黑麦草种子及幼苗对镉胁迫的生理响应

王建伟 贺晓岚 王根平 欧倩 肖云娟 杨雪丽

收稿日期：2022-10-09

基金项目：凯里学院博士专项（BS201506；BS201606）；贵州省科技计划项目（〔2017〕1167）

作者简介：王建伟（1982-），男，甘肃平凉人，教授，博士，主要从事植物营养与调控研究，（电话）18212333515（电子信箱）agan1982@126.com；通信作者，贺晓岚（1980-），女，内蒙古乌兰察布人，副教授，博士，主要从事基因克隆及转基因研究，（电话）18285549260（电子信箱）helingzhi123@126.com。

王建伟，贺晓岚，王根平，等. 黑麦草种子及幼苗对镉胁迫的生理响应［J］. 湖北农业科学，2024，63（5）：126-135，142．

摘要：为了探明不同黑麦草品种对镉（Cd）富集能力的差异及其生理机制，以6个黑麦草品种为材料，研究镉胁迫对其种子萌发、生物量、镉吸收、色素含量、光合特性及抗逆特性的影响。结果表明，与正常生长条件相比，镉胁迫对不同黑麦草品种种子萌发和根芽生长具有低促高抑作用。镉胁迫增加了黑麦草光合色素含量；镉胁迫增加了维纳斯、奔驰、维多利亚叶片的气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率；镉胁迫增加了奔驰、维多利亚、蓝标叶片的POD活性；镉胁迫增加了卡特、维多利亚叶片的SOD活性；镉胁迫增加了维多利亚、维纳斯叶片的CAT活性。奔驰、维多利亚、维纳斯可能较其他品种具有更强的耐镉性，从而减少镉对自身的危害；镉胁迫增加了所有品种可溶性糖含量及除卡特外的5个黑麦草品种脯氨酸含量，奔驰、蓝标、维多利亚能产生较多的渗透调节物质来减轻镉胁迫对其造成的伤害；在正常生长条件下，黑麦草地上部镉含量和镉累积量都较低，品种间差异较小。镉胁迫明显增加了黑麦草地上部镉含量和镉累积量，奔驰地上部镉含量和镉累积量最高，显著高于其他品种。综上，奔驰、维多利亚抗镉性及富镉能力较强，是镉污染土壤修复的优选品种。

关键词：镉胁迫；黑麦草（Lolium perenne L.）；种子萌发；幼苗；生理响应

中图分类号：Q945.78         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）05-0126-10

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.023            开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Physiological response of ryegrass seeds and seedlings to cadmium stress

WANG Jian-wei1a， HE Xiao-lan1b， WANG Gen-ping2， OU Qian1b， XIAO Yun-juan1b， YANG Xue-li1b

（1a. School of Science； 1b. School of Life and Health Science， Kaili University， Kaili  556011， Guizhou，China；

2. Institute of Millet Crops， Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Shijiazhuang  050035， China）

Abstract： In order to explore the differences in cadmium （Cd） enrichment ability and physiological mechanisms among different ryegrass varieties， six ryegrass varieties were used as materials to study the effects of cadmium stress on seed germination， biomass， cadmium absorption， pigment content， photosynthetic characteristics， and stress resistance. The results showed that compared with normal growth conditions， cadmium stress had a low promoting and high inhibiting effect on seed germination and root and shoot growth of different ryegrass varieties. Cadmium stress increased the content of photosynthetic pigments in ryegrass；cadmium stress increased the stomatal conductance， intercellular CO2 concentration， and transpiration rate of Venus， Benz， and Victoria leaves；cadmium stress increased the POD activity of Benz， Victoria， and Blue Label leaves；cadmium stress increased the SOD activity of Carter and Victoria leaves； cadmium stress increased CAT activity in Victoria and Venus leaves. Benz， Victoria and Venus might have stronger cadmium tolerance than other varieties， thereby reducing the harm of cadmium to themselves；cadmium stress increased the soluble sugar content of all varieties and the proline content of five ryegrass varieties except Carter. Benz， Blue Label and Victoria could produce more osmotic regulatory substances to alleviate the damage caused by cadmium stress；under normal growth conditions， the cadmium content and accumulation in the upper part of rye grassland were relatively low， and the differences between different varieties were relatively small. Cadmium stress significantly increased the cadmium content and accumulation in the upper part of rye grassland， with Benz having the highest cadmium content and accumulation in the upper part， significantly higher than other varieties.In summary， Benz and Victoria had strong cadmium resistance and cadmium enrichment ability， making them the preferred varieties for cadmium contaminated soil remediation.

Key words：cadmium stress； ryegrass（Lolium perenne L.）； seed germination； seedlings； physiological response

随着工农业和城市化进程的发展，工业“三废”不合理排放以及农药化肥的过量使用，全球范围内生态环境遭受严重破坏，农田土壤持续恶化，其中受到广泛关注的是重金属镉污染［1］。镉（Cd）是一种毒性较强的生物非必需重金属元素，不仅水溶性强而且在生物圈中移动性强，容易从土壤转移到食物链中，最终危害人体健康［2］。植物修复技术具有廉价、清洁、环境友好、无二次污染等特性，因此，在土壤重金属污染修复中受到高度重视［3］。

黑麦草（Lolium perenne L.）在中国广泛种植，对重金属耐受性强，因其具有生长速度快、生物量大、根系发达、对重金属Cd、Cu、Zn等有较强耐受性及吸收积累能力等特点，已被证明是修复土壤重金属污染的优良植物之一［4］。王子萱等［5］的研究结果表明黑麦草具有修复被重金属Cd污染土壤的潜力。乔云蕾［6］的研究结果表明黑麦草对高浓度镉的富集作用高于低浓度镉。众多研究表明，当植物受到镉胁迫时，不仅体内生理生化代谢发生改变，而且其形态表征、光合和呼吸特性、生物量等也会受到抑制，导致植物抗逆性降低，严重时造成植株死亡［7，8］。已有研究表明镉对植物生长的影响表现为低促高抑［9］。而镉对植物生长毒害的临界浓度受土壤中有效镉含量及植物类型影响［10，11］。王子萱等［5］认为黑麦草地上部对土壤镉的富集程度与土壤pH呈极显著负相关。大量研究表明，在镉胁迫条件下植物各部位镉积累量均有所增加［5，12，13］。前人研究表明过量的镉抑制黑麦草幼苗生长和降低光合色素含量［14］，也有研究表明在一定范围的镉胁迫下，植物通过增加渗透调节物质和抗氧化酶活性来减小对植物的危害［15］。刘俊祥等［13］的研究表明，随着镉浓度的增加，黑麦草丙二醛含量和细胞膜透性增加。方志刚等［14］认为影响黑麦草品种间耐镉差异的主要因素为镉吸收和转运效率。

目前相关工作集中在特定品种对镉的响应特征，而对不同品种镉响应差异筛选的研究较少。本研究以中国广泛种植的6个多年生黑麦草品种为参试材料，通过分析不同浓度的镉胁迫对不同黑麦草品种种子萌发和幼苗生长的影响，以及镉胁迫下黑麦草幼苗生理生化响应、光合特性、抗逆性及不同品种镉含量、镉积累特性差异，筛选出镉胁迫耐受性强的参试材料，以期为土壤镉污染治理、生态环境保护提供有效措施及理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试黑麦草材料6份（表1），其中蓝标、维多利亚、雅晴的种子购于河南省商丘阳光花卉公司，卡特、维纳斯的种子购于江苏鑫瑞种业公司，奔驰的种子购于沐阳县钟颖花木圆领有限公司。

试验试剂：氯化镉（CdCl2·2.5H2O）为国产分析纯。试验于2020年3—10月在凯里学院进行。

1.2 试验设计和处理

1.2.1 镉胁迫对黑麦草发芽特性的影响 在5%的NaClO溶液中浸泡种子10 min，无菌去离子水冲洗5～6次，然后将灭菌种子放入铺有2层灭菌滤纸的培养皿中（直径9 cm，使用前均已灭菌），每皿50粒种子，加入不同浓度的镉溶液后将培养皿置于恒温光照培养箱中，在25 ℃，12 h光照/12 h黑暗的条件下进行萌发。设置0（CK）、25、50、100、150、200 mg/L  6个浓度，每个处理4次重复。为保持溶液浓度恒定，每隔24 h更换滤纸并补充1次对应浓度的镉溶液。

1.2.2 镉胁迫对黑麦草光合特性、抗逆性及生长的影响 通过盆栽试验，采用随机区组法设计，研究镉胁迫对黑麦草光合特性、抗逆性及生长的影响。设置正常生长条件组为对照，处理组镉浓度为10 mg/kg（以纯镉计算，下同），每个处理4次重复，共48盆，随机排列。盆栽容器为直径20 cm、高35 cm塑料桶，每桶装质量20 kg干土，土壤的理化性状如表2所示。

于2020年3月将外源镉（CdCl2·2.5H2O）配成浓度为200 mg/L的溶液，施入20 kg土壤中，外源镉浓度达10 mg/kg，空白组施加等量水。镉处理后用黑色遮阳网覆盖并置于通风干燥处，稳定5周（保证镉被土壤充分吸附）后播种。播种方式为撒播，出苗1周后间苗，每盆留苗50株。常规管理，及时浇水。

1.3 测定方法

1.3.1 发芽指标测定 按国家种子质量检验标准（GB/T 3543.1—1995），黑麦草的发芽势、发芽率分别于处理后第4天、第7天统计。

发芽势=（4 d内正常发芽种子数/供试种子数）×100%                                                                                    （1）

发芽率=（7 d内正常发芽种子数/供试种子数）×100%                                                                                      （2）

平均发芽天数=［∑（浸种至当日发芽所需的天数×当日发芽粒数）］/7 d内总发芽粒数             （3）

发芽指数（GI） = Σ（Gt /Dt）                                  （4）

活力指数（VI） = GI×S                                    （5）

式中，Gt为t时间内的发芽种子数；Dt为相应的发芽天数；S为一定时期内幼苗长度；相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数等指标均为某一浓度镉处理下该指标与无镉处理条件下该指标的比值。

1.3.2 幼苗生长指标、镉含量测定 随机选取10株黑麦草，每隔15 d取样一次，沿地表剪下，称鲜重后用自来水冲洗干净，再用去离子水清洗，晾干，90 ℃烘箱烘干至恒重，再称干重，计算生物量，然后粉碎。取0.5 g粉碎样品，用浓硝酸-ddH2O消解，采用TAS-990AFG型石墨炉原子吸收光谱仪（北京普析通用仪器有限责任公司）测定镉含量。

1.3.3 光合特性测定 用Li-6400型便携式光合仪（美国）测定光合指标。黑麦草播种60 d后，于晴天上午9：00—11：00，选取健康叶（从分蘖处向里数第2或第3片展开叶，取中部健康、无折痕部位）为测定对象，测净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）及叶绿素含量。丙酮提取法测定叶绿素含量［16］。以上测定均重复3次。

1.3.4 生理指标测定 待黑麦草长至90 d左右，测定相关生理指标。过氧化物酶活性采用愈创木酚法测定［17］，超氧化物歧化酶活性采用氮蓝四唑法测定［18］，过氧化氢酶活性采用紫外吸收法测定［19］，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定［20］，脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法测定［21］，丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法测定［18］。所有含量均以鲜重计算，每个处理的每个生理指标均重复测定4次。

1.4 数据处理与分析

用Excel软件计算4次重复的平均值和标准差，采用SAS软件进行单因素方差分析和多重比较（Duncan法），用Origin 2019软件做图，标有相同字母的代表差异不显著（P>0.05）。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫下不同黑麦草品种生长特性

随镉浓度的增加，奔驰种子的发芽势呈下降趋势，黑麦草其他品种种子发芽势均呈先增加后降低的趋势（图1a）；卡特种子的发芽势从镉浓度150 mg/L起低于对照，维多利亚、维纳斯、蓝标种子的发芽势从镉浓度200 mg/L起低于对照，其中蓝标种子发芽势降低的最多；在不同浓度镉胁迫下，雅晴种子的发芽势均高于对照。镉胁迫对黑麦草种子发芽率的影响因品种和镉浓度而异（图1b），随着镉胁迫浓度的增加，奔驰、卡特种子的发芽率呈下降趋势，且均低于对照，其中奔驰种子的降低幅度较大；镉浓度低于150 mg/L时蓝标、维多利亚、雅晴种子的发芽率均高于对照；镉浓度为200 mg/L时奔驰、卡特、蓝标、维多利亚、维纳斯、雅晴种子的发芽率均低于对照。镉胁迫对黑麦草种子发芽指数的影响因品种而异（图1c），在不同浓度镉胁迫下，维纳斯种子的发芽指数均高于对照，随着镉浓度的增加，奔驰种子的发芽指数呈下降趋势，且发芽指数均低于对照；镉浓度低于150 mg/L时雅晴、蓝标、维纳斯、维多利亚种子的发芽指数均高于对照；镉浓度为200 mg/L时奔驰、卡特、蓝标、维多利亚、雅晴种子发芽指数均低于对照。镉胁迫对黑麦草种子的活力指数随浓度的增加而减少（图1d），卡特、奔驰种子活力指数降低幅度较大，而雅晴、维纳斯种子的活力指数降低幅度较小；镉浓度为200 mg/L时雅晴种子活力指数较高。不同浓度镉胁迫对黑麦草种子发芽日数影响较小（图1e）。镉胁迫对黑麦草种子平均发芽天数的影响因品种而异（图1f），随着镉浓度的增加，奔驰种子的平均发芽天数呈增加趋势，且均高于对照；维多利亚种子受镉胁迫影响最小，平均发芽天数波动幅度最小。

镉胁迫对黑麦草芽长的影响因镉浓度和品种而异（图2a），镉浓度为25 mg/L时，奔驰、卡特、蓝标、维纳斯的芽长均高于对照，其他浓度镉胁迫降低了卡特、蓝标、维纳斯的芽长，而且降低幅度随镉浓度的增加而增加；维多利亚、蓝标的芽长对镉胁迫比较敏感，当镉浓度为200 mg/L时维多利亚、蓝标的芽长较低，雅晴的芽长对镉胁迫最不敏感。镉胁迫对黑麦草芽鲜重的影响因镉浓度和品种而异（图2b），镉浓度为25 mg/L时卡特、维纳斯、雅晴的芽鲜重均高于对照；镉浓度为50 mg/L时卡特、维多利亚的芽鲜重均高于对照；奔驰芽鲜重对镉胁迫最敏感，雅晴芽鲜重对镉胁迫最不敏感。镉胁迫对黑麦草芽干重的影响因镉浓度和品种而异（图2c），不同浓度镉胁迫下，雅晴的芽干重均高于对照，而蓝标的芽干重均低于对照，镉胁迫对其他4个品种芽干重的影响表现为低浓度促进、高浓度抑制；维纳斯、雅晴的芽干重降低幅度较小。镉胁迫对黑麦草根长的影响因镉浓度和品种而异（图2d），镉浓度为25 mg/L时奔驰的根长高于对照，随着镉浓度增加奔驰的根长降低且低于对照，而且降低幅度随镉浓度的增加而增加；卡特的根长对镉胁迫最敏感，奔驰的根长对镉胁迫最不敏感。镉胁迫对黑麦草根鲜重的影响因镉浓度和品种而异（图2e），各浓度镉胁迫均增加了雅晴的根鲜重，镉胁迫对其他5个品种根鲜重的影响表现为低浓度促进、高浓度抑制；维纳斯根鲜重降低幅度最大，其次为卡特。镉胁迫对黑麦草根干重的影响因镉浓度和品种而异（图2f），各浓度镉胁迫均降低了奔驰的根干重，镉胁迫对其他5个品种根鲜重的影响表现为低浓度促进、高浓度抑制，雅晴根干重降低幅度最小。综上所述，随着镉浓度增加，大部分黑麦草品种的芽长、芽鲜重、芽干重、根长、根鲜重、根干重总体呈下降趋势。

2.2 镉胁迫对不同黑麦草品种色素含量、光合及抗逆特性的影响

2.2.1 镉胁迫对不同黑麦草品种色素含量的影响 在正常生长条件下，维纳斯叶绿素a含量最高（6.34 mg/g），其次为卡特（图3a），均显著高于其他品种，其中叶绿素a含量由高到低依次为雅晴、奔驰、蓝标、维多利亚，且两两差异显著；在镉胁迫条件下，维纳斯叶绿素a含量最高（11.76 mg/g），其次为奔驰（10.33 mg/g），其他4个品种的叶绿素a含量由高到低依次为维多利亚、蓝标、雅晴、卡特，6个黑麦草品种的叶绿素a含量两两差异显著；与正常生长条件相比，镉胁迫增加了黑麦草叶绿素a含量，维多利亚的增加幅度最大，其次为奔驰，卡特的增加幅度最小。

在正常生长条件下，叶绿素b含量由高到低依次为维纳斯、卡特、雅晴、奔驰、蓝标、维多利亚，且品种间差异显著（图3b）；在镉胁迫条件下，叶绿素b含量由高到低依次为维纳斯、奔驰、维多利亚、蓝标、雅晴、卡特，除雅晴与卡特差异不显著外，其他品种间差异显著。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了黑麦草叶绿素b含量，维多利亚的增加幅度最大，其次为奔驰，卡特的增加幅度最小。

在正常生长条件下，类胡萝卜素含量由高到低依次为卡特、维纳斯、雅晴、蓝标、奔驰、维多利亚，且品种间差异显著（图3c）；在镉胁迫条件下，类胡萝卜素含量由高到低依次为维纳斯、奔驰、维多利亚、蓝标、雅晴、卡特，除奔驰与维多利亚差异不显著外，其他品种间差异显著。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了黑麦草类胡萝卜素含量，维多利亚的增加幅度最大，其次为奔驰，卡特的增加幅度最小。

不同黑麦草品种叶绿素含量存在差异（图3d）。在正常生长条件下，黑麦草叶绿素含量由高到低依次为维纳斯、卡特、雅晴、奔驰、蓝标、维多利亚，除维纳斯与卡特差异不显著外，其他品种间差异显著；在镉胁迫条件下，叶绿素含量由高到低依次为维纳斯、奔驰、维多利亚、蓝标、雅晴、卡特，且品种间差异显著。与正常生长条件相比，镉胁迫提高了黑麦草叶绿素含量，维多利亚的增加幅度最大，其次为奔驰，卡特的增加幅度最小。

2.2.2 镉胁迫对不同黑麦草品种光合特性的影响 不同黑麦草品种叶片气孔导度存在差异。在正常生长条件下，叶片气孔导度由高到低依次为蓝标、雅晴、维多利亚、卡特、奔驰、维纳斯，且品种间差异显著（图4a）。在镉胁迫条件下，叶片气孔导度由高到低依次为奔驰、维纳斯、雅晴、维多利亚、蓝标、卡特，除奔驰与维纳斯差异不显著外，其他品种间差异显著。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了维纳斯、奔驰、维多利亚、雅晴叶片的气孔导度，镉胁迫降低了蓝标叶片的气孔导度，卡特叶片的气孔导度基本不变。

不同黑麦草品种叶片胞间CO2浓度存在差异。在正常生长条件下，黑麦草叶片胞间CO2浓度由高到低依次为雅晴、蓝标、卡特、维多利亚、维纳斯、奔驰，除蓝标与卡特、维多利亚与维纳斯差异不显著外，其他品种间差异显著（图4b）。在镉胁迫条件下，黑麦草叶片胞间CO2浓度由高到低依次为维纳斯、奔驰、雅晴、卡特、维多利亚、蓝标，除奔驰与雅晴差异不显著外，其他品种间差异显著。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了奔驰、维纳斯、维多利亚叶片的胞间CO2浓度，镉胁迫降低了蓝标、雅晴叶片的胞间CO2浓度，卡特的胞间CO2浓度基本不变。

在正常生长条件下，黑麦草叶片的光合速率由高到低依次为维多利亚、蓝标、卡特、雅晴、奔驰、维纳斯，除维多利亚与蓝标、雅晴与奔驰差异不显著外，其他品种间差异显著（图4c）；在镉胁迫条件下，光合速率由高到低依次为蓝标、维多利亚、雅晴、卡特、奔驰、维纳斯，除卡特与奔驰差异不显著外，其他品种间差异显著。与正常生长条件相比，镉胁迫降低了卡特叶片的光合速率，增加了维纳斯、雅晴、蓝标、维多利亚、奔驰叶片的光合速率。

在正常生长条件下，黑麦草叶片的蒸腾速率由高到低依次为雅晴、维多利亚、蓝标、卡特、维纳斯、奔驰，除奔驰与维纳斯差异不显著外，其他品种间差异显著（图4d）；在镉胁迫条件下，黑麦草叶片的蒸腾速率由高到低依次为维纳斯、雅晴、维多利亚、奔驰、蓝标、卡特，除奔驰与蓝标差异不显著外，其他品种间差异显著。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了维纳斯、奔驰、维多利亚的蒸腾速率，降低了蓝标、卡特、雅晴叶片的蒸腾速率。

2.2.3 镉胁迫对不同黑麦草品种抗逆特性的影响 由图5a可知，在正常生长条件下，维纳斯叶片POD活性最大（278 U/g），其次为雅晴（210 U/g），再次为卡特，均显著高于维多利亚、蓝标和奔驰；在镉胁迫条件下，奔驰叶片的POD活性最高（202 U/g），其次为维纳斯（156 U/g），蓝标最小（95 U/g）。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了奔驰、维多利亚、蓝标叶片的POD活性，其中奔驰增加幅度最大，蓝标增加幅度最小，镉胁迫降低了雅晴、维纳斯、卡特叶片的POD活性。

由图5b可知，在正常生长条件下，奔驰叶片的SOD活性最大（13.86 U/g），其次为雅晴（9.92 U/g），维纳斯最小（6.52 U/g）；在镉胁迫条件下，奔驰叶片的SOD活性最高（11.27 U/g），其次为卡特（9.50 U/g），维纳斯最小（5.09 U/g）。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了卡特、维多利亚叶片的SOD活性，镉胁迫降低了雅晴、维纳斯、蓝标、奔驰叶片的SOD活性，其中维纳斯降低幅度最大，蓝标降低幅度最小。

由图5c可知，在正常生长条件下，奔驰叶片的CAT活性最大（28.7 U/g），显著高于雅晴、维多利亚、维纳斯；其次为卡特（20.3 U/g），维纳斯最小（7.2 U/g）；在镉胁迫条件下，奔驰叶片的CAT活性仍然最高（28.3 U/g），显著高于蓝标和雅晴；其次为卡特（20.3 U/g），雅晴最小（5.7 U/g）。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了维多利亚、维纳斯叶片的CAT活性，镉胁迫降低了其他4个品种叶片的CAT活性，雅晴降低幅度最大，奔驰降低幅度最小。

由图5d可知，在正常生长条件下，黑麦草叶片可溶性糖含量由高到低依次为奔驰、维多利亚、维纳斯、蓝标、雅晴、卡特，各品种间差异显著；在镉胁迫条件下，黑麦草叶片可溶性糖含量由高到低依次为维多利亚、奔驰、维纳斯、蓝标、雅晴、卡特，除奔驰与维多利亚差异不显著外，其他品种间可溶性糖含量差异显著。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了所有品种叶片的可溶性糖含量，雅晴增加幅度最大，卡特增加幅度最小。

由图5e可知，在正常生长条件下，蓝标叶片的脯氨酸含量最高（291 μg/g），显著高于其他品种；其次为卡特，奔驰最低，奔驰显著低于除维多利亚外其他品种；在镉胁迫条件下，蓝标叶片的脯氨酸含量最高（368 μg/g），显著高于其他品种；其次为维纳斯和维多利亚；奔驰最低，显著低于除卡特外其他品种。与正常生长条件相比，镉胁迫降低了卡特叶片的脯氨酸含量，增加了其他5个品种叶片的脯氨酸含量，其中维多利亚增加幅度最大，雅晴增加幅度最小。

由图5f可知，在正常生长条件下，维纳斯叶片的MDA含量最高（1.63 μmol/kg），显著高于其他品种，其次为奔驰，蓝标最小（0.57 μmol/kg）；在镉胁迫条件下，雅晴叶片的MDA含量最高（1.19 μmol/kg），其次为蓝标、维纳斯，维多利亚最低（0.46 μmol/kg）。与正常生长条件相比，镉胁迫增加了蓝标、雅晴、卡特叶片的MDA含量，蓝标增加幅度最大，卡特增加幅度最小，镉胁迫降低了维多利亚、维纳斯、奔驰叶片的MDA含量，其中维多利亚降低幅度最大，奔驰降低幅度最小。

2.3 镉胁迫对不同黑麦草品种生长及镉吸收的影响

2.3.1 镉胁迫对不同黑麦草品种生长的影响 黑麦草对镉胁迫的反应因品种、生育期的不同而异（图6）。镉胁迫抑制奔驰前期生长，促进后期生长；镉胁迫抑制卡特、维纳斯、雅晴的全生育期生长；镉胁迫促进蓝标前期生长，抑制后期生长；镉胁迫对维多利亚全生育期生长均起促进作用。镉胁迫对奔驰、蓝标、维多利亚的生物量影响较大。

2.3.2 镉胁迫对不同黑麦草品种镉含量、累积量的影响 不同黑麦草品种地上部镉含量存在差异（图7a、7c）。第一次采样数据显示，在正常生长条件下，维纳斯地上部镉含量最高（1.96 mg/kg），显著高于卡特，与雅晴、维多利亚、蓝标、奔驰差异不显著。在镉胁迫条件下，奔驰地上部镉含量最高（23.84 mg/kg），显著高于其他4个品种（雅晴数据缺失），其次为维多利亚，维纳斯、维多利亚、蓝标、卡特间镉含量差异不显著。在正常生长条件下，黑麦草地上部镉含量都较低，镉胁迫明显增加了黑麦草地上部镉含量，奔驰地上部镉含量增加幅度最大，维纳斯增加幅度最小。第二次采样数据显示，在正常生长条件下，卡特地上部镉含量最高（4.80 mg/kg），显著高于维纳斯，其次为奔驰，雅晴、维多利亚、蓝标、卡特、奔驰间镉含量差异不显著。在镉胁迫条件下，奔驰地上部镉含量最高（25.88 mg/kg），显著高于其他5个品种，其次为雅晴。在正常生长条件下，黑麦草地上部镉含量都较低，镉胁迫明显增加了黑麦草地上部镉含量，奔驰地上部镉含量增加幅度最大，其次为雅晴，蓝标增加幅度最小。

不同黑麦草品种地上部镉累积量存在差异（图7b、7d）。第一次采样数据显示，在正常生长条件下，雅晴地上部镉累积量最高（0.116 μg/株），显著高于卡特，雅晴、维纳斯、维多利亚、蓝标、奔驰的镉累积量差异不显著；在镉胁迫条件下，奔驰地上部镉累积量最高（1.856 μg/株），其他品种镉累积量由大到小依次为维多利亚、蓝标、维纳斯、卡特，除维纳斯与卡特差异不显著外（雅晴数据缺失），其他品种的镉累积量差异显著；在正常生长条件下，黑麦草地上部镉累积量都较低，镉胁迫显著增加了黑麦草地上部镉累积量，奔驰地上部镉累积量增加幅度最大，其次为维多利亚，维纳斯增加幅度最小。第二次采样数据显示，在正常生长条件下，奔驰地上部镉累积量最高（0.883 μg/株），明显高于其他4个品种，其次为蓝标，显著高于雅晴、维纳斯、卡特。在镉胁迫条件下，奔驰地上部镉累积量最高（5.808 μg/株），显著高于其他5个品种，其次为维多利亚和蓝标，显著高于维纳斯和卡特，再次为雅晴，显著高于卡特。在正常生长条件下，黑麦草地上部镉累积量都较低，镉胁迫显著增加了黑麦草地上部镉累积量，奔驰地上部镉累积量增加幅度最大，其次为维多利亚，蓝标增加幅度最小。

3 小结与讨论

土壤中镉含量超标不仅抑制土壤微生物的生长，而且会造成土壤肥力下降，影响植物生长，并通过食物链影响人类健康［6］。植物修复是解决土壤镉污染问题的有效手段［22］。黑麦草具有生长速度快，分蘖能力强，抗逆性强等特征，在一定程度上耐受并富集土壤中的镉元素，但当镉含量过高时会破坏黑麦草体内细胞膜渗透性，影响其种子萌发和幼苗生长［23］，并且黑麦草对镉吸收存在基因型差异［14］，因此研究不同黑麦草品种对镉耐受和富集差异，筛选高富集和耐受镉的品种对镉污染土壤修复具有重要意义。

3.1 镉对多年生黑麦草种子萌发的影响

研究镉胁迫下植物种子萌发及幼苗生长发育情况，在一定程度上可为植物对环境中镉的适应性提供理论依据［24］。本研究中，随着镉浓度的增加，奔驰种子的发芽势逐渐降低，黑麦草其他品种种子发芽势均呈先增加后降低趋势。镉胁迫对黑麦草种子发芽率的影响因品种而异，镉浓度低于150 mg/L时蓝标、维多利亚、雅晴种子的发芽率均高于对照；镉浓度为200 mg/L时奔驰、卡特、蓝标、维多利亚、维纳斯、雅晴种子的发芽率均低于对照。镉胁迫对黑麦草的活力指数随浓度的增加而减少，卡特、奔驰的活力指数降低幅度较大，而雅睛、维纳斯种子的活力指数降低幅度较小；镉浓度为200 mg/L时雅晴种子的活力指数较高。这与张杨杨等［25］的镉胁迫6种草本植物种子研究结果一致。镉浓度低于150 mg/L时雅晴、蓝标、维纳斯、维多利亚种子的发芽指数均高于对照；镉浓度为200 mg/L时奔驰、卡特、蓝标、维多利亚、雅睛种子的发芽指数均低于对照。

随着镉浓度的增加，大部分黑麦草品种的芽长、芽鲜重、芽干重、根长、根鲜重、根干重总体呈下降趋势，符合一般抗性植物响应逆境胁迫的规律。维多利亚、蓝标的芽长对镉胁迫比较敏感，当镉浓度为200 mg/L时维多利亚、蓝标的芽长较低，雅晴的芽长对镉胁迫最不敏感。当镉浓度增加至200 mg/L时，抑制了黑麦草种子的萌发，不同品种受抑制程度不同，这与前人的研究结果一致［5，23，26，27］。李慧芳等［28］的研究表明低浓度的镉胁迫（≤50 mg/kg）可促进部分多年生黑麦草的生长，其存活率、株高、分蘖数和地上部生物量显著高于对照，而高浓度镉胁迫则对黑麦草的生长产生抑制作用。

3.2 镉对多年生黑麦草光合色素含量及光合特性的影响

本研究结果显示，与正常生长条件相比，镉胁迫增加了黑麦草叶片叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素和叶绿素含量，不同品种增加幅度存在差异。这与方志刚等［14］、Anjum等［29］、魏倩等［30］ 认为镉胁迫降低了黑麦草叶片色素含量的研究结果存在差异。魏倩等［30］的研究中镉胁迫浓度为50 mg/kg，方志刚等［14］培养方式为水培且仅胁迫11 d，推测镉胁迫浓度、周期或培养方式不同是造成其与本研究结果存在差异的主要原因。低浓度镉胁迫对黑麦草叶片色素的合成起促进作用，高浓度镉胁迫抑制色素的合成或者加速降解。

若植物光合细胞器被严重破坏，将影响其光合速率。镉胁迫对植物的光反应、暗反应和光化学效率均有影响，从而降低植物的光合效率［8］。本研究结果表明，与正常生长条件相比，镉胁迫增加了维纳斯、奔驰、维多利亚、雅晴叶片的气孔导度，降低了蓝标叶片的气孔导度，卡特叶片的气孔导度无变化；镉胁迫增加了奔驰、维纳斯、维多利亚叶片的胞间CO2浓度，降低了蓝标、雅晴叶片的胞间CO2浓度，卡特叶片的胞间CO2浓度无变化；镉胁迫降低了卡特叶片的光合速率，增加了维纳斯、雅晴、蓝标、维多利亚、奔驰叶片的光合速率；镉胁迫提高了维纳斯、奔驰、维多利亚叶片的蒸腾速率，降低了蓝标、卡特、雅晴叶片的蒸腾速率。这与Guo等［31］的研究结果存在差异，推测可能是由于本研究的镉胁迫浓度较低，色素含量反而增加，因而导致光合速率增加。

3.3 镉胁迫激活抗氧化酶活性

SOD、CAT、POD等抗氧化剂在植物体内产生，可有效增强植物对多种逆境胁迫的抵抗力［8］。本研究结果表明，与正常生长条件相比，镉胁迫增加了奔驰、维多利亚、蓝标的POD活性，奔驰增加幅度最大；镉胁迫增加了卡特、维多利亚的SOD活性，降低了其他4个品种的SOD活性，其中维纳斯降低幅度最大，蓝标降低幅度最小；镉胁迫增加了维多利亚、维纳斯的CAT活性，降低了其他4个品种的CAT活性，其中雅晴降低幅度最大，奔驰降低幅度最小。总体上看，在胁迫条件下，奔驰的SOD、CAT、POD活性均最高，维多利亚的3种酶活性也较高，说明奔驰、维多利亚、维纳斯对镉的抗性较强。镉诱导作物氧化应激产生ROS，提高SOD、CAT和POD等抗氧化酶活性，从而减轻ROS对细胞的损害［8］。李慧芳等［28］的研究表明，在镉胁迫下CAT活性变化因品种而异，POD活性随镉胁迫浓度的增加先上升后下降，同样不同品种的POD活性存在差异。说明不同基因型黑麦草对镉胁迫的反应及耐受浓度均存在差异。本研究的供试材料奔驰、维多利亚、维纳斯可能较其他品种具有更强的耐镉性，从而减少镉对自身的危害。

3.4 镉胁迫引起渗透调节物质的积累

与正常生长条件相比，镉胁迫增加了所有品种可溶性糖含量及除卡特外5个品种叶片的脯氨酸含量。可溶性糖作为液泡的渗透缓冲剂和逆境保护剂，在植物渗透调节中发挥关键作用。脯氨酸是植物在重金属等逆境胁迫条件下累积的重要氨基酸，参与渗透调节。在正常及胁迫条件下，奔驰叶片的可溶性糖含量最高，其次为维多利亚。在正常和胁迫条件下，蓝标叶片脯氨酸含量均最高。说明奔驰、蓝标、维多利亚能产生较多的渗透调节物质来减轻镉胁迫对其造成的伤害。

MDA含量越高，说明细胞处于高氧化应激状态，细胞膜脂过氧化程度就越高［27］。在正常生长条件下，维纳斯叶片MDA含量最高，显著高于其他品种，蓝标叶片的MDA含量最小；在镉胁迫条件下，雅晴叶片的MDA含量最高，奔驰叶片的MDA含量较低，维多利亚叶片的MDA含量最低。说明维多利亚、奔驰对镉胁迫的抗性较强，膜系统受损害程度较轻。镉胁迫降低了维纳斯、维多利亚、奔驰叶片的MDA含量，但却增加了蓝标、雅晴、卡特叶片的MDA含量，蓝标增加幅度最大，这源于蓝标的抗氧化酶活性比较低。由此可见，抗氧化酶活性是植物抗逆性的重要指标。李慧芳等［28］的研究表明随着镉浓度增加脯氨酸和MDA含量呈上升趋势，品种间存在差异。这说明植物为了抵御镉胁迫，需产生更多的渗透调节物质来增加其抗性；此外，镉胁迫浓度越高，植物的膜系统受害程度越大。本研究的供试材料维纳斯、维多利亚、奔驰可能较其他品种具有更强的耐镉性。

3.5 不同黑麦草品种镉含量和镉累积量及对土壤有效镉含量的影响

不同黑麦草品种地上部镉含量和镉累积量存在差异。在正常生长条件下，黑麦草地上部镉含量和镉累积量都较低，品种间差异较小。镉胁迫明显增加了黑麦草地上部镉含量和镉累积量，奔驰地上部镉含量和镉累积量最高，显著高于其他5个品种，与金卓君等［32］的研究结果基本一致，表明黑麦草对镉的耐受性和吸收累积存在基因型差异。在黑麦草的生育期，通过多次刈割及镉富集作用可以不断将镉从污染土壤中移除。本研究的供试材料奔驰、维多利亚可能较其他品种具有更强的耐镉性及镉吸收累积能力，更适合作为镉污染土壤的植物修复品种。

综上所述，奔驰、维多利亚抗镉性及富镉能力都较强，是镉污染土壤修复的优选品种。本研究为镉污染地区土壤修复及种植结构调整提供备选品种。

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