鎘脅迫對(duì)苧麻(Boehmeria nivea)根系及葉片抗氧化系統(tǒng)的影響

楊葉萍，簡(jiǎn)敏菲,,*，余厚平，龔秋林，陳勇玲

1. 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330022 2. 江西師范大學(xué) 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330022 3. 江西省宜春市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，宜春 336000

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鎘脅迫對(duì)苧麻(Boehmeria nivea)根系及葉片抗氧化系統(tǒng)的影響

楊葉萍1，簡(jiǎn)敏菲1,2,*，余厚平2，龔秋林3，陳勇玲3

1. 江西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 江西省亞熱帶植物資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330022 2. 江西師范大學(xué) 鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330022 3. 江西省宜春市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，宜春 336000

鎘(Cd)是非必需和毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，不合理的開發(fā)利用可導(dǎo)致土壤受到Cd的嚴(yán)重污染，嚴(yán)重危及土壤環(huán)境或水環(huán)境。以苧麻為材料，采用模擬鎘(Cd)污染盆栽培養(yǎng)法，選擇21 d和49 d等2個(gè)不同脅迫期，測(cè)定不同濃度Cd2+脅迫下苧麻根系與葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、超氧化物岐化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、丙二醛(MDA)含量及根系活力的變化。結(jié)果表明，高濃度脅迫49 d后，苧麻根系中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量明顯高于葉片含量，且極顯著高于對(duì)照，并在240 mg·L-1Cd處理下出現(xiàn)最高值；脅迫49 d時(shí)，根系與葉片的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量與Cd2+濃度極顯著正相關(guān)。在2個(gè)不同脅迫周期，苧麻根系的SOD與POD活性均明顯高于葉片；在脅迫21 d時(shí)，根系的CAT活性低于葉片，而脅迫49 d后，則明顯高于葉片；脅迫21 d時(shí)，苧麻根系與葉片的抗氧化酶活性均較脅迫49 d要高；脅迫49 d時(shí)，根系POD活性與Cd2+濃度呈極顯著正相關(guān)，表明根系POD酶在抗氧化酶中占主導(dǎo)地位。不同脅迫時(shí)長(zhǎng)下苧麻根系或葉片的MDA含量變化趨勢(shì)不明顯，但根系或葉片受脅迫21 d后的MDA含量隨Cd2+濃度增加的波動(dòng)相對(duì)受脅迫49 d后的更明顯，表明植物早期生理功能出現(xiàn)暫時(shí)性的修復(fù)。2個(gè)不同脅迫周期內(nèi)，不同濃度鎘脅迫下苧麻的根系活力均比對(duì)照組下降。研究顯示，苧麻根系與葉片對(duì)鎘脅迫的應(yīng)答機(jī)制不同，且在不同脅迫時(shí)間下的響應(yīng)機(jī)理差異較大，根系表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐受能力。

鎘脅迫；苧麻；葉；抗氧化酶；根系活力

Received 13 March 2016 accepted 22 April 2016

鎘(Cd)是非必需和毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，不合理的開發(fā)利用可導(dǎo)致土壤受Cd的嚴(yán)重污染，危及土壤環(huán)境或水環(huán)境，并可能經(jīng)種植業(yè)由食物鏈進(jìn)入人體，造成生態(tài)安全問題[1-3]。國(guó)內(nèi)外專家對(duì)植物富集重金屬的耐受機(jī)理做了相關(guān)研究，Cd對(duì)植物生理指標(biāo)的影響仍是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[4-5]。研究表明，過量Cd嚴(yán)重影響植物體內(nèi)SOD、POD、CAT等酶的活性，并引起MDA含量升高，光合作用降低、營(yíng)養(yǎng)代謝失調(diào)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致植株死亡[6-8]。目前，Cd對(duì)植物抗氧化系統(tǒng)的影響研究主要集中在水稻、大豆、玉米、小麥等經(jīng)濟(jì)作物的研究，但對(duì)于不同生長(zhǎng)時(shí)期植物根系生理生態(tài)的研究報(bào)道仍較鮮見[9-12]。由于根系能直接吸收土壤中的重金屬，因此研究Cd對(duì)植物根系生理功能的影響具有重要意義。

苧麻(Boehmeria nivea (L.) Gaudich.)作為非食用的經(jīng)濟(jì)作物，不存在食物鏈間的生態(tài)安全問題，具有生物量大、根系發(fā)達(dá)等特點(diǎn)，且對(duì)鎘具有較強(qiáng)的耐受性和累積能力[13]。為進(jìn)一步探討Cd對(duì)植物根系不同生長(zhǎng)時(shí)期的毒害機(jī)理，本研究以苧麻為試驗(yàn)材料，研究不同濃度Cd脅迫對(duì)植物根系與葉片不同生長(zhǎng)期可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量(Pro)、抗氧化酶活性、丙二醛(MDA)含量和根系活力的影響，旨在探討苧麻根系與葉片不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)Cd脅迫的生理效應(yīng)，為進(jìn)一步明確苧麻對(duì)Cd的耐受性機(jī)制及其解毒機(jī)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 材料

供試材料為苧麻，品種為江西省宜春市苧麻研究所提供的‘贛苧5號(hào)’幼苗。脅迫實(shí)驗(yàn)于2015年7月至9月期間在室內(nèi)采用盆栽培養(yǎng)方法，培養(yǎng)基質(zhì)為膨脹珍珠巖，珍珠巖經(jīng)自來水沖洗后裝入口徑25 cm、底內(nèi)徑20 cm、深30 cm的塑料盆中，供試藥劑為CdCl2·2.5H2O配制而成的不同濃度Cd2+溶液[14]。移栽長(zhǎng)勢(shì)一致的‘贛苧5號(hào)’幼苗(高約30 cm)，洗凈根部所帶土壤，每盆移栽2株。采用1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行適應(yīng)性培養(yǎng)7 d，隨后進(jìn)行不同濃度的Cd2+脅迫實(shí)驗(yàn)。設(shè)定6個(gè)處理組，Cd2+濃度分別為0(對(duì)照)、20、60、120、180和240 mg·L-1等，分別記為CK、Cd20、Cd60、Cd120、Cd180、Cd240。根據(jù)苧麻的生長(zhǎng)旺盛期和生長(zhǎng)成熟期，分別選擇21 d和49 d作為苧麻的研究周期。每個(gè)處理組重復(fù)14盆(7盆用于21 d的指標(biāo)觀測(cè)，另7盆用于49 d的指標(biāo)觀測(cè))，共84盆。實(shí)驗(yàn)期間，每周更換新鮮含Cd2+營(yíng)養(yǎng)液500 mL，營(yíng)養(yǎng)液pH控制在6.5左右(采用NaOH或HCl溶液調(diào)節(jié))。

1.2 方法

根據(jù)苧麻的3個(gè)生長(zhǎng)季，頭麻約80～90 d，二麻50～60 d，三麻70～80 d，選擇苧麻幼苗在Cd2+脅迫處理第21天和49天作為2個(gè)觀測(cè)周期，分別稱取0.2 g苧麻根和頂端倒數(shù)第6片葉進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的測(cè)定，每處理分別平行測(cè)定3株，取平均值Mean±SD。參照植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)教程[15]，其中SOD、POD、CAT活性及可溶性蛋白含量測(cè)定所需的提取液用預(yù)冷的磷酸緩沖液，于冰浴上快速研磨并在7 000 r·min-1下低溫離心，上清液用于指標(biāo)測(cè)定。采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定可溶性蛋白含量；采用酸性茚三酮比色法測(cè)定游離脯氨酸含量；采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測(cè)定超氧化物岐化酶(super oxide dismutase，簡(jiǎn)稱SOD)活性，以抑制NBT光化還原的50%為一個(gè)酶活性單位U；采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定過氧化物酶(peroxidase，簡(jiǎn)稱POD)活性；采用紫外吸收法測(cè)定過氧化氫酶(catalase，簡(jiǎn)稱CAT)活性；采用硫代巴比妥酸(TBA)法測(cè)定可溶性糖含量和丙二醛(malondialdehyde，簡(jiǎn)稱MDA)含量；采用氯化三苯基四氯唑(TTC)法測(cè)定根系活力。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 20.0進(jìn)行單因素方差分析(One-way，ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)，對(duì)苧麻在不同鎘濃度水平下的指標(biāo)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性比較，Origin8.0進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析(Results and analysis)

2.1 不同濃度Cd2+脅迫對(duì)苧麻根或葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

可溶性糖是植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要調(diào)節(jié)物質(zhì)，是植物脅迫誘導(dǎo)的小分子溶質(zhì)之一，具有保持植物滲透勢(shì)的作用，能緩解脅迫造成的植物生理代謝不平衡問題[16]。表1所示為不同濃度Cd2+脅迫對(duì)苧麻根、葉中不同滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響變化。

可溶性糖含量變化顯示：鎘脅迫21 d時(shí)，除Cd60處理組外，其他處理組根系的可溶性糖含量均低于葉片；脅迫49 d時(shí)，除Cd20與Cd60處理外，其他處理下根系的可溶性糖含量均明顯高于葉片。一方面，不同脅迫下根系的可溶性糖含量變化特性為：脅迫21 d時(shí)，在Cd60處理下達(dá)最大，極顯著高于CK組26.4%(P<0.01)，Cd120處理下的含量值最低，極顯著低于CK組15.2%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，Cd180處理下達(dá)最大，極顯著高于CK組158.8 %(P<0.01)，Cd60處理下最小，顯著低于對(duì)照組10.3%(P<0.05)，其余各處理間的差異性極顯著(P<0.01)。另一方面，不同脅迫下葉片的可溶性糖含量變化特性為：受Cd脅迫21 d時(shí)，各脅迫處理組與CK組相比均呈下降趨勢(shì)，且在Cd180處理下最小，極顯著低于CK組13.8%(P<0.01)；脅迫49 d后均呈極顯著升高，在Cd240處理下最大，極顯著高于CK組94.5%(P<0.01)。短時(shí)間Cd處理苧麻生長(zhǎng)狀態(tài)極好，根系與葉片的生長(zhǎng)較CK組均受到促進(jìn)作用，可溶性糖含量變化上升不明顯；長(zhǎng)時(shí)間Cd處理根系與葉片的生長(zhǎng)較對(duì)照受到抑制作用，但其存活率幾乎沒有受到影響，可溶性糖含量明顯上升以抵御不良環(huán)境。

表1 不同濃度Cd2+脅迫下苧麻根與葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的差異

注：不同小寫字母表示不同處理組間的顯著差異性(P<0.05)，不同大寫字母表示極顯著差異性(P<0.01)。

Note: Different lowercase letters represent the significant differences (P<0.05) in different treatment groups, and different capital letters represent the very significant differences (P<0.01).

可溶性蛋白含量變化結(jié)果表明：脅迫21 d時(shí)，除Cd120和Cd180兩個(gè)處理組外，其他各濃度脅迫下根系的可溶性蛋白含量均高于葉片；脅迫49 d時(shí)，除Cd20處理外，其他各濃度脅迫下根系的可溶性蛋白含量均明顯高于葉片。一方面，不同脅迫下根系可溶性蛋白含量變化特性為：在脅迫21 d時(shí)，與CK組相比，各濃度脅迫處理下根系的可溶性蛋白含量均呈極顯著下降，且在Cd180脅迫下達(dá)最小，極顯著低于對(duì)照28.1%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，隨著脅迫濃度增加，根系可溶性蛋白含量呈極顯著升高，在Cd240處理下達(dá)最大，極顯著高于CK組2 278.4%(P<0.01)。另一方面，不同脅迫下葉片可溶性蛋白含量變化特性為：在脅迫21 d時(shí)，各處理組的葉片可溶性糖含量均呈極顯著升高，且在Cd120處理下最大，極顯著高于CK組156.9%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，除Cd60處理外，其余脅迫組葉片可溶性糖含量均有所升高，Cd240處理下達(dá)最高，極顯著高于CK組88.1%(P<0.01)。

游離脯氨酸含量變化顯示：脅迫21d時(shí)，各處理根系的游離脯氨酸含量均顯著低于葉片；脅迫49 d時(shí)，除Cd240處理外，其余處理下根系的游離脯氨酸含量均明顯低于葉片。一方面，不同脅迫下根系的游離脯氨酸含量變化特性表現(xiàn)為：脅迫21 d時(shí)，Cd60處理下最高，極顯著高于對(duì)照70.9%(P<0.01)，Cd120處理下最低，顯著低于對(duì)照13.7%(P<0.05)；脅迫49 d時(shí)，各處理均高于對(duì)照，Cd240處理下最高，極顯著高于對(duì)照257.5%(P<0.01)。另一方面，不同脅迫下葉片的游離脯氨酸含量變化特性表現(xiàn)為：脅迫21 d時(shí)，各處理下含量均低于對(duì)照，且在Cd240處理下最低，極顯著低于對(duì)照67.3%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，各處理均高于對(duì)照，且在Cd180處理下最高，極顯著高于對(duì)照112.6%(P<0.01)。短時(shí)間Cd脅迫下苧麻葉片沒有受到毒害作用，因此游離脯氨酸含量均低于對(duì)照；反映出長(zhǎng)時(shí)間脅迫下，苧麻葉片受到毒害作用，葉片游離脯氨酸發(fā)揮作用以抵抗不良環(huán)境。

2.2 不同濃度Cd2+脅迫對(duì)苧麻根或葉片SOD活性的影響

SOD是生物體內(nèi)重要的抗氧化酶，廣泛分布于各種生物體內(nèi)。在不同濃度的Cd2+脅迫下，受不同脅迫周期影響，苧麻的根或葉片中的SOD活性均產(chǎn)生一定差異性，結(jié)果分別如圖1A及圖1B所示。

圖1 不同濃度Cd2+脅迫下苧麻根與葉SOD活性的比較注：不同小寫字母表示不同組間的顯著差異性(P<0.05)，不同大寫字母表示極顯著差異性(P<0.01)，下同。Fig. 1 Comparison of SOD activities in roots and leaves of B. nivea under different concentration of cadmiumNote: Different lowercase letters represent the significant differences (P<0.05) in different treatment groups, and different capital letters represent the very significant differences (P<0.01), the same below.

圖1根系與葉片比較，結(jié)果表明，在21 d和49 d兩個(gè)不同脅迫周期下，不同濃度Cd2+處理后，苧麻根系的SOD活性均明顯高于葉片的SOD活性。一方面，各脅迫組與CK組相比較，根系的SOD活性差異性為：在脅迫21 d時(shí)，除Cd240脅迫組略微高于CK組外，其余各脅迫組均低于CK組，且Cd120脅迫下最低，極顯著低于CK組8.9%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，除Cd20處理下極顯著低于CK組12.0%(P<0.01)外，其余各脅迫組均高于CK組，Cd240處理下最高，極顯著高于CK組15.3%(P<0.01)。另一方面，各脅迫組與CK組相比較，葉片的SOD活性差異表現(xiàn)為：在21 d和49 d兩個(gè)不同脅迫周期下，各濃度脅迫條件下葉片的SOD活性均低于CK組，21 d時(shí)在Cd60脅迫下最低，極顯著低于CK組23.1%(P<0.01)；49 d時(shí)在Cd180脅迫下最低，極顯著低于CK組67.1%(P<0.01)。

2.3 不同濃度Cd2+脅迫對(duì)苧麻根或葉片POD活性的影響

過氧化物酶(POD)主要存在于細(xì)胞的過氧化物酶體中，以鐵卟啉為輔基，可催化過氧化氫氧化酚類和胺類化合物，具有消除過氧化氫和酚類、胺類毒性的雙重作用。Cd2+不同濃度脅迫后，苧麻根或葉片中的POD活性隨脅迫周期的不同存在一定差異，結(jié)果分別如圖2A及圖2B所示。

圖2中根系與葉片比較結(jié)果顯示：在21 d和49 d兩個(gè)不同脅迫周期下，不同濃度Cd處理下根系的過氧化物酶(POD)活性均明顯高于葉片，且根系POD活性達(dá)1 000 U·g-1Fw以上，而葉片POD活性均低于100 U·g-1Fw。一方面，脅迫21 d時(shí)，各濃度Cd處理下的根系POD活性均低于CK組，Cd60處理下根系POD活性最低，極顯著低于對(duì)照40.7%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，除Cd60脅迫組根系的POD活性極顯著低于CK組58.8%外(P<0.01)，其余各脅迫組均高于CK組，Cd240脅迫下根系的POD活性最高，極顯著高于CK組1 031.2%(P<0.01)。另一方面，在脅迫21 d和49 d兩個(gè)不同脅迫周期下，各脅迫處理組葉片的POD活性均隨脅迫濃度的升高呈逐漸升高趨勢(shì)，且均在Cd240脅迫下最大，分別極顯著高于CK組477.4%和1 075.4%(P<0.01)。

2.4 不同濃度Cd2+脅迫對(duì)苧麻根與葉片CAT活性的影響

過氧化氫酶(CAT)是催化過氧化氫分解成氧和水的酶，存在于細(xì)胞的過氧化物體內(nèi)。受不同濃度Cd2+的脅迫，苧麻的根或葉片中的CAT活性隨脅迫周期的影響而產(chǎn)生差異，結(jié)果分別如圖3A和圖3B所示。

圖3中根系與葉片比較顯示：脅迫21 d時(shí)，各處理組根系的CAT活性均明顯低于葉片；脅迫49 d時(shí)，各處理組根系則均明顯高于葉片。不同濃度Cd處理后根系的CAT活性差異性表現(xiàn)為：在脅迫21 d時(shí)，根系的CAT活性均極顯著低于CK組，且在Cd240處理下最低，極顯著低于對(duì)照70.3%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，Cd20處理下最高，極顯著高于對(duì)照37.3%(P<0.01)，Cd60脅迫下最低，略低于對(duì)照5.4%。不同處理濃度下葉片CAT活性的差異性為：脅迫21 d時(shí)，除Cd20處理和Cd240處理后苧麻葉片的CAT活性略低于CK組外，其余脅迫處理后葉片的CAT活性均高于CK組，且在Cd120處理下最高，極顯著高于對(duì)照12.2%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，各脅迫組均低于對(duì)照，且在Cd180處理下最低，極顯著低于CK組54.0%(P<0.01)。

圖2 不同濃度Cd2+脅迫下苧麻根與葉POD活性的比較Fig. 2 Comparison of POD activities in roots and leaves of B. nivea under different concentration of cadmium

圖3 不同濃度Cd2+脅迫下苧麻根與葉CAT活性的比較Fig. 3 Comparison of CAT activities in roots and leaves of B. Nivea under different concentration of cadmium

圖4 不同濃度Cd2+脅迫下苧麻根與葉MDA含量的比較Fig. 4 Comparison of MDA contents in roots and leaves of B. Nivea under different concentration of cadmium

2.5 不同濃度Cd2+脅迫對(duì)苧麻根或葉片MDA含量的影響

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一，其在體外影響線粒體呼吸鏈復(fù)合物及線粒體內(nèi)關(guān)鍵酶活性。它的產(chǎn)生還能加劇膜的損傷，因此在植物衰老生理和抗性生理研究中MDA含量是一個(gè)常用指標(biāo)，可通過MDA了解膜脂過氧化的程度，以間接測(cè)定膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性。苧麻受Cd2+不同濃度脅迫后，其根或葉片中的MDA含量隨脅迫周期的影響而存在差異，結(jié)果分別如圖4A和4B所示。

根系與葉片相比，脅迫21 d時(shí)，低濃度(Cd20與Cd60)處理下根系的MDA含量高于葉片，其他各高濃度(120～240 mg·L-1)處理下根系的MDA含量低于葉片；脅迫49 d時(shí)，除Cd20與Cd180處理組外，其余脅迫下均略微低于葉片對(duì)應(yīng)含量。不同脅迫處理后根系的MDA差異性表現(xiàn)為：在脅迫21 d時(shí)，Cd60處理下根系的MDA含量最高，極顯著高于CK組45.7%(P<0.01)，Cd120處理下最低，極顯著低于CK組23.9%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，Cd20處理下最大，極顯著高于CK組23.3%(P<0.01)，Cd60處理下最小，略微低于CK組3.3%。不同脅迫處理后葉片的MDA差異性為：脅迫21 d時(shí)，在各脅迫組葉片的MDA含量均高于CK組，Cd120處理下最高，極顯著高于CK組136.4%(P<0.01)；在脅迫49 d時(shí)，Cd120處理下最大，極顯著高于CK組94.5%(P<0.01)，Cd60處理下最小，顯著低于CK組8.9% (P<0.05)。

2.6 不同濃度Cd2+脅迫對(duì)苧麻根系活力的影響

植物根系是活躍的吸收器官和合成器官，根的生長(zhǎng)情況和活力水平直接影響地上部的營(yíng)養(yǎng)狀況及產(chǎn)量水平，而根系活力是表征植物根系的重要指標(biāo)。

圖5 不同濃度Cd2+脅迫下苧麻根系活力的變化Fig. 5 Changes of root activities of B. nivea under different concentration of cadmium

苧麻受Cd2+脅迫后，其根系活力隨脅迫濃度及脅迫周期的不同而產(chǎn)生差異，結(jié)果如圖5所示。

圖5結(jié)果顯示，在脅迫21 d和49 d兩個(gè)不同脅迫周期，各濃度脅迫下的根系活力均低于CK組。脅迫21 d時(shí)，Cd240處理下的根系活力最高，略微低于對(duì)照1.4%，Cd180處理下根系活力最低，極顯著低于對(duì)照30.6%(P<0.01)；脅迫49 d時(shí)，依然是Cd240處理下的根系活力最高，略微低于對(duì)照16.4%，而Cd120處理下的根系活力則最低，且極顯著低于CK組92.5%(P<0.01)。

2.7 Cd2+脅迫濃度與苧麻根或葉片抗氧系統(tǒng)各指標(biāo)間的相關(guān)性

不同Cd2+脅迫濃度對(duì)苧麻根或葉片的脅迫及其抗氧系統(tǒng)各項(xiàng)生理指標(biāo)的影響程度均不相同，Cd2+脅迫濃度與苧麻根或葉片各項(xiàng)生理指標(biāo)間的相關(guān)性如表2所示。

結(jié)果顯示，不同濃度Cd2+脅迫與根系抗氧系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性表現(xiàn)為，在脅迫21 d時(shí)，根系的可溶性蛋白含量和CAT活性與Cd2+濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r分別為-0.737和-0.848；MDA含量與Cd2+濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.564(P<0.05)。脅迫49 d時(shí)，可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、SOD活性、POD活性均與Cd2+濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r分別為0.896、0.937、0.834、0.771、0.976(P<0.01)。

Cd2+脅迫濃度與葉片各項(xiàng)指標(biāo)間的響應(yīng)關(guān)系表現(xiàn)為，在脅迫21 d時(shí)，葉片游離脯氨酸含量與Cd2+濃度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r為-0.628(P<0.01)；POD活性與Cd2+濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r為0.960(P<0.01)。葉片在脅迫49 d時(shí)，可溶性糖含量、游離脯氨酸含量、POD活性與Cd2+濃度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r分別為0.631、0.652、0.912(P<0.01)；可溶性蛋白含量與Cd2+濃度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r為0.489(P<0.05)；SOD活性與與Cd2+濃度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)r分別為-0.528(P<0.05)。

3 討論(Discussion)

綜合以上分析，苧麻受不同濃度Cd2+脅迫并經(jīng)歷不同脅迫時(shí)間后，根系與葉片的抗氧化系統(tǒng)各項(xiàng)生理指標(biāo)值存在顯著差異，表現(xiàn)出Cd2+脅迫對(duì)苧麻植株的生理生態(tài)等方面產(chǎn)生綜合的效應(yīng)及影響。

可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸是植物體內(nèi)的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，三者可通過降低細(xì)胞原生質(zhì)的滲透勢(shì)，使植物保持一定的含水量和膨壓[17]。已有研究表明，竹葉眼子菜的可溶性糖含量隨Cd2+濃度增加而增加[18]。地中海莢蒾的可溶性蛋白含量隨Cd2+濃度增加先升高再下降[19]。苧麻的脯氨酸在低濃度時(shí)升高，高濃度脅迫時(shí)下降[20]。本研究表明，短時(shí)間Cd2+處理促進(jìn)苧麻根系及葉片生長(zhǎng)，增強(qiáng)光合速率，長(zhǎng)時(shí)間處理抑制苧麻生長(zhǎng)，但生長(zhǎng)狀況依然良好。苧麻受高濃度Cd脅迫經(jīng)歷較長(zhǎng)時(shí)間(如49 d)后，根系的可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、與游離脯氨酸含量均遠(yuǎn)高于葉片中對(duì)應(yīng)的含量，且均在最高濃度(Cd240)處理下達(dá)到最高。根系對(duì)Cd2+的敏感度遠(yuǎn)大于葉片，這與郭艷麗等[21]的結(jié)果不一致，可能原因是由于苧麻屬根系發(fā)達(dá)物種，遇不良環(huán)境時(shí)，為保證生存，根系的調(diào)節(jié)系統(tǒng)迅速適應(yīng)環(huán)境以防止葉片受不良環(huán)境影響而停止光合作用或?qū)е轮仓晁劳?。長(zhǎng)時(shí)間Cd2+脅迫可誘導(dǎo)苧麻體內(nèi)大量形成可溶性糖、可溶性蛋白、游離脯氨酸等，以提高植物的抗逆性，保護(hù)生物大分子的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性，這與郭艷麗等[21]結(jié)果較一致，說明苧麻通過增加這3種調(diào)節(jié)物質(zhì)含量共同提高其滲透調(diào)節(jié)能力。另一方面，較短時(shí)間(如21 d)脅迫下，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與Cd2+濃度相關(guān)性不明顯，較長(zhǎng)時(shí)間(49 d)脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與Cd2+濃度顯著正相關(guān)，表明短時(shí)間脅迫下苧麻體內(nèi)的生理指標(biāo)有一個(gè)適應(yīng)調(diào)整過程，長(zhǎng)時(shí)間脅迫才能更有效地激發(fā)苧麻對(duì)Cd2+的防御機(jī)制。

表2 不同Cd2+脅迫濃度與苧麻根或葉片各生理指標(biāo)間的相關(guān)性

注：* 為在P<0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**在P<0.01水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)。

Note: * represent significant correlation on level (bilateral) (P<0.05); ** represent very significant correlation on level (bilateral) (P<0.01).

MDA是植物膜脂氧化的主要產(chǎn)物，植物根系和葉片的MDA含量變化可在一定程度上反映其受重金屬毒害的水平[27-28]。本研究表明，苧麻根系與葉片的MDA含量在不同脅迫時(shí)間下變化趨勢(shì)完全不同，在脅迫21 d時(shí)，低濃度(20與60 mg·L-1)脅迫下根系的MDA含量高于葉片，而高濃度(120～240 mg·L-1)脅迫下則低于葉片；脅迫49 d時(shí)，除20與180 mg·L-1處理組外，其余處理組均略微低于葉片。這說明短時(shí)間低濃度脅迫下引起了苧麻根系自由基反應(yīng)和脂質(zhì)過氧化，但長(zhǎng)時(shí)間高濃度脅迫根系受到過氧化傷害，這與王興明等[23]研究油菜的結(jié)果并不一致，可能是由于苧麻與油菜的防御機(jī)制不同，苧麻的生理生態(tài)適應(yīng)性主要由葉與根共同發(fā)揮作用，其內(nèi)在關(guān)系有待進(jìn)一步研究。較短時(shí)間脅迫下苧麻根系與葉片的MDA含量相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間脅迫下的波動(dòng)較大，可能是因?yàn)橹参锝M織通過保護(hù)酶等的調(diào)節(jié)作用對(duì)植物體生理功能的暫時(shí)性修復(fù)[16]。

當(dāng)作物遭受Cd2+脅迫時(shí)，最先感受脅迫的是根系，通過調(diào)整根系生長(zhǎng)和代謝適應(yīng)逆境，導(dǎo)致根系活力降低[6]。本研究表明，Cd2+脅迫下的苧麻根系活力比對(duì)照組較低，且長(zhǎng)時(shí)間脅迫下苧麻根系活力隨Cd2+濃度增加先降低后升高，除最高脅迫濃度處理組外，較長(zhǎng)時(shí)間脅迫下的根系活力均比較短時(shí)間脅迫下的低，可能是由于高濃度Cd脅迫下苧麻根系的抗氧化指標(biāo)相對(duì)低濃度下的協(xié)同作用保護(hù)更顯著，以保證根系正常生長(zhǎng)。因此，鎘脅迫下保護(hù)酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)是苧麻根系與葉片耐鎘的主要生理機(jī)制之一。

致謝：感謝江西師范大學(xué)鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室廖金寶博士在英文摘要及文章修改中給予的幫助。

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Influence on the Antioxidant System in Roots and Leaves of Boehmeria nivea under Different Cadmium Stress

Yang Yeping1, Jian Minfei1,2,*, Yu Houping2, Gong Qiulin3, Chen Yongling3

1. College of Life Science, Jiangxi Provincial Key Lab of Protection and Utilization of Subtropical Plant Resources, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China 2. Key Laboratory of Poyang Lake Wetland and Watershed Research, Ministry of Education, Jiangxi Normal University, Nanchang 330022, China 3. Yichun Agricultural Science Research Institute of Jiangxi Province, Yichun 336000, China

Cadmium (Cd) is one of the most toxic heavy metal elements and the non-essential，unreasonable exploitation and utilization may lead to the serious pollution of soil by Cd, which endanger the soil environment or water environment. Our objective was to reveal the differences in the contents of osmoregulation substances, superoxide dismutase (SOD) activities, peroxidase (POD) activities, catalase (CAT) activities, malondialdehyde (MDA) contents in roots and leaves and root activities in ramie (Boehmeria nivea) under different cadmium stress in different stress duration. Under long stress duration of 49 days, the content of osmoregulation substances in roots was significantly higher than those in leaves at high cadmium concentration, simultaneously being significantly higher than those of the control group without any heavy metal stress. The concentration of each osmoregulation substance in roots peaked at the cadmium stress of 240 mg·L-1. The contents of osmoregulation substance in roots and leaves were both positively correlated to cadmium concentrations under the stress duration of 49 days. The SOD and POD activities in roots were both significantly higher than those in leaves under the two different stress duration (21 d and 49 d). Furthermore, the contents of CAT activities in roots were lower than those in leaves under the stress duration of 21 days, but were higher than those in leaves under the stress duration of 49 days. The antioxidant enzyme activities in roots and leaves under the stress duration of 21 days were higher than those with duration of 49 days. We also found that the POD activity in roots at the stress duration of 49 days were positively correlated to cadmium concentrations, indicating that the POD activity in roots dominated in antioxidant enzymes. The changes of MDA contents in roots or leaves were not significant under the stress of two different duration, but the fluctuation of the MDA content in roots or leaves under the stress duration of 21 days showed more obvious than those of 49 days with increasing cadmium concentrations, suggesting that plant physiological function exhibited a temporary repair in the early stress period. Compared to the control group, the root activities decreased both under different cadmium stress and different stress durations. We concluded that the mechanism of physiological response to cadmium in roots and leaves under different stress durations is very different, but the roots show stronger resistance to stress.

cadmium stress; Boehmeria nivea; leaf; antioxidant enzyme; root activity

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41161035，41461042)；國(guó)家科技部“十二五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAC13B02)；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20142BAB204007)；江西省重大生態(tài)安全問題監(jiān)控協(xié)同創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目(NO.JXS-EW-03)

楊葉萍(1991-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)闈竦厣鷳B(tài)學(xué)，E-mail: yeping0326@qq.com；

*通訊作者(Corresponding author)， E-mail: jianminfei0914@163.com

10.7524/AJE.1673-5897.20160313003

2016-03-13 錄用日期：2016-04-22

1673-5897(2016)4-184-10

X171.5

A

簡(jiǎn)介：簡(jiǎn)敏菲(1969-)，女，環(huán)境工程工學(xué)博士，教授，主要研究方向濕地生態(tài)學(xué)、環(huán)境生態(tài)學(xué)與生態(tài)毒理學(xué)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文70余篇。

楊葉萍, 簡(jiǎn)敏菲, 余厚平, 等. 鎘脅迫對(duì)苧麻(Boehmeria nivea)根系及葉片抗氧化系統(tǒng)的影響[J]. 生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2016, 11(4): 184-193

Yang Y P, Jiang M F, Yu H P, et al. Influence on the antioxidant system in roots and leaves of Boehmeria nivea under different cadmium stress [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(4): 184-193 (in Chinese)