鎘對苗期高羊茅的形態(tài)和生理影響

范 金，袁慶華

(中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京100193)

鎘(Cadmium)是一種有毒的重金屬，對人和動物都有很大的危害。植物從土壤中吸收到鎘，會通過食物鏈的傳遞而轉(zhuǎn)移到了人和動物體內(nèi)［1］。土壤中的鎘主要有兩個來源，即自然和人為。鎘在土壤中的人為來源主要包括污水污泥、化肥、礦山冶煉和其他工業(yè)廢料［2-3］。近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的重金屬鎘被排放到土壤中。有研究報道，土壤中的重金屬污染可以通過植物修復的方法解決［4］。在工廠、礦山等鎘含量排放多的地方種植耐鎘性高的草坪草，不但可以綠化工廠礦區(qū)的工作環(huán)境，而且可以吸收排放在土壤中的重金屬鎘。

高羊茅(Festuca arundinacea)是禾本科羊茅屬多年生冷季型草，又名葦狀羊茅。原產(chǎn)于歐洲西部，在我國新疆、東北中部濕潤的地區(qū)均有野生［5-6］。因成坪綠度良好、耐踐踏性強、抗病抗蟲和耐熱性好等性狀而被廣泛應用于各種草坪的建植［7-9］。因此，研究高羊茅的耐鎘脅迫生理機制，篩選出耐鎘性強的高羊茅材料，有非常重要的實踐意義。本研究采用溫室盆栽法，用6 個不同濃度的鎘溶液對20 份高羊茅材料進行處理，通過形態(tài)指標的測定，比較不同濃度的鎘脅迫對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響。對20 份材料進行綜合評價，篩選出耐鎘性較強的兩份材料和耐鎘性較弱的兩份材料，通過生理指標的測定，比較不同鎘濃度對4 份材料的影響，以期為耐鎘高羊茅材料的篩選提供重要參考。

1 材料與方法

1．1 試驗材料

20 份高羊茅供試材料(表1)全部來源于中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所。

表1 供試高羊茅材料及其來源Table 1 List of tested materials

1．2 試驗方法

試驗于2013 年12 月－2014 年4 月在中國農(nóng)業(yè)科學院河北廊坊智能溫室中進行，12 月上旬育苗，出苗20 d 后間苗，每盆20 株。鎘處理的方法為:將CdSO4·8H2O 制成一定濃度的溶液，再將溶液施入已間苗盆中，使處理后土壤含水率為最大持水量的70%。鎘離子濃度設置:0(對照)、10、20、50、100、200 mg·kg－1(風干土重)，每處理設3 個重復。經(jīng)過30 d 的處理，對各材料的存活率、株高、分蘗數(shù)和地上生物量進行測定，并通過上述4 個指標對各材料進行綜合評價。處理期間對幼苗進行日常的養(yǎng)護管理［10］。選用過篩后的土壤，將其裝入高20 cm、地徑15 cm、口徑20 cm 的花盆中，每盆裝入土壤2 kg。

經(jīng)過綜合評價后，選出耐鎘性強的材料和耐鎘性弱的材料，分別測量他們的生理指標，過氧化氫酶(CAT)、過氧化酶(POD)、脯氨酸(Pro)和葉綠素的含量，研究鎘脅迫下高羊茅的生理反應。

1．3 測定指標及方法

株高:每盆中隨即選取5 株幼苗，用卷尺測定其垂直高度;

分蘗數(shù):每盆中隨即選取5 株幼苗，查其分蘗數(shù);

存活率:每盆中的存活數(shù)/每個花盆中的總數(shù)×100%;

地上生物量:烘干法［11］;

CAT 含量:紫外吸收法［12］;

POD 含量:愈創(chuàng)木酚法［13］;

脯氨酸(Pro):酸性印三酮法［14］;

葉綠素:二甲基亞砜法［15-16］;

指標相對值=處理測定值/對照測定值×100。

1．4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19．0 軟件對所測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，對同一鎘脅迫濃度下的20 份材料進行單因素方差分析，采用Duncan 法對各測定數(shù)據(jù)進行多重比較;并用Excel 2007 制圖。

1．4．1 數(shù)據(jù)標準化 運用隸屬函數(shù)對各指標進行標準化處理。

式中，Xj表示第j 個綜合指標值，Xmax表示第j 個綜合指標的最大值，Xmin表示第j 個綜合指標的最小值。

1．4．2 權重確定

采用標準差系數(shù)法，計算標準差系數(shù)，化歸一后得到各指標的權重系數(shù)。

式中，Vj表示標準差系數(shù)，Xij表示第i 個材料的第j個綜合指標值表示第j 個綜合指標的平均值;Wj表示權重系數(shù)。

1．4．3 綜合評價值 計算各材料的綜合評價值。

式中，D 為各供試材料的綜合評價值。

2 結(jié)果與分析

2．1 苗期20 份高羊茅材料耐鎘性綜合評價

2．1．1 鎘脅迫對高羊茅材料存活率和株高影響

在鎘脅迫下，隨著鎘濃度的升高，高羊茅材料的相對存活率呈下降的趨勢(表2)。從整體上看，鎘脅迫對高羊茅相對存活率的影響不是很大。當鎘濃度在100 mg·kg－1以下時，所有材料的相對存活率都在85%以上。當鎘濃度在200 mg·kg－1時，仍有17 份材料的相對存活率在85%以上;其中，材料M5、M10和M14的相對存活率分別是65．00%、75．00%和75．00%。經(jīng)過多重比較，當鎘濃度在10、20 和100 mg·kg－1時，20 份材料間均無顯著差異(P ＞0．05)，當鎘濃度在50 mg·kg－1時，材料M11存活率最低，除M11外，其他材料之間無顯著差異。當鎘濃度在200 mg·kg－1時，材料M5、M10和M14的存活率最低，和其他材料M1、M2、M8、M17和M18存在顯著差異(P ＜0．05)，3 份材料間無顯著差異。

在鎘脅迫下，各高羊茅材料的相對株高隨著鎘濃度的升高而呈下降的趨勢(表2)。不同濃度的鎘脅迫對材料的株高有不同程度的影響。當鎘濃度為10、20 和50 mg·kg－1時，分別有20、18 和13 份材

料的相對植株高度在85% 以上。當鎘濃度100 mg·kg－1時，相對植株高度在85%以上的只有5 份材料;耐鎘性表現(xiàn)最好的是材料M19，表現(xiàn)最差的是材料M5。當鎘濃度200 mg·kg－1時，所有材料的相對植株高度均在65% ～85%，耐鎘性表現(xiàn)最好的是材料M13和M18，表現(xiàn)最差的是材料M4、M5、M9和M14，表現(xiàn)好的材料和表現(xiàn)差的材料之間存在顯著差異(P ＜0．05)。

表2 鎘脅迫對高羊茅材料存活率和株高的影響Table 2 Effects of different concentrations of Cd on survival rate and plant height

2．1．2 鎘脅迫對20 種高羊茅材料分蘗數(shù)和地上生物量的影響 在鎘處理下，高羊茅的相對分蘗數(shù)隨著鎘濃度的升高呈下降的趨勢(表3)。當鎘濃度為10 mg·kg－1時，所有供試材料的相對分蘗數(shù)均在100%以上，且20 種材料之間不存在顯著差異(P ＞0．05)，說明低濃度的鎘脅迫促進了高羊茅材料的分蘗。當鎘濃度為20 mg·kg－1時，有11 份材料的相對分蘗數(shù)在80% 及以上;當鎘濃度為50 mg·kg－1時，相對分蘗數(shù)在80%以上的只有1 份材料。當鎘濃度為100 mg·kg－1時，相對分蘗數(shù)的變化在38．31% ～72．70%;當鎘濃度為200 mg·kg－1時，相對分蘗數(shù)最大的是材料M16，為60．74%，相對分蘗數(shù)最小的是材料M5，為32．75%，二者之間存在顯著差異(P ＜0．05)。

在鎘處理下，高羊茅的相對地上生物量隨著鎘濃度的升高呈逐漸下降的趨勢(表3)。當鎘濃度為10、20 和50 mg·kg－1時，相對地上生物量在80%以上的品種分別有18、11 和10 份材料。當鎘濃度100 mg· kg－1時，相 對 地 上 生 物 量 在31． 35% ～84．80%。當鎘濃度200 mg·kg－1時，耐鎘性表現(xiàn)好的有M1、M2和M19，這3 份材料之間無顯著差異(P＞0．05);耐鎘性表現(xiàn)最差的是M5、M10和M14，這3份材料之間也無顯著差異;但是M1、M2、M19與耐鎘性差的M5、M10、M14之間存在顯著差異(P ＜0．05)。

2．1．3 鎘脅迫對20 份高羊茅材料葉組織含水量的影響 在鎘脅迫下，高羊茅的相對葉組織含水量隨著鎘濃度的升高呈逐漸下降的趨勢(表4)。當鎘濃度為10、20 和50 mg·kg－1時，相對葉組織含水量在70%以上的品種分別有19、13 和11 份材料。當鎘濃度100 mg·kg－1時，相對葉組織含水量在38． 15% ～89．95%，相對葉組織含水量最高的是材料M5，最低的是M11，兩個材料之間的相對葉組織含水量存在顯著差異(P ＜0．05)，說明不同材料之間的葉組織含水量差異較大。當鎘濃度為200 mg·kg－1時，相對葉組織含水量高的材料是M5和M16，兩份材料之間不存在顯著差異(P ＞0．05)，與相對葉組織含水量最低的材料M11之間存在顯著差異。

2．1．4 20 份高羊茅材料的綜合評價 本試驗采用標準差系數(shù)賦予權重法對20 份高羊茅材料進行了綜合性評價(表5)。綜合評價D 值最大的是材料M15，來自美國的獵狗5 ，其次是M8，來自荷蘭的巴夫斯，綜合評價D 值最小的是M5，來自于荷蘭的米斯特拉爾，較小的是M11，來自日本的法恩，其他品種的耐鎘性介于兩者之間。

2．2 鎘脅迫下4 個高羊茅材料的生理反應

2．2．1 鎘脅迫對高羊茅酶活性的影響 在5 個不同的鎘濃度下，4 份篩選出來的耐鎘性強的材料(M15、M8)和耐鎘性弱的材料(M5、M11)生理指標的變化表明(圖1)，當鎘濃度為10 mg·kg－1時，4份高羊茅材料的CAT 含量均顯著高于對照(P ＜0．05)。當鎘濃度大于10 mg·kg－1時，材料M5的CAT 含量逐漸下降，且其含量均顯著小于鎘濃度為10 mg·kg－1時的CAT 含量。材料M11的CAT含量隨著鎘濃度的增加呈先上升后下降的趨勢，當鎘濃度為20 mg·kg－1時，材料M11的CAT 含量達到最大值。這說明耐鎘性較差的材料對重金屬鎘的反應非常敏感。材料M8隨著鎘濃度的增加其CAT 含量顯著增加。材料M15隨著鎘濃度的增加其CAT 含量也逐漸增加，但在鎘濃度為20、50、100 mg·kg－1時，其CAT 含 量 差 異 不 顯 著(P ＞0．05)。

M5和M11的POD 含量隨著鎘濃度的升高出現(xiàn)先升后降的趨勢(圖2)。當鎘濃度為10 mg·kg－1時，與對照相比，4 份高羊茅材料的POD 活性均顯著上升(P ＜0．05)。當鎘濃度為20 mg·kg－1時，M5和M11的POD 含量顯著高于對照;當鎘濃度≥50 mg·kg－1時，M5和M11的POD 含量均顯著低于對照。M5的POD 含量在鎘濃度為50 和100 mg·kg－1時，兩者差異顯著。與對照相比，M8和M15的POD 的含量隨著鎘濃度的增加顯著上升。當鎘濃度為20 mg·kg－1時，與10 mg·kg－1相比，M8和M15的POD 的含量顯著增加;當鎘濃度50 mg·kg－1時，與20 mg·kg－1相比，M8和M15的POD 含量差異不顯著(P ＞0．05);當鎘濃度梯度≥100 mg·kg－1時，與前一梯度的鎘濃度相比，M8和M15的POD 含量顯著增加。

表3 鎘脅迫對高羊茅材料分蘗數(shù)和地上生物量的影響Table 3 Effects of different concentrations of Cd on stiller number and above ground biomass

表4 鎘脅迫對高羊茅材料葉組織含水量的影響Table 4 Effects of different concentrations of Cd on leaf organization water content

表5 20 份高羊茅材料的隸屬函數(shù)值和綜合評價D 值Table 5 Value of membership function and evaluation D each accessions

圖1 鎘對高羊茅過氧化氫酶活性的影響Fig．1 Effects of different Cd 2+ concentrations on CAT activity of Festuca arundinacea

圖2 鎘對高羊茅POD 活性的影響Fig．2 Effects of different Cd 2+ concentrations on POD activity of Festuca arundinacea

2．2．2 鎘脅迫下葉綠素的變化 在鎘脅迫下，葉綠素a 含量和葉綠素b 含量的變化有相同的趨勢，都是隨著鎘濃度的升高而逐漸降低(圖3、圖4)。5 個不同的鎘濃度梯度下，4 份高羊茅材料的葉綠素a 含量均顯著低于其對照(P ＜0．05);且隨著鎘濃度的增加，每一梯度下的葉綠素a 含量都顯著低于其前一梯度下葉綠素a 含量。由此可以看出，鎘對耐鎘性較強的高羊茅材料M8與M15和耐鎘性較差的高羊茅材料M5與M11，其影響都是非常顯著的。

當鎘濃度為10 mg·kg－1時，材料M5、M11、M15的葉綠素b 含量與其相應對照之間存在顯著差異(P ＜0．05)，材料M8的葉綠素b 含量與其對照無顯著差異(P ＞0．05)。當鎘濃度為20、50、100、200 mg·kg－1時，4 份高羊茅材料的葉綠素b 含量變化明顯，且均顯著低于對照。隨著鎘濃度的增加，材料M5每一梯度下的葉綠素b 含量都顯著低于其前一梯度下葉綠素b 含量。材料M15在鎘濃度為50、100、200 mg·kg－1時，其葉綠素b 含量之間差異不顯著。

圖3 鎘對高羊茅體內(nèi)葉綠素a 含量的影響Fig．3 Effects of different Cd 2+ concentrations on Chlorophyll a content of Festuca arundinacea

圖5 鎘對高羊茅體內(nèi)游離脯氨酸含量的影響Fig．5 Effects of different Cd 2+ concentrations on proline content of Festuca arundinacea

2．2．3 鎘對游離脯氨酸含量的影響 當鎘濃度為10 mg·kg－1時，4 份高羊茅材料的脯氨酸含量均顯著高于其對照(P ＜0．05)(圖5)。這說明低濃度的鎘即對不同材料的脯氨酸積累有十分明顯的影響。在5 個不同的鎘濃度梯度下，4 份高羊茅材料的脯氨酸含量均顯著高于其對照，且隨著鎘濃度的增加，每一梯度下的脯氨酸含量均顯著高于其前一梯度下的脯氨酸含量。重金屬鎘對4 份材料脯氨酸含量的影響都十分顯著，這說明脯氨酸對重金屬鎘的反應非常敏感。

3 討論與結(jié)論

植物在重金屬鎘脅迫下，其耐鎘性是一個復雜的過程，耐鎘能力的高低是多種代謝的綜合表現(xiàn)。運用綜合評價法能有效地反映出不同材料的耐鎘性。

對于不同的高羊茅材料，隨著鎘濃度的升高，植物的植株高度和地上生物量呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，這與王小雪［17］的研究結(jié)果一致。植物的相對分蘗數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，這與李慧芳等［18］的研究結(jié)果一致。在高鎘濃度下，即鎘濃度在100 和200 mg·kg－1時，不同供試材料的相對存活率雖然存在顯著差異，但相對存活率依然較高。可見，高濃度的鎘溶液對大多數(shù)材料的致死率不高。本研究運用標準差系數(shù)賦予權重法對20 份高羊茅材料的形態(tài)指標進行了耐鎘性的綜合評價，篩選出耐鎘性較強M15(采自美國的獵狗5)和M8(采自荷蘭的巴弗斯)，耐鎘性較差的材料是M5(采自荷蘭的米斯特拉爾)和M11(日本的法恩)。

在植物細胞的正常代謝過程中，活性氧可以通過多種途徑產(chǎn)生。生物和非生物脅迫的都可使活性氧的水平升高。當環(huán)境脅迫長期作用于植株，使其產(chǎn)生的活性氧超出活性氧清除系統(tǒng)的能力時，就會產(chǎn)生氧化損傷［19］。CAT 屬于植物細胞內(nèi)清除活性氧的一種重要酶。這種酶參與清除過氧化氫的積累和毒害來保持細胞內(nèi)H2O2的正常水平［20］。CAT的作用是把H2O2分解成水和氧氣［21］。POD 定位于胞質(zhì)、液泡、細胞壁和胞外空間。以愈創(chuàng)木酚作為受體，清除各種生物和非生物脅迫過氧化產(chǎn)生的H2 O2［22］。在鎘脅迫下，耐鎘性較強的高羊茅材料M15和M8，CAT 及POD 含量呈上升趨勢;耐鎘性較差的高羊茅材料M5和M11，CAT 及POD 含量呈先上升后下降的趨勢。這與陳會等［23］的研究結(jié)果一致。

光合作用為植物生長發(fā)育提供物質(zhì)和能量，是植物生長發(fā)育的基礎［24］。高等植物光合作用對重金屬脅迫的反應比其他生理過程更為敏感［25］。因此，光合生理的變化可以衡量植物對重金屬的耐受性［26］。Cd 引起高羊茅葉綠素含量降低的原因可能是葉綠體結(jié)構功能遭破壞或葉綠素分解，也可能是葉綠素的生物合成受到了抑制［27-28］。葉綠素含量隨鎘濃度的升高而下降，這與張遠兵等［29］的 研 究 結(jié) 果 一 致。據(jù) 報 道［30］，利 用 水 稻(Oryza sativa)葉片葉綠素含量的變化，可以檢測農(nóng)田的鎘污染程度。

植物體內(nèi)游離脯氨酸含量的增加是植物對逆境脅迫的一種生理生化反應，脯氨酸作為細胞質(zhì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有穩(wěn)定生物大分子結(jié)構的作用，游離脯氨酸積累可防止植物細胞結(jié)構和功能受損傷或降低傷害程度，此外，還具有清除活性氧的功能［28］。隨著鎘濃度的升高，脯氨酸含量呈現(xiàn)不斷上升的趨勢，這與李文一等［31］和王曉桐等［32］的研究結(jié)果一致。這些生理指標反映了不同高羊茅品種之間對鎘脅迫響應的不同，可作為高羊茅品種耐鎘性評價的鑒定指標。

［1］ Kirkham M B．Cadmium in plants on polluted soils:Effects of soil factors，hyperaccumulation and amendments［J］．Geoderma，2006，137:19-32．

［2］ Ryan J A，Pahrenhr，Lucas J B．Controlling cadmdumincthe human food chain-A review and rationale based on health effects［J］．Environments，1982，28:251-302．

［3］ Smith S R．A critical review of the bioavailability and impacts of heavy metalsin municipal solid waste composts compared to sewage sludge［J］．Environment International，2009，35，142-156．

［4］ 曲冉，孟偉，李俊生．土壤重金屬污染的植物修復［J］．生態(tài)學雜志，2008，27(4):626-631．

［5］ 陳寶書．牧草飼料作物栽培學［M］．北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2001:329．

［6］ 張慶峰，徐勝，李建龍．高溫脅迫下高羊茅生理生化特性研究［J］．草業(yè)科學，2006，23(4):24-26．

［7］ 韓烈保，楊碚，鄧菊芬．草坪草種及其品種［M］．北京:中國林業(yè)出版社，1999:186-187．

［8］ 鄭軼琦，臧國長，王青風．聚乙二醇脅迫對高羊茅種子萌發(fā)和幼苗生長的影響［J］．北方園藝，2012(2):70-72．

［9］ 程玲，邱永福，劉兵．PEG 脅迫下高羊茅幼苗幾個生理生化指標的變化［J］． 長江大學學報(自然科學版)，2011，8(1):227-231．

［10］ 陸宇，袁慶華．三葉草屬牧草苗期耐鈷性評價［J］．草原與草坪，2009(1):15-19．

［11］ 楊麗，袁慶華．重金屬鎘對野生披堿草形態(tài)與生理特性的影響［J］．中國草地學報，2013，35(4):25-33．

［12］ 鄒琦．植物生理學實驗指導［M］．北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2000:166-169．

［13］ 王學奎．植物生理生化試驗原理和技術［M］．第二版．北京:高等教育出版社，2010:167-168．

［14］ 李合生，孫群，趙世杰．植物生理生化實驗原理和技術［M］．北京:高等教育出版社，2000:134-137．

［15］ 陳振德，傅以彬，鄒琦．二甲亞砜和丙酮混合法測定葉綠素含量［J］．山東農(nóng)業(yè)大學學報，1989(2):31-35．

［16］ 胡文玉，王興理，玄英淑．二甲基亞砜法測定葉綠素含量［J］．遼寧農(nóng)業(yè)科學，1984(1):38-41．

［17］ 王小雪．海濱木槿不同家系對重金屬Cd 脅迫的響應［D］重慶:西南大學碩士論文，2012．

［18］ 李慧芳，王瑜，袁慶華．鎘脅迫對多年生黑麥草生長及生理特性的影響［J］．中國草地學報，2014，36(4):79-85．

［19］ 杜秀敏，殷文璇，越彥修．植物中活性氧的產(chǎn)生及清除機制［J］．生物工程學報，2007，17(2):121-125．

［20］ 宋關玲，侯文華，劉朝，丁劍峰，王磊，王文彩．鎘對西洋菜生長影響的研究［J］．高效化學工程學，2008，22(2):339-343．

［21］ Msttés J M．Effects of antioxidant enzymes in the molecular control of reactive oxygen species toxicology［J］．Toxicology，2000，153(13):83-104．

［22］ 林東，朱誠，孫宗修．鎘敏感水稻突變體在鎘脅迫下活性氧代謝的變化［J］．環(huán)境科學，2006，27(3):561-566．

［23］ 陳會，任艷芳，陳秀蘭．鎘脅迫下不同耐性水稻植株幼苗生長和抗氧化酶的變化［J］．江西農(nóng)業(yè)大學學報，2012，34(6):1099-1104．

［24］ 鄒麗娜，周志宇，顏淑云．鹽分脅迫對紫穗槐幼苗生理生化特性的影響［J］．草業(yè)學報，2011，20(3):84-90．

［25］ Clijsters H，Vanassche F Inhibition of photosynthesis by heavy metals［J］．Photosynthesis Research，1985，70:31-40．

［26］ 劉俊祥，孫振元，勾萍．鎘脅迫下多年生黑麥草的光合生理響應［J］．草業(yè)學報，2012，21(3):191-197．

［27］ Truong P N V，Claridge J．Effect s of heavy metalstoxicities on vetiver growth［J］．Vetiver Newsletter，1996，15:32-36．

［28］ Smirnoff N．The role of active oxygen in the response of plants to water deficit and desiccation［J］．New Phytologist，1993，125(1):27-58．

［29］ 張遠兵，劉愛榮，禹智輝．9 個高羊茅品種初期生長對鎘脅迫的響應［J］．激光生物學報，2011，20(4):510-517．

［30］ 關麗，劉湘南，程承旗．土壤鎘污染環(huán)境下水稻葉片葉綠素含量監(jiān)測的高光譜遙感信息參數(shù)［J］．光譜學與光譜分析，2009，29(110):2713-2716．

［31］ 李文一，徐衛(wèi)紅，胡小鳳． Zn 脅迫對黑麥草幼苗生長、生理生化及Zn 吸收的影響［J］． 農(nóng)業(yè)工程學報，2007，23(5):190-194．

［32］ 王曉桐，柳玉霞，蘇旭．高羊茅對重金屬鎘的抗性分析［J］．中國農(nóng)學通報，2012，28(4):192-199．