáng)離子具有很強(qiáng)的抗性，可作為當(dāng)今重金屬污染植物修復(fù)的修復(fù)植物。本試驗(yàn)以尾穗莧為材料，采用不同濃度的鎘脅迫處理，通過觀察鎘對(duì)植物生長(zhǎng)的影響和生理指標(biāo)的變化，研究鎘脅迫對(duì)尾穗莧生理生化的影響，為重金屬污染植物復(fù)合修復(fù)研究提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材 料

尾穗莧種子來源于貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)生態(tài)園，脅迫試劑氯化鎘(CdCl22.5 H2O)為分析純。試驗(yàn)在貴州大學(xué)生物技術(shù)試驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 方 法

1.2.1 水培法

挑選大小均一的尾穗莧種子，用70%酒精消毒3～5 min后用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈，在已滅菌培養(yǎng)皿中進(jìn)行播種，選取直徑為9 cm的培養(yǎng)皿，并在皿內(nèi)墊2張直徑為9 cm的濾紙作為發(fā)芽床，每皿放入50粒種子。等量的Cd2+溶液(濃度分別為10，50，100，200，500 mg/L)(按氯化鎘中Cd2+計(jì)算)按編號(hào)加入培養(yǎng)基中。將種子均勻地放入培養(yǎng)基，種子間要有一定的間距，用蒸餾水作空白對(duì)照，每個(gè)濃度設(shè)置3個(gè)重復(fù)，處理完后將培養(yǎng)皿放在(25±2)℃光照恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每天補(bǔ)充等量相應(yīng)濃度的溶液，空氣濕度要保持在一定水平。定期記錄每個(gè)培養(yǎng)皿中種子的生長(zhǎng)發(fā)芽狀況。

1.2.2 土培法

挑選大小均一的尾穗莧種子，用70%酒精消毒3～5 min后用蒸餾水反復(fù)沖洗干凈，取口徑為21 cm的塑料盆，盆中鋪上濾紙，再放入等量的營(yíng)養(yǎng)土；將配好的各濃度鎘溶液等量依次加入對(duì)應(yīng)編號(hào)的塑料盆中攪拌。將處理后的種子播種在土壤里，每盆放入50粒種子。播種后用少許土將種子掩蓋，用蒸餾水作空白對(duì)照，每個(gè)濃度設(shè)置3個(gè)重復(fù)，用保鮮膜封住盆口，置入(25±2)℃光照恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，保持一定的空氣濕度。定期觀察記錄每個(gè)塑料盆中種子的生長(zhǎng)發(fā)芽狀況。每隔1～2 d澆1次蒸餾水。定期觀察尾穗莧出苗情況。

1.3 種子萌發(fā)及幼苗生理指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1 種子萌發(fā)指標(biāo)的測(cè)定

尾穗莧種子水培萌發(fā)后，第7天開始測(cè)定其根長(zhǎng)和苗長(zhǎng)，并統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽率[9]，發(fā)芽率(%)=試驗(yàn)種子有效的發(fā)芽數(shù)/試驗(yàn)種子總數(shù)×100%，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量根長(zhǎng)和苗長(zhǎng)，每個(gè)處理分別測(cè)量20株。

1.3.2 幼苗生理指標(biāo)的測(cè)定

第40天測(cè)量尾穗莧幼苗的各項(xiàng)生理指標(biāo)，葉綠素含量采用95%的酒精抽提[10]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定[11]；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[12]；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定[13]；可溶性蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G 250染色法[14]；可溶性糖含量和淀粉含量測(cè)定采用蒽酮比色法[14]；脯氨酸含量采用茚三酮法測(cè)定[14]。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行處理，并通過SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對(duì)尾穗莧種子發(fā)芽率的影響

由圖1可見，尾穗莧種子的發(fā)芽率在90%～98.90%范圍內(nèi)；鎘濃度為0～50 mg/L時(shí)，隨著鎘濃度的增加，發(fā)芽率逐漸增大，表明在此濃度范圍內(nèi)鎘脅迫對(duì)種子的萌發(fā)有促進(jìn)作用，并且當(dāng)鎘濃度為50 mg/L時(shí)種子發(fā)芽率最高，達(dá)98.90%；當(dāng)鎘濃度為50～100 mg/L時(shí)，發(fā)芽率急劇下降，在鎘脅迫濃度為100，200，500 mg/L時(shí)，發(fā)芽率分別為93.33%、91.10%、90.00%，均抑制尾穗莧種子的萌發(fā)。表明低濃度鎘脅迫處理促進(jìn)了尾穗莧種子的萌發(fā)，而高濃度鎘脅迫處理則抑制了尾穗莧種子萌發(fā)。

2.2 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗長(zhǎng)勢(shì)的影響

由圖2可見，尾穗莧的根長(zhǎng)在2.05～46 mm之間；無鎘脅迫下尾穗莧根長(zhǎng)勢(shì)最好，根長(zhǎng)達(dá)46 mm；隨著鎘濃度的增大，根長(zhǎng)逐漸變短，在鎘濃度為500 mg/L時(shí)根長(zhǎng)最短，為2.0 mm；當(dāng)鎘濃度為10 mg/L以后，其鎘濃度處理的根長(zhǎng)與對(duì)照組(0 mg/L)相比有顯著差異的抑制作用(p<0.05)；但鎘濃度超過200 mg/L后，各濃度所對(duì)應(yīng)的根長(zhǎng)差異不顯著。表明鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗根的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用。

圖1 鎘脅迫對(duì)尾穗莧種子發(fā)芽率的影響

注：不同字母表示0.05水平差異顯著。下同。圖2 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗根長(zhǎng)的影響

由圖3可知，尾穗莧的苗長(zhǎng)為4.23～62.2 mm；無鎘脅迫下尾穗莧苗長(zhǎng)長(zhǎng)勢(shì)最好，苗長(zhǎng)為62.2 mm；隨著鎘濃度的升高，對(duì)尾穗莧苗長(zhǎng)的抑制作用逐漸增強(qiáng)，當(dāng)鎘濃度為500 mg/L時(shí)苗長(zhǎng)最短，為4.23 mm。不同鎘濃度處理之間的差異極顯著(p<0.01)。表明鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗苗長(zhǎng)均具有顯著的抑制作用。

圖3 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗苗長(zhǎng)的影響

2.3 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗SOD活性的影響

超氧化物歧化酶(SOD)是以氧自由基為底物的一種酶，其在活性氧代謝中具有重要地位，為生物體內(nèi)最重要的清除活性氧自由基的酶類[16]。由圖4可知，尾穗莧的SOD活性范圍在41.704～382.479 U/g(FW)之間；無鎘脅迫(對(duì)照組)時(shí)SOD活性最高，為382.479 U/g(FW)；當(dāng)鎘濃度為10～500 mg/L時(shí)，SOD活性均低于對(duì)照組，而鎘濃度為10 mg/L時(shí)，尾穗莧幼苗SOD活性最低，為41.704 U/g(FW)，除了濃度為50 mg/L時(shí)的SOD活性與對(duì)照組差異不顯著外，其他均呈現(xiàn)顯著性差異。表明鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗SOD活性均具有抑制作用。

圖4 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗SOD活性的影響

2.4 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗POD活性的影響

過氧化物酶(POD)是植物體內(nèi)保護(hù)酶，其在抗逆境中起著關(guān)鍵作用[17]。由圖5可以看出，尾穗莧的POD活性范圍在851.185～2 666.667 U/g(FW)之間；鎘濃度為10 mg/L時(shí)，POD活性最高，達(dá)2 666.667 U/g(FW)；而鎘濃度超過50 mg/L后，對(duì)POD有顯著的抑制作用(p<0.05)。顯示低濃度(10 mg/L)鎘脅迫增加了尾穗莧幼苗的POD活性，而高濃度的鎘脅迫降低了尾穗莧幼苗的POD活性。

圖5 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗POD活性的影響

2.5 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗可溶性蛋白含量的影響

由圖6可見，隨鎘脅迫濃度的增大尾穗莧幼苗可溶性蛋白質(zhì)的含量先增后減，尾穗莧的可溶性蛋白質(zhì)含量范圍在0.600～7.75 0 mg/L之間，在鎘脅迫濃度為10 mg/g時(shí)，尾穗莧幼苗可溶性蛋白質(zhì)的含量最高，為7.75 mg/g。在10～100 mg/L濃度范圍內(nèi)尾穗莧幼苗可溶性蛋白質(zhì)的含量明顯下降，從7.750 mg/g下降到0.625 mg/g；而在100～500 mg/L濃度范圍內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)的含量變化不大；當(dāng)鎘濃度為500 mg/L時(shí)，可溶性蛋白質(zhì)含量最低，為0.600 mg/g。試驗(yàn)結(jié)果表明，在鎘脅迫濃度小于50 mg/L時(shí)，尾穗莧幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量保持在較高的水平，而鎘脅迫濃度大于100 mg/L以后，可溶性蛋白質(zhì)含量保持在較低的水平。

圖6 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

2.6 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗可溶性糖含量的影響

由圖7可知，尾穗莧幼苗可溶性糖含量范圍在0.014 3%～0.022 9%之間，鎘濃度為100 mg/L時(shí)尾穗莧幼苗可溶性糖含量最大，為0.022 9%，但鎘濃度為10 mg/L時(shí)達(dá)到最小值，為0.0143%；在0～10 mg/L和100～200 mg/L濃度范圍內(nèi)，尾穗莧幼苗的可溶性糖含量都在減少，在10～100 mg/L和200～500 mg/L濃度范圍內(nèi)可溶性糖含量都在增多。

圖7 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗可溶性糖含量的影響

2.7 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗淀粉含量的影響

由圖8可知，尾穗莧幼苗淀粉的含量范圍在21.857%～45.000%之間，無鎘脅迫時(shí)淀粉含量達(dá)到最大值，為45%；隨著鎘脅迫濃度的增大，可溶性淀粉的含量逐漸降低，在鎘濃度為200 mg/L時(shí)達(dá)到最小值，為21.857%。

圖8 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗淀粉含量的影響

2.8 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗葉綠素含量的影響

由圖9可見，尾穗莧幼苗葉綠素含量范圍在0.52～0.81 mg/g(FW)之間，鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗葉綠素含量影響不明顯，它們之間的差異不顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明，鎘濃度為10～500 mg/L時(shí)對(duì)尾穗莧幼苗葉綠素含量影響不明顯。

圖9 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗葉綠素含量的影響

2.9 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗MDA含量的影響

脂質(zhì)氧化終產(chǎn)物丙二醛(MDA)是膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一[18]；通過MDA了解膜脂過氧化的程度，間接測(cè)定膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性[19]。由圖10可知，尾穗莧幼苗MDA含量范圍在1.610～2.603 mol/g(FW)之間；鎘濃度為10 mg/L時(shí)MDA含量最高，為2.603 mol/g(FW)；但在鎘濃度為50 mg/L時(shí)MDA含量最低，為1.610 mol/g(FW)。表明在鎘濃度為0～50 mg/L區(qū)間內(nèi)，MDA含量先增加后降低；50～100 mg/L區(qū)間內(nèi)MDA含量緩慢升高。

2.10 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗游離脯氨酸含量的影響

脯氨酸(Pro)是植物蛋白質(zhì)的重要組分之一，Pro含量在一定程度上能反映植物在逆境中的抗逆性。由圖11可知，尾穗莧幼苗Pro含量范圍在63.08～97.59μg/g(FW)之間；鎘濃度為10 mg/L時(shí)Pro含量達(dá)到最高，為97.59μg/g(FW)；在鎘濃度為500 mg/L時(shí)Pro含量最低，為63.08μg/g(FW)。表明0～500 mg/L濃度鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗Pro含量的影響不明顯，差異不顯著。

圖10 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗MDA含量的影響

圖11 鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗游離脯氨酸含量的影響

3 討 論

3.1 不同濃度鎘脅迫對(duì)尾穗莧種子萌發(fā)的影響

有報(bào)道顯示，重金屬對(duì)植物種子具有低促高抑的作用[20]。在姚焱等[21]研究中，低濃度鉈脅迫并未對(duì)白菜種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)產(chǎn)生顯著影響，但高濃度鉈脅迫下植物生長(zhǎng)受到顯著抑制,表現(xiàn)為隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)胚根伸長(zhǎng)減緩。Kaplan等[22]研究了鉈毒脅迫大豆生長(zhǎng)情況。本研究得到相似結(jié)果，隨著重金屬鎘濃度的增加，尾穗莧種子萌發(fā)率呈現(xiàn)出先增后降的趨勢(shì)，可能是由于較高濃度的鎘影響了尾穗莧植物正常代謝，從而抑制了尾穗莧的萌發(fā)。

3.2 不同濃度鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗生長(zhǎng)的影響

研究表明，重金屬物質(zhì)進(jìn)入植物體后，與植物體內(nèi)的大分子結(jié)合，大部分累積在植物的根部，僅少量向地上部分遷移[23]。孫圓圓等研究表明，高濃度脅迫下Cd2+明顯抑制一年生黑麥草根和芽的生長(zhǎng)[24]。楊鵬等認(rèn)為，鎘脅迫抑制了紫英幼苗的生長(zhǎng)[25]。殷欣研究表明，各處理濃度的鎘脅迫均導(dǎo)致大豆幼苗出現(xiàn)不同程度的毒害癥征，抑制了大豆的生長(zhǎng)[26]。本研究得到相似結(jié)果，鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗的根和苗的生長(zhǎng)都有抑制作用，尾穗莧幼苗的長(zhǎng)勢(shì)隨著鎘濃度的升高而被抑制越明顯。不同鎘濃度對(duì)尾穗莧幼苗處理后，苗長(zhǎng)差異極顯著。

3.3 不同濃度鎘脅迫對(duì)尾穗莧幼苗生理生化的影響

植物本身能夠使體內(nèi)ROS的產(chǎn)生與清除維持動(dòng)態(tài)平衡，但在受到重金屬脅迫后這種平衡會(huì)被打破[27]。重金屬脅迫導(dǎo)致植株組織的氧化脅迫和膜損傷，改變酶系活性，這種損傷對(duì)植株生長(zhǎng)產(chǎn)生一定的影響[28]。植物通過POD和SOD的抗氧化酶系統(tǒng)來提高植株對(duì)逆境的耐抗性作用[29]。本試驗(yàn)對(duì)SOD、POD、可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、淀粉、葉綠素、丙二醛(MDA)和游離脯氨酸含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同鎘濃度對(duì)尾穗莧幼苗處理后，葉綠素含量和脯氨酸含量差異不顯著，這可能與本試驗(yàn)取材時(shí)期有關(guān)，有關(guān)各時(shí)期的具體變化情況，有待進(jìn)一步研究證明；可溶性蛋白質(zhì)含量、丙二醛(MDA)含量及POD活性隨鎘濃度的增加呈現(xiàn)出先增后降，由此表明植物僅在一定范圍的逆境中具有抵抗能力，這一范圍一旦被超過，植物自身的抵御能力就會(huì)失去，這與徐玲玲等[30]的研究結(jié)果一致；可溶性糖含量、淀粉含量和SOD活性隨鎘濃度的增加呈現(xiàn)出先降后增，可見植物在逆境中有一定的適應(yīng)時(shí)間段，而后植株通過自身的調(diào)劑機(jī)制進(jìn)行綜合調(diào)控，以減輕逆境對(duì)本身帶來的傷害。由于植物對(duì)重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理很復(fù)雜，本試驗(yàn)不同鎘濃度脅迫尾穗莧種子萌發(fā)和幼苗初期生理特性的影響表明，對(duì)鎘耐受性存在差異，其原因有待進(jìn)一步分析。