吴勇1，颜惠芳2，曹受金2*
 

（1湖南省农作物种质资源保护与良种繁育中心，湖南长沙410219；2中南林业科技大学林学院，湖南长沙410004）

 

摘要：以3年生“无尽夏”绣球实生苗为材料，对其进行不同浓度镉10mg/kg、25mg/kg、50mg/kg处理，以未进行镉处理为对照，探究重金属镉胁迫对其生长及生理特性的影响。结果表明，所有重金属镉处理下，绣球均未出现生长发育迟缓、叶片发黄卷曲等镉毒害症状，但绣球的株高、地径等生长指标受到不同程度的影响，而相对含水量及地上部生物量相比于对照组均无显著性变化。随着镉处理浓度的不断增大，绣球叶片叶绿素含量、SOD活性、POD活性、丙二醛含量等指标均在一定范围内呈现显著的差异。重金属镉胁迫对无尽夏绣球造成了不同程度的膜脂过氧化损伤，抗氧化防御系统均被激活。

 

随着工业化进程迅速发展，土壤重金属污染成为世界范围影响严重的环境问题之一，给动植物的生长发育及人类健康带来了巨大威胁。在土壤重金属污染中，镉（Cd）毒性大，影响时间长，在植物体内易累积且难降解，

不仅会对植株的正常生长造成严重危害，还会通过食物链危害人体的健康。目前，对土壤中的重金属吸附和富集作用研究主要集中在农作物、经济作物、水草等方面，木本植物中相关研究较为少见。但木本植物对重金属的吸收和累积能力高于草本植物，且短时间内不会排放到环境中。因此，加强对木本植物重金属胁迫的损伤机制及生理响应研究，对土壤修复和农业生产具有重要意义。

 

绣球（Hydrangeamacrophylla）花型饱满，花色丰富，是优良的观赏植物，目前尚未见有关镉胁迫对其生长和生理反应的影响。本研究以3年生“无尽夏”绣球实生苗为试验材料，通过不同浓度的镉溶液胁迫处理，测量相关生长及生理指标变化，探究重金属镉对绣球的生长及生理影响，以期为监测绣球生长环境、减缓重金属危害提供参考。

 

1材料与方法

 

1.1试验材料

 

供试的绣球品种为‘无尽夏’（EndlessSummer），母株为3年生健壮植株，种植于湖南长沙中南林业科技大学西园苗圃中。于2021年3月下旬挑选上述品种生长健壮、大小一致、无病虫害的3年生实生苗为试验材料，所有试验材料均于试验开始前1周转移至中南林业科技大学西园苗圃中进行恢复生长。

 

试验所用的3CdSO4·8H2O为分析纯试剂，利用超纯水溶解3CdSO4·8H2O制备1000mg/L的镉储备溶液，置于4℃下保存。

 

1.2试验设计

 

将试验材料随机分为4组，1组作为对照，每天浇水，保证植物正常生长状态。另外3组分别将镉储备溶液稀释成不同浓度梯度（处理Ⅰ为10mg/kg、处理Ⅱ为25mg/kg、处理Ⅲ为50mg/kg）的Cd2+溶液进行胁迫处理。每组5盆，重复3次，

 

将镉储备溶液均匀喷洒到绣球土壤中，花盆底垫塑料盘，渗出的处理液继续倒回花盆中，避免重金属镉离子的流失。胁迫处理开始之后，每组隔1d浇100mL的超纯水1次，保证土壤含水量在50%左右。将试材置于室外培养，40d后测定其生长指标、生理生化指标和镉富集指标，记录植株生长变化、胁迫症状。每隔10d采样，共采集4次。

 

1.3指标测定及数据分析

 

1.3.1生长指标测定。在田间试验阶段，利用钢卷尺和游标卡尺测量苗木的株高和地径。收集叶片称量其鲜重后，经105℃烘箱15min杀青后于70℃烘干至恒重，再分别称量其干重，计算含水量和生物量。

 

1.3.2生理指标测定。叶绿素含量采用丙酮和乙醇浸提法测定；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定；超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑法测定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸显色法测定；电导率通过电导仪测定；脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取法测定，具体参考李合生的方法[1]。每个处理重复3次。

 

1.3.3数据分析。试验采用MicrosoftExcel2016软件统计整理原始数据，SPSS25.0软件分析数据，当方差分析（ANOVA）显示处理间存在显著差异（P＜0.05）时，采用最小显著性差异法（LSD）进行组间差异性检验。文中图表均采用Origin软件绘制。

 

2结果与分析

 

2.1不同浓度镉处理下绣球生长指标变化

 

由图1、图2可知，不同浓度镉处理下，各处理组间的株高和地径存在显著差异（P＜0.05），相对含水量和生物量无显著变化。当土壤镉处理40d时，10mg/kg镉处理组的株高增长量最大，为57.6cm；25mg/kg镉处理组的地径最大，为7.7cm。50mg/kg镉处理组下的绣球株高及地径均低于其他3组。培养60d时，对照组和10mg/kg镉处理组的各项生长指标无显著差异。总体来看，各处理组的株高和地径随培养时间呈增长趋势，低浓度的Cd胁迫处理能在一定程度上刺激绣球生长，高浓度的Cd胁迫抑制绣球生长。

 

2.2不同浓度镉处理下绣球生理指标变化

 

植物通过光合作用来积累有机质，光合作用强弱与叶绿素的水平高低密切相关。由图3可知，10mg/kg和50mg/kg的镉处理组与对照组比较，其叶绿素含量有所上升，50mg/kg镉处理组在处理不同时长后，与对照组相比，分别增加了13.58%、26.92%、20.25%。25mg/kg镉处理组叶绿素含量则明显下降，叶绿素a和叶绿素b含量最低，分别为0.61mg/gFW、0.68mg/gFW、0.69mg/gFW。对照组与各镉胁迫处理间存在显著差异，表明无尽夏叶绿素含量在一定浓度处理时受镉胁迫影响大，但50mg/kg处理对其叶绿素合成有一定的促进作用。

 

 

SOD是植物体内的一种含金属酶，它能催化O2-发生歧化反应，生成O2和H2O2，以此保护细胞膜系统免受活性氧或其他氧化自由基的伤害。POD可分解一定的H2O2，从而减少H2O2对细胞膜的伤害。由图4和图5可知，Cd处理过的绣球SOD活性高于对照组，且镉浓度越大，SOD活性越高，培养后期绣球SOD活性后趋于平衡，对镉胁迫表现出一定的适应性。Cd处理过的绣球POD活性低于对照组，呈先降后升趋势。其中10mg/kg镉浓度处理组与对照组无显著差异，另2组与对照组存在显著差异，且浓度越高，POD活性越低。

 

 

MDA是植物在受到逆境胁迫时，通过膜脂过氧化的最终降解产物，其含量与膜系统损伤程度呈正相关。由图6和图7可知，经10mg/kg和25mg/kg镉处理的绣球MDA含量较初始有所降低，培养后期趋于平稳，与对照组间存在显著差异；经50mg/kg镉处理的绣球MDA含量少量增加，与对照组差异不明显。镉处理后，随培养天数增加，绣球相对电导率呈现上升趋势，各镉胁迫处理组相对电导率均高于对照组，且与对照存在显著差异。说明随着镉胁迫浓度的增加，无尽夏绣球细胞膜系统受到的伤害逐渐加大。

 

 

Pro是植物体内主要的渗透调节物质之一，同时具有防御膜脂过氧化损伤的作用，在胁迫下其含量会增加，作为对渗透应力和膜脂过氧化伤害的响应[2-4]。由图8可知，镉胁迫处理下，绣球Pro含量呈先增加后降低趋势，与对照组存在显著差异。在镉胁迫浓度50mg/kg处理40d时，Pro含量最高，是对照组的1.10倍。Pro含量增加说明此时无尽夏绣球受镉胁迫危害严重，体内的渗透调节机制开始发挥作用以抵制镉胁迫造成的伤害。

 

3讨论

 

3.1镉胁迫对绣球生长指标的影响

 

一般来说，重金属镉对植物的毒害作用主要表现为植株生长发育迟缓、萎蔫失水，叶片枯黄、卷曲、干枯脱落等，且随着镉胁迫浓度的增加，植物生长抑制率逐渐增大[5]。本试验中，所有处理组绣球均未观察到出现重金属毒害症状，即使以最高浓度镉处理（50mg/kg），也未观察到明显的植株矮化及黄化的现象。地上部生物量虽然相较于对照组有所下降，整体上看趋于稳定值。这可能与绣球自身特性有关，不同植物对镉的耐受能力和抗性差异较大[6]。

 

3.2镉胁迫对绣球生理特性的影响

 

正常生长情况下，植物可以利用自身的抗氧化酶系统来消除体内产生的活性氧自由基，以此实现平衡。植物体内含有多种抗氧化酶，其中SOD、POD是清除活性氧的最关键的几种酶，因为它们可有效降解活性氧、保护膜、减少氧化应激给植物造成的伤害。但当植物受到重金属胁迫时，植物体内活性氧自由基含量会提高，活性氧的增加会导致抗氧化酶活性提升[5]。

 

通过植物体转运至地上部分的镉，会阻碍叶绿素的合成，尤其是不同种类的叶绿素及其比例会受到不同程度的影响[7]。本试验中绣球叶片的叶绿素a和叶绿素b含量随镉浓度的升高先下降后上升。绣球叶片叶绿素含量减少，可能是由于镉与叶绿素蛋白上的巯基结合从而破坏了叶绿体结构[8-9]。镉浓度为25mg/kg时叶绿素含量变化较对照明显降低，可能是镉浓度过高，诱发的活性氧导致了叶绿素的破坏，致使其下降。镉处理浓度增大一段时间后，叶绿素含量上升，表明绣球对镉有一定的耐受性，可能是受环境胁迫后植物自我保护的结果，这与李叶华等[7]研究结果相似。

 

植物受到胁迫时，体内会产生大量的活性氧自由基，促使细胞膜内的不饱和脂肪酸发生过氧化反应，从而产生MDA。镉是质膜过氧化的重要诱变剂，高浓度的镉诱导会产生较多的MDA[10]。本试验中镉浓度在25mg/kg时，MDA含量最低，显著低于对照；50mg/kg时MDA含量达到最高，且显著高于对照。MDA的含量不仅与镉胁迫浓度有关，而且随着镉胁迫时间的延长会不断增多[10]。本试验结果显示一段时间MDA值下降，可能是因为仅仅测定了镉胁迫一段时间后叶片的MDA值。在此期间，绣球受到不同浓度的镉胁迫后，自身发生了一系列生理生化变化，从而最大可能地降低重金属镉的毒害作用。

 

4结论

 

所有重金属镉处理下，绣球均未出现生长发育迟缓、叶片发黄卷曲、植株萎蔫失水等镉毒害症状，且低浓度镉处理下绣球的株高及地径相比对照组有显著性增大。其中，随着镉处理浓度的增大，在较低镉浓度时（10mg/kg），可以促进绣球植株的伸长；在镉浓度为25mg/kg时，显著促进绣球地径增大。

此外，镉处理对绣球的含水量和地上部生物量影响不大。一定浓度的镉胁迫处理对叶绿素合成有促进作用，但对绣球会造成不同程度的膜脂过氧化损伤，酶促反应失衡，细胞膜结构被破坏，以及细胞膜功能的缺失等一系列生理活动失调。镉胁迫时，绣球通过自身的抗性机制，激活抗氧化防御系统，保持自身生物量水平等来适应胁迫环境。