Pb和Cd单一及复合胁迫条件下溪荪(Iris sanguinea)生长及金属离子积累特征分析

王鸿燕，黄苏珍，①，原海燕，陈晓萱，马万荣

〔1.江苏省·中国科学院植物研究所(南京中山植物园)，江苏 南京 210014； 2.江苏大千生态景观股份有限公司，江苏 南京 210024〕

农药和“工业三废”(废水、废渣、废气)中所含的大量Pb和Cd是污染环境的主要重金属元素；Pb和Cd被排放至土壤和水体后，通过植物的吸收作用而富集到食物链中，对人体健康和生态环境产生极为不利的影响［1-2］。因此，开展Pb和Cd污染环境的修复研究具有重要的现实意义，并已受到一定的关注。

溪荪(Iris sanguinea Donn ex Horn.)又名东方鸢尾，属鸢尾科(Iridaceae)鸢尾属(Iris L.)多年生草本植物，生于溪流边缘、沼泽地、湿草地或向阳坡地，花大而美丽，可为庭园绿化和切花之用；根、茎均可入药，具有清热解毒的作用［2］。目前，有关Pb和Cd单一及复合胁迫条件下溪荪植株生长状况及其对金属离子吸收能力的研究尚未见报道，关于溪荪是否具有修复Pb和Cd污染环境的能力尚不清楚。鉴于此，作者以溪荪幼苗为实验材料，采用水培方法研究了Pb和Cd单一及复合胁迫对溪荪幼苗地上和地下部分生长及Pb、Cd、Zn、Cu、K、Na等金属离子积累的影响，为探讨溪荪对Pb和Cd的耐性机制及其在修复污染环境中的应用提供理论支持。

1 材料和方法

1.1 材料

实验用溪荪种子为江苏省·中国科学院植物研究所鸢尾种质圃内的溪荪无性繁殖群体所结的子实。

1.2 方法

1.2.1 幼苗培育及胁迫处理 采用Han等［3］的方法培育溪荪幼苗。选择生长健壮且长势基本一致的植株(苗高约10 cm)，从培养盘中取出并洗净后栽植于装有300 mL 1/2Hoagland营养液的培养瓶中预培养，每瓶6株幼苗；置于室内培养，光照度1 500～3 000 lx、温度20℃～30℃。

预培养10 d后，将培养液更换为含不同质量浓度Pb和Cd的1/2Hoagland营养液进行胁迫处理。其中，Pb和Cd分别以Pb(NO3)2和Cd(NO3)2的形式加入。实验设3个处理组，即Pb单一胁迫处理组(500 mg·L-1Pb)、Cd单一胁迫处理组(25 mg·L-1Cd)和Pb-Cd复合胁迫处理组(500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd)，以不添加Pb和Cd的1/2Hoagland营养液为对照(CK)。每处理1瓶，各重复3次，每隔4天更换1次培养液。

1.2.2 生长指标测定 胁迫处理20 d后取样，冲洗干净后测量并计算各处理组所有植株根系的平均长度，并按照公式“耐性指数=(处理组平均根长/对照组平均根长)×100％”计算耐性指数［3］。各处理随机选3株幼苗，80℃干燥箱内干燥至恒质量，分别称量地上部分和地下部分的干质量。

1.2.3 离子含量测定 分别称取地上部分和地下部分干样约0.1 g，剪碎后用V(HNO3)∶V(HClO4)= 87∶13混合液6 mL浸泡12 h，然后消煮至近干；加入10 mL体积分数5％HNO3，水浴振荡使之充分溶解，并用体积分数5％HNO3定容至25 mL；用TAS990火焰原子分光光度计(AAS)测定消煮液中Pb、Cd、Zn、Cu、K和Na的含量［3］。

1.3 数据分析

应用Excel和SPSS 13.0软件对实验数据进行统计和方差分析(ANOVA)；所有数据均为3次重复的平均值。

2 结果和分析

2.1 Pb和Cd单一及复合胁迫对溪荪幼苗干质量和耐性指数的影响

经Pb和Cd单一及复合胁迫后溪荪幼苗地上部分和地下部分的干质量及耐性指数见表1。由表1可见：在500 mg·L-1Pb单一胁迫条件下，溪荪幼苗地下部分干质量比对照降低了18.2％，差异显著；但地上部分干质量与对照差异不显著；耐性指数与对照无显著差异。25 mg·L-1Cd单一胁迫条件下，溪荪幼苗地下部分与地上部分的干质量均显著低于对照，分别较对照降低了16.4％和14.1％，耐性指数降低了7％，表明25 mg·L-1Cd单一胁迫显著抑制了溪荪幼苗的生长。在500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd复合胁迫条件下，溪荪幼苗地下部分和地上部分的干质量与对照差异不显著，且耐性指数仅下降了5％，说明Pb-Cd复合胁迫减弱了Pb和Cd单一胁迫的抑制作用，对溪荪生长的影响相对减弱。

表1 Pb和Cd单一及复合胁迫对溪荪幼苗地上部分和地下部分干质量及耐性指数的影响(±SD)1)Table 1 Effects of single and combination stresses of Pb and Cd on dry weights of above-and under-ground parts and tolerance index of Iris sanguinea Donn ex Horn.seedlings(±SD)1)

表1 Pb和Cd单一及复合胁迫对溪荪幼苗地上部分和地下部分干质量及耐性指数的影响(±SD)1)Table 1 Effects of single and combination stresses of Pb and Cd on dry weights of above-and under-ground parts and tolerance index of Iris sanguinea Donn ex Horn.seedlings(±SD)1)

1)表中数据为3次重复的平均值Datums in this table are the average of three replications；同列中不同的小写字母表示经邓肯氏新复极差测验差异显著(P=0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference by Duncan’s new multiple range test(P=0.05).

质量浓度/mg·L-1 Concentration Pb Cd干质量/g Dry weight地下部分Under-ground part 地上部分Above-ground part耐性指数Tolerance index 0 0 0.055±0.020a 0.071±0.013a 1.00±0.023a 500 0 0.045±0.022b 0.069±0.014a 0.99±0.105a 0 25 0.046±0.034b 0.061±0.012b 0.93±0.038b 500 25 0.052±0.030a 0.070±0.021a 0.95±0.137ab

2.2 Pb和Cd单一及复合胁迫条件下溪荪幼苗对金属离子的积累规律分析

2.2.1 对Pb和Cd的积累 Pb和Cd单一及复合胁迫条件下溪荪幼苗对Pb和Cd的积累状况见表2。由表2数据可以看出：在500 mg·L-1Pb单一胁迫及500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd复合胁迫条件下，溪荪幼苗地下部分的Pb含量均高于地上部分；在Pb单一胁迫条件下，溪荪幼苗地上部分和地下部分的Pb含量分别为671.384和835.773μg·g-1，分别比Pb-Cd复合胁迫处理组高19.8％和16.0％，说明Pb-Cd复合胁迫降低了溪荪幼苗对Pb的积累。

在25 mg·L-1Cd单一胁迫和500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd复合胁迫条件下，溪荪幼苗地上部分的Cd含量明显高于地下部分；在Cd单一胁迫条件下，溪荪幼苗地上部分和地下部分的Cd含量分别为404.060和95.149μg·g-1；而在Pb-Cd复合胁迫条件下，幼苗地上部分和地下部分的Cd含量明显高于Cd单一胁迫处理组，分别是后者的2.02和5.74倍。可见，Pb-Cd复合胁迫显著促进了溪荪幼苗对Cd的积累及其向地上部分的迁移。

表2 Pb和Cd单一及复合胁迫条件下溪荪幼苗体内Pb和Cd含量的比较1)Table 2 Com parison of Pb and Cd contents in seed lings of Iris sanguinea Donn ex Horn.under single and combination stressesof Pb and Cd1)

2.2.2 对Zn、Cu、K和Na的积累 Pb和Cd单一及复合胁迫条件下溪荪幼苗对Zn、Cu、K和Na的积累状况见表3。由表3可知：在Pb和Cd单一及复合胁迫条件下，溪荪地上部分的Zn含量均高于地下部分；经Pb和Cd单一及复合胁迫处理后，溪荪体内的Zn含量均高于对照，特别是在Pb-Cd复合胁迫条件下，地上部分和地下部分的Zn含量分别为对照的2.86和1.73倍。上述结果说明：Pb和Cd单一及复合胁迫可促进溪荪幼苗对Zn的吸收，且Pb-Cd复合胁迫的促进作用更显著。

在Pb和Cd单一及复合胁迫条件下，溪荪幼苗地上部分和地下部分的Cu含量均明显高于对照。在500mg·L-1Pb单一胁迫条件下，溪荪幼苗地下部分的Cu含量高于地上部分；而在25 mg·L-1Cd单一胁迫及500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd复合胁迫条件下，则表现为地上部分的Cu含量高于地下部分。在Pb-Cd复合胁迫条件下，地上部分和地下部分的Cu含量均最高，分别是对照的3.92和9.45倍。上述结果说明：Pb和Cd单一及复合胁迫对溪荪幼苗Cu的吸收有一定的促进作用，其中Pb胁迫对溪荪地下部分Cu吸收的促进作用更为明显，且Pb-Cd复合胁迫能明显促进溪荪体内Cu的积累。

表3 Pb和Cd单一及复合胁迫条件下溪荪幼苗体内Zn、Cu、K和Na含量的比较1)Table 3 Com parison of contents of Zn，Cu，K and Na in seed lings of Iris sanguinea Donn ex Horn.under single and combination stresses of Pb and Cd1)

各处理组溪荪地上部分的K含量都明显高于地下部分；Pb和Cd单一胁迫条件下，地上部分K含量均较对照有所增加，但增加幅度不明显；在Pb-Cd复合胁迫条件下，地上部分K含量较对照下降了37.0％，下降幅度明显。与对照相比，经Pb和Cd单一及复合胁迫处理后，溪荪地下部分K含量均有一定程度的降低，其中，复合胁迫后地下部分的K含量下降幅度最大，较对照降低了62.0％。说明Pb-Cd复合胁迫对溪荪幼苗K吸收有显著的抑制作用。

经Pb和Cd单一及复合胁迫处理后，溪荪幼苗地上部分和地下部分的Na含量均高于对照；在Cd单一胁迫条件下，幼苗地上部分和地下部分的Na含量均最高，分别为对照的1.43和2.37倍；但在Pb单一胁迫和Pb-Cd复合胁迫条件下，地上部分的Na含量增加幅度不大，而地下部分的Na含量增加幅度也小于Cd单一胁迫处理组。上述结果说明：Cd单一胁迫对溪荪体内Na积累的促进作用较Pb单一胁迫更明显，而Pb-Cd复合胁迫则削弱了这种促进作用。

3 讨论和结论

在逆境条件下，植物体内的活性氧代谢平衡被打破，超氧自由基增多，导致膜蛋白和膜脂受损，生物膜的结构和功能被破坏，最终使植物的正常生长代谢受到影响［4］。Pb和Cd均为土壤中的主要重金属污染元素，植物根系能够快速直接地吸收大量的Pb和Cd，引起根系生长率下降、导致侧根发育受到抑制。李永丽等［5］的研究结果显示：在500 mg·L-1Pb胁迫条件下，东方香蒲(Typha orientalis Presl)的生物量急剧下降，植株生长被抑制。仇硕等［6］用25 mg·L-1Cd处理黄菖蒲(I.pseudacorus L.)幼苗，幼苗的根长、侧根数量、干质量等都明显小于对照。本实验结果与上述研究结果有相似之处，即：在500 mg·L-1Pb和25 mg·L-1Cd单一胁迫条件下溪荪的生长受到一定程度的抑制作用，但在500mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd复合胁迫条件下，溪荪的生长状态与对照差异不大。这可能是由于Pb和Cd具有拮抗作用，削弱了彼此的毒性；也可能与离子形态和浓度比例有关［7］。

Pb进入植物体后绝大部分积累在根部，运输到地上部分的Pb仅占其中的一小部分，本实验结果也说明了这一点。但在实验设置的胁迫条件下，溪荪幼苗地上部分的Cd、Zn、Cu、K和Na等离子的积累量基本都高于地下部分，说明这些金属离子较易转移到溪荪的地上部分，而Pb主要积累于溪荪的根部，这与Stoltz等［8］的研究结果不同。Stoltz等认为：重金属在湿地植物体内趋向于积累在根部。这可能是由于Pb在根系中主要以Pb(PO4)2和PbCO3等沉淀形式存在，而在植物汁液中以离子态和络合态Pb存在，由于吸持、钝化或沉淀作用，植物根系吸收的Pb向地上部分的运输比较困难［9-10］。土壤吸附动力学实验结果［11］表明，Pb对植物吸收Cd有一定的促进作用，本实验结果与之相一致。然而，Cd却对Pb的吸收有一定的抑制作用。Pb和Cd胁迫对植物体一些离子的吸收有一定的促进或者抑制作用，这与离子之间的协同或者拮抗作用有关［12］。本实验中，溪荪幼苗内Pb、Cd、Zn、Cu和Na等元素的含量变化大部分都表现出一定的同步作用，这与陈彤等［13］的研究结论(即：在苔藓植物体内Cu、Pb、Cd和Zn含量具有显著的正相关关系和协同效应)一致。但是在本研究中，溪荪地下部分的K含量却呈下降趋势，尤其是在Pb-Cd复合胁迫条件下下降幅度更大，这可能是因为K是植物生长所必需的金属元素，与其他离子的来源和作用并不相似；或者由于K呈离子状态溶于植物细胞液中，在维持液泡的渗透势和细胞膨压中起着重要作用，细胞的伸长生长与K含量有密切的关系，其主要功能与植物的新陈代谢有关［14］；Pb-Cd复合胁迫导致溪荪的生长受到抑制，细胞结构被破坏，新陈代谢减缓，从而导致K的流失。Pb-Cd复合胁迫对溪荪体内Na吸收的促进作用并不明显，Cd单一胁迫条件下Na含量变化显著，这与Na元素自身特性和浓度比例有关，还与共存元素的性质和浓度比例有关［15］。

综上所述，溪荪对Pb胁迫有相对的耐性，对Pb和Cd均具有一定的积累作用，可用于Pb污染环境的修复，尤其是可用于湿地Pb污染环境的修复。

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