镉胁迫对一年生黑麦草生理生化特性的影响

张凯凯，孙圆圆，徐玲玲，冯旭东，关　萍

(贵州大学 生命科学学院， 贵州 贵阳 550025)



镉胁迫对一年生黑麦草生理生化特性的影响

张凯凯，孙圆圆，徐玲玲，冯旭东，关萍*

(贵州大学 生命科学学院， 贵州 贵阳 550025)

摘要：通过盆栽试验，研究不同浓度镉(0、50、100、200、300 mg/kg)胁迫对一年生黑麦草(Tagetespatula L.)成年植株叶绿素和丙二醛(MDA)含量及抗氧化酶(SOD、CAT、POD)活性的影响。结果表明：低浓度镉(50mg/kg)胁迫叶绿素含量略有减少，但随着胁迫浓度的升高，叶绿素含量与对照显著减少；MDA含量随着镉胁迫浓度增加呈现先降后升的变化趋势，300mg/kg时达到最高值；SOD、CAT、POD活性随镉浓度升高，均表现出先升后降的变化趋势。可见，一年生黑麦草对重金属镉具有一定的耐受性，为植物重金属修复方面提供参考。

关键词：镉；一年生黑麦草；叶绿素；MDA；抗氧化酶

土壤重金属污染已成为当今环境污染的严峻问题之一，土壤重金属微量元素由于易移动、毒性大、难降解且能沿食物链富集，对环境和人类健康造成了严重危害。据报道，中国受污染的耕地面积达2000万hm2，约占耕地总面积的1/5[1]，每年因土壤重金属污染造成的经济损失达到近200亿元[2]。镉(Cd)是当今重金属污染中面积最大且毒性最强金属元素之一，具有较强的致癌、致畸和致突变的作用，镉一旦进入土壤便会长时间滞留在耕作层中，且极易被植物吸收并积累，目前我国镉污染土地面积已达1万hm2以上[3]。镉不是植物生长发育所必需的营养元素，低浓度的镉会对植物起到促进作用，当镉浓度超过植物耐受的最高浓度时，便会对植物产生毒害作用，使得植株体内代谢紊乱及生长发育受到抑制，线粒体和叶绿体受到较大破坏，降低植物呼吸和光合作用效率[4]。同时高浓度镉胁迫导致植物细胞内产生大量自由基，打破植物自身自由基的产生与清除平衡，对植物一些关键酶系活性将产生严重影响[5-6]。

一年生黑麦草(LoliumperenneL.)属一年生草本植株，它因适应性广、耐旱、耐寒、耐瘠、分蘖再生能力强、生长速度快及产量高等优势被作为高效牧草，在我国长江流域以南的地区均有大量种植。有报道称黑麦草对Zn、Cd、Pb具有一定的富集能力[7-8]。多年生黑麦草对Cd具有较强的富集能力，具有植物修复的能力[9]。

本试验以黑麦草对Cd具有较强的富集能力的特点，而选取黑麦草作为本次研究的对象，采用土培方法，研究不同质量浓度镉胁迫对一年生黑麦草成年植株生理生化特性(叶绿素含量、MDA含量、抗氧化酶活性)的影响，以期研究成年植株抗性机制、富集规律，为植物修复重金属技术提供理论依据。

1.1供试材料

本研究于2014年3月-2014年6月在贵州大学生物技术实验室进行。供试一年生黑麦草(TagetespatulaL.)种子购自丹农国际种子公司；供试土壤为购买的有机质营养土；胁迫试剂所用氯化镉(CdCl22.5H2O)为分析纯；浇灌水为去离子水；仪器包括：光照培养箱、紫外分光光度计、冰冻高速离心机、电子天平等。

1.2植物培养与处理方法

取颗粒饱满、大小均匀的一年生黑麦草种子，用75%的酒精消毒3-5 min，后用去离子水冲洗数次，蒸馏水侵泡种子24 h。选取直径为9 cm的培养皿，将双层定性滤纸放入皿底作发芽床，每皿放入50粒种子，加入适量的蒸馏水于25℃光照培养箱中培养，每天加适量蒸馏水补充蒸发水分。待幼苗长到约7-10 cm时，选取植株长势均匀苗为实验材料，移入装有500 g营养土的花盆中，每盆3株。将氯化镉(CdCl22.5H2O)配制为0(CK)、50、100、200、300 mg/kg5个不同浓度，每个浓度取20ml喷晒于盆栽土壤中，各处理设3次重复，共15盆，自然条件下培养。实验期间不给植株施加任何肥料，并采用称重浇水的方法，保持土壤湿度。待植株盆栽时间60 d后，各浓度每个重复中分别取一个样，测定不同生理指标，后取3个重复值的平均值，进行相关指标的分析。

1.3生理生化指标的测定

叶绿素用95%的酒精溶液提取，并用分光光度法测定其含量、MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定[10]、SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定[11]、POD活性采用愈创木酚法测定[12]、CAT活性测定采用紫外分光光度法[13]。

1.4数据处理

试验数据采用Microsoft Excel2007软件进行处理，并采用SPSS(19.0)统计软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1Cd胁迫对一年生黑麦草叶绿素含量的影响

如图1所示，在Cd胁迫下，一年生黑麦草叶绿素含量随Cd胁迫浓度的升高总体呈现下降趋势，在Cd胁迫浓度为200 mg/kg时，叶绿素含量达到最低值7.77 mg/gFw。与对照相比，在50～300 mg/kg镉胁迫下的叶绿素含量分别下降了1.16%、21.3%、35.9%、34.9%。在各浓度胁迫下的叶绿素含量均低于对照，且各胁迫浓度间的含量差异性显著(P<0.05 )。综上所述，Cd胁迫对一年生黑麦草叶绿素的合成具有抑制作用，与孙圆圆研究的幼苗植株相比较，Cd对成年一年生黑麦草抑制作用更为明显，表明长时间的胁迫使得植株毒害加剧。

2.2Cd胁迫对一年生黑麦草MDA含量的影响

如图1所示，随Cd胁迫浓度增加，一年生黑麦草MDA含量呈现先降后升的趋势，并在50 mg/kgCd胁迫下，MDA含量出现最低值4.4 nmol/gFw，比对照减少了12%；300 mg/kg Cd胁迫下，MDA含量最高5.5 nmol/gFw，比对照升高了9.1%；在50～300 mg/kg Cd胁迫下，一年生黑麦草的MDA含量逐渐升高，但与对照并无显著差异(P>0.05)。由此表明一年生黑麦草植株在长期Cd胁迫下，膜脂过氧化程度随胁迫浓度增加而加剧。

图1　不同浓度Cd胁迫对一年生黑麦

2.3Cd胁迫对一年生黑麦草SOD活性的影响

如图2所示，不同Cd浓度胁迫下，一年生黑麦草SOD活性变化较大，大致呈现先升后降趋势，其中200 mg/kg处略有升高。在50 mg/kgCd浓度胁迫下，SOD活性达到最大值，说明在低浓度重金属胁迫下，一年生黑麦草表现出一定耐性，但随胁迫浓度的不断升高，植株细胞内自由基浓度升高，打破植株自身平衡，从而SOD活性降低，在300 mg/kg处活性最低(84.03 U/gFw)，但与对照差异不显著(P>0.05)，可能由于在该胁迫浓度下一年生黑麦草保持较高的耐性。

图2　不同浓度Cd胁迫对一年生黑麦草SOD活性的影响

2.4Cd胁迫对一年生黑麦草CAT活性的影响

如图3所示，在0～300 mg/kg Cd胁迫下，一年生黑麦草CAT活性表现出先升后降最后略有升高的变化趋势，并在200 mg/kg Cd胁迫下达到最低值(2.77U/g Fw)， 在200～300 mg/kg Cd胁迫下分别

图3　不同浓度Cd胁迫对一年生黑麦草CAT活性的影响

较对照显著降低了25.1%和24.7%(P<0.05)。由该结果可知，一年生黑麦草对低浓度Cd胁迫具有一定的耐受性，通过增强自身的过氧化氢酶活性，从而很好的保护植株免受重金属的毒害；但当胁迫浓度达到一定值时，最终将打破植株自身的平衡作用机制，植物本身的应激系统下降，使其适应逆境能力降低，从而不断加强对植物伤害，甚至死亡。

2.5Cd胁迫对一年生黑麦草POD活性的影响

如图4所示，POD活性随Cd胁迫浓度增加表现先生后降再升高的趋势，在低浓度50 mg/kgCd胁迫下，POD活性达到最高值(28.9 U/gFw)，较对照增加了13.3%；随后便逐渐降低，在200 mg/kg处达到最低值(21.8 U/gFw)，较对照减少了12.9%，然后在300 mg/kg出又略有上升，但上升与降低较对照并不显著。过氧化物酶(POD)的主要作用是清除氧代谢中产生的H2O2以及由此产生的有机过氧化物，因此，POD 在生物体内的抗氧化代谢中起重要作用。由实验结果表明，一年生黑麦草在低浓度Cd胁迫下表现出耐性，通过提高自身的POD活性以清除体内过多的过氧化物，从而免受侵害。

图4　不同浓度Cd胁迫对一年生黑麦草POD活性的影响

3讨论

当植物受到重金属胁迫时会出现生长缓慢、植株矮小、产量降低、根系伸长受到抑制的现象，严重时甚至会死亡[14-15]。叶绿素是植物光合作用的主要色素，其含量的高低在一定程度上反映了植物光合作用的强弱[16]，研究[17]发现，重金属胁迫对叶绿素合酶起到抑制作用，降低叶绿素的合成，从而抑制光合作用的进行。本试验中，一年生黑麦草叶绿素含量随镉胁迫浓度的增加而逐渐降低，说明植株受重金属镉胁迫，叶绿素的合成受到影响，黑麦草光合作用将受到抑制，进而对植株的生长产生破坏性影响。研究[18]表明，高浓度的Cd处理抑制了烟草叶绿素的合成，使叶绿素含量降低，烟草叶绿素含量和光合强度随Cd含量的上升而逐渐下降。植物细胞膜系统是植物与外界环境进行物质运输机信息传递的通道和屏障，其功能的稳定对植物的正常生理代谢起到重要重用[19]。在高浓度重金属胁迫下，细胞内的大量自由基对植物细胞膜透性产生严重破坏，MDA的积累反映了细胞膜脂过氧化程度。在本实验中，MDA含量先降后升，表明植物在低浓度镉胁迫下，体内的活性氧能够被清除，但当胁迫进一步提高时，过多的活性氧将导致膜脂过氧化，从而使得MDA含量上升。结合叶绿素含量逐渐降低的变化趋势，可以推测MDA在植物体内的大量积累，将严重影响叶绿素的合成。方学智等人[20]研究表明，重金属对植物的伤害与自由基的产生有关，植物通过抗氧化酶系统(SOD、CAT、POD)来减轻自由基对其自身的毒害。SOD是活性氧清除系统中重要的防御酶，起核心作用，CAT及POD共同催化H2O2和过氧化物生成水和氧分子。本研究中，SOD、CAT、POD活性均在低浓度镉胁迫下表现为升高，证明了植物在低浓度胁迫时，产生了应激反应，3种抗氧化酶活性都有所提高；而随镉浓度的升高，增多的活性氧使得多种功能膜及酶系统遭到不同程度破坏，从而导致3种抗氧化酶活性的降低。随着植物Cd含量的大量积累，叶绿素合成减少、MDA含量的增加、抗氧化酶活性的降低，黑麦草植株综合抗逆境能力降低，植株通常表现出生长缓慢、植株矮小、不育甚至死亡等。本试验从不同浓度镉胁迫下，对一年生黑麦草成年植株的生理生化特性变化做了初步探讨，对一年生黑麦草的镉抗性机理及富集规律有了一定了解。

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Effects of cadmium stress on physiological and biochemical characteristics inTagetespatulaL. [Asterales: Asteraceae]

ZHANGKai-kai,SUNYuan-yuan,XULing-ling,FENGXu-dong,GUANPing*

(CollegeofLifeSciences,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China)

Abstract:The effect of different concentrations of cadmium (Cd) (0, 50, 100, 200, 300 mg/kg) on the contents of chlorophyll and MDA and the activity of the antioxidant enzymes (SOD, CAT and POD) of the mature plant of Tagetespatula was studied through pot experiment. The results showed that the content of chlorophyll only slightly decreased at low concentration (50mg/kg) of Cd, however, with the concentration of Cd increasing, the content of chlorophyll significantly decreased.The content of MDA first decreased then increased to the maximum of 300mg/kg.With the concentration of Cd increasing, the contents of SOD, CAT and POD first increased then decreased.It is concluded that Tagetespatula has certain tolerance to Cd stress. The study provides the basis to explain plant recovery from heavy metal pollution.

Key word:Cadmium; TagetespatulaL; Chlorophyll; MDA; antioxidant enzymes

文章编号：1008-0457(2016)01-0086-04国际DOI编码：15958/j.cnki.sdnyswxb.2016.01.019

中图分类号：Q945.78

文献标识码：A

基金项目：贵州省社会发展攻关课题“镉富集植物的筛选及修复技术研究”[黔科合SY自(2013)3137号]。通讯作者：关萍，女，博士，教授，主要研究方向：植物学、分子生物学及植物生物技术； E-mail:guanp@163.com。

收稿日期：2016-01-04；修回日期：2016-02-05