鎘脅迫下兩種高羊茅的生理指標應激反應

黃登峰　趙運林

摘要：以來自加拿大的兩種高羊茅（Festuca arundinacea）為材料，在溫室盆栽的條件下，研究和比較了不同濃度的二價鎘（Cd2+）對兩種高羊茅的脂質過氧化程度、保護酶活性和滲透調節物質的影響。結果表明，與護坡型的高羊茅紅象品種相比，在不同程度Cd2+脅迫下，草坪型的高羊茅艾瑞品種表現出了更低的脂質過氧化水平、更強的抗氧化保護酶活性和更具適應性的滲透調節水平，說明高羊茅艾瑞品種對Cd2+的脅迫具有更好的適應性，修復被重金屬污染土壤的能力更強。

關鍵詞：高羊茅（Festuca arundinacea）;鎘;脂質過氧化程度;抗氧化酶;滲透調節物質

中圖分類號：S688.4;Q945.78? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）15-0068-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.015? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Physiological indicators stress response of two Festuca arundinacea

varieties under cadmium stress

HUANG Deng-feng1，2，ZHAO Yun-lin1，3

（1.School of Biology and Biotechnology，Hunan Agriculture University，Changsha 410128，China;2.Hunan Golf and Tourism College，Changde 410275，Hunan，China;3.Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China）

Abstract： Two kinds of tall fescue（Festuca arundinacea） from Canada were used as materials to study and compare the effects of different concentrations of cadmium （Cd2+） on lipid peroxidation， protective enzyme activity and osmotic regulators of two kinds of tall fescue in greenhouse. The results showed that， under different concentrations of Cd2+ stress，turf-type tall fescue cultivar showed lower lipid peroxidation level， stronger antioxidant protective enzyme activity and more adaptive osmotic regulation level than slope-protected tall fescue cultivar. It was concluded that，turf-type tall fescue cultivar had better adaptability to Cd2+ stress and stronger ability to repair the soil polluted by heavy metals.

Key words： tall fescue（Festuca arundinacea）; cadmium; lipid peroxidation; anti-oxidative enzyme; osmotic substance

伴隨著礦山開發與尾礦的不斷堆積，隱藏其中的重金屬逐漸釋放出來，造成了嚴重的水土污染，可以說重金屬污染是當今污染面積較廣、危害較大的環境問題之一[1]。土壤重金屬污染的治理，首先是防止污染面積進一步擴大，則首要問題在于如何降低重金屬的遷移速度，即利用植物固定進行原位修復。以往的試驗發現大部分的重金屬鎘（Cd）超富集植物，雖然轉移系數高，但是其生物量都很低，土壤修復的效率并不如意。可以考慮套種、間種生物量大的且對重金屬Cd具有較高耐性的草類植物，增加土壤有機質含量，提高修復效率，并且提高水土保持能力，減少污染面的擴大。高羊茅（Festuca arundinacea）是常見的多年生冷季型草坪草[2，3]，分蘗多、產量高、質地柔軟、綠期長、可多次刈割、觀賞性強、生物量較大。它廣泛分布于歐洲和北美洲，這種廣泛分布可能蘊藏著極為豐富的種質資源。高羊茅還分布在寒冷的地區，如美國北部和加拿大等地，這種逆境下生長的高羊茅可能是潛在的修復土壤的資源。

在環境脅迫下，細胞內生物自由基代謝平衡被破壞，造成超氧陰離子自由基積累，進而引發或加劇膜脂過氧化作用，使得細胞膜系統的結構和功能劣變，新陳代謝發生紊亂。植物體對于產生的活性氧自由基存在兩種抗氧化系統，一種是抗氧化酶類物質，如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）等;另一種是非酶類化合物，如脯氨酸（Pro）、丙二醛（MDA）以及逆境誘導產生的一系列蛋白質等。它們在一定的范圍內及時清理過多的活性氧，維持體內自由基代謝的動態平衡，降低膜脂過氧化，保護膜系統的穩定性，提高植物的抗逆性。因此，這些抗氧化指標可用來衡量植物對抗逆境的能力。

為此，本研究以來自加拿大的高羊茅為材料，在溫室盆栽的條件下，研究和比較了不同濃度的二價鎘（Cd2+）對兩種高羊茅的脂質過氧化程度、保護酶活性和滲透調節物質的影響。抗氧化指標包括MDA和Pro的含量、POD和CAT的活性。通過這些指標分析草坪型和護坡型高羊茅對不同程度Cd2+的耐受能力差異，探討它們在環境凈化、廢棄礦山和尾礦庫草地建植等方面的應用潛力，以期為植物修復土壤重金屬污染提供科學依據。

1? 材料與方法

1.1? 材料與處理

供試的兩種高羊茅種子購自長沙斐林園林經營部，分別為加拿大產的紅象品種和艾瑞品種。2010年3月中旬將高羊茅種子用0.1%的HgCl2殺菌后，去離子水洗凈并浸種24 h，將高羊茅種子置于墊有2層濾紙的培養皿中，于25 ℃/18 ℃（晝/夜）恒溫箱中成苗，保持濾紙濕潤。25 d完全成苗后移栽至盛有Hoagland液的塑料盆中室外培養。成苗后，用Hoagland液中增加不同濃度CdCl2（0.5、1.0、2.0 mmol/L）處理材料，并以不添加CdCl2的處理為對照。連續5 d每天定時取樣進行各項指標的測定。測定鮮重和干重，每個處理3次重復，每個重復50株苗;生理指標測定，每個處理至少5次重復。

1.2? 生理指標的測定

1.2.1? 脂質過氧化產物MDA含量的測定? 參考Heath等[4]和Hodges等[5]的方法，利用MDA和硫代巴比妥酸（TBA）反應生成粉紅色化合物（530 nm）來測定其含量。

1.2.2? 抗氧化酶活性的測定? POD的活性檢測參照張志良等[6]的方法，利用愈創木酚在H2O2存在的條件下使470 nm吸光度增加的原理測定酶活性，以每克干重每分鐘增加0.01為1個酶活性單位（U）。CAT活性檢測參照張志良等[6]的方法，利用CAT促進H2O2分解，使反應體系在240 nm處吸光度減小的原理測定該酶的活性。

1.2.3? 滲透調節物質Pro含量的測定? 參照張志良等[6]的方法，利用Pro與酸性茚三酮反應生成紅色化合物來測定其含量。

2? 結果與分析

2.1? Cd2+脅迫對高羊茅中MDA含量的影響

MDA是植物細胞膜脂過氧化物之一，能與細胞內成分發生反應，引起多種酶和膜的嚴重損傷[7]。MDA濃度是表征膜透性發生脅迫性變化的重要生理指標之一，當其含量大量增加時，表明植物體內細胞受到較嚴重的破壞。從圖1可以看出，在無Cd脅迫下，護坡型高羊茅紅象品種與草坪型高羊茅艾瑞品種的MDA含量相當，無明顯差異。而在Cd2+脅迫下，兩種高羊茅的MDA水平都出現了應激型波動，在不同濃度Cd2+連續處理5 d中，兩種高羊茅品種的MDA含量變化均呈“高-低-最高-低-低”的峰狀波動，平均水平要高于無脅迫時候的本底水平，而且MDA含量均在脅迫后第3天出現最高點，說明無論Cd2+脅迫濃度如何，高羊茅草種因為Cd2+脅迫造成的脂質過氧化均在處理后第3天達到最大值。就兩種高羊茅之間比較，無論在何種濃度的Cd2+脅迫下，護坡型高羊茅紅象品種的MDA含量峰值均高于草坪型高羊茅艾瑞品種，顯然草坪型高羊茅艾瑞品種受損程度要低于護坡型高羊茅紅象品種。

2.2? Cd2+脅迫對高羊茅抗氧化保護酶活性的影響

從圖2可以看出，在POD活性方面，在無Cd脅迫下或在相同濃度Cd2+脅迫下，護坡型高羊茅紅象品種的POD活性均低于草坪型高羊茅艾瑞品種。選取POD數值達到高峰值的第5天數據比較，隨著Cd2+濃度的升高，草坪型高羊茅艾瑞品種的POD含量呈升高趨勢;而護坡型高羊茅紅象品種雖然與對照比較有明顯的升高，但在各濃度Cd2+處理下的上升差異并不明顯。在不同濃度Cd2+連續處理5 d中，草坪型高羊茅艾瑞品種的POD含量變化均呈“升-降-升”的趨勢，最高值為脅迫后第5天，并一直高企;護坡型高羊茅紅象品種則為“降-升-平”，POD含量雖有增加，卻明顯低于高羊茅艾瑞品種的水平。

從圖3可以看出，在CAT活性方面，在無Cd脅迫或在相同濃度Cd2+脅迫下，護坡型高羊茅紅象品種的CAT活性均低于草坪型高羊茅艾瑞品種。選取CAT數值達到高峰值的第3天數據進行比較，兩種高羊茅品種雖然與對照相比有明顯的升高，但在各濃度Cd2+處理下的上升差異并不明顯。在不同濃度Cd2+連續處理5 d的過程中，兩個品種的高羊茅的活性變化均呈“降-升-降”的趨勢，且均于處理后第2天達到最低點，第3天達到最高點。

2.3? Cd2+脅迫對高羊茅中Pro含量的影響

從圖4可以看出，在有無Cd或不同濃度Cd2+脅迫下，草坪型高羊茅艾瑞品種Pro含量均高于護坡型高羊茅紅象品種。不同濃度Cd2+脅迫下，兩種高羊茅Pro含量比對照均有提高，高羊茅艾瑞品種Pro含量的平均水平要高于高羊茅紅象品種。艾瑞品種Pro含量水平峰值出現在前2 d，而后隨著Cd2+脅迫時間的延長，草坪型高羊茅Pro含量呈逐漸降低的趨勢;護坡型高羊茅紅象品種Pro含量的變化較為和緩，升高水平較高羊茅艾瑞的水平要低，且最高值出現在第3天，表現出先升后降的趨勢。

3? 小結

由于重金屬鎘的環境穩定性和毒性，因此其污染已引起普遍重視。鎘同時也被認為是危害植物生長發育的有害元素，其對植物的傷害多表現為光合作用、葉綠素含量降低，引起氧化脅迫和膜的損傷，高濃度Cd2+則會明顯抑制抗氧化酶活性，加劇活性氧的釋放，導致植物生長受到嚴重抑制[8-10]。但同時，人們發現也有不少植物能通過富集作用避免或減弱鎘的傷害，在鎘含量較高的基質（如土壤）上生長[11，12]，高羊茅就是其中之一，這為礦山和尾礦區的生態環境修復提供了絕好的材料。不同品種高羊茅對鎘脅迫的反應并非一致，甚至相差很大，故選取什么品種高羊茅就成為一個重要的問題。

試驗研究結果顯示，在不同濃度Cd2+脅迫下兩個不同高羊茅品種的脂質過氧化水平、抗氧化保護酶活性和滲透調節物質也有較大差異。在體現脂質過氧化程度上，脅迫過程中草坪型高羊茅艾瑞品種的升高水平低于護坡型高羊茅品種紅象，相較而言，體現了較強的活性氧耐受能力。結合POD與CAT兩種抗氧化保護酶的活性變化來看，雖然對Cd2+脅迫的反應時間相同，但草坪型高羊茅艾瑞品種反應的程度更大，具有更強的抗氧化保護能力，耐受Cd2+脅迫的能力比較突出?？寡趸芰姷母哐蛎┌鹌贩N雖然在脅迫前期出現了高水平的Pro，但隨著時間延長其水平不斷下降。草坪型高羊茅艾瑞品種相比于護坡型高羊茅品種紅象更適合在鎘污染修復中作為先鋒草種使用。

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