Cd胁迫对类芦生长及酶活性的影响

韩航，陈雪娇，侯晓龙，刘爱琴，蔡丽平，周垂帆，马祥庆

（福建农林大学林学院，福州　350002）

Cd胁迫对类芦生长及酶活性的影响

韩航，陈雪娇，侯晓龙*，刘爱琴，蔡丽平，周垂帆，马祥庆

（福建农林大学林学院，福州350002）

以类芦为材料，测定不同Cd胁迫浓度下类芦相关形态生理指标，探讨类芦在Cd污染矿区正常生长的响应机制。结果表明：低Cd浓度处理对类芦分蘖数、叶片数、株高、最大叶长有一定促进作用，随Cd浓度的增加，抑制作用逐渐增强；Cd胁迫对类芦根长和表面积有显著抑制作用，但对根平均直径（Cd臆100 mg·kg-1）和根体积（Cd臆50 mg·kg-1）有显著促进作用；Cd胁迫下类芦抗氧化酶活性下降，MDA含量升高，根系和地上部分生物量等指标均逐渐减小，阻碍了类芦的生长；不同Cd浓度胁迫下类芦根系及地上部分Cd含量逐渐增加，且转运系数大于1，对Cd具有一定富集能力。研究表明，Cd胁迫会抑制抗氧化酶活性等阻碍类芦正常生长，类芦通过调整生长格局、提高根系平均直径和表面积、刺激地上部分富集转运能力来适应Cd胁迫。

类芦；镉胁迫；形态响应；酶活性；吸收

韩航，陈雪娇，侯晓龙，等.Cd胁迫对类芦生长及酶活性的影响［J］.农业环境科学学报，2016，35（4）：647-653.

HAN Hang，CHEN Xue-jiao，HOU Xiao-long，et al.Effects of cadmium stresses on growth and antioxidant activities of Neyraudia reynaudiana［J］.Journal of Agro-Environment Science，2016，35（4）：647-653.

福建省长汀县稀土矿是我国南方典型的离子型稀土矿，长期以来稀土开采造成矿区及周边土壤重金属污染严重，生态环境恶化，一般植物无法生长［1-3］。研究表明，土壤酸化和重金属污染会限制稀土矿废弃地的生态恢复［4］。本课题组前期研究发现，重金属镉是长汀稀土矿废弃地主要的重金属污染元素之一［5］，类芦（Neyraudia reynaudiana）可在稀土矿废弃地正常生长，且可保持较大的生物量［6］，在稀土矿废弃地治理中有一定潜力。类芦可适应Cd污染较为严重的逆境入件，其中可能存在特殊的适应机制。

类芦是多用生具木质根状茎草本植物，具有耐干旱贫瘠、根系发达等特点，是一种水土保持的先锋植物，在南方水土流失治理中有广泛应用［7］。近用来，国内外学者在类芦对环境逆境胁迫的响应方面开展了研究，蔡丽平等［8］研究发现，类芦对干旱有较好的耐性，其一方面会通过叶片数、最大叶宽和分蘖数的增加及最大叶长的减小来减少水分的蒸发速率，另一方面会通过CO2浓度、叶绿素、MDA及相对电导率的增加来提高水分利用率。戴文娇等［9］发现，类芦对Pb有较强的耐性，对土壤铅耐受浓度可达到800 mg·kg-1，随胁迫浓度增加，出现中毒症状，但仍能存活。重金属胁迫下的植物会表现为叶形变小或者枯黄、叶片伤斑增多、节间变短、枯梢明显、小枝丛生、树冠发育差、用生长量减少，同时对植物生理也有很大影响［4，10-12］。正常情况下，植物体内有完善的清除活性氧的防卫系统，在重金属胁迫下，活性氧代谢失衡，对植物造成毒害［13］。但耐性植物对环境逆境可表现出特殊的适应机制，通过形态改变、调整转运重金属在体内位置，降低毒害来适应胁迫［14-16］，揭示植物对逆境胁迫的响应机制，对挖掘其环境修复潜力具有重要现实意义。目前有关类芦对土壤重金属Cd胁迫的研究还较少，特别是类芦对Cd胁迫的形态响应尚不清楚。

本文通过类芦室内土培胁迫试验，设计不同Cd胁迫浓度处理，测定不同Cd胁迫入件下类芦的地上部分、根系形态、酶活性和生物量等生长指标，分析类芦对Cd的富集和转运能力，探讨类芦对Cd胁迫的响应策略，以期为稀土矿废弃地的植被恢复提供科学依据。

1　材料与方法

1.1材料和来理

类芦种子选自深圳鑫淼森种子公司。种子进行预处理后，用蒸馏水浸泡24 h，播入盆中，待发芽后，每隔7 d浇一次100 mL的Hoagland营养液。选取长势一致和根系完整的类芦植株，在株高12 cm左右进行盆栽试验。培养盆中基质为3颐1的洗净河沙和黄心土，一盆一苗，缓苗14 d后进行胁迫实验。共设4组镉胁迫处理：Cd-0 mg·kg-1、Cd-25 mg·kg-1、Cd-50 mg·kg-1、Cd-100 mg·kg-1（分别对应图表中Cd0、Cd25、Cd50、Cd100），每个浓度5个重复。采用CdCl2· 2.5H2O配成对应浓度溶液，胁迫前一次性施加。

1.2测试指标和方法

1.2.1根系形态

在处理后150 d收获类芦，对其根系进行图像扫描（数字化扫描仪STD1600 Epson USA）。根系形态、根长指标等使用WinRhizo（Version 4.0B）根系分析系统软件（Regent Instruments Inc，Canada）进行分析。

1.2.2地上形态

每隔30 d测量类芦株高、叶片长度、分蘖数、叶片数等指标。叶片宽度用卷尺测量，株高为分蘖节到拉直后最长叶尖距离，叶片长度以叶身计算（不含叶鞘）。

1.2.3生物量

类芦收获后洗净尘土放入烘箱，105益杀青30 min，70～80益烘至恒重，百分之一天平称量其生物量。

1.2.4抗氧化酶

超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑法；过氧化氢酶（CAT）采用紫外吸收法；过氧化物酶（POD）采用愈创木酚法测定。

1.2.5丙二醛

丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定。

1.2.6镉含量

类芦样品粉碎后，采用HNO3-HClO4消解，1% HNO3处理并定容后，使用SolaarM6火焰原子吸收分光光度法（AAS）测定Cd含量。

1.2.7数据处理

统计分析使用单因子方差分析、相关性方法SPSS 19.0，数据均为5次重复实验数据的平均值依标准差，不同小写英文字母表示处理间差异达到显著水平（P＜0.05）。

2　结果和分析

2.1镉胁迫下类芦生长指标变化趋势

由图1可知，Cd25处理下，除株高外，对类芦不同生长时期的各生长指标均有一定的促进效应；随Cd胁迫浓度的增加，类芦的分蘖数和叶片数抑制作用明显，但Cd50和Cd100处理下无显著差异（P＜0.05），说明在土壤Cd浓度达到一定高度后，对类芦的分蘖数和叶片数抑制作用逐渐减弱。类芦株高和最大叶长在Cd50和Cd100处理下显著小于Cd0和Cd25处理，说明对株高和叶长的抑制作用显著（P＜0.05）。

图1　不同浓度镉胁迫下类芦的生长指标Figure 1　Growth index of Neyraudiareynaudiana under Cd stresses

2.2镉胁迫对类芦根系的影响

由图2可知，Cd胁迫对类芦根表面积和根长有显著抑制作用（P＜0.05），且随Cd浓度的增大，抑制作用更为明显；低Cd浓度处理（25 mg·kg-1）对类芦根体积和平均直径有显著促进作用（P＜0.05），且Cd浓度增大，对根平均直径的促进作用明显，说明类芦可能通过根系直径的增大来适应高浓度Cd胁迫环境。

2.3镉胁迫对类芦生物量及其分配的影响

由图3可知，Cd胁迫对类芦地上部分和整株生物量均有显著抑制作用（P＜0.05），且随Cd浓度的增大，抑制作用更为明显。Cd浓度大于50 mg·kg-1后，地上部分生物量无显著差异（P＜0.05），说明高浓度Cd胁迫入件下，类芦地上部分生物量抑制作用有减弱趋势；低Cd浓度（25 mg·kg-1）对类芦根系生物量无显著影响，但随Cd浓度的增大，抑制作用显著（P＜ 0.05）。根冠比表现为先增大后减小的规律，说明随镉胁迫增加，地上部分配的生物量增加，可能是通过将Cd转移至地上部而减轻其对根系的危害。

2.4镉胁迫对类芦抗氧化酶和丙二醛的影响

由图4可知，类芦抗氧化酶系统中SOD、POD、CAT活性在Cd胁迫下基本呈下降趋势，且两两之间差异显著。MDA含量随Cd浓度增加而显著增长，其在Cd100处理组达到最大值，比对照组增长了72.3%。

2.5镉胁迫对类芦体内镉含量的影响

由图5可知，类芦在不同浓度Cd胁迫处理下，根系和地上部Cd含量均显著大于对照（P＜0.05），根系中Cd含量比对照分别增长了640.5%、1639.2%、1 294.6%，地上部分别增长了1 487.2%、2 587.4%、3 006.3%，说明类芦对Cd有强的富集能力；类芦根系富集能力在Cd50处理下达到最大值12.87 mg·kg-1，地上部在Cd100处理下达到最大值29.2 mg·kg-1。各胁迫浓度下生物转运系数均大于1（转运系数=地上部Cd含量/地下部Cd含量），说明类芦对Cd有较强的转运能力，具有一定的修复潜力。

图2　不同浓度镉胁迫下类芦根系形态变化Figure 2　Root morphology of Neyraudia reynaudiana under Cd stresses

图3　不同浓度镉胁迫来理对类芦生物量的影响Figure 3　Biomass of Neyraudia reynaudiana under Cd stresses

2.6镉胁迫下类芦相关形态指标、酶活性以及重金属含量相关性分析

通过SPSS19.0软件对类芦根系（根表面积、根长、根体积、根平均直径）、抗氧化酶活性（POD、SOD、CAT活性）、MDA含量以及类芦体内镉含量数据进行Pearson相关性分析，结果表明：根长、根表面积、POD、SOD、CAT分别与根系重金属含量、地上部分重金属含量互为极显著负相关；根平均直径与根系重金属含量、地上部分重金属含量呈极显著正相关；根长、根表面积分别与POD、SOD、CAT活性互为极显著正相关。

图4　不同浓度镉胁迫来理对类芦抗氧化酶及丙二醛的影响Figure 4　Effects of Cd stresses on antioxidant enzymes and MDA content of Neyraudia reynaudiana

图5　不同浓度Cd胁迫下类芦植株镉含量Figure 5　Concentrations of Cd in shoots and roots of Neyraudia reynaudian under Cd stresses

3　讨论

镉是毒性最强的重金属元素之一，镉胁迫下植物细胞和植株生长受到强烈抑制，生物量下降，干物质减轻，叶片变黄出现死斑［17-18］，同时植物体内蛋白质及生物大分子发生变性、细胞膜脂过氧化严重，活性氧代谢失衡，酶活性降低，产生大量过氧化物质MDA，对植物生长造成过氧化伤害甚至致其死亡［11，18-19］。本文中类芦受重金属Cd胁迫后，体内抗氧化酶系统受到显著抑制，POD、CAT、SOD活性大幅下降，MDA含量显著上升，类芦生长受到一定阻碍，与前人的研究结论基本一致［20-22］。

长汀类芦能够在Cd污染环境正常生长，并保持较高的生物量，说明类芦可能对重金属Cd有特殊的适应机制。研究表明，逆境胁迫下植物可通过改变生物量分配布局来维持生存［23］。类芦在干旱胁迫下，根系总长度、根表面积、根冠比等相应增大来汲取更多水分维持生存。根系作为植物和土壤联系界面，会敏感捕捉土壤环境变化，及时产生化学信号传递给植物器官，进行各器官形态建构和生理调整来适应变化［8］。从本文中类芦生长来看，低浓度Cd胁迫下，改变自身形态指标，会刺激类芦地上部分生长，增加分蘖数、叶片数等来适应胁迫，增强生存能力。类芦根系在高浓度（Cd50、Cd100）胁迫下，根生物量和根长大幅降低，全株生物量整体下降，干物质减轻，但根表面积相对稳定发育，根平均直径和根体积有所增大，增强了对重金属的吸收转运能力，将Cd转移至地上部，造成地上部Cd含量远大于地下部，从而减轻重金属对植物的伤害。另外，通过对类芦数据相关性分析可得，Cd胁迫下类芦根系生长受到部分抑制，体内酶活性随之下降，但根平均直径的增长、根体积的稳定，一定程度刺激了根系和地上部吸收转运Cd的能力。这可能是类芦适应逆境生存的特殊机制之一。此外，类芦在Cd100处理时地上部Cd含量最大值为29.20 mg· kg-1，虽未达到Cd超富集植物标准，但类芦生物量较大，每平方米生物量可达410 g［9］，在不同浓度胁迫下其生物转运系数均大于1，因而具有较好的迁移能力和修复潜力。类芦在废弃矿污染区大面积种植，除修复生态环境作用，还有中药药用植物解毒利湿功能的经济价值，作为南方治理水土流失、固土保水的先锋植物，其在福建水土流失严重和部分重金属污染重叠区具有一举双得的作用。

本文对类芦胁迫下细胞超微结构变化和叶绿素等指标研究还有所不足，进一步论证类芦在复杂环境下的修复效果，改善生长环境和其他诱导强化入件来提高对重金属离子的吸收能力和植株生物量，强化其适应胁迫和吸收重金属能力，服务于重金属污染区修复工作，具有重要意义。

4　结论

类芦在Cd胁迫下，体内SOD、POD、CAT等活性受抑制，抗氧化系统失衡，产生MDA等有害物质，抑制植物生长。低浓度Cd胁迫对类芦分蘖数、叶片数、根平均直径等有一定促进作用，对类芦根体积和平均直径有显著促进作用（P＜0.05）。随Cd胁迫浓度的升高，类芦分蘖数、叶片数、最大叶长、根长等抑制作用明显，但趋势较缓，表现出对Cd胁迫逐步适应的趋势；对根平均直径的促进作用明显，说明类芦可能通过调整自身生长格局及生物量分配，增大根系直径、根体积等方式来适应高浓度Cd胁迫环境。整体来看，类芦在不同Cd浓度胁迫下转运系数均大于1，且生物量较高，可作为修复重金属Cd污染地区的潜力植物。

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Effects of cadmium stresses on growth and antioxidant activities of Neyraudia reynaudiana

HAN Hang，CHEN Xue-jiao，HOU Xiao-long*，LIU Ai-qin，CAI Li-ping，ZHOU Chui-fan，MA Xiang-qing
（Forestry College of Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou 350002，China）

Neyraudia reynaudiana is a hard plant that can grow in poor soil，even in heavy metal polluted soils.Here we examined physiological indexes of N.reynaudiana under different Cd stresses and discussed the response mechanisms of N.reynaudiana growth in Cd-polluted mining area.Low Cd concentrations had certain promotional effects on the number of tiller and leaf，the plant height and the maximum leaf length.However，increasing Cd concentrations caused inhibitory effects on plant.The length and surface area of N.reynaudiana roots were significantly inhibited even at low Cd stresses.However，the average diameter and volume of the roots were promoted by臆100 mg Cd·kg-1and臆50 mg Cd·kg-1，respectively.Cadmium stresses reduced antioxidant activity，but increased MDA content of N.reynaudiana.Cadmium content gradually increased in the roots and aboveground parts of N.reynaudiana under different Cd stresses.Transfer coefficient of Cd was greater than one，indicating the accumulation ability of Cd by the plant.These findings indicate that Cd stresses inhibit the activity of antioxidant enzymes，resulting in the decreases in the growth of N.reynaudiana；however，N.reynaudiana could adapt the Cd stresses through adjusting the growth pattern，increasing root diameter and surface area and stimulating the transportation capacity of Cd to the aboveground.

Neyraudia reynaudiana；cadmium stress；phytoremediation；antioxidant activity；uptake

X503.23

A

1672-2043（2016）04-0647-07

10.11654/jaes.2016.04.006

2015-11-15

国家科技支撑计划项目（2014BAD15B02）；国家自然科学基金项目（41401364）；国家林业局林业公益性行业科研项目（201304303）；农业高校产学合作科技重大项目（2013N5002）；福建农林大学林学院院青用基金项目（6112C039J）；福建省自然科学基金项目（2013J01073）

韩航（1993—），男，安徽桐城人，硕士研究生，从事生态修复方面的研究。E-mail：1198011986@qq.com

侯晓龙E-mail：xl，hou@fafu.edu.cn