不同木芙蓉品種的鎘脅迫響應(yīng)

李秀, 陳曦, 李夢(mèng)霞, 曾心美

成都市植物園(成都市公園城市植物科學(xué)研究院), 成都 610083

鎘是劇毒重金屬元素之一，易通過(guò)生物鏈在人體富集，最終可能會(huì)影響神經(jīng)、生殖系統(tǒng)并導(dǎo)致癌癥[1]。據(jù)我國(guó)前期調(diào)查，鎘污染土壤點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%，污染情況不容樂(lè)觀，城市土壤受到的Cd 污染尤為突出[2-3]。由于應(yīng)用成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，以特定植物降低重金屬污染的植物修復(fù)技術(shù)，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注[4-5]。尤其是在受污染的城市地區(qū)，兼具景觀營(yíng)造和生態(tài)修復(fù)的觀賞植物正成為修復(fù)重金屬污染土壤的關(guān)注熱點(diǎn)[6]。

木芙蓉（Hibiscus mutabilisL.）是錦葵科 (Malvaceae)木槿屬 (Hibiscus)落葉灌木或小喬木，花姿優(yōu)美，為秋季優(yōu)良的園林觀賞樹(shù)種，在四川等多地均有園林應(yīng)用[7]。研究發(fā)現(xiàn)木芙蓉對(duì)重金屬Pb 具有較強(qiáng)耐性和富集能力，可作為修復(fù)輕度、中度Pb 污染土壤的樹(shù)種之一[8]，但目前對(duì)于木芙蓉的Cd 脅迫響應(yīng)機(jī)制還鮮見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。有研究表明木槿屬植物木槿（Hibiscus syriacusL.）[9]、海濱木槿（HibiscushamaboSieb. & Zucc.）[10]、紅麻（Hibiscus cannabinusL.）[11]具有較強(qiáng)的Cd 耐性和富集能力，推測(cè)木芙蓉可能也具有相似的能力。目前的研究更注重高濃度Cd 對(duì)植物的毒害作用，對(duì)低濃度Cd 下的植物響應(yīng)較少關(guān)注，這與城市土壤低濃度Cd 污染分布更廣不符[3]。因此，以4 個(gè)木芙蓉品種（‘百日華彩’、‘彩霞’、‘醉紅’、‘單瓣紅’）為對(duì)象，探討不同低濃度Cd 處理下（0，2.5，5，10 mg·L-1）木芙蓉的耐性和積累特性，以期為將木芙蓉作為兼具景觀營(yíng)造和生態(tài)修復(fù)的觀賞植物應(yīng)用于Cd 污染的城市土壤中提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試植物：木芙蓉，4 個(gè)品種為‘百日華彩’(BRHC)、‘彩霞’（CX）、‘醉紅’(ZH)、‘單瓣紅’(DBH)。均為長(zhǎng)勢(shì)一致的當(dāng)年生扦插苗，由成都市植物園（成都市公園城市植物科學(xué)研究院）提供，經(jīng)檢驗(yàn)扦插苗含鎘量均為0。

將選定的扦插苗進(jìn)行重剪，控制株高和根長(zhǎng)基本一致，移栽至裝有10 L 1/2 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液的20 孔實(shí)驗(yàn)盆（共4 個(gè)品種，每個(gè)品種5 株），共4 盆。放置在光照培養(yǎng)室中進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)（設(shè)置為恒溫25 ℃，光照16 h，黑暗8 h），每隔24 小時(shí)通過(guò)稱(chēng)重法補(bǔ)充蒸發(fā)的水分，以維持溶液中相對(duì)恒定的Cd 濃度，同時(shí)每5 d 更換一次營(yíng)養(yǎng)液，預(yù)培養(yǎng)15 d后，進(jìn)行Cd 處理實(shí)驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

采用水培試驗(yàn)， 設(shè)置4 個(gè)Cd（CdCl2·2.5 H2O，分析純）處理濃度：0（CK）、2.5 mg·L-1（Cd2.5）、5 mg·L-1（Cd5）、10 mg·L-1（Cd10），每個(gè)處理重復(fù)5 次，完全隨機(jī)排列。

1.3 樣品采集與制備

于Cd 處理15 天后采樣，將根部置于20 mmol·L-1Na2-EDTA 中浸泡15 min 后，經(jīng)自來(lái)水洗凈，用去離子水潤(rùn)洗、擦干，分為根和地上部，取部分葉片用于葉綠素含量的測(cè)定，剩余部分置于105℃條件下殺青30 min、75 ℃條件下烘干至恒重，稱(chēng)重、粉碎后用于Cd 含量的測(cè)定。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

生長(zhǎng)指標(biāo)：用直尺測(cè)量根長(zhǎng)、新枝長(zhǎng)，根長(zhǎng)為整株的最長(zhǎng)根長(zhǎng)，新枝長(zhǎng)為整株的最長(zhǎng)枝長(zhǎng)度。

生物量：用稱(chēng)重法測(cè)定干重。

葉片色素：葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）、總?cè)~綠素（Chl ）與類(lèi)胡蘿卜素（Car）的測(cè)定采用王學(xué)奎的方法（紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)UVmini-1 280）[12]。稱(chēng)取0.1 g 葉片，置于10mL 容量瓶?jī)?nèi)，加95%乙醇定容至10 mL，搖勻置于避光處，過(guò)夜。待第2 天殘?jiān)耆儼缀?，分別在665、649 和470 nm 測(cè)定吸光值。按如下公式計(jì)算各色素含量：

Chl a (mg/g FW) = 13.95A665 - 6.88A649 × 10/(1 000 × W)（W 為葉片鮮重，下同）

Chl b (mg/g FW) = 24.96A649 - 7.32A665 × 10/(1 000 × W)

Chl (mg/g FW)= Chl a＋Chl b

Car (mg/g FW)=（1 000A470-2.05 Chl a-114.8 Chl b）×10/(245×1 000×W)

Cd 含量：采用微波消解-原子吸收分光光度計(jì)法（微波消解儀MDS-6G、趕酸器TK12、原子吸收光譜儀AA-7 020）[13]。準(zhǔn)確稱(chēng)取0.5000 g 樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入6 mL 硝酸，混勻放置2 h 以進(jìn)行冷消化，消化前再加入2 mL H2O2。設(shè)置微波消解系統(tǒng)的升溫條件進(jìn)行消化，消解完成后移至趕酸儀上開(kāi)蓋趕酸，冷卻后用去離子水定量轉(zhuǎn)移并定容至25 mL，上機(jī)測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

耐性指數(shù)(Tolerance Index，TI)：Cd 處理下生物量/CK 生物量[14]；鎘積累量=鎘含量*生物量；富集系數(shù)（Bioconcentration Factor, BCF）=植株根Cd 含量/溶液Cd 含量[15]；轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（Transfer Factor, TF）=植株地上部Cd 含量/植株根Cd 含量[16]。

采用 SPSS 22.0 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇最小顯著差異法（Least Significant Difference, LSD）進(jìn)行多重比較，圖表制作采用Origin 9.0 和Excel 2016。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd 脅迫對(duì)木芙蓉生長(zhǎng)的影響

如表1 所示，不同濃度Cd 處理下，4 個(gè)品種木芙蓉生長(zhǎng)差異明顯，隨著Cd 濃度增加表現(xiàn)為低濃度（Cd2.5）促進(jìn)生長(zhǎng)，高濃度（Cd10）抑制生長(zhǎng)。其中，在Cd2.5 處理時(shí)，‘百日華彩’的生物量相對(duì)CK增加最多，根部和地上部生物量分別增加了25.00%和16.64%，根長(zhǎng)、新枝長(zhǎng)也較其余品種增加最多；在Cd10 處理下，‘單瓣紅’的生物量下降幅度最大，根部和地上部生物量分別降低21.43%和24.44%，而‘百日華彩’的生長(zhǎng)受抑制程度最小，根部生物量降低19.44%，地上部生物量增加了1.31%，說(shuō)明Cd 處理下‘百日華彩’的生長(zhǎng)相對(duì)其他品種更好。Cd 處理下，木芙蓉TI 值為0.76～1.17；隨著Cd 濃度增加，TI 值降低；不同品種的TI 值大小為‘百日華彩’＞‘彩霞’＞‘醉紅’＞‘單瓣紅’，其中，‘百日華彩’在所有Cd 濃度處理下的TI 值均大于1，表明其對(duì)Cd 的耐性最強(qiáng)，而‘單瓣紅’在Cd5 時(shí)TI 值已小于1，在Cd10 時(shí)僅為0.76，表明其對(duì)Cd 相對(duì)敏感。

表1 鎘處理?xiàng)l件下不同品種木芙蓉的生長(zhǎng)性狀及耐性指數(shù)Tab. 1 Growth traits and relative tolerance index of different Hibiscus mutabilis varieties under Cd treatment

2.2 Cd 脅迫對(duì)木芙蓉葉片色素的影響

Cd 處理下，四個(gè)品種木芙蓉的葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類(lèi)胡蘿卜素相對(duì)CK 均顯著降低（見(jiàn)圖1），但不同品種降低程度不同，Cd 處理下葉片色素相對(duì)CK 下降幅度表現(xiàn)為：‘百日華彩’＜‘彩霞’＜‘醉紅’＜‘單瓣紅’。植物葉片色素的高低能間接反映植物對(duì)Cd 的耐受性，在Cd10 處理時(shí)，‘百日華彩’的總?cè)~綠素和類(lèi)胡蘿卜素分別是其余品種的1.12～2.52 倍和1.16～2.17 倍，說(shuō)明‘百日華彩’對(duì)Cd 的耐性最強(qiáng)。

圖1 鎘處理對(duì)不同品種木芙蓉葉綠素a（A）、葉綠素b（B）、總?cè)~綠素（C）及類(lèi)胡蘿卜素（D）的影響Fig. 1 Effects of cadmium treatment on chlorophyll a (A), chlorophyll b (B), total chlorophyll (C)and carotenoids (D) of different Hibiscus mutabilis varieties

2.3 木芙蓉對(duì)Cd 的分配和富集

由圖2 可知，4 個(gè)木芙蓉品種根部和地上部Cd 含量隨著Cd 濃度的增加而增加，且根部Cd 含量遠(yuǎn)高于地上部，分別為205.01～1 089.35 mg·kg-1和27.70～188.92 mg·kg-1，根部Cd 含量是地上部的2.60～13.32 倍。在各Cd 濃度條件下，‘百日華彩’根Cd 含量最高，是其余品種的1.08～1.92 倍，Cd10 時(shí)‘百日華彩’根Cd 含量最高，達(dá)1089.35mg·kg-1；‘彩霞’地上部Cd 含量顯著高于其余三個(gè)品種，是其余品種的1.21～4.16 倍，Cd10 時(shí)達(dá)188.92mg·kg-1。

圖2 鎘處理下不同品種木芙蓉根（A）和地上部（B）鎘含量Fig. 2 Cd content in the roots (A) and shoots (B) of different Hibiscus mutabilis varieties under cadmium treatment

從圖3 可以看出，隨著Cd 處理濃度增加，木芙蓉根部和地上部Cd 積累量顯著增加，地上部Cd 積累量顯著高于根部，分別為0.17～1.01 mg·plant-1和0.04～0.32 mg·plant-1，地上部Cd 積累量是根部的2.04～6.10 倍，這主要是由于木芙蓉地上部的生物量遠(yuǎn)大于根部； ‘百日華彩’的根部Cd 積累量顯著高于其他三個(gè)品種，而‘彩霞’的地上部Cd 積累量最高；不同品種木芙蓉整株Cd 積累量差異顯著，為0.21～1.30 mg·plant-1，品種間大小為：‘彩霞’＞‘百日華彩’＞‘醉紅’＞‘單瓣紅’，‘彩霞’的整株Cd 積累量分別為其余三個(gè)品種的1.00～4.49 倍，Cd10 時(shí)，‘彩霞’的整株Cd 積累量最高，為1.30 mg·plant-1。

圖3 鎘處理下不同品種木芙蓉根（A）、地上部（B）和整株（C）鎘積累量Fig. 3 Cd accumulation in the roots (A) 、shoots (B) and whole plant (C) of different Hibiscus mutabilis varieties under cadmium treatment

由圖4 所示，Cd 處理下4 個(gè)木芙蓉品種根部對(duì)Cd 的富集系數(shù)（BCF）為56.83～115.59，其中，‘百日華彩’的富集能力最強(qiáng)，在各Cd 濃度下均高于100，為其余三個(gè)品種的1.07～1.92 倍，在Cd5 濃度處理時(shí)‘百日華彩’根的富集系數(shù)最高，達(dá)115.59；Cd 處理下木芙蓉的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）為0.08～0.38，隨著Cd 處理濃度的增加4 個(gè)木芙蓉品種根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)逐漸下降；不同品種的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在各Cd 處理濃度下差異顯著，大小表現(xiàn)為：‘彩霞’＞‘百日華彩’＞‘醉紅’＞‘單瓣紅’，‘彩霞’的Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，是其余品種的1.46～4.12 倍。

圖4 鎘處理?xiàng)l件下不同品種木芙蓉的鎘富集系數(shù)(A)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(B)Fig. 4 BCF(A) and TF(B) of different Hibiscus mutabilis varieties under cadmium treatment

3 討論

3.1 Cd 對(duì)木芙蓉生長(zhǎng)的影響

Cd 是環(huán)境中最有毒的金屬之一，直接影響植物的生長(zhǎng)并干擾其生理生化過(guò)程[1]。木芙蓉的生長(zhǎng)隨Cd 濃度表現(xiàn)為低促高抑，總生物量、根長(zhǎng)和新枝長(zhǎng)在低Cd 濃度處理下相對(duì)CK 增加，而在高Cd 濃度下降低，這與之前的一些研究結(jié)果一致：低Cd 濃度可以促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[17-18]，而高濃度的Cd 會(huì)使植物生長(zhǎng)受到顯著抑制[19]，低cd 脅迫下促進(jìn)植物生長(zhǎng)可能與根中葡糖蕓苔素轉(zhuǎn)化為生長(zhǎng)素有關(guān)[20]，高Cd 脅迫下的根系生長(zhǎng)抑制可能是由于細(xì)胞壁木質(zhì)化，限制了細(xì)胞擴(kuò)展和養(yǎng)分吸收[21]，而地上部分的響應(yīng)則可能是由于光合反應(yīng)受到抑制，從而阻止了有機(jī)物質(zhì)的積累[22]。植物受到這種低劑量促進(jìn)和高劑量抑制的現(xiàn)象被研究者們稱(chēng)為毒物興奮效應(yīng)[23]。Tang 等人研究了我國(guó)86 個(gè)城市土壤Cd 污染，發(fā)現(xiàn)70 %以上的城市Cd 污染為輕度及以下[3]。因此利用木芙蓉對(duì)Cd 的毒物興奮效應(yīng)，研究其對(duì)低濃度 Cd 的響應(yīng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

光合作用是植物生長(zhǎng)和生物量生產(chǎn)的重要過(guò)程，Cd 脅迫通常會(huì)降低植物的葉綠素含量，從而抑制光合作用[24-25]。Cd 對(duì)植物中的葉綠素水平的影響可能主要包括兩個(gè)方面：一方面，由于離子競(jìng)爭(zhēng)抑制了葉綠素生物合成所必需的Cu2+、Mn2+、Fe2+和Zn2+等離子的吸收，從而導(dǎo)致葉綠素含量降低[26]；另一方面，Cd 誘導(dǎo)參與葉綠素合成的酶蛋白功能紊亂也是葉綠素含量下降的機(jī)制之一[27]。但也有研究表明，有的超積累植物即使暴露在高濃度Cd 環(huán)境中葉綠素合成也不會(huì)受到影響，如馬纓丹在200 mg·kg-1的Cd 濃度下葉綠素含量也未減少[28]。葉片色素含量通常還被用作評(píng)估植物不同品種耐受性的指標(biāo)[29]，Cd 處理下‘百日華彩’的葉片色素高于其余木芙蓉品種，表明‘百日華彩’對(duì)Cd 耐性最強(qiáng)。此外，當(dāng)選擇用于重金屬修復(fù)的植物時(shí)，TI 值可直接表征其對(duì)于重金屬的耐性[30-31]，研究表明植物的Cd 耐受性與品種有關(guān)，Wang 等人以TI 值為標(biāo)準(zhǔn)將耐受性分為三類(lèi)：TI＞0.6 為高耐性，TI=0.35～0.60 為中耐性，TI＜0.35 為敏感型[32]。參考這一耐受性等級(jí)，4 個(gè)供試木芙蓉品種在3 種Cd 濃度下的TI 為0.76～1.17，均大于0.6，表明木芙蓉對(duì)Cd 具有較高的耐受性，其中‘百日華彩’在所有Cd 濃度下TI 值均大于1，對(duì)Cd的耐性最強(qiáng)。

3.2 木芙蓉對(duì)Cd 的積累特性

隨著Cd 處理濃度的增加，木芙蓉的Cd 含量升高，且木芙蓉根部Cd 含量顯著高于地上部，在Cd脅迫濃度為10 mg·kg-1時(shí)，地上部Cd 含量最高為188.92 mg·kg-1，而根部也達(dá)最高值1089.35mg·kg-1，說(shuō)明木芙蓉具有一定的Cd 污染修復(fù)潛力。Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.08～0.38，并呈現(xiàn)出隨Cd 處理濃度增加而下降的現(xiàn)象，這與海濱木槿、金銀花和杞柳對(duì)Cd 的各部位累積分布大致相同[10,33-34]。說(shuō)明木芙蓉在Cd 脅迫下通過(guò)某種機(jī)制限制了Cd 向地上部的轉(zhuǎn)移，且隨著Cd 脅迫的增加而加強(qiáng)，這可能是由于高濃度的Cd 破壞了木芙蓉根-莖之間的運(yùn)輸[11]。

4 個(gè)木芙蓉品種的Cd 含量和積累量存在顯著差異，‘百日華彩’和‘彩霞’顯著高于‘醉紅’和‘單瓣紅’，這種品種之間對(duì)Cd 的差異在植物中被證明是由多種機(jī)制共同作用導(dǎo)致的：在生理層面上，有研究者提出植物不同品種的Cd 積累差異可能與其根系形態(tài)有關(guān)，如低積累甘薯品種總根長(zhǎng)和比根長(zhǎng)比高積累品種短[35]；Su 等發(fā)現(xiàn)不同品種的花生Cd 含量的差異主要源于木質(zhì)部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力[36]，在分子層面上，研究者們發(fā)現(xiàn)將PjMT1和PjMT2基因轉(zhuǎn)移到煙草植株上，轉(zhuǎn)基因煙草植株Cd 積累量明顯高于野生型煙草植株[37]，研究表明，木芙蓉不同品種表現(xiàn)出對(duì)Cd 耐性和積累的顯著差異，但相關(guān)機(jī)理還有待進(jìn)一步深入研究。

3.3 木芙蓉作為Cd 修復(fù)觀賞植物潛力

木芙蓉原產(chǎn)于中國(guó)，在東亞及東南亞地區(qū)均有分布，迄今已有上千年的栽植歷史，四川湖南等地廣為栽培，具有極高的文化價(jià)值、園藝價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，同時(shí)木芙蓉還具有較強(qiáng)的固碳、釋氧、降溫的能力，在城市園林中具有重要的應(yīng)用價(jià)值[38-39]。目前篩選用于植物修復(fù)的觀賞植物需具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）不會(huì)進(jìn)入食物鏈，危害人類(lèi)健康；2）分布面積大，種植季節(jié)多，栽培范圍廣，吸收能力強(qiáng)；3）生長(zhǎng)期短，生物量大；4）在其栽培和管理方面有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，增加其在植物修復(fù)中應(yīng)用的可行性；5）在修復(fù)土壤的同時(shí)，它們還可以增加城市綠化和美化環(huán)境，同時(shí)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值[40-41]。木芙蓉具有上述用于植物修復(fù)的觀賞植物的特點(diǎn)，其還對(duì)Cd 具有較強(qiáng)的耐性和積累能力，其中木芙蓉品種‘百日華彩’的Cd 耐性和Cd 富集能力最強(qiáng)，作為Cd 修復(fù)觀賞植物的優(yōu)勢(shì)最大。因此，在城市Cd 污染環(huán)境中種植木芙蓉，一方面可以保持其良好的生長(zhǎng)狀態(tài)美化環(huán)境，另一方面還可以穩(wěn)定、持續(xù)地吸收積累污染環(huán)境中的 Cd 以?xún)艋寥?，這對(duì)于城市地區(qū) Cd 污染土壤的修復(fù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。