镉胁迫对多肉植物康平寿生长和增殖的影响

田传玉， 陈建中， 李露园， 李红丽， 张梦雅， 王锋敏， 朱婧婧， 洽 丹

(湖州师范学院 生命科学学院， 浙江 湖州 313000)

多肉植物外观小巧玲珑，植株肥厚多汁，造型特异，仪态万千，是近年来流行的一类观赏植物.多肉植物以十二卷属植物较为名贵.康平寿(Haworthiaemelyae)为百合科十二卷属软叶系珍贵多肉植物，原产南非，喜凉爽、干燥，其植株无茎，肉质叶上半部呈水平三角形，叶色浓绿肥厚饱满，排成莲座状[1-2].康平寿由于其外形精巧美观而备受栽培者和园艺爱好者青睐.

由于城市工业化的迅速发展，工业三废导致的重金属污染现象愈发严重，其中重金属镉是毒性最大的重金属元素之一[3-7].过量的镉能在植物根、茎、叶中大量积聚，不仅严重危害动植物的生长发育，还具有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点[7-11].受镉污染的植物通常会呈现植株矮小、生长发育迟缓、发黄萎蔫、产量下降等症状[3,12-17].

目前国内外对多肉植物的研究主要集中在组织培养[1,18-19]、资源评价与应用等方面，对多肉植物在生长发育过程中是否会受重金属污染的研究还未见报道.本文拟在离体培养条件下研究不同的Cd2+浓度对康平寿生长和增殖的影响，探究重金属对多肉植物可能引起的毒害作用，为重金属是否会影响植物生长发育的进一步研究提供理论参考，也为筛选有效的镉污染修复植物提供参考依据.

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

多肉植物康平寿由湖州师范学院植物学实验室提供.

1.2 实验方法

1.2.1 康平寿无菌苗的获得、增殖和生根

取康平寿植物当年的春生花茎，将其切成2 cm左右长度的小段，70%酒精消毒30 s，0.1%氯化汞浸泡消毒8 min，经无菌水冲洗4～5次后接种于启动的培养基MS+6-BA 2.0 mg/L(单位下同)+NAA 0.2[18]上，接种后置培养室暗培养，培养室温度为25 ℃.45 d后将诱导的愈伤组织在培养基MS+6-BA 1.0+NAA 0.2上进行继代增殖，培养室温度为25 ℃，光照强度为2 500 Lx，光暗周期比为12 h ∶12 h.愈伤组织增殖培养18 d后，即可发现芽的分化.继续培养1周后，在培养基MS+6-BA 0.5+NAA 0.1上进行康平寿无菌苗的增殖，在1/2 MS+IBA 0.1+NAA 0.1培养基上进行不定根的诱导.

1.2.2 镉胁迫处理

用硝酸镉配制10 mmol/L Cd2+母液.在增殖培养基MS+6-BA 0.5+NAA 0.1和生根培养基1/2 MS+IBA 0.1+NAA 0.1中分别添加0.01、0.05、0.10、0.50、1.00 mmol/L Cd2+，设置5个镉胁迫梯度，以蒸馏水作为对照.每个处理10瓶培养基，每瓶接种4个康平寿芽，重复3次.接种后置培养室进行光培养，培养条件同上.

经镉胁迫处理培养40 d后，对多肉植物康平寿的植株高度、植株鲜重、增殖系数，以及试管苗不定根的长度和数量分别进行统计、测量.

1.3 数据分析

将所测数据输入Microsoft Excel 2010软件进行数据处理和作图分析.应用SPSS 19.0软件对数据进行单因素方差分析.

2 结果与分析

2.1 经不同浓度Cd2+处理后康平寿试管苗的生长情况

研究表明，随着Cd2+处理浓度的增加，康平寿试管苗的生长和增殖情况逐渐减弱.经观察发现，培养25 d后，经0.50 mmol/L Cd2+处理后的康平寿试管苗基部逐渐出现轻微的发黄现象，植株生长发育缓慢，40 d时的植株大小与接种时相差无几；经1.00 mmol/L Cd2+处理15 d后，康平寿试管苗开始出现枯黄迹象，并缓慢发白直至40 d后完全死亡(图1)，死亡率为100%.

Fig. 1 Haworthia emelyae shoots after treatment with different concentration of Cd2+ for 40 days

注：A～F的Cd2+处理浓度分别为0.00、0.01、0.05、0.10、0.50、1.00 mmol/L.

2.2 Cd2+对康平寿试管苗植株高度的影响

图2所示，与对照相比，经0.01 mmol/L和0.05 mmol/L Cd2+浓度处理后的植株高度没有出现显著性差异(P>0.05)；经0.10 mmol/L和0.50 mmol/L Cd2+浓度处理后的康平寿，其植株高度显著低于对照(P<0.05)；经0.01 mmol/L Cd2+处理后的植株高度显著高于0.05 mmol/L、0.10 mmol/L和0.50 mmol/L Cd2+处理后的植株(P<0.05)；经1.00 mmol/L Cd2+浓度处理后的植株全部死亡.可见，Cd2+浓度达到0.1 mmol/L会对康平寿株高产生抑制.

2.3 Cd2+对康平寿试管苗植株鲜重的影响

图3表明，经0.01 mmol/L和0.05 mmol/LCd2+处理后，康平寿试管苗的鲜重与对照相比，未出现显著性差异(P>0.05)；当Cd2+浓度≥0.1 mmol/L时，试管苗鲜重显著低于对照(P<0.05)，显著抑制了康平寿植株鲜重的增加.

Fig.2 Effect of Cd2+ on plant height of Haworthia emelyae shoots

注：不同处理之间标有相同字母的，表示差异不显著；反之，表示差异显著(P<0.05).图3同.

Fig.3 Effect of Cd2+ on fresh weight of Haworthia emelyae shoots

2.4 Cd2+对康平寿试管苗增殖系数的影响

由图4可知，经0.01 mmol/L和0.05 mmol/L Cd2+处理后,康平寿试管苗的增殖系数与对照相比，未出现显著性差异(P>0.05)；当Cd2+处理浓度≥0.1 mmol/L时，康平寿植株的增殖系数显著低于对照(P<0.05)，试管苗增殖受到较大影响，见图1.

综合上述，当Cd2+浓度≤0.05 mmol/L时，康平寿试管苗生长正常，株高、鲜重、增殖能力未受到影响；当Cd2+浓度>0.05 mmol/L时，康平寿试管苗的生长受到明显影响，其株高变矮，鲜重下降，增殖能力受抑制；当Cd2+浓度=1.0 mmol/L时，康平寿试管苗全部死亡.

Fig.4 Effect of Cd2+ on proliferation coefficient of Haworthia emelyae shoots

2.5 Cd2+对康平寿试管苗生根的影响

将康平寿试管苗接种于生根培养基中，培养12 d后即可从苗的基部切口处发现黄白色不定根，经不同浓度的Cd2+处理后，产生不定根的时间有不同程度的推迟.经0.00、0.01、0.05、0.10和0.50 mmol/L Cd2+处理40 d后，试管苗的生根率分别为100%、100%、87%、59%和35%.图5显示了经不同浓度Cd2+处理后康平寿试管苗产生不定根的根长和根数变化.经0.01 mmol/LCd2+处理后，试管苗产生不定根的数量和长度与对照相比，没有显著差异(P>0.05)；当Cd2+浓度≥0.05 mmol/L时，试管苗的生根能力受到明显影响，其根长和根数显著低于对照(P<0.05)(图5).

Fig.5 Effect of Cd2+ on the rooting of Haworthia emelyae shoots

3 讨论与结论

Cd2+是一种毒性较强的重金属污染物.随着我国工业化的快速发展，镉污染对土壤、河流等环境的影响越来越严重[12]，修复镉污染环境迫在眉睫.在多种修复方式中，植物修复是一种相对安全、环保且成本较低的方式.该方式的商业价值实现关键在于种植的植物是否具有经济价值，而非纯粹的生态效益.为了筛选有效的镉污染修复植物，应对镉污染带来的负面影响进行研究.近年来国内外学者对植物对镉污染的耐受性和适应性等的研究引起了关注.

镉胁迫条件下植物常会表现出根系生长受阻、光合强度和呼吸强度下降等一系列生理代谢紊乱现象[10,16,20-22].王波等[10]采用水培法研究了重金属镉对南荻种子萌发和幼苗生长的影响，试验结果为镉胁迫对南荻种子根和芽的生长表现为低浓度促进、高浓度抑制的作用.彭鸥等[16]采用营养液培育试验方法，分析了不同浓度镉对水稻生长发育的影响，结果显示低浓度Cd(≤10 μg/L)对水稻生长有促进作用，高于10 μg/L时有抑制作用，Cd 浓度越高，抑制作用越明显.有研究表明，低浓度Cd2+可促进小麦种子萌发，高浓度则抑制萌发，小麦根和茎的长度、鲜重、干重和相对含水量在Cd2+处理下较对照显著降低[20].孟自力等[21]的小麦无土栽培试验结果表明，经0.4～1.2 mmol/L Cd2+处理后，发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、株高、根长、地上部干鲜质量和地下部干鲜质量随镉浓度的增加而降低，并且全部显著低于对照；经0.04 mmol/L Cd2+处理后，除了根长外，其余生理指标与对照相比无显著差异.对玉米镉胁迫研究表明，轻度镉胁迫(1 mg/kg)能够促进所有基因型玉米的生长，中度镉胁迫(3 mg/kg)则降低了3个基因型玉米的生物量[22].

近年来，虽然国内外已有较多的文献报道了重金属镉影响植物生长发育的现象，并在生理生化[13-14,17]、遗传[6]和分子生物学[15]等方面阐述了镉胁迫可能的机理，但未发现有对多肉植物镉胁迫的研究，而且大多数研究并非在完全无菌的培养条件下进行，其研究结果难免受到微生物作用的影响.有研究表明，有些细菌不仅可以吸收或吸附重金属镉和铅，而且可以对其进行固定[23-24].

本文在离体无菌培养条件下研究了重金属镉对多肉植物康平寿试管苗生长和增殖的影响.结果显示，低浓度Cd(≤0.05 mmol/L)对康平寿试管苗的生长和增殖无明显影响，较高浓度Cd(0.10～1 mmol/L)则显著(P<0.05)抑制康平寿试管苗的生长和增殖(图1～图4)，而≥0.05 mmol/L Cd2+显著(P<0.05)影响康平寿试管苗的生根(图5).该研究结果与前人的研究[5,8,10,21-22]基本一致.Cd2+影响植物生长在浓度上的差异可能与植物种类、生长时期和培养条件等的不同有关.本试验利用植物组织培养技术，在完全无菌的培养条件下，排除了微生物可能对Cd2+的影响，研究结果更加科学、可靠.