重金屬Cd脅迫對元寶楓幼苗生長特性的影響

劉培杰+張靜靜

摘 要：為了探明重金屬Cd脅迫對元寶楓幼苗生長特性的影響，以元寶楓扦插苗為試材，通過不同濃度的重金屬Cd處理，測定了脅迫下元寶楓幼苗的株高增長量、葉片形態指數、葉綠素含量和根系生長相關指數。結果表明：重金屬Cd處理均降低了元寶楓幼苗的株高增長量、葉片生長速度、葉綠素含量和根系生長速度，不同濃度處理間有差異。

關鍵詞：元寶楓；葉綠素；根系生長率

中圖分類號：S718.43 文獻標識碼：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。元寶楓以其獨特的葉形、春秋葉色變紅等特點受到廣泛關注，是我國重要的園林綠化樹種和彩色葉樹種，應用前景廣泛[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，對植物的生長發育起著十分重要的作用[2]。但是，當土壤中重金屬過量、超過某一臨界值時，就會對植物產生脅迫作用，輕則導致植物體代謝過程發生紊亂，生長發育受到抑制；重則導致植物死亡，改變植物群落結構[3]。

近年來，隨著農藥和化肥的大量使用、污水灌溉、工業廢渣填埋滲漏和大氣沉降等，土壤重金屬污染日趨嚴重。通過對大量城市土壤調查發現，污染土壤的主要重金屬元素為銅、鎘、鉛、鋅、砷、錳等，就我國而言，目前污染面積最大的為鎘，毒性危害最強的為砷[4]。重金屬通過破壞植物細胞膜，導致膜脂過氧化和巰基化合物含量下降，細胞內的離子和有機物質大量外滲[5]；同時重金屬易促使植物體內產生大量自由基，自由基攻擊不飽和脂肪酸，造成細胞膜結構松散，膜功能被破壞，導致植物體內一系列生理生化過程失調，進而影響植物的生長，嚴重時導致植物死亡[6]。本研究以元寶楓幼苗為試驗材料，通過外源添加重金屬Cd離子，研究了不同重金屬濃度對元寶楓幼苗生長的影響，旨在為元寶楓的引種利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗時間、地點

本試驗于2016年8月在泰山林業科學研究院溫室中進行。

1.2 試驗材料

供試材料為泰山林業科學研究院選育的元寶楓當年生扦插苗。

1.3 試驗方法

1.3.1 材料處理 本試驗以元寶楓無性系為材料，取6 cm長的插穗在塑料盒中進行水培，每盒30株，待生根后轉至1/2改良Hoagland營養液，pH值=6.0，每兩周換一次營養液。培養4周后，選取長勢一致的植株用于Cd2+脅迫處理，Cd2+由CdCl2·2.5H2O（分析純）提供。Cd2+濃度設定為處理1，50 mg·L-1；處理2：100 mg·L-1。以 1/2改良Hoagland 營養液配制，pH值=6.0。每處理無性系1株，3次重復，脅迫處理30 d后測定相應指標。

1.3.2 株高增長量測定 設定莖基到莖尖為測量長度，在進行脅迫處理前測定F0，脅迫處理10，20，30 d后測定FX，株高生長量為F=FX-F0。

1.3.3 葉面積測定 選擇相同部位葉片，采用YMJ-B葉面積儀測定片葉葉面積，測定3次取平均值。剪去葉柄，洗凈葉片，置于烘干箱中烘至恒重，稱質量。計算比葉重：比葉重=總葉干質量/總葉面積。

1.3.4 葉綠素含量測定 采用丙酮法測定。

1.3.5 根系生長量測定 脅迫處理30 d后，取對照組和試驗組根系，自基部剪下、洗凈，采用專業版 WinRHIZO 根系分析系統測定根系構型參數，包括根總表面積、根尖數、總體積、根系平均直徑及根系總長度。

1.4 數據處理

數據采用EXCEL、DPS7.05、SPSS13.0進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 Cd脅迫下元寶楓株高增長量變化

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

2.2 Cd脅迫下元寶楓葉片指數變化

由表1可知，重金屬Cd脅迫影響了元寶楓葉片的生長。通過對脅迫30 d后葉片相關指標的測定發現，對照組、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%?？側~干質量差異顯著，分別為1.628，1.237，0.884 g，與對照組相比，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%。對照組與處理1組比，葉干質量差異不顯著，二者與處理2組差異顯著，總葉干質量分別為0.041，0.041，0.035，與對照組和處理1組相比，處理2組均降低了14.63%。可見，重金屬Cd脅迫降低了葉片生長速率，抑制了葉的增長，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和干物質的合成。

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，重金屬Cd脅迫嚴重降低了葉綠素的合成，進而影響了植物的光合作用，阻礙植物的正常生長。

2.4 Cd脅迫處理下元寶楓根系生長指標變化

通過WinRHIZO 根系分析系統測定根系構型參數，數據見表3。脅迫30 d后，對照組、處理1組和處理2組元寶楓根系根尖數呈顯著性差異，分別為885，775，556個，與對照相比，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%。根系總長度呈顯著性差異，分別為954.62，875.43，595.54 mm，與對照相比，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?，重金屬Cd脅迫影響了根系的生長，高濃度Cd脅迫不利于元寶楓根系生長，長時間脅迫下，將降低根系活力，影響根系吸水，從而對植物生長產生致命危害。

3 結論與討論

本試驗發現，重金屬Cd脅迫影響了元寶楓的正常生長，元寶楓株高增長量、比葉重、總葉干質量、總葉面積、葉綠素含量、根系直徑、根尖數、根總長度、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。低濃度脅迫下對植物影響不大，尤其隨著植株的增長，這種不利影響會逐漸減小。高濃度嚴重制約根系生長，進而影響根系吸水，從而影響地上部生長。這與孔祥生等[7]、李永杰[8]研究結果一致。重金屬對植物生長影響主要是通過降低植物的光合作用，光合作用是生物界最基本的物質代謝和能量代謝，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[9]。徐向華[10]研究發現，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，膜系統崩潰，葉綠體球形皺縮，出現大量脂類小球，導致葉綠體功能遭到破壞[12-14]。同時，研究發現，植物葉片細胞膜在重金屬環境下易遭到破壞，膜脂過氧化和巰基化合物含量下降，細胞內的離子和有機物質大量外滲；同時重金屬易促使植物體內產生大量自由基，自由基攻擊不飽和脂肪酸，造成細胞膜結構松散，膜功能被破壞，導致植物體內一系列生理生化過程失調。

本試驗僅對元寶楓幼苗進行了不同濃度的重金屬Cd處理，研究了對元寶楓生長特性的影響。至于成年植株是否有差異，元寶楓又可通過何種方式抵御重金屬脅迫，通過何種外源物質或基因調控可以提高重金屬Cd抗性，還有待于進一步研究。

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