硅对镉胁迫下不同狼尾草属牧草生理代谢的影响

2018-11-07刘大林陈鸣晖黄玉婷

草地学报 2018年5期

邵将, 陈瑶，刘大林，陈鸣晖, 吴亚, 黄玉婷

(扬州大学动物科学与技术学院，江苏扬州225009)

镉(Cd)是重金属污染“五毒”之一”，对土壤和水体都有严重污染，不仅威胁着人类的健康，还对生态系统有着巨大危害[1]。21世纪以来，随着工业化的发展，我国重金属污染土壤面积约2 000万公顷，占总耕地面积的1/5，其中镉污染耕地达到了1 133万公顷[2]。镉胁迫会引起植株表面中毒症状[3]，如茎叶变黄[4]、叶坏死和根褐化[5]，同时也会对酶活性等生理生化进程造成不良影响[6]，水稻[7]、小麦[8]等农作物籽粒也由于镉污染带来的富集而无法食用。

美洲狼尾草(Pennisetumamericanum)和杂交狼尾草(Pennisetumamericanum×P.purpureum)是狼尾草属中常见且广泛种植的禾本科牧草，喜南方高温湿润的气候条件，具有高产、生物量大、抗旱耐涝等特性，是优质的牧草，同时也可作为能源草和观赏草，用途十分广泛[9]。狼尾草主要种植于长江流域及淮河以南区域[10]，高大的生物量、用途的广泛性、良好生态习性使其具有更大种植优势，但是狼尾草在镉污染严重地区不能良好生长，因此研究减轻镉毒害的技术措施十分必要。

硅是植物体内一种重要的元素，有关硅缓解植物镉胁迫的研究表明，硅能够很好的调节植物的光合作用和蒸腾作用，适量的硅可以加厚植物细胞壁，降低细胞呼吸速率，减缓植物凋萎速度，硅还能够提高多种植物的生物量，改善植物的生理生化指标，增强植物的抗逆性，缓解镉对植物的毒害[11-14]。但在硅缓解重金属毒害方面，主要研究还集中在水稻等粮食作物上，而对狼尾草属牧草的研究还鲜有报道，本试验选用杂交狼尾草和美洲狼尾草为材料，研究外源硅对镉胁迫下不同狼尾草属牧草生理代谢的影响，旨在探讨外源硅缓解狼尾草属牧草镉胁迫的作用机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在扬州大学教科园区进行，播种基质为黏土和黄沙的混合物,按1:3的比例配制。土壤有机质含量为11.3 mg·kg-1，全氮含量为1.5 g·kg-1，速效磷含量为34.3 mg·kg-1，速效钾含量为86.2 mg·kg-1，Cd含量为0.05 mg·kg-1(HNO3-HC1O4-HF提取，ICP-MS测定)。

试验中重金属Cd的添加形式为分析纯CdCl2·2.5H2O，硅以K2Si03的形式加入，均由国药集团化学试剂有限公司生产。试验材料为美洲狼尾草和杂交狼尾草,种子均为江苏省农科院畜牧研究所提供。

1.2 试验设计

试验为盆栽，每盆(直径50 cm，高45 cm)装基质土8 kg，基肥为复合肥(尿素、磷酸二胺、硫酸钾)，按高产田水平施用(5 g每盆)。于播种前两周将基础土样、基础肥料搅拌混匀后装入盆中，镉以CdCl2·2.5H2O溶液形式加入，硅以K2Si03的形式加入，以蒸馏水作为对照(CK)，三叶期定苗3株/盆，覆土1.5～2 cm，视情况浇水。设置13个处理组，每个处理组重复3次：①CK(不加硅不加镉)；②加镉不加硅：镉的处理分别为20，40，80 mg·L-1等3个浓度梯度，依次编号为Cd20,Cd40,Cd80；③加硅加镉：硅共设1.0，2.0，4.0 mmol·L-1等3个处理浓度，分别记作Si1、Si2和Si4。具体试验设计如表1所示。

表1 土壤不同处理Table 1 Different soil treatments

1.3 试验方法

种子出苗后60 d后，每隔3天随机采取狼尾草新鲜倒三片功能叶进行生理指标测量，每个处理取3个重复。超氧化物歧化酶(SOD)活性、过氧化物酶(POD)活性分别采用南京建成生物工程研究所试剂盒测定；细胞膜透性采用DDS-11A电导仪测定[15]，以相对电导率(%)表示；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)氧化法测定；脯氨酸(Pro)含量采用磺基水杨酸抽提法测定[16]。

1.4 数据处理

用Excel 2003对测定数据进行进行输入和简单整理，图中数据为3次重复的平均值±标准差，再用SPSS 17.0中单因素方差分析(One-way ANOVA)和最小差异显著法(LSD)在0.05水平上比较不用数据组间差异性，最后用Excel 2003制图。

2 结果与分析

2.1 硅对镉胁迫下2种狼尾草叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

超氧化物歧化酶(SOD)是植物体内重要的酶促防御系统之一[16]，它的活性与植物的抗逆性密切相关。由图1可知，外源不施加硅的情况下，2种狼尾草叶片的SOD活性均随着Cd浓度的增加呈先增加后减小的变化趋势；其中Cd浓度为40 mg·L-1时，2种狼尾草叶片的SOD活性均显著高于对照组(P<0.05)；而Cd浓度为80 mg·L-1时，2种牧草SOD活性却显著低于对照组(P<0.05)；由此可见，高浓度Cd处理下(80 mg·L-1)，2种狼尾草叶片的SOD活性较对照均显著下降(P<0.05)。硅处理组的SOD活性均高于Cd胁迫组，其中美洲狼尾草在Si4处理下，SOD活性显著高于对照组(P<0.05)，与对照相比增加了15.6%，杂交狼尾草则在Si2、Si4处理下均显著高于对照组(P<0.05)。

图1 外源硅对镉胁迫下2种狼尾草超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响Fig.1 Effect of Exogenous Silicon on the superoxide dismutase (SOD) activity of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress注：不同小写字母表示处理之间差异显著(P<0.05)，下同Note:Different lowercase letters indicate significant difference between treatments at the 0.05 level,the same as below

2.2 硅对镉胁迫下2种狼尾草过氧化物酶(POD)活性的影响

过氧化物酶(POD)与植物的呼吸作用、光合作用及生长素的氧化都有密切关系，从图2可知，不同浓度镉处理下2种狼尾草的POD活性整体上均呈现先升高后降低的趋势。但美洲狼尾草在Cd浓度为40 mg·L-1时，其POD活性显著高于对照组(P<0.05)，Cd浓度为80 mg·L-1时，其POD活性显著低于对照组(P<0.05)。杂交狼尾草在Cd浓度为40 mg·L-1、80 mg·L-1时POD活性均显著低于对照组(P<0.05);美洲狼尾草在Cd浓度为80 mg·L-1时加不同浓度硅处理后，其活性逐渐增加，当硅浓度为4.0 mmol·L-1时，POD活性显著高于对照组(P<0.05)。杂交狼尾草加不同浓度硅处理后，其POD活性都呈现升高，当硅浓度达到4.0 mmol·L-1时，杂交狼尾草在Cd浓度为40 mg·L-1和80 mg·L-1处理下的POD活性都显著高于对照组(P<0.05)。

图2 外源硅对镉胁迫下2种狼尾草过氧化物酶(POD)活性的影响Fig.2 Effect of Exogenous Silicon on the peroxidase (POD) activity of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress

2.3 硅对镉胁迫下狼尾草属叶片细胞膜透性的影响

细胞膜透性是反应植物抗逆性强弱的指标[17]，主要表现在电导率上。由图3可知，在不施硅的情况，2种狼尾草随着Cd浓度的增加而增加，且其电导率均显著高于对照组(P<0.05);施加硅处理后均能有效的降低电导率，美洲狼尾草在硅浓度为4.0 mmol·L-1时都显著低于对照组(P<0.05)，其中在Cd浓度为40 mg·L-1、80 mg·L-1时，硅浓度为2.0 mmol·L-1时其相对电导率也显著低于对照组(P<0.05)；杂交狼尾草在Cd浓度为40 mg·L-1时，硅浓度达到4.0 mmol·L-1时与对照相比能够显著降低电导率(P<0.05)，而在Cd浓度为80 mg·L-1时，3个硅处理浓度均能显著降低电导率(P<0.05)。

图3 外源硅对镉胁迫下2种狼尾草叶片相对电导率的影响Fig.3 Effect of Exogenous Silicon on the relative electrical conductivity of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress

2.4 硅对镉胁迫下2种狼尾草叶片脯氨酸(Pro)含量的影响

脯氨酸作为渗透调节物质，保持原生质与环境的渗透平衡，在植物处于逆境时，游离脯氨酸含量便会大量积累[17]。由图4可知，在不同Cd处理下2种狼尾草叶片脯氨酸含量增加，在Cd浓度为40 mg·L-1、80 mg·L-1时，2种狼尾草叶片脯氨酸含量均显著高于对照组(P<0.05);加不同浓度硅处理后可有效的降低2种狼尾草叶片脯氨酸含量，美洲狼尾草在Cd浓度为40 mg·L-1时，硅浓度达到4.0 mmol·L-1可以显著降低脯氨酸含量(P<0.05)，而在Cd浓度为80 mg·L-1时，3个硅处理组脯氨酸含量均显著低于对照组(P<0.05);对于杂交狼尾草只有在Cd浓度达到80 mg·L-1时，硅浓度达到2.0 mmol·L-1、4.0 mmol·L-1时叶片脯氨酸含量才显著低于对照组(P<0.05)。

图4 外源硅对镉胁迫下2种狼尾草叶片脯氨酸含量的影响Fig.4 Effect of Exogenous Silicon on the Proline content of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress

2.5 硅对镉胁迫下2种狼尾草叶片丙二醛(MDA)含量的影响

丙二醛(MDA)作为植物组织在逆境下遭受氧化胁迫发生膜脂过氧化的产物，用以表示膜脂过氧化的程度和对逆境条件反应的强弱[18-19]。2种狼尾草随着Cd浓度的增加MDA的含量逐渐增加，其中美洲狼尾草在Cd浓度达到80 mg·L-1时，MDA含量显著高于对照组(P<0.05)，而杂交狼尾草则在3个Cd处理浓度均显著高于对照组(P<0.05)。加硅处理后2种狼尾草的MDA含量低于对照组，且随着硅浓度的增加MDA含量降低越明显，在Cd浓度为80 mg·L-1时，硅浓度为4.0 mmol·L-1时美洲狼尾草MDA含量降低达到显著(P<0.05)，降幅为18.4%，而杂交狼尾草在Cd浓度为40 mg·L-1、80 mg·L-1条件下，硅浓度为4.0 mmol·L-1时MDA含量均显著低于对照组(P<0.05)，降幅分别为24.2%、22.5%(图5)。

图5 外源硅对镉胁迫下2种狼尾草属丙二醛含量的影响Fig.5 Effect of Exogenous Silicon on the malondialdehyde (MDA) content of 2 Pennisetum species under Cadmium Stress

3 讨论

SOD作为细胞清除活性氧的第一道防线，有研究表明，超氧化物歧化酶具有抗过氧化作用，可以通过歧化反应催化超氧阴离子自由基转化为H2O2和Q2[20]，逆境胁迫下其含量的升高能有效地清除活性氧自由基，阻抑膜脂过氧化，从而对植物细胞进行保护作用，而POD会进一步催化H2O2分解为H2O和O2，从而降低对膜的损害。本试验发现，2种狼尾草在不施加硅的情条件下，其叶片中抗氧化酶活性随着镉浓度的增加呈现先增加后降低的趋势，低浓度镉胁迫时，SOD、POD活性一直升高，说明SOD、POD确实起到了清除活性氧的作用，而高浓度的镉胁迫使得两种狼尾草体内活性氧清除系统遭到破坏，SOD、POD的活性显著降低造成对活性氧的清除能力降低和H2O2等自由基和过氧化物在植物体内积累，造成膜脂过氧化，从而损伤膜结构，加速了细胞的衰老和死亡，这也与刘雪云[21]等研究天蓝苜蓿在镉胁迫下研究结果一致。