逆境條件下鎘對臭牡丹幼苗生理變化的影響

張婷婷，崔樂怡，龍昌蓮，張 航，張 琪，茍 秋，陳建華，劉 鵬

（1.浙江師范大學(xué)植物學(xué)實(shí)驗(yàn)室，浙江 金華 321004；2.浙江省野生動物生物技術(shù)與保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 金華 321004）

鎘（Cd）作為生物毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一，在土壤中具有化學(xué)活性強(qiáng)、移動性差、毒性持久等特征。目前，我國重金屬鎘污染問題十分嚴(yán)重，污染耕地面積超過1.33萬hm2，鎘含量超標(biāo)的農(nóng)產(chǎn)品年產(chǎn)量達(dá)14.6億kg，用鎘污染水灌溉的農(nóng)田面積達(dá)330多萬hm2，浙江省鎘超標(biāo)土壤占10.69%［1］。重金屬鎘在土壤中的環(huán)境容量小且易被植物吸收，這不僅嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)，還隨著食物鏈最終進(jìn)入人體，對人體健康造成了極大危害［2］。

臭牡丹（Clerodendron bungeiSteud.）是馬鞭草科（Verbenaceae）落葉小灌木，是一種兼顧觀賞性和藥用價(jià)值的植物，在中醫(yī)藥方面具有活血化瘀、清熱利濕、祛風(fēng)解毒等多種功效，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)研究指出，其還具備鎮(zhèn)靜催眠、抗腫瘤、抗氧化和治療腎炎及關(guān)節(jié)炎等功能［3］。此外，臭牡丹喜溫暖潮濕、抗逆性強(qiáng)且對水肥的要求不高，在城市環(huán)境美化及水土保持方面均發(fā)揮著重要作用。近年來，許多學(xué)者對臭牡丹提取物進(jìn)行藥理作用分析，如余娜等［4］探討臭牡丹總黃酮對人肺癌A549細(xì)胞增殖、遷移和侵襲作用與相關(guān)機(jī)制，劉建新等［5］研究指出臭牡丹根正丁醇提取物具有顯著的抑菌作用。目前，國內(nèi)外對臭牡丹的研究多集中于化學(xué)成分和藥用功效方面，對臭牡丹抗逆性的研究較少。張建新等［6］對遮光條件下臭牡丹生理變化進(jìn)行探討，但主要集中在部分生長和光合性能方面，針對重金屬鎘逆境對臭牡丹生理變化影響的研究至今未見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以臭牡丹幼苗為試材，測定鎘脅迫下植株葉綠素?zé)晒鈪?shù)、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性糖含量及可溶性蛋白含量等生理指標(biāo)，以期為進(jìn)一步研究植物抗逆性機(jī)理奠定基礎(chǔ)，并為臭牡丹的實(shí)際生產(chǎn)與推廣應(yīng)用提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試臭牡丹來自江蘇省海門市三廠鎮(zhèn)，扦插繁殖培育1年后選取健康且大小長勢相似的幼苗栽植于塑料花盆中，每盆2株。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2017年6～7月在浙江師范大學(xué)植物學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。對臭牡丹幼苗進(jìn)行鎘脅迫處理，設(shè)0、0.1、0.3、0.6、0.9 mmol/L 5個鎘脅迫濃度處理，3次重復(fù)，各重金屬溶液均用去離子水配制。盆栽試驗(yàn)期間每隔2 d澆灌1次鎘溶液，每次每盆40 mL。脅迫處理12、24、36 d分別對臭牡丹幼苗葉綠素?zé)晒鈪?shù)、脯氨酸含量、丙二醛（MDA）含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量等生理指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

葉綠素?zé)晒鈪?shù)采用便攜式葉綠素?zé)晒鈨xMINI-PAM進(jìn)行測定：測定前對植物活體葉片進(jìn)行暗處理10 min，在葉片上選取中部區(qū)域進(jìn)行測定，本試驗(yàn)主要探討PSⅡ潛在活性（Fv/Fo）、光化學(xué)淬滅系數(shù)（qP）和非光化學(xué)淬滅系數(shù)（qN）。MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法［7］測定；脯氨酸含量參照磺基水楊酸比色法測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)比色法［8］測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2013進(jìn)行整理，并運(yùn)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。通過單因素方差分析法（one-way ANOVA）和Duncan法計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤，分析差異顯著性，同時(shí)用Origin 8.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對臭牡丹葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

在熒光誘導(dǎo)動力學(xué)參數(shù)中，F(xiàn)v/Fo是葉片PSⅡ量子效率，反映植物PSⅡ系統(tǒng)的潛在活力［9］。光化學(xué)猝滅系數(shù)（qP）是對PSⅡ反應(yīng)中心原初電子受體氧化態(tài)的一種度量［10］，而非光化學(xué)猝滅系數(shù)（qN）代表PSⅡ熱耗散能力［11］。由圖1可知，隨著鎘濃度的升高，臭牡丹葉片F(xiàn)v/Fo和qP總體上均呈現(xiàn)出下降趨勢，在0.9 mmol/L鎘濃度處理下數(shù)值最低。其中，不同脅迫周期臭牡丹葉片F(xiàn)v/Fo較對照的最大降幅分別為22.70%、25.61%和43.10%，而不同脅迫周期臭牡丹葉片qP較對照的最大降幅則分別為37.82%、36.99%和26.20%。葉片qN隨鎘濃度的增加而增加，相較于對照其不同周期增幅分別為34.76%、48.13%和43.10%。表明鎘脅迫下臭牡丹光合電子傳遞速率下降，其潛在光合活性受到抑制，熱耗散作用加強(qiáng)。

圖1 不同濃度鎘脅迫處理對臭牡丹葉片F(xiàn)v/Fo、qP、qN的影響

2.2 鎘脅迫對臭牡丹MDA含量的影響

MDA是細(xì)胞膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，是植物膜系統(tǒng)完整性的重要指標(biāo)［12］。MDA含量越大，植株膜脂過氧化現(xiàn)象越嚴(yán)重，膜系統(tǒng)受損程度越大。由表1可知，MDA含量隨鎘脅迫濃度的升高而有所增長，均在0.9 mmol/L濃度下達(dá)到最大值。但不同周期鎘脅迫下，植株MDA含量增長趨勢有明顯差異，脅迫前期和中期臭牡丹葉片MDA含量上升趨勢平緩，脅迫后期其增長趨勢則較為顯著。脅迫36 d時(shí)，0.1、0.3、0.6、0.9 mmol/L鎘濃度處理臭牡丹MDA含量較對照上升9.09%、26.07%、38.52%和45.29%。可見，高濃度、長時(shí)間的鎘污染致使臭牡丹產(chǎn)生膜脂過氧化現(xiàn)象，損傷植物膜系統(tǒng)完整性。

2.3 鎘脅迫對臭牡丹脯氨酸含量的影響

游離脯氨酸是一種廣泛存在于植物體內(nèi)的偶極含氮化合物，具有保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)和維持胞內(nèi)酶結(jié)構(gòu)的功能，有利于植物抵御逆境脅迫［13］。從表1可以看出，在同一脅迫周期中，臭牡丹葉片脯氨酸含量隨著鎘脅迫濃度的升高而不斷增加。隨著脅迫時(shí)間的變化，臭牡丹葉片脯氨酸含量增長趨勢更為顯著。鎘脅迫12 d時(shí)，臭牡丹脯氨酸含量于0.9 mmol/L處理濃度下達(dá)到最大值，較對照增長90.48%。而脅迫處理24 d和36 d時(shí)，植株脯氨酸含量變化趨勢更加顯著，較對照其最大增長率分別高達(dá)308.75%和331.49%。由此可見，鎘脅迫刺激臭牡丹累積脯氨酸，調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透勢，從而在一定程度上抵御外界滲透脅迫。

2.4 鎘脅迫對臭牡丹可溶性糖含量的影響

在重金屬污染環(huán)境下，植物為緩解水分流失，細(xì)胞會主動累積一些可溶性物質(zhì)來降低胞內(nèi)滲透勢［14］。其中，可溶性糖是植物的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其累積有利于植物適應(yīng)外界環(huán)境［15］。由表2可知，臭牡丹可溶性糖含量隨著鎘處理濃度的升高呈現(xiàn)出先升后降的趨勢。植株可溶性糖含量均在0.6 mmol/L鎘濃度下達(dá)到最大值，與對照相比，不同周期植株可溶性糖含量增長率分別為24.39%、39.01%和36.26%。當(dāng)鎘脅迫濃度大于0.6 mmol/L時(shí)，不同脅迫時(shí)間下臭牡丹可溶性糖含量均有所下降，但都高于對照，相較0.6 mmol/L脅迫處理其降幅分別為33.48%、33.29%和27.49%。說明一定濃度范圍內(nèi)的鎘脅迫能夠促使臭牡丹葉片可溶性糖含量升高，但過高濃度的鎘則對其表現(xiàn)出抑制效應(yīng)。

表1 不同濃度鎘處理對臭牡丹葉片MDA含量及脯氨酸含量的影響

2.5 鎘脅迫對臭牡丹可溶性蛋白含量的影響

可溶性蛋白具有較強(qiáng)親水性，能夠增強(qiáng)細(xì)胞持水能力，是一種植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)［16］。從表2可以看出，隨著鎘脅迫濃度的升高，臭牡丹可溶性蛋白積累量先升后降。在不同處理周期中，可溶性蛋白含量均在0.6 mmol/L脅迫處理時(shí)達(dá)到最大值，與對照相比，其最大增長率分別為73.07%、48.25%和28.99%。當(dāng)鎘脅迫濃度超過0.6 mmol/L時(shí)，臭牡丹可溶性蛋白含量下降，但均高于對照，相較于0.6 mmol/L脅迫處理其降幅分別為7.68%、7.63%和10.35%。說明一定濃度范圍內(nèi)的鎘逆境能夠刺激臭牡丹積累可溶性蛋白緩解細(xì)胞水分散失，但高濃度鎘則抑制臭牡丹可溶性蛋白的合成。

表2 不同濃度鎘處理對臭牡丹葉片可溶性糖含量及可溶性蛋白含量的影響

3 結(jié)論與討論

鎘是植物生長過程中的一種非必需元素，易被植株根系吸收，過量的鎘對植物生理狀態(tài)和和新陳代謝具有較強(qiáng)毒害作用［17］。葉綠素?zé)晒馀c植物光合作用各個過程緊密相關(guān)，是檢測光合系統(tǒng)損傷程度的靈敏探針［18］，其動力學(xué)參數(shù)能夠快速地探測逆境對植物PSⅡ反應(yīng)中心的影響。其中，F(xiàn)v/Fo是植株光化學(xué)反應(yīng)狀況的一項(xiàng)重要參數(shù)，代表植物PSⅡ光化學(xué)系統(tǒng)的潛在活力。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，臭牡丹葉片F(xiàn)v/Fo隨著鎘處理濃度升高而不斷下降，說明鎘污染使PSⅡ中心受到光抑制，其潛在活性減弱，電子傳遞活性下降。qP反映植物PSⅡ原初電子受體QA的還原狀態(tài)及PSⅡ開放中心數(shù)目，其值越大則光合電子傳遞速度越快。而qN代表植物PSⅡ天線色素吸收后不能用于光合電子傳遞而以熱形式消散的份額，其值升高有利于保護(hù)PSⅡ免受光氧化傷害。本試驗(yàn)結(jié)果表明重金屬鎘脅迫促使臭牡丹葉片qP持續(xù)下降，qN不斷上升，這與梁開明等［19］的研究結(jié)果基本一致，也說明在鎘脅迫下臭牡丹葉片PSⅡ反應(yīng)中心開放程度減小，光合電子傳遞能力降低，同時(shí)其將過剩的光能轉(zhuǎn)換成熱能散失，從而在一定程度上提高自身對鎘的耐受能力。關(guān)于鎘脅迫對臭牡丹葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，本試驗(yàn)取得了一定進(jìn)展，今后可在此基礎(chǔ)上結(jié)合植株氣孔運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行更深入的探討。

丙二醛（MDA）是植物組織遭受氧化脅迫發(fā)生膜脂過氧化作用的產(chǎn)物，能夠交聯(lián)核酸、糖類及蛋白質(zhì)等物質(zhì)，從而損傷細(xì)胞膜系統(tǒng)的完整性。因此，MDA含量是反映細(xì)胞膜過氧化作用強(qiáng)弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)［20］。在本試驗(yàn)中，臭牡丹葉片MDA含量在脅迫后期隨鎘濃度的增加而增加，這與在朱砂根（Ardisia crenataSims）上的研究結(jié)果［21］基本相同，也說明長期鎘脅迫致使臭牡丹體內(nèi)活性氧平衡被打破，產(chǎn)生的大量自由基對植物細(xì)胞質(zhì)膜透性產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，脂類物質(zhì)被氧化分解，膜脂過氧化作用加劇。在重金屬污染環(huán)境中，土壤滲透勢較低，植物細(xì)胞易出現(xiàn)失水現(xiàn)象。為了抵御滲透脅迫，植物會主動累積一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來降低胞內(nèi)滲透勢，從而維持細(xì)胞的正常生理功能。其中，可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸都是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。試驗(yàn)結(jié)果表明，較低濃度的鎘脅迫刺激臭牡丹積累可溶性糖及可溶性蛋白，而高濃度鎘則使臭牡丹可溶性糖和可溶性蛋白含量降低，說明鎘脅迫刺激植物啟動防御機(jī)制，可溶性糖、可溶性蛋白作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)保護(hù)細(xì)胞免受傷害，但高濃度鎘對臭牡丹的傷害較大，抑制了可溶性糖和可溶性蛋白的合成。在不同濃度鎘脅迫對植物脯氨酸累積的影響方面，何俊瑜等［22］在對龍葵（Solanum nigrumL.）的探究中發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫可促進(jìn)龍葵積累脯氨酸，且高鎘脅迫下其積累效應(yīng)更加顯著。而在本試驗(yàn)中，脯氨酸含量隨鎘脅迫濃度的增加不斷升高，這與上述在龍葵上的研究趨勢基本一致，說明在高鎘脅迫下脯氨酸作為一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，發(fā)揮著緩解細(xì)胞滲透脅迫的重要作用，在一定程度上增強(qiáng)了植株對鎘的抗逆性。

綜上所述，重金屬鎘脅迫對臭牡丹的葉綠素?zé)晒鈪?shù)、膜脂過氧化程度、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)累積都具有一定程度的影響。在鎘逆境下，臭牡丹降低光合活性，將過量光能轉(zhuǎn)化為熱能，大量累積滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，從而增強(qiáng)自身抗逆性。但長時(shí)間的高鎘脅迫會導(dǎo)致植物光合系統(tǒng)受損、膜脂過氧化現(xiàn)象加劇、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成受阻。在臭牡丹對鎘脅迫的生理響應(yīng)方面，本試驗(yàn)結(jié)果表明光合特性的調(diào)整與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累在植物抵御外界逆境脅迫方面具有重要作用，這是植物進(jìn)行能量代謝及細(xì)胞抵御滲透脅迫的主要方式，也是植物耐鎘機(jī)理中的重要生理反應(yīng)。重金屬鎘脅迫下植物的耐受機(jī)制是一個復(fù)雜的生理體系，后續(xù)的試驗(yàn)應(yīng)在現(xiàn)階段的基礎(chǔ)上綜合植株氣孔運(yùn)動、內(nèi)源激素調(diào)節(jié)、DNA損傷過程等方面作進(jìn)一步研究。

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