許志敏,周 英,楊鵬輝,熊志秦,吳一非,姜珺珺,丁國(guó)昌
(1. 江西科技學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,江西 南昌 360100;2. 福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院,福建 福州 350002;3. 九江市野生動(dòng)植物保護(hù)中心,江西 九江 332000)
隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的快速發(fā)展,以及人類日?;顒?dòng)強(qiáng)度的加大,大量重金屬污染物排放入自然系統(tǒng),進(jìn)而降低自然資源質(zhì)量,危害所有形式的活生物體正常生長(zhǎng)生存[1?2]。土壤是重要的物質(zhì)和能量交換媒介,亦是陸生植物生長(zhǎng)繁殖的物質(zhì)基礎(chǔ),人為的干擾是導(dǎo)致土壤污染加劇的主要原因[3]。全球年均釋放到環(huán)境中的鋅為23.6萬(wàn)t,銅為14.7萬(wàn)t,而我國(guó)土壤中的銅、鋅污染亦占較大比例[4],因此治理土壤重金屬污染已成全球性難題。同時(shí),土壤重金屬污染大多數(shù)是2 種或2 種以上重金屬共同作用而形成的復(fù)合污染[5],拮抗、協(xié)同和加和作用加大了對(duì)土壤重金屬污染的治理難度。相較于其他土壤治理技術(shù),植物修復(fù)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)便、凈化率高、成本低且可大面積推廣應(yīng)用等特性[6],而開(kāi)展高效修復(fù)能力的植物種類或個(gè)體篩選及機(jī)制研究是建立植物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]。
觀賞草作為一類株型優(yōu)美、色彩豐富、種類多樣的新型園林綠化植材[8],具有較高的觀賞及生態(tài)價(jià)值,被廣泛應(yīng)用于城市公園、專題園、生態(tài)園區(qū)等各類園林綠地。目前,觀賞草的研究主要集中于種質(zhì) 資 源 搜 集[9?10]、生 理 生 化[11?12]及 園 林 應(yīng) 用[13?14]等 領(lǐng)域,而觀賞草具備生物量大、根系龐大、生長(zhǎng)迅速、抗逆性強(qiáng)等特性,符合超富集植物或耐性植物的篩選條件,作為潛在植物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用植材的研究報(bào)道較少。鑒于此,在孟曉蕊[15]、何新杰等[16]研究的基礎(chǔ)上,初步篩選8種觀賞草作為供試材料,設(shè)置不同梯度的銅鋅復(fù)合脅迫試驗(yàn),從生長(zhǎng)指標(biāo)及抗氧化酶方面探究其生長(zhǎng)及生理響應(yīng),然后利用Pearson相關(guān)性分析和隸屬函數(shù)法進(jìn)行耐受性綜合評(píng)析,旨在揭示8種觀賞草對(duì)銅鋅脅迫環(huán)境的耐受性、適應(yīng)性,以期為銅鋅超富集植物的種質(zhì)資源篩選及觀賞草耐重金屬機(jī)制研究提供一定的參考。
供試材料為1 年生小兔子狼尾草、金紅羽狼尾草、紫葉狼尾草、細(xì)葉芒、麗色畫眉草、細(xì)葉畫眉草、香茅、粉黛亂子草,采購(gòu)于福州樂(lè)彩園藝責(zé)任有限公司。選擇個(gè)體、分蘗和健康狀況基本一致的1 年生實(shí)生苗,在福建農(nóng)林大學(xué)中華植物園大棚中進(jìn)行試驗(yàn)。
土壤銅、鋅復(fù)合脅迫處理設(shè)置5個(gè)濃度梯度,梯度值如表1 所示,每個(gè)處理重復(fù)3 次。選用福州本地的紅壤土作為盆栽基質(zhì),土壤風(fēng)干過(guò)篩,銅以CuSO4·5H2O、鋅以ZnSO4·7H2O 水溶液的形式加入土壤中并混合均勻,在室溫下靜置30 d后裝盆,每盆[28 cm(徑)×35 cm(高)]裝土4 kg(干質(zhì)量),盆下墊托盤。盆栽土銅、鋅質(zhì)量濃度分別為11.37、68.63 mg/L。2019 年4 月初進(jìn)行植株移栽換盆,并將植株修剪至同一高度,4 月中旬對(duì)供試材料進(jìn)行土壤銅鋅復(fù)合污染處理。自處理后,根據(jù)每盆土壤水分狀況,每隔1~3 d 等量澆入自然水一次,使土壤的田間持水量保持在80%左右。為了避免重金屬的流失,每次加完水后清洗托盤,再將水倒入盆中。
表1 盆栽試驗(yàn)銅鋅復(fù)合脅迫處理梯度值Tab.1 Copper-zinc combined stress gradient values in pot test mg/L
1.3.1 生長(zhǎng)狀況測(cè)定
1.3.1.1 生長(zhǎng)狀態(tài)觀察 在銅鋅復(fù)合脅迫90 d(2019 年7 月中旬),對(duì)植株銅鋅復(fù)合脅迫傷害癥狀采用分級(jí)調(diào)查法[17]進(jìn)行調(diào)查,將植株脅迫傷害癥狀分為5 級(jí)。0 級(jí):正常生長(zhǎng),表現(xiàn)特征看不到傷害癥狀;1級(jí):葉色微黃,輕度傷害;2級(jí):中心部位及外圍不同程度失綠;3 級(jí):植株矮小、萎蔫,葉片失綠;4級(jí):葉片萎蔫失綠,嚴(yán)重時(shí)脫落,死亡。
1.3.1.2 株高和根長(zhǎng)測(cè)定 在銅鋅復(fù)合脅迫90 d(2019 年7 月中旬),測(cè)定植株株高、根長(zhǎng)。用鋼卷尺自植株的地徑至最長(zhǎng)葉尖測(cè)量株高,用直尺自根部至根尖測(cè)定根長(zhǎng)。
1.3.2 生理活性指標(biāo)測(cè)定 在銅鋅復(fù)合脅迫90 d(2019 年7 月中旬),參考王學(xué)奎[17]的方法測(cè)定植株葉片中丙二醛(MDA)含量、過(guò)氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性4項(xiàng)指標(biāo)。使用多功能酶標(biāo)儀測(cè)定各指標(biāo)的吸光度值。
1.3.3 耐銅鋅脅迫能力評(píng)價(jià) 采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)值的方法進(jìn)行抗逆性綜合評(píng)定[18]。隸屬函數(shù)值的換算方法:
式中,R(Xij)表示i處理j指標(biāo)的耐銅鋅隸屬函數(shù)值,Xij表示i處理j指標(biāo)的測(cè)定值,Xjmax和Xjmin分別表示各處理的最大和最小測(cè)定值,R(Xi)為i處理的耐銅鋅隸屬函數(shù)值的平均值,n為指標(biāo)數(shù)。
所有數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析均基于Excel 2010和SPSS 23.0 軟件進(jìn)行,采用Excel 2010 軟件作圖。運(yùn)用One-Way ANOVA 進(jìn)行方差分析,有顯著或極顯著差異時(shí)用DUNCAN’S法進(jìn)行多重比較。
如表2 所示,隨著脅迫濃度的升高,8 種觀賞草受脅迫傷害程度加劇。在T1 時(shí),金紅羽狼尾草、紫葉狼尾草和細(xì)葉畫眉草脅迫傷害等級(jí)為0 級(jí),生長(zhǎng)勢(shì)正常;其余5 種觀賞草的脅迫傷害等級(jí)為1~2 級(jí),出現(xiàn)不同程度的葉色發(fā)黃、失綠、葉緣卷邊的癥狀,均屬于輕度損傷。在T2 時(shí),除細(xì)葉畫眉草外,其余7 種觀賞草均受到不同程度的脅迫傷害,其中細(xì)葉芒、麗色畫眉草和粉黛亂子草的脅迫傷害等級(jí)達(dá)到3級(jí),供試植株矮小、萎蔫,葉片失綠,均屬于中重度損傷。在T3—T4 時(shí),除細(xì)葉畫眉草外,其余7 種觀賞草的脅迫傷害等級(jí)最高達(dá)到4 級(jí),供試植株的葉片萎蔫失綠,部分葉片嚴(yán)重脫落,根部出現(xiàn)腐爛癥狀,甚至死亡。
表2 銅鋅復(fù)合脅迫傷害癥狀分級(jí)調(diào)查結(jié)果Tab.2 Investigation on classification of injury symptoms under Cu2+and Zn2+combined stress 級(jí)
如表3 所示,不同處理對(duì)供試觀賞草株高及根長(zhǎng)的影響有所差異。金紅羽狼尾草和粉黛亂子草的株高隨銅、鋅質(zhì)量濃度的升高呈先增后減的趨勢(shì),其余6種供試觀賞草的株高呈逐漸降低的趨勢(shì)。在T1時(shí),金紅羽狼尾草和粉黛亂子草的株高較對(duì)照分別顯著高出10.40%、7.94%(P<0.05);而小兔子狼尾草的株高下降幅度最大,僅為對(duì)照的64.81%。在T2—T4 時(shí),8 種供試觀賞草株高的下降速率加快,T4時(shí)株高均降至最低。
表3 銅鋅復(fù)合脅迫對(duì)供試觀賞草株高、根長(zhǎng)的影響Tab.3 Effects of Cu2+and Zn2+combined stress on plant height and root length of tested ornamental grasses cm
金紅羽狼尾草、紫葉狼尾草和細(xì)葉畫眉草的根長(zhǎng)呈先增后減的趨勢(shì),其余5 種供試觀賞草的根長(zhǎng)均呈逐漸下降的趨勢(shì)。在T1 時(shí),金紅羽狼尾草、紫葉狼尾草和細(xì)葉畫眉草的根長(zhǎng)分別較對(duì)照增加了5.98%、3.35%、3.38%;其他5 種供試觀賞草的根長(zhǎng)出現(xiàn)不同程度的下降,細(xì)葉芒、香茅和粉黛亂子草根長(zhǎng)顯著低于對(duì)照(P<0.05),表明低濃度脅迫對(duì)其根系的生長(zhǎng)造成了明顯的抑制作用。在T2—T4時(shí),8 種供試觀賞草的根系生長(zhǎng)受到的抑制作用隨銅、鋅質(zhì)量濃度的升高而加劇,在T4 時(shí)根長(zhǎng)降至最低,這種影響效應(yīng)與株高保持一致。
如圖1可知,8種供試植物的MDA含量隨銅、鋅質(zhì)量濃度的升高逐漸增加并高于對(duì)照,且不同品種間存在較大差異。紫葉狼尾草的MDA 含量受脅迫影響最大,在T1 時(shí),其MDA 含量達(dá)到1.17 μmol/g,是對(duì)照的1.61 倍;在T2—T3 處理時(shí),MDA 含量分別是對(duì)照的2.64 倍、3.63 倍,且均與對(duì)照差異顯著(P<0.05);T4 則均死亡,未獲取到樣本。在T1 時(shí),金紅羽狼尾草和麗色畫眉草的MDA 含量分別為1.19、1.36μmol/g,與對(duì)照無(wú)顯著差異(P>0.05),隨著質(zhì)量濃度的持續(xù)增加,二者M(jìn)DA含量分別較對(duì)照增加了1.46~2.43 倍、1.49~2.64 倍。小兔子狼尾草、細(xì)葉芒和粉黛亂子草在各個(gè)處理間變化趨勢(shì)相近,在T4時(shí)MDA 含量達(dá)到最高,三者M(jìn)DA 含量分別為對(duì)照的3.08 倍、2.99 倍和3.32 倍。香茅的MDA 含量變化較小,T1—T4是對(duì)照的1.20~2.19倍。
圖1 銅鋅復(fù)合脅迫對(duì)供試觀賞草MDA含量的影響Fig.1 Effects of Cu2+and Zn2+combined stress on MDA content of tested ornamental grasses
隨脅迫濃度的升高,供試觀賞草的CAT 活性均呈先上升后下降的趨勢(shì)(圖2)。在T1 時(shí),紫葉狼尾草、香茅和麗色畫眉草的CAT 活性與對(duì)照差異顯著(P<0.05),其余供試觀賞草的CAT 活性與對(duì)照相近(P>0.05)。在T2時(shí),金紅羽狼尾草、紫葉狼尾草、粉黛亂子草和麗色畫眉草的CAT 活性達(dá)到最高,分別較對(duì)照增加了53.15%、47.77%、55.06%和46.16%;但隨著銅、鋅質(zhì)量濃度的持續(xù)增加,CAT 活性開(kāi)始逐漸下降。在T3時(shí),小兔子狼尾草、細(xì)葉芒、細(xì)葉畫眉草和香茅的CAT 活性達(dá)到最高,其值分別為30.62、32.60、34.70、35.90 U/g,比各自對(duì)照分別增加了66.87%、68.65%、51.73%、76.76%;但在T4處理時(shí)則出現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)。
圖2 銅鋅復(fù)合脅迫對(duì)供試觀賞草CAT活性的影響Fig.2 Effects of Cu2+and Zn2+combined stress on CAT activity of tested ornamental grasses
隨著脅迫濃度的升高,所有供試觀賞草的SOD活性均呈先增大后減小的趨勢(shì)(圖3)。T1處理金紅羽狼尾草、細(xì)葉芒和粉黛亂子草的SOD 活性與對(duì)照無(wú)顯著差異(P>0.05),而其余供試觀賞草的SOD 活性上升幅度大且與對(duì)照差異顯著(P<0.05)。T2 處理紫葉狼尾草的SOD 活性達(dá)到最大,較對(duì)照增加了25.39%,隨后在T3 時(shí)明顯下降。除紫葉狼尾草外,供試觀賞草T3 處理SOD 活性均達(dá)到最高,在T4 時(shí)下降,但仍高于對(duì)照。金紅羽狼尾草的SOD 活性上升水平最高,在T1—T3 處理,其SOD 活性分別增加7.33%、31.95%和47.92%;其次細(xì)葉畫眉草和香茅的增加幅度亦較大;麗色畫眉草、粉黛亂子草、細(xì)葉芒和小兔子狼尾草的增加幅度較小,T3處理分別較對(duì)照增加了29.85%、28.89%、24.67%和20.89%。T4所有供試觀賞草的SOD活性均開(kāi)始下降。
圖3 銅鋅復(fù)合脅迫對(duì)供試觀賞草SOD活性的影響Fig.3 Effects of Cu2+and Zn2+combined stress on SOD activity of tested ornamental grasses
銅鋅復(fù)合脅迫下供試觀賞草的POD 活性均有所提高,細(xì)葉芒和香茅隨脅迫濃度的升高呈先增后減的趨勢(shì),其余6 種供試觀賞草均呈逐漸上升的趨勢(shì)(圖4)。細(xì)葉畫眉草的POD 活性上升幅度最大,在T2—T4 處理時(shí),細(xì)葉畫眉草的POD 活性顯著增加,分別較對(duì)照增加了33.59%、54.10%和68.22%。粉黛亂子草的POD活性增加幅度亦較大,T4處理較對(duì)照增加了61.27%。小兔子狼尾草和麗色畫眉草的POD 活性增加幅度相近,T1—T4 處理分別增加了12.23%~36.25%和8.86%~40.06%。金紅羽狼尾草和紫葉狼尾草的POD 活性隨質(zhì)量濃度的升高而增加,且增大的趨勢(shì)較為平緩。T3 處理細(xì)葉芒和香茅的POD 活性達(dá)到最高,分別較對(duì)照增加了40.82%和32.52%;T4 處理的POD 活性下降,但仍高于對(duì)照。
圖4 銅鋅復(fù)合脅迫對(duì)供試觀賞草POD活性的影響Fig.4 Effects of Cu2+and Zn2+combined stress on POD activity of tested ornamental grasses
利用SPSS 進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析以直觀體現(xiàn)各變量之間的相互關(guān)系。如表4 所示,溶液質(zhì)量濃度與供試觀賞草的生長(zhǎng)指標(biāo)呈顯著性相關(guān),其中與脅迫傷害等級(jí)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與株高、根長(zhǎng)分別呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)和顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。生長(zhǎng)指標(biāo)中的脅迫傷害等級(jí)與抗氧化酶活性指標(biāo)中的MDA 含量、POD 活性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),這與溶液質(zhì)量濃度和抗氧化酶活性的相關(guān)性結(jié)果一致;而株高與MDA 含量、POD 活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),但均與CAT、SOD 活性無(wú)相關(guān)性(P>0.05)。株高與根長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),MDA 含量、CAT 活性、POD 活性、SOD 活性四者之間均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。
表4 銅、鋅質(zhì)量濃度與供試觀賞草生長(zhǎng)、抗氧化酶活性指標(biāo)之間的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of concentration of Cu2+and Zn2+,growth index and antioxidant enzyme activity of tested ornamental grasses
運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法,將各個(gè)濃度處理下的脅迫傷害等級(jí)、株高、根長(zhǎng)、MDA 含量、CAT活性、POD 活性和SOD 活性7 個(gè)指標(biāo)相對(duì)值的平均值作為實(shí)測(cè)值,計(jì)算各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值和綜合評(píng)價(jià)值(表5)。8 種供試觀賞草對(duì)銅鋅復(fù)合脅迫的耐受性強(qiáng)弱依次為細(xì)葉畫眉草>金紅羽狼尾草>香茅>粉黛亂子草>麗色畫眉草>細(xì)葉芒>小兔子狼尾草>紫葉狼尾草。
表5 供試觀賞草各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)值Tab.5 Membership function value and comprehensive evaluation value of each index of tested ornamental grasses
重金屬對(duì)植物毒害作用通常表現(xiàn)為抑制植物植株的生長(zhǎng)和促進(jìn)植物的蔫萎死亡[19]。本研究表明,在不同質(zhì)量濃度的銅鋅復(fù)合脅迫處理下,8種供試觀賞草的生長(zhǎng)狀況均受到不同程度的抑制作用。細(xì)葉畫眉草的生長(zhǎng)狀況最佳,在T1—T2 處理,植株生長(zhǎng)與對(duì)照無(wú)差異,而其余7 種供試觀賞草均有出現(xiàn)不同程度的毒害效應(yīng);隨著質(zhì)量濃度的升高,細(xì)葉畫眉草仍能較為正常的生長(zhǎng),而另7 種供試觀賞草脅迫傷害等級(jí)達(dá)到最高,生長(zhǎng)嚴(yán)重受限,甚至出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。供試觀賞草在株高和根長(zhǎng)方面存在較大差異,隨著質(zhì)量濃度的升高,金紅羽狼尾草和粉黛亂子草的株高及金紅羽狼尾草、紫葉狼尾草和細(xì)葉畫眉草的根長(zhǎng)呈先增后減的趨勢(shì),這屬于低促高抑的現(xiàn)象,其與鄒文桐等[20]研究銅鋅復(fù)合脅迫對(duì)菜薹種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)及子葉生理代謝的影響一致。由于重金屬銅和鋅均是植物生長(zhǎng)必需的元素,適量的銅、鋅會(huì)加速植物體內(nèi)酶促生理反應(yīng),誘導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂,促進(jìn)其生長(zhǎng);而高濃度銅、鋅會(huì)使蛋白質(zhì)變性降解,或?qū)е碌鞍踪|(zhì)合成酶失活及DNA 轉(zhuǎn)錄翻譯途徑受阻,從而抑制植物葉片蛋白質(zhì)的合成,植物生長(zhǎng)受阻[21]。其余供試觀賞草的株高和根長(zhǎng)則隨質(zhì)量濃度的增加而逐漸降低,究其原因可能與供試觀賞草對(duì)銅鋅元素比較敏感或設(shè)置的初始濃度較高有關(guān)。
MDA 作為膜脂過(guò)氧化的終產(chǎn)物,亦是檢驗(yàn)植物受氧化脅迫程度的生理指標(biāo)之一。MDA 能夠抑制植物體內(nèi)抗氧化酶活性并降低抗氧化物含量,引發(fā)膜脂受到過(guò)氧化傷害[22]。本研究表明,8 種供試觀賞草的MDA含量較對(duì)照均有顯著增加,表明銅鋅復(fù)合脅迫增加了膜脂過(guò)氧化反應(yīng),且濃度增加,膜脂過(guò)氧化反應(yīng)加重,對(duì)植株生長(zhǎng)產(chǎn)生脅迫。這與陳艾[23]、鄔絲[24]等研究結(jié)果一致。植物體內(nèi)存在2 種抗氧化系統(tǒng),包括CAT、SOD、POD 在內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)以及小分子抗氧化物質(zhì),其中抗氧化酶系統(tǒng)用來(lái)清除逆境脅迫造成的活性氧,SOD 與清除活性氧自由基,CAT、POD與清除H2O2有關(guān)[25]。在正常情況下,植物體內(nèi)活性氧清除系統(tǒng)能夠有效清除體內(nèi)的活性氧自由基,從而使細(xì)胞免受傷害。但在逆境下,植物體內(nèi)活性氧自由基的產(chǎn)生速度超出了植物清除活性氧的能力,從而引起傷害[26]。本研究表明,所有供試觀賞草葉片中的CAT、SOD 活性隨質(zhì)量濃度的升高呈先增后減的趨勢(shì),這與周紅衛(wèi)[27]和張廷婷等[28]的研究結(jié)果一致。當(dāng)銅鋅復(fù)合質(zhì)量濃度較低時(shí)(T1—T2),供試植物的SOD 和CAT 活性有所提升,說(shuō)明防御酶系統(tǒng)能在重金屬低濃度范圍內(nèi)起保護(hù)作用[29],但超過(guò)一定量時(shí)(T3或T4),2種酶活性開(kāi)始降低,說(shuō)明自由基引起的傷害累積超過(guò)了防御酶系統(tǒng)的清除能力,抑制了其活性。除細(xì)葉芒和香茅外,其余6種供試觀賞草的POD 活性均呈增加的趨勢(shì)。表明供試觀賞草為維持抗氧化酶和活性氧體系的平衡,不斷提升POD 活性且發(fā)揮了重要作用。Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果表明,MDA 含量、CAT 活性、SOD 活性、POD 活性相互之間呈極顯著正相關(guān),這與上述研究結(jié)果一致,四者協(xié)同作用形成一條抗氧化鏈抵御重金屬脅迫對(duì)植物造成的傷害。
單一指標(biāo)并不能全面準(zhǔn)確地反映植物對(duì)重金屬的耐受性強(qiáng)弱,模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)在多指標(biāo)測(cè)定基礎(chǔ)上,通過(guò)模糊邏輯運(yùn)算和推理,消除了個(gè)別指標(biāo)帶來(lái)的片面性,又使各材料耐性差異具有可比性[30?32]。因此,本研究采用7個(gè)指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行隸屬函數(shù)值計(jì)算和綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明,8種供試觀賞草對(duì)銅鋅復(fù)合脅迫的耐受性強(qiáng)弱依次為細(xì)葉畫眉草>金紅羽狼尾草>香茅>粉黛亂子草>麗色畫眉草>細(xì)葉芒>小兔子狼尾草>紫葉狼尾草。