不同种源马蔺幼苗对Cd 耐性及积累特性的差异分析

王玮琳， 刘清泉， 张永侠， 王银杰， 原海燕， 黄苏珍

〔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〕

近年来土壤和水体中的镉(Cd)及其他重金属元素含量剧增。 Cd 的生物毒性较强，在人体中的半衰期长达30 年[1]，长期摄入会危害肾脏、神经和骨骼等[2]。 Cd 在生物体中迁移性很强，易被有机体吸收和积累，因此，Cd 污染的治理工作迫在眉睫。 植物修复是指利用植物去除污染土壤和废水中的重金属，具有绿色、无二次污染和应用方便等特点，现已成为治理重金属污染的有效途径[3-4]。 植物对重金属的耐性以及植株地上部对重金属的积累能力是决定植物修复效率的关键要素，因此，筛选重金属耐性和积累能力强的植物对于重金属污染环境的修复具有重要意义。

目前用于修复Cd 污染环境的植物主要包括宝山堇菜(ViolabaoshanensisShu， Liu et Lan)[5]、忍冬(LonicerajaponicaThunb.)[6]、龙葵(SolanumnigrumLinn.)[7]、天蓝遏蓝菜(ThlaspicaerulescensJ. Presl et C. Presl)[8]40、东南景天(SedumalfrediiHance)[9]、油菜(BrassicacampestrisLinn.)[10]和印度芥菜(Brassica junceaLinn.)[11]等Cd 超积累植物。 然而，目前已发现的Cd 超积累植物普遍具有生物量小、生长速度慢和一年生等特点，严重影响Cd 污染环境的修复效率[10]。

近年来，国内外学者对观赏植物Cd 耐性和积累机制进行研究[12-17]。 观赏植物修复Cd 污染土壤不仅具有景观和生态功能，还能创造巨大的经济价值，同时还有助于减少Cd 向食物链中的转移[18]。 鸢尾属(IrisLinn.)植物是优良的多年生观赏植物，具有一定的重金属耐性和积累能力。 马蔺〔Irislacteavar.chinensis(Fisch.) Koidz.〕是鸢尾属中分布广且应用价值高的植物之一，具有生长速度快、生物量大、适应性广、抗性强、观赏价值高和露天繁殖简单等特性[19]，在生态建设中有良好的应用前景。 近年来，国内外有关马蔺的研究主要集中在生物学特性和栽培技术等方面[20-23]。 原海燕等[24-25]比较了鸢尾属4 种植物的Cd 耐性差异，发现马蔺的耐性最强，在铅锌矿区土壤中种植马蔺1 个月后，土壤Cd 修复效率为22.3%。 彭少麟等[26]认为，在重金属耐性方面，同种植物不同生态型可能具有较大差异，这些差异可能源于金属转运体、遗传特性、解毒机制以及酶系统等方面。 Lombi 等[27]研究发现，不同生态型天蓝遏蓝菜的Cd 耐性存在差异，来自法国南部的Ganges 生态型天蓝遏蓝菜较来自比利时的Prayon 生态型天蓝遏蓝菜的Cd 耐性更强。 胡莹等[28]在研究Cd 对不同生态型水稻(OryzasativaLinn.)的毒性研究中发现，相对于籼稻品种‘K 优818’(‘KYou 818’)，Cd 对粳稻品种‘杨辐粳7 号’(‘Yangdao 7’)生长指标的影响更大。 因此，对不同生态型植物富集特性的比较分析，是揭示植物重金属耐性和积累机制的重要途径，并且高耐性和高积累的生态型能更好地修复重金属污染环境[26]。

为了解不同种源马蔺对Cd 耐性和积累能力的差异，本研究采用水培法对Cd 胁迫下辽宁、山东、河南和江西4 个种源马蔺幼苗的生长状况及Cd 积累和分布状况进行了研究，以期为研究马蔺Cd 耐性和积累机制以及Cd 污染环境的植物高效修复提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试马蔺种子分别采自辽宁、山东、河南和江西，均为无性繁殖群体当年自然结实的种子，种源地土壤类型分别为黑土、棕壤土、黄壤土和红壤土。

1.2 方法

1.2.1 处理方法 挑选籽实饱满的马蔺种子，经体积分数10%NaClO 溶液消毒30 min，自来水冲洗数次后播种于干净的河沙中。 待种子萌发后选择生长基本一致、株高约10 cm 且无病虫害的幼苗，用海绵将幼苗固定于带有小孔的黑色泡沫板上，每孔1 株幼苗，然后置于塑料杯(口径9.5 cm、高13.5 cm)中，塑料杯用黑色胶带包裹，每杯5 株幼苗。 用去离子水配置1/2 Hoagland 营养液，每杯加入1 L 营养液，每隔2 d 更换1 次营养液。 预培养15 d 后进行Cd 处理。Cd 以CdCl2·2.5H2O 形态加入，设置对照、低浓度和高浓度3 个处理，Cd 终浓度分别为0、25 和50mg·L-1，3 次重复。 处理30 d 后取样。1.2.2 生长指标测定 每杯选取4 ～5 株长势基本一致的幼苗，用蒸馏水冲洗根系3 次，再用555mg·L-1CaCl2溶液清洗3 次，去除根系表面粘附的金属离子。 吸水纸吸干表面水分，分别用直尺(精度0.1 cm)测量株高和根长，然后将每杯的植株分成地上部和根系2 部分，同杯植株的地上部和根系分别混合，用电子天平(精度0.001 g)分别称量地上部和根系的鲜质量，然后于105 ℃杀青30 min，70 ℃烘干至恒质量，采用电子天平分别称量地上部和根系的干质量。

1.2.3 Cd 含量测定及相关指标计算 采用HNO3-HClO4湿法消化法[4]测定Cd 含量，并计算Cd 的转移系数(translocation factor，TF)和生物富集系数(bioconcentration factor，BCF)，计算公式分别为TF=地上部中Cd 含量/根系中Cd 含量[29]和BCF=地上部中Cd 含量/营养液中Cd 浓度[30]。

1.3 数据处理与分析

实验数据采用SPSS 13.0 统计分析软件进行方差分析和LSD多重比较。

2 结果和分析

2.1 Cd 胁迫对马蔺幼苗株高和根长的影响

Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗株高和根长的比较结果见表1。 由表1 可以看出：随着Cd 浓度的提高，同一种源马蔺幼苗的相对株高和相对根长总体上呈逐渐减小的趋势。 25 和50 mg·L-1Cd 处理下，不同种源间马蔺幼苗相对株高的差异较大，其中，辽宁种源的相对株高最高，河南种源的相对株高最低，且二者间存在显著差异。 25 和50 mg·L-1Cd 处理下，不同种源间马蔺幼苗相对根长的差异较小，其中，25 mg·L-1Cd 处理下辽宁种源以及50 mg·L-1Cd 处理下江西种源的相对根长最长，山东种源的相对根长最短。

2.2 Cd 胁迫对马蔺幼苗鲜质量和干质量的影响

Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗鲜质量和干质量的比较结果见表2。 由表2 可以看出：随着Cd 浓度的提高，同一种源马蔺幼苗地上部和根系的相对鲜质量和相对干质量总体上呈逐渐减小的趋势。 25 和50mg·L-1Cd 处理下，辽宁和江西种源地上部的相对鲜质量和相对干质量明显高于山东和河南种源，其中，河南种源的降幅最大。 25 mg·L-1Cd 处理下，4 个种源间马蔺幼苗根系的相对鲜质量和相对干质量均无显著差异；50 mg·L-1Cd 处理下，辽宁种源根系的相对鲜质量和相对干质量最大，其根系相对鲜质量显著高于其他3 个种源。

表1 Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗株高和根长的比较(±SD)Table 1 Comparison on height and root length of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress(±SD)

表1 Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗株高和根长的比较(±SD)Table 1 Comparison on height and root length of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress(±SD)

1) 相对值表示各处理组的指标占对照组(0mg·L-1Cd)该指标的百分比Relativevalueindicatespercentageofindexineachtreatmentgrouptothat inthecontrolgroup(0mg·L-1Cd).同列中不同小写字母表示同一Cd 浓度不同种源间差异显著(P＜0.05)Differentlowercasesinthesame columnindicatethesignificant(P＜0.05)differenceamongdifferentprovenancesofthesameCdconcentration.

Cd 浓度/(mg·L-1)Cd concentration种源Provenance株高 Height 根长 Root length测量值/cm Measured value相对值/%1)Relative value1)测量值/cm Measured value相对值/%1)Relative value1)0辽宁Liaoning 13.83±0.76 28.00±1.00山东Shandong 17.67±0.58 26.67±6.43河南He'nan 18.33±1.16 29.67±4.51江西Jiangxi 16.67±1.53 23.33±2.89 25 辽宁Liaoning 14.00±1.00 101.20±7.23a 18.00±1.73 64.29±6.19a山东Shandong 16.00±1.73 90.57±9.80ab 15.33±2.52 57.50±9.44a河南He'nan 14.67±0.58 80.00±3.15b 18.67±3.51 62.92±11.84a江西Jiangxi 14.00±1.00 84.00±6.00b 14.33±1.16 61.43±4.95a 50 辽宁Liaoning 13.33±1.53 96.39±11.04a 15.67±1.16 55.95±4.12a山东Shandong 14.67±0.58 83.02±3.27b 14.33±1.16 53.75±4.33a河南He'nan 13.00±0.00 70.91±0.00c 16.00±2.00 53.93±6.74a江西Jiangxi 14.83±0.29 89.00±1.73ab 13.33±2.52 57.14±10.79a

2.3 Cd 胁迫对马蔺幼苗中Cd 含量的影响

Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗地上部和根系中Cd含量的比较结果见图1。 由图1-A 可以看出：25 和50mg·L-1Cd 处理下，4 个种源马蔺幼苗地上部中Cd 含量均高于500 mg·kg-1，表明马蔺具有较强的Cd 积累能力。 25mg·L-1Cd 处理下，4 个种源地上部中Cd 含量在750～1 000 mg·kg-1之间，且不同种

源间地上部中Cd 含量差异不显著；50mg·L-1Cd 处理下，辽宁种源地上部中Cd 含量总体上显著高于其他3 个种源，其中，江西种源地上部中Cd 含量最低。

由图1-B 可以看出：25 和50mg·L-1Cd 处理下，不同种源马蔺幼苗根系中Cd 含量均高于4 000 mg·kg-1，远高于地上部中Cd 含量，且根系中Cd 含量均随着Cd 浓度的提高而升高，但不同种源间根系中Cd 含量差异不显著。

表2 Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗鲜质量和干质量的比较 (±SD)Table 2 Comparison on fresh and dry masses of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress(±SD)

表2 Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗鲜质量和干质量的比较 (±SD)Table 2 Comparison on fresh and dry masses of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress(±SD)

1) 相对值表示各处理组的指标占对照组(0mg·L-1Cd)该指标的百分比Relativevalueindicatespercentageofindexineachtreatmentgrouptothat inthecontrolgroup(0mg·L-1Cd).同列中不同小写字母表示同一Cd 浓度不同种源间差异显著(P＜0.05)Differentlowercasesinthesame columnindicatethesignificant(P＜0.05)differenceamongdifferentprovenancesofthesameCdconcentration.

Cd 浓度/(mg·L-1)Cd concentration种源Provenance地上部鲜质量 Fresh mass of above-ground part 根系鲜质量 Fresh mass of root测量值/g Measured value相对值/%1)Relative value1)测量值/g Measured value相对值/%1)Relative value1)0辽宁Liaoning 0.52±0.07 0.78±0.22山东Shandong 0.72±0.11 0.95±0.21河南He'nan 0.94±0.20 0.83±0.18江西Jiangxi 0.52±0.08 0.96±0.18 25 辽宁Liaoning 0.26±0.07 49.15±13.12a 0.22±0.04 28.10±4.70a山东Shandong 0.31±0.07 42.48±9.43ab 0.23±0.08 24.32±8.26a河南He'nan 0.31±0.05 33.22±4.79b 0.23±0.05 27.64±5.61a江西Jiangxi 0.28±0.01 54.74±2.27a 0.22±0.04 22.92±4.59a 50 辽宁Liaoning 0.26±0.04 49.79±7.00ab 0.23±0.03 29.67±4.05a山东Shandong 0.28±0.06 38.96±7.89b 0.16±0.02 17.39±2.35b河南He'nan 0.24±0.06 25.89±5.98c 0.16±0.05 19.56±6.46b江西Jiangxi 0.32±0.06 61.31±11.57a 0.16±0.04 16.96±3.40b Cd 浓度/(mg·L-1)Cd concentration种源Provenance地上部干质量 Dry mass of above-ground part 根系干质量 Dry mass of root测量值/g Measured value相对值/%1)Relative value1)测量值/g Measured value相对值/%1)Relative value1)0辽宁Liaoning 0.11±0.01 0.10±0.03山东Shandong 0.14±0.02 0.09±0.02河南He'nan 0.17±0.05 0.07±0.01江西Jiangxi 0.10±0.02 0.09±0.02 25 辽宁Liaoning 0.09±0.03 84.06±24.57a 0.04±0.01 38.15±10.69a山东Shandong 0.10±0.01 71.26±6.72ab 0.04±0.01 44.67±15.40a河南He'nan 0.10±0.01 57.13±3.60b 0.04±0.01 50.58±13.62a江西Jiangxi 0.09±0.00 87.41±1.90a 0.03±0.01 39.62±7.03a 50 辽宁Liaoning 0.09±0.02 81.61±18.66ab 0.03±0.00 29.68±3.31a山东Shandong 0.09±0.02 68.08±11.32b 0.02±0.00 25.48±4.53a河南He'nan 0.08±0.02 46.76±8.53c 0.02±0.00 26.07±3.38a江西Jiangxi 0.10±0.00 92.62±1.73a 0.02±0.00 24.07±3.92a

2.4 Cd 胁迫对马蔺幼苗Cd 转运系数和生物富集系数的影响

Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗Cd 转运系数和生物富集系数的比较结果见表3。 由表3 可以看出：25 mg·L-1Cd 处理下，不同种源间马蔺幼苗的Cd 转运系数和生物富集系数均差异不显著；50 mg·L-1Cd处理下，辽宁种源的Cd 转运系数和生物富集系数总体上显著高于其他3 个种源，而江西种源的Cd 转运系数和生物富集系数均最低。

图1 Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗地上部(A)和根系(B)中Cd 含量的比较Fig. 1 Comparison on Cd content in above-ground part (A) and root (B) of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz.seedlings from different provenances under Cd stress

表3 Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗Cd 转运系数和生物富集系数的比较(±SD)1)Table 3 Comparison on translocation factor and bio-concentration factor of Cd of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress (±SD)1)

表3 Cd 胁迫下不同种源马蔺幼苗Cd 转运系数和生物富集系数的比较(±SD)1)Table 3 Comparison on translocation factor and bio-concentration factor of Cd of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress (±SD)1)

1)同列中不同小写字母表示同一Cd 浓度不同种源间差异显著(P＜ 0.05)Differentlowercasesinthesamecolumnindicatethesignificant (P＜0.05)differenceamongdifferentprovenancesofthesameCd concentration.

Cd 浓度/(mg·L-1)Cd concentration种源Provenance转运系数Translocation factor生物富集系数Bio-concentration factor 25 辽宁Liaoning 0.20±0.03a 34.21±0.06a山东Shandong 0.19±0.04a 34.98±5.49a河南He'nan 0.19±0.04a 34.89±6.12a江西Jiangxi 0.20±0.01a 39.50±4.50a 50 辽宁Liaoning 0.15±0.02a 21.38±3.90a山东Shandong 0.09±0.01b 14.43±1.45bc河南He'nan 0.10±0.03b 17.11±3.33ab江西Jiangxi 0.08±0.01b 10.30±1.80c

3 讨论和结论

Cd 胁迫下，植物体内叶绿素含量下降，导致光合作用减弱，营养物质积累减少，同时细胞膜被破坏，导致代谢系统紊乱，有机物过度消耗，最终引起植物地上部和根生长受阻，生物量减少，生育期推迟，叶片变黄，甚至出现坏死斑等症状[8]32，[25，31]。 一般来说，植物株高、根长、鲜质量和干质量等生长指标可以反映植物在Cd 胁迫下的生长状况[32]。 原海燕[24]通过对Cd 胁迫下鸢尾属植物相关生长指标进行分析，认为马蔺的Cd 耐性最强。 本研究对Cd 胁迫下4 个种源马蔺幼苗的生长状况进行比较，认为辽宁种源的Cd耐性较强。

Cd 超积累植物需要具备以下条件：植物地上部Cd 含量在100 mg·kg-1以上，转运系数大于1，且植物生长没有受到严重影响[33]。 本研究中，Cd 处理下，马蔺幼苗地上部和根系中Cd 含量均高于100 mg·kg-1，但转运系数小于1，因此，马蔺属于Cd 积累植物，这一结果与已有的马蔺苗期Cd 耐性和积累能力的研究结果一致[34-35]。 一般来说，若Cd 在叶片中积累过多，会直接影响植物的光合作用，因此，根系积累相对较多的Cd 能够减小Cd 对植物地上部的毒害作用[36]。 马蔺幼苗地上部Cd 含量超过100 mg·kg-1，但生长并未受到严重影响，因此，马蔺地上部存在一定的Cd 耐性和积累能力。 不同生态型或种源地间，同种植物的重金属耐性和积累能力可能存在一定的差异[37]。 本研究对4 个种源马蔺幼苗Cd积累和转运特性进行比较，结果显示：高浓度(50 mg·L-1)Cd 处理下，辽宁种源马蔺幼苗地上部中Cd含量最高，明显高于其他种源，但不同种源根系中Cd含量的差异并不显著，推测马蔺地上部对Cd 的积累能力存在差异，可能与Cd 从根系向地上部的转运能力差异有关。

转运系数能反映植物将重金属从根系转移到地上部的能力，生物富集系数是评价植物对重金属离子的积累能力[38]，两者都可以用来评价植物修复土壤重金属污染土壤的能力[39]。 本研究中，马蔺幼苗Cd转运系数和生物富集系数均随着Cd 浓度的提高而降低。 Guo 等[38]研究认为，随着Cd 处理浓度的提高，冰草〔Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.〕的Cd转运系数逐渐降低。 王小雪[40]在海滨木槿(Hibiscus hamaboSieb. et Zucc.)响应重金属的研究中也有类似结果。 Cd 超积累或积累植物能够将根系吸收的Cd 转移至地上部，并通过螯合作用和区域化作用等解毒机制减小重金属对地上部的毒害作用[41]。 在高浓度Cd 处理下，辽宁种源马蔺幼苗的Cd 转运系数和生物富集系数总体上显著大于其他3 个种源，说明该种源马蔺幼苗的Cd 转运能力较强；且辽宁种源马蔺幼苗的相对株高和相对地径较大，说明该种源马蔺幼苗的Cd 耐性在4 个种源中也最强，而相关调控机制仍有待进一步明确。

综上所述，辽宁种源马蔺幼苗的Cd 耐性以及Cd转运能力和富集能力均最强，可作为Cd 污染环境的修复材料进行进一步研究。