重金屬Cd脅迫對(duì)元寶楓幼苗生長(zhǎng)特性的影響

劉培杰+張靜靜

摘 要：為了探明重金屬Cd脅迫對(duì)元寶楓幼苗生長(zhǎng)特性的影響，以元寶楓扦插苗為試材，通過(guò)不同濃度的重金屬Cd處理，測(cè)定了脅迫下元寶楓幼苗的株高增長(zhǎng)量、葉片形態(tài)指數(shù)、葉綠素含量和根系生長(zhǎng)相關(guān)指數(shù)。結(jié)果表明：重金屬Cd處理均降低了元寶楓幼苗的株高增長(zhǎng)量、葉片生長(zhǎng)速度、葉綠素含量和根系生長(zhǎng)速度，不同濃度處理間有差異。

關(guān)鍵詞：元寶楓；葉綠素；根系生長(zhǎng)率

中圖分類號(hào)：S718.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2017.03.022

Effects of Heavy Metal Cd Stress on Growth Characteristics of Acer truncatum Seedlings

LIU Peijie，ZHANG Jingjing

（Taian Xinze Construction Engineering Limited Company， Taian， Shandong 271000， China）

Abstract： In order to investigate the effect of cadmium stress on seedling growth characteristics of Acer truncatum， the plant height increment of leaves， the leaf morphological index， chlorophyll content and root growth of Acer truncatum seedlings under different stress were measured with different concentrations of heavy metal cadmium. The results showed that Cd treatment reduced the plant height increment， leaf growth rate， chlorophyll content and root growth rate， and there were significant difference among different treatments.

Key words： Acer truncatum；chlorophyll；root growth rate

元寶楓，又名五角楓、元寶槭等，槭樹科槭樹屬植物，變種繁多。元寶楓以其獨(dú)特的葉形、春秋葉色變紅等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注，是我國(guó)重要的園林綠化樹種和彩色葉樹種，應(yīng)用前景廣泛[1]。土壤重金屬是指密度在5.0 g·cm-3以上的金屬元素，許多重金屬（如Cu、Zn等）都是植物必需的微量元素，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育起著十分重要的作用[2]。但是，當(dāng)土壤中重金屬過(guò)量、超過(guò)某一臨界值時(shí)，就會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生脅迫作用，輕則導(dǎo)致植物體代謝過(guò)程發(fā)生紊亂，生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制；重則導(dǎo)致植物死亡，改變植物群落結(jié)構(gòu)[3]。

近年來(lái)，隨著農(nóng)藥和化肥的大量使用、污水灌溉、工業(yè)廢渣填埋滲漏和大氣沉降等，土壤重金屬污染日趨嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)大量城市土壤調(diào)查發(fā)現(xiàn)，污染土壤的主要重金屬元素為銅、鎘、鉛、鋅、砷、錳等，就我國(guó)而言，目前污染面積最大的為鎘，毒性危害最強(qiáng)的為砷[4]。重金屬通過(guò)破壞植物細(xì)胞膜，導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化和巰基化合物含量下降，細(xì)胞內(nèi)的離子和有機(jī)物質(zhì)大量外滲[5]；同時(shí)重金屬易促使植物體內(nèi)產(chǎn)生大量自由基，自由基攻擊不飽和脂肪酸，造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)松散，膜功能被破壞，導(dǎo)致植物體內(nèi)一系列生理生化過(guò)程失調(diào)，進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致植物死亡[6]。本研究以元寶楓幼苗為試驗(yàn)材料，通過(guò)外源添加重金屬Cd離子，研究了不同重金屬濃度對(duì)元寶楓幼苗生長(zhǎng)的影響，旨在為元寶楓的引種利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

本試驗(yàn)于2016年8月在泰山林業(yè)科學(xué)研究院溫室中進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)材料

供試材料為泰山林業(yè)科學(xué)研究院選育的元寶楓當(dāng)年生扦插苗。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 材料處理 本試驗(yàn)以元寶楓無(wú)性系為材料，取6 cm長(zhǎng)的插穗在塑料盒中進(jìn)行水培，每盒30株，待生根后轉(zhuǎn)至1/2改良Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，pH值=6.0，每?jī)芍軗Q一次營(yíng)養(yǎng)液。培養(yǎng)4周后，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的植株用于Cd2+脅迫處理，Cd2+由CdCl2·2.5H2O（分析純）提供。Cd2+濃度設(shè)定為處理1，50 mg·L-1；處理2：100 mg·L-1。以 1/2改良Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液配制，pH值=6.0。每處理無(wú)性系1株，3次重復(fù)，脅迫處理30 d后測(cè)定相應(yīng)指標(biāo)。

1.3.2 株高增長(zhǎng)量測(cè)定 設(shè)定莖基到莖尖為測(cè)量長(zhǎng)度，在進(jìn)行脅迫處理前測(cè)定F0，脅迫處理10，20，30 d后測(cè)定FX，株高生長(zhǎng)量為F=FX-F0。

1.3.3 葉面積測(cè)定 選擇相同部位葉片，采用YMJ-B葉面積儀測(cè)定片葉葉面積，測(cè)定3次取平均值。剪去葉柄，洗凈葉片，置于烘干箱中烘至恒重，稱質(zhì)量。計(jì)算比葉重：比葉重=總?cè)~干質(zhì)量/總?cè)~面積。

1.3.4 葉綠素含量測(cè)定 采用丙酮法測(cè)定。

1.3.5 根系生長(zhǎng)量測(cè)定 脅迫處理30 d后，取對(duì)照組和試驗(yàn)組根系，自基部剪下、洗凈，采用專業(yè)版 WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)測(cè)定根系構(gòu)型參數(shù)，包括根總表面積、根尖數(shù)、總體積、根系平均直徑及根系總長(zhǎng)度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用EXCEL、DPS7.05、SPSS13.0進(jìn)行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫下元寶楓株高增長(zhǎng)量變化

由圖1可知，重金屬Cd脅迫嚴(yán)重制約了元寶楓株高的生長(zhǎng)。隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，元寶楓株高生長(zhǎng)均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。處理10 d時(shí)，對(duì)照組、處理1組和處理2組分別增長(zhǎng)了3.2，3.1，2.9 cm，差別不大，此時(shí)元寶楓尚未受到嚴(yán)重傷害。處理20 d時(shí)，分別增長(zhǎng)了3.3，1.9，1.2 cm，與對(duì)照組相比，株高生長(zhǎng)速度分別下降了42.42%和63.63%，不同處理之間也表現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)差異。處理30 d時(shí)，分別增長(zhǎng)了4.1，1.4，0.8 cm，與對(duì)照組相比，株高生長(zhǎng)速度分別下降了65.85%和80.48%。統(tǒng)計(jì)生長(zhǎng)30 d的株高增長(zhǎng)量，對(duì)照組、處理1組和處理2組分別增長(zhǎng)了10.6，6.4，4.9 cm，與對(duì)照相比，處理1組和處理2組比對(duì)照組分別降低了39.62%和53.77%，處理2比處理1降低了23.43%。可見(jiàn)，元寶楓在重金屬Cd低濃度、短時(shí)間脅迫下，生長(zhǎng)速度影響不明顯，隨著脅迫濃度的增高和時(shí)間的延長(zhǎng)，元寶楓受傷害程度越深，生長(zhǎng)越緩慢。

2.2 Cd脅迫下元寶楓葉片指數(shù)變化

由表1可知，重金屬Cd脅迫影響了元寶楓葉片的生長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)脅迫30 d后葉片相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組、處理1組和處理2組葉片總面積差異顯著，分別為38.95，30.14，24.75 cm2，與對(duì)照組相比，處理1組和處理2組分別降低了22.61%和36.45%，處理2組比處理1組降低了17.88%?？?cè)~干質(zhì)量差異顯著，分別為1.628，1.237，0.884 g，與對(duì)照組相比，處理1組和處理2組分別降低了24.02%和45.70%，處理2組比處理1組降低了28.53%。對(duì)照組與處理1組比，葉干質(zhì)量差異不顯著，二者與處理2組差異顯著，總?cè)~干質(zhì)量分別為0.041，0.041，0.035，與對(duì)照組和處理1組相比，處理2組均降低了14.63%。可見(jiàn)，重金屬Cd脅迫降低了葉片生長(zhǎng)速率，抑制了葉的增長(zhǎng)，低濃度Cd脅迫下差異不顯著，高濃度脅迫顯著抑制葉的生長(zhǎng)和干物質(zhì)的合成。

2.3 Cd脅迫下元寶楓葉綠素含量變化

由表2可以看出，不同Cd濃度脅迫下元寶楓葉片葉綠素含量不同。隨著脅迫濃度的增加，元寶楓葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量顯著降低。與對(duì)照相比，50 mg·L-1 CdCl2·2.5H2O處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量分別降低了15.54%，27.74%，16.61%；100 mg·L-1 CdCl2·2.5H2O處理下葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量分別降低了42.83%，43.90%，43.19%；處理2與處理1相比，元寶楓葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量分別降低了32.31%，22.36%，29.33%。可見(jiàn)，重金屬Cd脅迫嚴(yán)重降低了葉綠素的合成，進(jìn)而影響了植物的光合作用，阻礙植物的正常生長(zhǎng)。

2.4 Cd脅迫處理下元寶楓根系生長(zhǎng)指標(biāo)變化

通過(guò)WinRHIZO 根系分析系統(tǒng)測(cè)定根系構(gòu)型參數(shù)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。脅迫30 d后，對(duì)照組、處理1組和處理2組元寶楓根系根尖數(shù)呈顯著性差異，分別為885，775，556個(gè)，與對(duì)照相比，處理1組和處理2組分別降低了12.43%，37.17%，處理2組比處理1組降低了28.25%。根系直徑呈顯著性差異，分別為0.84，0.62，0.53 mm，與對(duì)照相比，處理1組和處理2組分別降低了26.19%，36.90%，處理2組比處理1組降低了14.51%。根系總長(zhǎng)度呈顯著性差異，分別為954.62，875.43，595.54 mm，與對(duì)照相比，處理1組和處理2組分別降低了8.29%，37.61%，處理2組比處理1組降低了31.97%。根系總表面積呈顯著性差異，分別為623.54，498.23，299.65 mm2，與對(duì)照相比，處理1組和處理2組分別降低了20.09%，51.94%，處理2組比處理1組降低了39.85%。根系總體積呈顯著性差異，分別為65.36，52.74，43.22 mm3，與對(duì)照相比，處理1組和處理2組分別降低了19.31%，33.87%，處理2組比處理1組降低了18.05%?？梢?jiàn)，重金屬Cd脅迫影響了根系的生長(zhǎng)，高濃度Cd脅迫不利于元寶楓根系生長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間脅迫下，將降低根系活力，影響根系吸水，從而對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生致命危害。

3 結(jié)論與討論

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，重金屬Cd脅迫影響了元寶楓的正常生長(zhǎng)，元寶楓株高增長(zhǎng)量、比葉重、總?cè)~干質(zhì)量、總?cè)~面積、葉綠素含量、根系直徑、根尖數(shù)、根總長(zhǎng)度、根總表面積、根總體積均有不同程度的降低，不同濃度Cd處理影響不同。低濃度脅迫下對(duì)植物影響不大，尤其隨著植株的增長(zhǎng)，這種不利影響會(huì)逐漸減小。高濃度嚴(yán)重制約根系生長(zhǎng)，進(jìn)而影響根系吸水，從而影響地上部生長(zhǎng)。這與孔祥生等[7]、李永杰[8]研究結(jié)果一致。重金屬對(duì)植物生長(zhǎng)影響主要是通過(guò)降低植物的光合作用，光合作用是生物界最基本的物質(zhì)代謝和能量代謝，重金屬脅迫能夠抑制植物的光合作用，且抑制程度與脅迫程度呈正相關(guān)[9]。徐向華[10]研究發(fā)現(xiàn)，商陸成熟葉片葉綠素含量隨Mn2+處理濃度的提高而降低。龍葵幼苗葉片凈光合速率隨Cd2+濃度的增加比對(duì)照下降了6.01%～61.71%[11]。眾多研究表明，重金屬脅迫能夠影響葉綠素的合成，且隨著脅迫濃度增加，膜系統(tǒng)崩潰，葉綠體球形皺縮，出現(xiàn)大量脂類小球，導(dǎo)致葉綠體功能遭到破壞[12-14]。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，植物葉片細(xì)胞膜在重金屬環(huán)境下易遭到破壞，膜脂過(guò)氧化和巰基化合物含量下降，細(xì)胞內(nèi)的離子和有機(jī)物質(zhì)大量外滲；同時(shí)重金屬易促使植物體內(nèi)產(chǎn)生大量自由基，自由基攻擊不飽和脂肪酸，造成細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)松散，膜功能被破壞，導(dǎo)致植物體內(nèi)一系列生理生化過(guò)程失調(diào)。

本試驗(yàn)僅對(duì)元寶楓幼苗進(jìn)行了不同濃度的重金屬Cd處理，研究了對(duì)元寶楓生長(zhǎng)特性的影響。至于成年植株是否有差異，元寶楓又可通過(guò)何種方式抵御重金屬脅迫，通過(guò)何種外源物質(zhì)或基因調(diào)控可以提高重金屬Cd抗性，還有待于進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]臧德奎.園林樹木學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：340.

[2]史貴濤，陳振樓，李海雯，等.城市土壤重金屬污染研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2006，18（6）：9-12， 24.

[3]王忠.植物生理學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000：121.

[4]郭亞平，胡曰利.土壤-植物系統(tǒng)中重金屬污染及植物修復(fù)技術(shù)[J].中南林學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25（2）：59-62.

[5]李子芳，劉惠芬，熊肖霞，等.鎘脅迫對(duì)小麥種子萌發(fā)幼苗生長(zhǎng)及生理生化特性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2005，24（S1）：17-20.

[6]劉登義，王友保.Cu、As對(duì)作物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)影響的研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13（2）：179-182.

[7]孔祥生，張妙霞，郭秀璞.Cd2+毒害對(duì)玉米幼苗細(xì)胞膜透性及保護(hù)酶活性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1999，18（3）：133-134.

[8]李永杰.6種城市綠化樹種苗木對(duì)土壤Cu、Pb污染的生理響應(yīng)及耐性評(píng)價(jià)[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2010.

[9]田生科.超積累東南景天（Sedum alfredii Hance）對(duì)重金屬（Zn/Cd/Pb）的解毒機(jī)制[D].杭州：浙江大學(xué)，2010.

[10]徐向華.超積累植物商陸吸收累積錳機(jī)理研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[11]郭智，原海燕，奧巖松.鎘脅迫對(duì)龍葵幼苗光合特性和營(yíng)養(yǎng)元素吸收的影響[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18（3）：824-829.

[12]SHAINBERG O，RUBIN B，RABINOWITCH H D，et al.Loading beans with sublethal levels of Copper enhances conditioning to oxidative stress[J].Journal of plant physiology，2001，158（11）：1415-1421.

[13]陳花，王建軍，楊斌.鎘脅迫對(duì)菠菜和油菜早期生長(zhǎng)的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（9）：1308-1311， 1371.

[14]趙雄偉，曹艷花，李玉樺，等.重金屬鎘對(duì)玉米苗期生理特性和轉(zhuǎn)運(yùn)變化的研究[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2015，30（6）：119-127.