鎘脅迫下苧麻生理生化變化規(guī)律及品種間差異比較

李玉蘭，陳坤梅，喻春明，陳繼康，高鋼，陳平，侯美，熊和平

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙 410205）

遺傳育種·種質(zhì)資源

鎘脅迫下苧麻生理生化變化規(guī)律及品種間差異比較

李玉蘭，陳坤梅，喻春明，陳繼康，高鋼，陳平，侯美，熊和平*

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙 410205）

選取了三份鎘吸收量差異較大的苧麻品種，通過水培方式進行濃度為 7 mg／L鎘脅迫處理，比較分析了其在鎘脅迫下不同處理時間生理生化的變化規(guī)律及品種間的差異。結(jié)果表明：苧麻在鎘脅迫下有較活躍的生理調(diào)控機制，隨著鎘脅迫時間的延長，根系中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性降低，但根系活躍吸收面積幾乎不受影響；葉片中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性則先升高后降低，葉綠素含量增加；三份苧麻種質(zhì)資源中，邵陽 3號葉片中的可溶性蛋白含量、CAT活性隨著鎘脅迫時間的延長變化幅度不大；邵陽 3號表現(xiàn)出更強的吸鎘潛力，其根系活躍吸收面積平均值達到（63.45±5.21）%。

苧麻；鎘脅迫；生理生化；品種差異

人類活動的影響導(dǎo)致我國鎘污染耕地日漸增多且趨于嚴(yán)重［1－3］，目前我國重金屬污染土壤面積多達 2000萬 hm2，占耕地總面積的 20%，其中以鎘、鉛污染等最為嚴(yán)重［4］。植物修復(fù)利用植物根系吸收并轉(zhuǎn)移土壤中的重金屬［5］，因成本低、不破壞土壤、無二次污染而受到關(guān)注。

至今無研究報道苧麻（Boehmeria nevia L.）是鎘的超富集植物，但苧麻比大多數(shù)正常植物具有更大的耐鎘吸鎘潛力已被證實［6－9］。作為多年生宿根草本植物，苧麻具有根系龐大、生物量大、抗逆性強、生長速度快、可多次收割等特點，因此地上部鎘積累量較可觀［10，11］；且作為優(yōu)良的紡織原料，最終產(chǎn)物可不通過食物鏈進入人體。近幾年來對苧麻多功能用途的不斷開發(fā)［12］，使其具有較大的經(jīng)濟價值，因此可作為修復(fù)鎘污染土壤的先鋒材料。

不同品種苧麻對鎘的敏感度、耐性、重金屬富集能力和轉(zhuǎn)運能力存在差異［13，14］。研究不同品種苧麻的耐鎘生理特性，篩選出高耐高吸附兼具較大經(jīng)濟效益的品種，對實現(xiàn)鎘污染耕地土壤修復(fù)和替代種植具有重要意義。關(guān)于苧麻耐鎘生理機制已有較多報道［15－17］，但關(guān)于不同品種間的比較只有極少數(shù)研究［18］可供參考。本研究以苧麻側(cè)枝為材料，采用水培法進行長根培養(yǎng)和鎘處理，探索鎘脅迫初期苧麻生理生化變化規(guī)律及品種間差異，旨在為進一步揭示苧麻耐鎘生理機制及篩選高富集鎘品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

根據(jù) 195份苧麻種質(zhì)資源水培鎘脅迫（濃度 7 mg／L）試驗中鎘吸收量，選擇吸收量差異比較明顯的3個苧麻品種作為試驗材料（見表1）。供試材料均取自國家種質(zhì)長沙苧麻圃（位于湖南省長沙市望城區(qū)）。

表1 供試苧麻品種Tab.1 Ramie varieties used in the experiment

1.2 試驗方法

1.2.1 水培試驗

去除資源圃中三個苧麻品種主莖的頂芽，15 d后其側(cè)枝長達到 10～15 cm。取側(cè)枝進行修剪，削除末端使側(cè)枝長為 10 cm，削除老葉，保留頂端 2～3片展開葉，浸入 500倍百菌靈消毒液中消毒30 s。處理好的側(cè)枝扦插于裝有清水的卡蓮（Karen）水培儀中，每盆 15株。置于水培室培養(yǎng)，光暗周期為16／8 h，室溫控制在 25～30℃。扦插苗生根后，按說明加入海珀尼卡無土栽培植物營養(yǎng)液，繼續(xù)培養(yǎng)，期間每隔 7 d換一次營養(yǎng)液。待平均株高至 20 cm時，選取 10株長勢一致的水培苗，更換營養(yǎng)液，加入 CdCl2處理，處理濃度為 7 mg／L，用磷酸調(diào) pH到 6.0。每個品種重復(fù) 3次，共計9盆。

1.2.2 指標(biāo)測定

分別在鎘脅迫第 0、2、4、6和 8 d取樣，每盆隨機取 2株，測定頂端第 3、4片葉的葉綠素含量，根系活躍吸收面積，以及根、葉（頂端第 3、4片葉）中可溶性蛋白含量、POD及 CAT活性。根系活躍吸收面積采用甲烯藍吸附法［19］，葉綠素含量采用 95%酒精浸提法［20］，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法［21］，POD及 CAT活性采用試劑盒法，試劑盒由南京建成生物科技有限公司提供。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

利用 Microsoft Excel和 SAS軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

如圖 1所示，苧麻水培扦插苗根系中可溶性蛋白含量隨著鎘脅迫時間的延長逐漸增加，第 6 d后增幅較大，且到第 8 d時品種間出現(xiàn)差異，邵陽 3號顯著高于另外兩個品種。鎘脅迫第 8 d與對照（未添加鎘，即第 0 d）相比，邵陽 3號根系中可溶性蛋白含量增幅達到了 167.3%，顯著（P＜0.05）高于中苧 2號（147.9%）和 S－1－6（136.0%）。如圖 2所示，邵陽 3號和 S－1－6葉片中的可溶性蛋白含量則整體上呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。中苧2號受到鎘脅迫后，葉片中的可溶性蛋白含量升高，第 2 d天后下降，到第 4 d又出現(xiàn)升高。脅迫第 8 d與未加鎘時相比，邵陽3號葉片中的可溶相蛋白含量增幅僅為 0.84%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中苧 2號（64.54%）和 S－1－6（28.80%）。

圖1 鎘脅迫對苧麻根系可溶性蛋白含量的影響Fig.1 Effect of Cd stress on solute protein content in ramie roots

圖2 鎘脅迫對苧麻葉片可溶性蛋白含量的影響Fig.2 Effect of Cd stress on solute protein content in ramie leaves

如圖 3所示，水培苧麻扦插苗受到鎘脅迫后，中苧 2號和 S－1－6根系中的 POD活性整體上呈 現(xiàn) 下 降 的 趨 勢 ，邵 陽 3號 根 系 中 POD活 性 先 降 低 ，鎘 脅 迫 第 2 d到 第 4 d出 現(xiàn) 少 量 提 高 ，后 持 續(xù)下降。鎘脅迫第 8 d與未添加鎘時相比，邵陽 3號根系中的 POD活性降低了 59%，降幅略高于中苧 2號和 S－1－6。葉片中的 POD活性變化情況在品種間也存在一定的差異：S－1－6在鎘脅迫開 始 到 第 4 d時，POD活 性 提高 ，4 d后 開 始下 降 ；邵 陽 3號 和 中 苧 2號 葉 片 中 的 POD活 性 變 化 趨勢一致，鎘脅迫后先出現(xiàn)少量下降，第 2 d到第 4 d增加，鎘脅迫 4 d后持續(xù)降低。

圖4中，苧麻根系和葉片中的 CAT活性變化趨勢與 POD基本相似，根系中呈現(xiàn)整體下降的趨勢，但中苧 2號根系中的 CAT活性在鎘脅迫第 2 d到第 4 d出現(xiàn)小幅提高，4 d后下降。葉片中CAT活性先提高后降低，其中，中苧2號降低出現(xiàn)在鎘脅迫后的第2 d，邵陽3號和 S－1－6則出現(xiàn)在第 4 d。鎘脅迫第 8 d時，邵陽 3號葉片中 CAT活性與未添加鎘相比，僅降低 3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于另外兩個品種。

如圖 5所示，水培苧麻扦插苗的根系在遭受鎘脅迫之后，活躍吸收面積變化幅度不大，各品種分別在不同測試時間點下的變化無顯著（P＜0.05）差異。添加鎘后的第 4 d和第 6 d，邵陽 3號根系活躍吸收面積顯著高于另外兩個品種。在5個測試時間點，邵陽3號根系活躍吸收面積平均值達到（63.45±5.21）%，顯著（P＜0.05）高于中苧 2號（55.47±4.06）%和 S－1－6（55.92± 3.71）%。葉綠素含量變化幅度也不大，鎘脅迫前兩天，中苧 2號中總?cè)~綠素含量出現(xiàn)少量增加，邵陽3號和 S－1－6中的葉綠素含量則與未添加鎘時基本持平；鎘脅迫第 2 d后開始下降，第 6 d后又出現(xiàn)大幅增加；第 8 d與未添加鎘時相比，3個苧麻品種總?cè)~綠素含量均有所提高。

圖3 鎘脅迫對苧麻根系和葉片 POD活性的影響Fig.3 Effect of Cd stress on POD activity in ramie roots and leaves

圖4 鎘脅迫對苧麻根系和葉片 CAT活性的影響Fig.4 Effect of Cd stress on CAT activity in ramie roots and leaves

圖5 鎘脅迫對苧麻根系活躍吸收面積和葉綠素含量的影響Fig.5 Effect of Cd stress on root active absorbing area and chlorophyll content in ramie

3 結(jié)論與討論

苧麻水培扦插苗受鎘脅迫后，通過合成大量的可溶性蛋白來調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢，以維持植株正常生長所需的水分和營養(yǎng)。本研究中，苧麻根系的可溶性蛋白含量隨著脅迫時間的延長逐漸增加，葉片中的含量在波動后于鎘脅迫第 4 d出現(xiàn)增長趨勢。鎘脅迫第 8 d與未添加鎘時相比，葉片中的可溶性蛋白含量增幅小于根系中的增幅，這與楊葉萍等［22］的研究結(jié)果基本一致，表明苧麻在遇到不良環(huán)境時，主要由龐大根系的調(diào)節(jié)系統(tǒng)來適應(yīng)環(huán)境，以免葉片受到不良影響而導(dǎo)致植株死亡。隨著鎘脅迫時間的延長，邵陽 3號根系合成可溶性蛋白量與中苧 2號、S－1－6相比顯著增加，葉片中的含量增幅卻顯著較小，這可能與不同苧麻品種各部位在應(yīng)對外界相同鎘濃度脅迫時的敏感度不同有關(guān)。

本研究中，7 mg／L鎘脅迫條件下，觀察水培苧麻扦插苗表觀并未出現(xiàn)明顯的中毒癥狀，但檢測到根系中 POD活性和 CAT活性隨著鎘脅迫時間的延長逐漸降低，這與湯葉濤等［23］的研究結(jié)果不一致，有可能本研究中的鎘脅迫濃度已超過水培苧麻扦插苗根系抗氧化系統(tǒng)能自行調(diào)節(jié)進行解毒的承受范圍，受到了顯著的氧化損傷［24］。葉片中的 POD和 CAT活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，與袁祖麗等［25］的研究結(jié)果基本一致，但與本研究根系中的變化趨勢不一致，這是因為苧麻根系是最先接觸、吸收溶液中鎘離子的部位，因此在該濃度鎘脅迫時因毒害作用而導(dǎo)致酶活性立即出現(xiàn)降低；鎘進入到葉片部位則需要通過長距離運輸，加之根系的區(qū)隔化作用［15］，前期葉片中低濃度的鎘離子反而使得酶活性提高，隨著鎘脅迫時間延長，葉片中的鎘逐漸積累，酶活性受到影響出現(xiàn)降低。與中苧2號和S－1－6相比，邵陽3號葉片中 CAT活性在鎘脅迫第8 d時的降幅（與未添加鎘時相比）顯著較小，可能是該品種葉片中鎘積累較少，也有可能該品種葉片中的 CAT活性對鎘脅迫的敏感度不高。

苧麻葉片中的總?cè)~綠素含量在小幅波動后與對照（未添加鎘時）比反而增加，這與簡敏菲等［26］的研究結(jié)果基本一致。短時間鎘脅迫下，苧麻需要更多的營養(yǎng)物質(zhì)來應(yīng)對毒害產(chǎn)生的不良影響，葉綠素含量的增加為葉片在鎘脅迫下能夠進行活躍的光合作用奠定了一定的基礎(chǔ)［27］，以提供植株正常生長所需的能量和營養(yǎng)。根系是植物主要的吸收器官，該研究中，苧麻根系在鎘脅迫下的活躍吸收面積變化幅度不大，表明苧麻吸收水和營養(yǎng)物質(zhì)的能力并未受到較大影響［28］。相同鎘濃度脅迫下，邵陽 3號的根系活躍吸收面積平均值達到（63.45±5.21）%，顯著高于中苧二號的（55.47±4.06）%和 S－1－6的（55.92±3.71）%，保證了該品種根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，同時邵陽3號在該濃度鎘脅迫下存在更大的繼續(xù)吸收鎘的潛力。

作為修復(fù)重金屬鎘污染土壤材料已成為苧麻多功能開發(fā)的一個熱點研究方向，其耐鎘性強、易成活、生物量大等優(yōu)勢也已逐漸凸現(xiàn)出來。但我國的苧麻種質(zhì)資源較為豐富，且不同品種在不同地區(qū)的生長情況也存在較大差異。針對不同的鎘污染區(qū)，應(yīng)當(dāng)篩選適宜的品種推廣種植。本試驗以前期試驗數(shù)據(jù)為參考，采用水培方法進行研究，選擇了水培體系下不會引起苧麻毒害表觀癥狀的鎘濃度［15］，探索了三個品種在鎘脅迫初期的部分生理特性，發(fā)現(xiàn)苧麻有較強的耐鎘脅迫能力，邵陽3號在吸收鎘方面表現(xiàn)出較大潛力，為研究苧麻應(yīng)對鎘脅迫時的生理機制及品種間差異提供參考。但由于試驗考察周期較短且鎘脅迫濃度設(shè)定較單一，苧麻應(yīng)對鎘脅迫時的更多生理調(diào)控規(guī)律還有待進一步挖掘。

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Physiological and Biochem ical Dynam ic Characteristics of Ram ie（Boehmeria nivea L．）to Cadm ium Stress and Com parison among Various Varieties

LIYulan，CHEN Kunmei，YU Chunming，CHEN Jikang，GAO Gang，CHEN Ping，HOU Mei，XIONG Heping*
（Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha 410205，China）

In this research，three varietieswhich differ greatly in cadmium absorption were selected to anlaysis the physical and biochemical dynamic characteristics of ramie to cadmium stress by hydroponicswith the 7mg／L cadmium concentration.It concluded that ramie had active regulatorymechanism to cadmium stress.Soluble protein content in roots increased，enzyme activity declined but active absorbing area changed littlewith the increasing of the time.Meanwhile，soluble protein content in leaves and chlorophyll content increased，POD and CAT activity in leaves increased at first and then decreased.Among the three，Shaoyang No.3 had potential of absorbingmore cadmium with themean root active absorbing area reaching（63.45±5.21）%，which was significantly higher than（55.47±4.06）%of Zhongzhu No.2 and（55.92±3.71）%of S－1－6.Soluble protein contentand CAT activity in leaves of Shaoyang No.3 changed little when cadmium stress continued.

ramie；cadmium stress；physiological＆biochemical；variety difference

S563.1

A

1671－3532（2017）03－0105－06

2016－12－28

湖南重金屬污染耕地修復(fù)及農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整試點

李玉蘭（1994－），女，碩士，研究方向為作物遺傳育種理論與方法。E－mail：979070634＠qq.com

*通訊作者：熊和平（1955－），男，研究員，主要從事苧麻育種研究。E－mail：ramiexhp＠vip.163.com