2種菊科植物對鎘脅迫的生長和生理響應

王利芬 孔叢玉 吳思琳

摘要：以金盞菊（Calendula officinalis）、萬壽菊（Tageteserecta）為材料，研究水培條件下0.0、0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L不同質量濃度鎘（Cd）脅迫對這2種菊科植物株高、總根長度、總根表面積、總根投影面積、根尖數及葉片中丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性等指標的影響。結果表明，0.5、1.0 mg/L 低質量濃度Cd脅迫處理下的萬壽菊、金盞菊，其株高增長量高于0.0 mg/L（對照）處理，2.0、4.0 mg/L 高質量濃度Cd脅迫處理下的萬壽菊、金盞菊，其株高增長量低于對照;隨Cd脅迫質量濃度的增加，2種菊科植物葉片中MDA含量及金盞菊POD、CAT活性呈先增后減趨勢，萬壽菊葉片中SOD、POD、CAT活性及金盞菊CAT活性呈下降趨勢，Cd脅迫質量濃度為0.5 mg/L時2種菊科植物葉片MDA含量高于對照;Cd脅迫質量濃度1.0 mg/L處理的萬壽菊、2.0 mg/L處理的金盞菊其總根長度、總根表面積、總根投影面積、根尖數根系等生長指標相對較高。金盞菊和萬壽菊對鎘的耐性生理響應存在差異，金盞菊對Cd的耐性強于萬壽菊。

關鍵詞：花卉;菊科;鎘;脅迫;耐性;生理特性

中圖分類號：S682.1+10.1 ? 文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0164-03

隨著社會發展，各類污染問題隨之而來，重金屬污染便是其中之一。鎘（Cd）作為一種污染范圍及生物毒性很大的重金屬，不僅會對土壤造成危害，且Cd隨著工農業廢水排出時，會給水體帶來極大的污染，同時，由于Cd能夠被植物吸收而進入食物鏈，因此其危害不僅僅是對水土和植物而言的，對動物、人類甚至各大生態系統都會帶來嚴重影響[1]，如何有效合理修復Cd污染問題亟待解決。在治理重金屬污染的眾多方法中，相較于物理、化學方法，利用植物進行修復不僅能夠改善污染問題，還能美化環境，而且成本低廉、操作簡單、不會破壞土壤結構，這使得植物修復受到越來越多環保者的青睞[2]。Cd會對植物產生許多毒害作用，如抑制根系活力，降低葉綠素含量和葉綠體數量，降低碳同化能力和新陳代謝速率等[3-6]，篩選出耐Cd植物對利用植物修復Cd污染環境極為重要。

金盞菊（Calendula officinalis）、萬壽菊（Tageteserecta）是園林綠化中常用的2種菊科草本觀賞花卉，花期長、株型緊密、易栽培、好管理、適應性強，在生產中得到廣泛應用。水培是一種利用營養液栽培植物的方式，可人為控制營養液中的養分、溫度、溶解氧、酸堿度等環境條件[7]，相比傳統土壤栽培而言，水培營養吸收有效性高，養分供應充分、迅速，在相關科研和生產中被得到廣泛應用[8-9]。本研究通過水培方式，探討營養液中添加不同濃度Cd對萬壽菊、金盞菊生長、抗氧化酶活性及根系生長等生理特性的影響，分析萬壽菊和金盞菊在水培條件下對Cd脅迫的生理響應機制，為其在Cd污染修復中的應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗處理

供試萬壽菊品種為“發現”、金盞菊品種為“棒棒”，其種子均來源于虹越花卉股份有限公司。2017年11月上旬進行播種，挑選大小規格均一、飽滿的種子，經催芽后播種在海綿塊中;將海綿塊放入水培盆中，置于培養室內進行培養，溫度保持在26～28 ℃，光照度為5 000～6 000 lx，光照時間為 12 h/d，培養液采用霍格蘭營養液;當幼苗長出3～4張真葉時，挑選生長狀況基本一致的幼苗移栽到含Cd（試劑為 CdCl2·2.5H2O）質量濃度分別為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L的不同營養液上進行水培，以Cd質量濃度為0.0 mg/L處理為對照（CK），每處理5株幼苗，重復3次。

1.2 測定指標及方法

1.2.1 株高 移栽時及之后每隔7 d，采用數顯游標卡尺測量株高，直至移栽28 d結束，植株株高增長量為培養28 d時植株株高與移栽時株高的差值。

1.2.2 根系生長指標 鎘脅迫處理28 d，每處理隨機選取植株3株，采用愛普生中國股份有限公司產Epson Perfection V700 Photo型掃描儀對其根系進行掃描，利用根系分析系統WinRHIZO得出總根長度、總根表面積、總根投影面積、根尖數。

1.2.3 丙二醛含量和保護酶活性 鎘脅迫處理28 d，選取同一部位植株葉片，分別采用硫代巴比妥酸顯色法、氮藍四唑還原法、愈創木酚顯色法、紫外分光光度法測定丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性[10-12]。

1.3 數據分析

采用Excel 2010軟件對數據進行整理統計及圖表制作。

2 結果與分析

2.1 Cd脅迫對2種菊科植物株高增長量的影響

由圖1可見，Cd脅迫處理下，金盞菊、萬壽菊植株的生長受到不同程度影響，隨Cd脅迫濃度的增加，2種菊科植物株高增長量呈先增后減趨勢，0.5、1.0 mg/L低質量濃度Cd處理的2種菊科植物株高增長量都略高于對照，2.0、4.0 mg/L高質量濃度Cd處理的2種菊科植物株高增長量都略低于對照，低質量濃度鎘脅迫可促進植株的生長，而高質量濃度抑制植株的生長;同一Cd質量濃度脅迫處理下，金盞菊株高增長量明顯高于萬壽菊。

2.2 Cd脅迫對2種菊科植物根系生長的影響

由表1可見，隨Cd脅迫質量濃度的增加，2種菊科植物總根長、總根投影面積、總根表面積、根尖數等根系生長指標總體呈先增后減趨勢;鎘脅迫質量濃度為1.0 mg/L時，萬壽菊的總根長、總根投影面積、總根表面積、根尖數相對最大，分別比對照增加68.56%、24.35%、35.52%、75.51%，而鎘脅迫質量濃度為2.0 mg/L時，金盞菊的總根長、總根投影面積、總根表面積、根尖數相對最大，分別比對照增加37.44%、11.80%、25.06%、35.92%。

2.3 Cd脅迫對2種菊科植物葉片MDA含量保護酶活性的影響

2.3.1 MDA含量 由圖2可見，隨Cd脅迫質量濃度的增加，2種菊科植物葉片中MDA含量呈先增后減趨勢;Cd脅迫質量濃度為0.5、1.0 mg/L時，萬壽菊葉片MDA含量高于對照，且在Cd質量濃度為0.5 mg/L時MDA含量相對最高，為對照植株的 2.83倍，Cd脅迫質量濃度為2.0、4.0 mg/L時，萬壽菊葉片中MDA含量低于對照;Cd脅迫對金盞菊葉片MDA含量的影響沒有萬壽菊明顯，Cd脅迫質量濃度為 0.5 mg/L 時，金盞菊葉片中MDA含量高于對照，其他質量濃度脅迫處理均略低于對照。

2.3.2 SOD活性 由圖3可見，隨Cd脅迫質量濃度的增加，萬壽菊葉片中SOD活性呈下降趨勢，Cd脅迫質量濃度為4.0 mg/L時，其SOD活性相對最低，僅為5.40 U/g;與萬壽菊不同，隨Cd脅迫質量濃度的增加，金盞菊葉片中SOD活性呈先增后降趨勢，Cd脅迫質量濃度為0.5 mg/L時，金盞菊葉片中SOD活性相對最高，略高于對照，而其他Cd質量濃度脅迫處理均低于對照，且下降幅度較小。

2.3.3 POD活性 過氧化物酶是植物產生的一類氧化還原酶，與呼吸作用、光合作用等許多植物生長發育過程中的重要反應相關，其酶活性高低與植物代謝強度有密切關系，可使生物活性氧維持在一個較低水平上，以防止活性氧的傷害[13]。由圖4可見，隨Cd脅迫質量濃度的增加，萬壽菊葉片中POD活性呈下降趨勢，POD活性由對照的1 087.50 U/g下降到Cd脅迫質量濃度為4.0 mg/L處理時的710.14 U/g，下降幅度為 34.70%，這與其SOD活性規律相似;隨Cd脅迫質量濃度的增加，金盞菊葉片中POD活性呈先增后降趨勢，與對照相比，總體增減幅度相對較小，POD活性維持在224.07～168.67 U/g，Cd脅迫質量濃度為0.5、1.0 mg/L時金盞菊葉片POD活性略高于對照，2.0、4.0 mg/L Cd質量濃度處理的金盞菊葉片POD活性略低于對照。

2.3.4 CAT活性 由圖5可見，隨Cd脅迫質量濃度的增加，萬壽菊葉片中CAT活性呈明顯下降趨勢，對照葉片中CAT活性相對最高，為82.15 U/g，Cd脅迫質量濃度為 4.0 mg/L 時CAT活性相對最低，僅為13.48 U/g，為對照的16.41%;金盞菊葉片中CAT活性變化規律與萬壽菊相似，但其CAT活性值明顯低于萬壽菊;Cd脅迫質量濃度為0.5、1.0 mg/L 時，金盞菊葉片中CAT活性略低于對照，Cd脅迫質量濃度增加到2.0 mg/L時，金盞菊葉片中CAT活性較對照下降明顯，Cd脅迫質量濃度達到 4.0 mg/L 時，其CAT活性僅為0.46 U/g。

3 結論與討論

鎘作為一種非必需元素，可能與植物必需營養元素競爭根部的吸收位點，或通過影響植物生理生化過程來影響植物的正常生長，從而在高質量濃度下造成植物生物量的下降[14]。本試驗結果表明，隨Cd脅迫質量濃度的增加，萬壽菊、金盞菊植株高度增長量呈先增后降的規律，0.5 mg/L Cd質量濃度處理的萬壽菊、1.0 mg/L Cd質量濃度處理的金盞菊，其植株株高增長量相對最大;從根系生長狀況看，低質量濃度Cd脅迫可以促進萬壽菊、金盞菊這2種菊科植物根系的生長，根系總根長、總投影面積、總表面積、根尖數的最大值出現時萬壽菊Cd脅迫質量濃度為1.0 mg/L，而金盞菊則為 2.0 mg/L。這在一定程度上反映根系對Cd的耐受質量濃度高于植株地上部分，金盞菊對Cd的耐受能力強于萬壽菊。

重金屬脅迫等不良環境能誘發植物代謝過程產生自由基，從而對植物膜產生傷害作用，而植物自身的保護酶系統能夠清除自由基，以減輕其危害[15]。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）是植物體內活性氧清除系統的組成部分，能有效清除植物體內的自由基和過氧化物[16]。本試驗結果表明，隨Cd脅迫質量濃度的增加，金盞菊葉片中POD、CAT活性呈先增后減趨勢，萬壽菊葉片中SOD、POD、CAT活性呈下降趨勢，且高質量濃度Cd脅迫下，POD、CAT活性下降明顯，這可能是由于植物體內產生的活性氧不能被及時清除而質子化成毒性更強的·OH自由基有關，這與田治國等的研究結論[17]較為吻合。

萬壽菊、金盞菊這2種菊科植物對Cd毒害響應存在明顯的品種差異，對Cd的耐受質量濃度有所不同，相對而言，金盞菊對Cd脅迫具有較高的耐性，可作為綠化植物在城市鎘污染水體或土壤嚴重的地區種植，以用于對土壤或水體的修復。

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