重金属镉(Cd)胁迫下4种林木幼苗生长初期的生理生化响应

罗 艳，李裕冬，姚 民，罗晓波,3*，王琼瑶

(1.四川省自然资源科学研究院，四川 成都 610024;2.四川大学生命科学学院，四川 成都 610064；3.峨眉山生物资源实验站，四川 峨眉山 614201)

矿物开采、煤和原油的燃烧以及农业施肥等是土壤重金属镉(Cd)的主要来源[1-3]。镉会引起水环境恶化，土壤肥力退化和农作物产量及品质下降，也能通过食物链进入人体，直接影响和危及人类的健康[4]。当镉以Cd2+及其络合物形式存在时，极易被植物吸收并积累[5]。利用生长迅速、生物量大、根系发达的木本植物来进行镉污染土壤修复，具有价格低廉、无二次污染等优点，是镉污染土壤修复的研究热点之一[4-10]。

Cd是四川省土壤重金属污染的主要特征污染物，尤以攀西地区、成都平原区和川南地区等部分区域污染为重。研究发现，4种乡土木本植物(云南松Pinusyunnanensis、桤木Alnuscremastogyne、红椿Toonaciliata、五小叶槭Acerpentaphyllum)的种子及其幼苗生长初期均表现出较高的低浓度Cd耐受性[11]，但它们对Cd胁迫的生理生化响应机制仍未明确。活性氧(ROS)是植物代谢过程中的毒副产品，在稳定条件下，可以通过各种抗氧化防御机制清除[12]。在逆境胁迫下，ROS的过多积累会对植物产生伤害[13]，而植物体内存在的抗氧化机制可以在一定程度上减缓这种伤害。植物体内具有清除ROS的抗氧化系统，包括抗氧化酶和抗氧化剂系统。抗氧化酶主要包含超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等[14]，而抗氧化剂以谷胱甘肽为代表[15]。因此，本研究分析了4种乡土木本植物幼苗叶片生长初期抗氧化系统对Cd胁迫的响应，并分析了Cd胁迫下其膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)和叶绿素(CHL)含量的变化，以期从生理生态学角度进一步探讨Cd胁迫下这4种乡土木本植物的应对机制。

1 材料与方法

1.1 实验材料

研究实验于2017年10—11月在成都进行，4种林木的幼苗由其种子萌发而来[11]，培养于装有灭菌蛭石的大小规格一致的培养容器中，培养时间为2个月。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计

4种林木的幼苗在光照培养箱(光周期12 h/12 h，20℃/18℃(光/暗比)，湿度80%)培养。每周1次给幼苗加入5 mg·L-1(标记为5Cd，下同)、25 mg·L-1(标记为25Cd，下同)、50 mg·L-1(标记为50Cd，下同)、75 mg·L-1(标记为75Cd，下同)、100 mg·L-1(标记为100Cd，下同)的氯化镉溶液，该溶液用分析纯CdCl·22.5H2O配制，以等量蒸馏水培养作对照(标记为CK，下同)。

随机采取新鲜叶片0.5 g放入研钵，加入2 mL 0.05 mol·L-1pH值7.8的磷酸缓冲液冰浴研磨，匀浆倒入 10 mL 离心管中，再加3 mL于研钵中冲洗研钵后倒入离心管，10 000 r·min-1冷冻离心20 min，上清液倒入试管中置于0～4℃下保存待用。然后，将幼苗植株与土壤分离，去离子水洗净晾干，用直尺测量幼苗地上和地下部分长度。

1.2.2 测定指标与方法

SOD活性采用氮蓝四唑法[16]； CAT活性采用紫外分光光度法[17]； POD活性采用愈创木酚法[18]； MDA采用硫代巴比妥酸(TBA)加热比色法[18]；还原型谷胱甘肽(GSH)用分光光度计法[16]；叶绿素(CHL)含量采用分光光度计法[18]s。

1.2.3 数据处理及方差分析

采用 Microsoft Office Excel 2007 进行数据处理和图表分析，并采用SPSS13.0软件进行统计。利用真实显著性差异(Tukey’s HSD，方差具有齐次性时)和塔姆黑尼检验(Tamhane’s T2， 方差不齐时)进行差异显著性检验。显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 Cd对幼苗形态的影响

由表1可知，随着Cd浓度的升高，不同物种具有不同的表现：(1)五小叶槭的地上长度略增，在100Cd时其平均值为对照组的117.6%(P>0.05)；地下长度在25Cd时则显著降低(P<0.05)，在100Cd时其平均值仅为对照组的31.0%(P<0.05)。(2)红椿的地上长度显著下降，在100Cd时其平均值为对照组的77.8%(P<0.05)；地下长度无明显变化。(3)桤木的地上长度略有增加，在100Cd时其平均值为对照组的111.5%(P>0.05)；地下长度显著减少，在100Cd时其平均值为对照组的41.4%(P<0.05)。(4)云南松的地上和地下部分在不同浓度的镉胁迫下有所波动，但总体影响不大。

表1 不同浓度镉胁迫对4种林木幼苗形态的影响

2.2 Cd对幼苗叶片抗氧化系统的影响

随着Cd浓度的升高，4种林木幼苗叶片的CAT活性、SOD活性、POD活性以及GSH活性均有所增加(见图1)，具体表现为：(1)SOD活性方面，五小叶槭、红椿和桤木均随Cd浓度的增加显著增加(P<0.05)，100Cd时其平均值比对照组分别高56.8%、253.2%和93.3%；云南松在5Cd时与对照组差异不显著，此后随Cd浓度的增加而显著增高，100Cd时其平均值比对照组高66.0%。(2)CAT活性方面，五小叶槭和红椿随Cd浓度的增加显著增加(P<0.05)，100Cd时其平均值比对照组分别高41.9%和35.1%；桤木仅100Cd时显著高于对照组(P<0.05)，较对照组高36.1%；云南松在5Cd时与对照组差异不显著，此后随Cd浓度的增加而显著增加，100Cd时其平均值比对照组高93.6%。(3)POD活性方面，五小叶槭、红椿和桤木均随Cd浓度的增加显著增加(P<0.05)，100Cd时其平均值比对照组分别高67.7%、88.1%和191.4%；云南松在5Cd时与对照组差异不显著，此后随Cd浓度的增加而显著增加，100Cd时其平均值比对照组高40.9%。(4)GSH方面，随着Cd浓度的增加，五小叶槭和云南松总体呈减少趋势(P<0.05)，100Cd时其平均值比对照组分别减少31.3%和44.3%；红椿和桤木略有减少(P>0.05)，与对照组相比，减少幅度分别为22.2%和20.9%。

2.3 Cd对幼苗叶片MDA含量的影响

随着Cd浓度的增加，4种林木叶片的MDA含量均有所增加(见图2)，但具体表现有所不同：(1)五小叶槭的MDA含量在5Cd时略增(P>0.05)，此后随着Cd浓度的增加显著增加(P<0.05)，100Cd时其平均值比对照组高11.6%。(2)红椿的MDA含量在低于50Cd时较对照组略增(P>0.05)，此后随着Cd浓度的增加显著增加(P<0.05)，100Cd时比对照组高17.8%。(3)桤木的MDA含量在低于75Cd时较对照组略增(P>0.05)，此后随着Cd浓度的增加显著增加(P<0.05)，100Cd时比对照组高10.1%。(4)云南松的MDA含量在低于25Cd时较对照组略增(P>0.05)，此后随着Cd浓度的增加显著增加(P<0.05)，100Cd时比对照组高35.0%。

2.4 Cd对幼苗叶片CHL含量的影响

随着Cd浓度的增加，4种林木叶片的叶绿素含量均有所下降(见图3)，但具体表现有所不同：(1)五小叶槭的叶绿素含量显著下降(P<0.05)，100Cd时其平均值仅为对照组的51.0%。(2)红椿在低于75Cd时其叶绿素含量均较对照组略降(P>0.05)，此后随着Cd浓度的增加叶绿素含量显著降低(P<0.05)，100Cd时叶绿素含量为对照组的74.0%；(3)桤木在低于50Cd时其叶绿素含量均较对照组略降(P>0.05)，此后随着Cd浓度的增加叶绿素含量显著降低(P<0.05)，100Cd时叶绿素含量为对照组的57.8%；(4)云南松在低于100Cd时，其叶绿素含量均较对照组略降(P>0.05)，此后随着Cd浓度的增加叶绿素含量显著降低(P<0.05)，100Cd时叶绿素含量为对照组的74.3%。

图1 不同浓度镉胁迫下4种林木幼苗的抗氧化系统响应(N=3)

图2 不同浓度镉胁迫下4种林木幼苗叶片的MDA量(N=3)

图3 不同浓度镉胁迫下4种林木幼苗叶片的CHL含量(N=3)

3 讨论与结论

为了适应镉胁迫的环境，保证体内产生与清除活性氧自由基的物质平衡，本研究中4种乡土树木(五小叶槭、红椿、桤木和云南松)幼苗植物从外部形态到内部的生理生化过程均发生了变化。

外部形态上，镉胁迫下五小叶槭和桤木均表现出地下部分受毒害，长度显著下降的现象。为了弥补地下部分的损失，这两种植物的地上部分可能存在代偿性的增长。红椿的表现与之相反，推测可能有大量的镉进入红椿的地上部分并对其造成一定的毒害。云南松表现出良好的耐受性，地上和地下的长度均未出现显著变化。

MDA是膜脂过氧化的产物，是反映膜伤害和细胞膜脂过氧化的重要指标[25,26]。本研究结果显示，低浓度的Cd胁迫下这4种幼苗适应良好，MDA含量未发生显著变化；较高浓度Cd胁迫下，云南松受到的影响最大，其它3种幼苗受到的影响较小。

叶绿素是植物进行光合作用的重要色素，其含量变化与光合作用密切相关[27,28]。Cd2+一方面可能通过与叶绿体中蛋白质的巯基(-SH-)结合，破坏叶绿体的结构和功能，最终导致叶绿素的降解[29]；另一方面，Cd2+还可以通过抑制卡尔文循环相关的酶活性和使气孔部分关闭等途径，直接或间接影响植物的光合作用[30]。本研究结果表明，五小叶槭的叶绿素对Cd胁迫最为敏感，其次是桤木，而红椿和云南松叶片的叶绿素含量在低浓度的Cd胁迫下无显著变化。

总体上，在镉胁迫环境下这4种林木幼苗在生理生态方面发生了明显变化，并表现出较好的低浓度耐受性；在高浓度Cd胁迫下，红椿和云南松的耐受能力可能更好。