紅錐幼苗對鎘脅迫的光合生理和生化響應

楊家強，劉德承，韋秀媚，吳志南，王柳平，譚長強，申文輝，滕維超

（1．廣西壯族自治區國有維都林場，廣西來賓 546100；2．廣西壯族自治區林業科學研究院，廣西南寧530002；3．廣西大學，廣西南寧 530004）

近年來，汽車排放尾氣、工業生產中排放廢物、農業生產中農藥及化肥殘留等使土壤中鎘（Cd）含量升高[1-2]。鎘是植物生長的非必要元素，有很高的致癌性[2]，鎘對土壤的污染會影響植物的生長，植物吸收后通過食物鏈進入人和動物體內，影響動物與人類的健康。廣西是有色金屬之鄉，部分地區土壤重金屬污染嚴重，由于鎘污染造成的社會公共危機事件已經有報道[3]。

紅錐（Castanopsis hystrix）是常綠大喬木，主要分布在海拔30 ～1 600 m 的緩坡及山地，常為林木的上層樹種，老年大樹的樹干有板狀根。該樹種常見于我國南方，成年后韌皮纖維發達，材質堅硬且有彈性，木材紋理直且耐腐性能穩定，用材價值高[4]。目前，關于紅錐脅迫響應的研究主要有紅錐對鋁脅迫、鉛脅迫及干旱脅迫的響應[5-8]，對鎘脅迫的研究未見報道。植物受到脅迫時，常出現植株矮小、葉片變黃等癥狀，植物細胞內的各類滲透調節物質和抗逆性物質等均會發生變化以適應或抵抗鎘脅迫。本研究通過探究不同鎘濃度下紅錐幼苗光合生理和生化指標，探究紅錐對鎘脅迫的光合生理生化響應，為紅錐幼苗培育提供更多的理論參考。

1 材料與方法

1．1 試驗地概況

試驗地設在廣西壯族自治區林業科學研究院苗圃（108°34′E，22°92′N），屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫21．8 ℃，平均相對濕度79%，降雨主要集中在5—9月。土壤pH 值為4．73，有機質含量為17．31 g/kg，全氮含量為0．54 g/kg，水解氮含量為66．73 mg/kg，全磷含量為0．34 g/kg，有效磷含量為1．26 mg/kg，全鉀含量為7．08 g/kg，速效鉀含量為98．14 mg/kg 和全鎘含量為0．25 mg/kg。

1．2 試驗材料

土壤經風干、粉碎和過篩后，分別按各處理組所需的鎘含量，將CdCl2·2．5H2O（分析純）溶液一次性加入土壤中，將土壤淋透后，在遮雨棚下放置1 周。據廣西土壤鎘污染的程度（西江流域部分地區農田土壤鎘含量為0．27 ～185．10 mg/kg）[9]及前人的研究[10]，設置4 個處理組，土壤的鎘含量分別為0（CK）、30（Cd1）、60（Cd2）和120（Cd3）mg/kg。紅錐為1年生幼苗，苗高為（3．87 ± 0．20）cm，地徑為（1．43±0．03）mm，生長良好。

1．3 試驗方法

鎘脅迫的試驗育苗方法有水培法[11-12]和土培法[13-14]。本研究使用土培法，與紅錐苗木培育實況相似。

2020年2月20日，移栽1年生紅錐幼苗，每盆栽植1 株，每處理20 盆。在盆下放置塑料托盤，將盤內滲出水分倒回盆中，以免鎘流失；按照常規方法進行松土、除草等養護管理，試驗期間保持土壤濕潤。2020年5月20日，每個處理隨機采摘多株20 ～30 片成熟功能葉，放在冰盒中帶回實驗室，迅速用蒸餾水洗凈后擦干，用于葉片生理指標測定。

1．4 指標測定

采用丙酮-乙醇提取法測定葉綠素和類胡蘿卜素含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白質含量，采用酸性茚三酮比色法測定游離脯氨酸含量，采用硫代巴比妥酸顯色法測定丙二醛（MDA）含量，采用氮藍四唑（NBT）光化還原法測定超氧化物歧化（SOD）酶活性[15]。

采用LI-6400XT 便攜式光合作用測量儀測定光合氣體交換參數[16]，設定光照強度為1 000 μmol·m-2·s-1，每處理選取6株，每株選取1片長勢均勻、完全展開的成熟功能葉，測定葉片光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間二氧化碳（Ci）和蒸騰速率（Tr）。

1．5 數據處理

采用Excel 2010 軟件進行數據整理；采用SPSS 22．0 軟件對紅錐生理指標進行描述性統計分析，采用Duncan法進行多重比較[17]。

2 結果與分析

2．1 不同鎘含量對紅錐幼苗生化指標和光合色素的影響

隨鎘含量升高，可溶性蛋白含量呈先下降后上升的趨勢；Cd1 和Cd2 處理的可溶性蛋白含量顯著低 于CK 和Cd3（P＜0．05），分別降低52．37% 和41．84%（表1）。隨鎘含量升高，MDA 含量呈逐漸上升的趨勢；Cd1、Cd2 和Cd3 處理的MDA 含量均顯著高 于CK（P＜0．05），分別高出9．99%、13．00% 和23．27%。隨鎘含量升高，可溶性糖含量呈先升高后下降的趨勢；與CK 相比，Cd1、Cd2 和Cd3 處理的可溶性糖含量分別高出40．32%、24．96%和16．48%；Cd1 處理的可溶性糖含量顯著高于CK（P＜0．05），Cd2 與Cd3 處理與CK 差異不顯著。隨鎘含量升高，游離脯氨酸含量呈逐漸上升的趨勢；Cd1、Cd2 和Cd3 處理的游離脯氨酸含量均顯著高于CK（P＜0．05），分別高出56．46%、56．53%和57．41%。

表1 不同鎘含量對紅錐幼苗生化指標和光合色素的影響Tab.1 Effects of different cadmium contents on biochemical indexes and photosynthetic pigments of C.hystrix seedlings

隨鎘含量升高，SOD 活性呈先上升后下降的趨勢；與CK 相比，Cd1 處理的SOD 活性高出6．38%，Cd2 和Cd3 處理分別降低2．49%和0．95%，均與CK差異不顯著。

葉綠素含量與其光合速率有緊密的聯系，光合指標在一定程度內可體現苗木當前的生長營養狀況。隨鎘含量升高，葉綠素a含量呈下降的趨勢；與CK 相比，Cd1、Cd2 和Cd3 處理分別降低了8．97%、32．05%和53．85%；Cd1處理的葉綠素a含量與CK差異不 顯著，Cd2 和Cd3 處理與CK 差異顯著（P＜0．05）。隨鎘含量升高，葉綠素b 含量呈下降的趨勢；Cd1、Cd2 和Cd3 處理的葉綠素b 含量均顯著低于CK（P＜0．05），分別降低了30．77%、58．97%和60．10%。隨鎘含量升高，葉綠素a+b含量呈下降的趨勢；Cd1、Cd2 和Cd3 處理與CK 相比分別降低19．87%、46．15%和58．33%；Cd1 處理的葉綠素a + b含量與CK 差異不顯著，Cd2 和Cd3 處理的葉綠素a + b 含量均與CK 差異顯著（P＜0．05）。隨鎘含量升高，類胡蘿卜素含量呈逐漸減少的趨勢；Cd1、Cd2和Cd3 處理均顯著低于CK（P＜0．05），分別降低了47．37%、36．84%和63．16%。

2．2 不同鎘含量對紅錐幼苗光合參數的影響

隨鎘含量升高，紅錐幼苗的Pn、Gs、Ci和Tr均呈下降的趨勢，Cd1、Cd2 和Cd3 處理均顯著低于CK（P＜0．05）（表2）。Pn、Gs、Ci和Tr均在Cd3處理最低，分別為3．37 μmol·m-2·s-1、0．11 μmol·m-2·s-1、220．83 μmol/mol和1．14 mol·m-2·s-1；與CK相比，分別降低了66．27%、38．89%、7．56%和54．76%。

表2 不同鎘含量對紅錐幼苗光合參數的影響Tab.2 Effects of different cadmium contents on photosynthetic parameters of C.hystrix seedlings

2．3 鎘脅迫下各光合生理和生化指標的相關性分析

在鎘脅迫下，游離輔氨酸與Ci呈極顯著負相關（P＜0．01），葉綠素b 與Gs和Pn均呈極顯著正相關（P＜0．01），葉綠素a+b 與葉綠素a、葉綠素b、Pn、Tr和Gs均呈顯著正相關（P＜0．05），Tr與葉綠素a 呈顯著正相關（P＜0．05），Pn和Gs呈極顯著正相關（P＜0．01）（表3）。

表3 光合生理和生化指標的相關性分析Tab.3 Correlation analysis of photosynthetic physiological and biochemical indexes

3 討論與結論

研究表明植物生長受鎘脅迫的影響主要表現為“低促高抑”[18-20]。本研究中，鎘低濃度時未促進紅錐幼苗生長，未施鎘處理時，紅錐幼苗生長狀態最好，與“低促高抑”現象存在差異，這可能與鎘濃度、植物種類和培養環境等因素有關[21]。

MDA 是一種脂質的過氧化物產物，MDA 含量可反應膜的損傷程度[22]。本研究中，隨鎘濃度升高，葉片MDA 含量增加，活性氧含量大，膜脂過氧化加劇，與張明華等[23]研究羽扇豆（Lupinus micranthus）、歐報春（Primula acaulis）植物在鎘濃度為0 ～80 mg/kg，葉片MDA含量逐漸增加相似。植物受到毒害時，可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸會在體內積累，使細胞液濃度升高。可溶性糖的主要功能是調節細胞滲透壓和維持植物體內蛋白質穩定[24]。本研究結果表明，隨鎘含量升高，可溶性糖含量呈先升后降的趨勢，這與韋獻東[25]對楓香（Liquidambar formosana）幼苗對鎘脅迫響應研究和張阿芳等[26]對銀灰楊（Populus canescens）對鎘脅迫響應的研究結果一致。本研究中，隨鎘濃度升高，紅錐葉片可溶性蛋白含量呈先降后升的趨勢，尚玉坤等[27]、楊馥榕等[14]和查應琴等[28]均發現隨鎘濃度升高，可溶性蛋白含量下降，本研究與其他研究結果不一致的原因需進一步探導。譚長強等[29]研究表明，隨鎘濃度升高，蜆木（Excentrodendron hsienmu）游離脯氨酸含量高于對照組，本研究結果與其結果基本一致。彭昌琴[30]在尾穗莧（Amaranthus caudatus）對鎘脅迫響應研究中得到相似的結論。

脅迫條件下，不同植物體內的SOD 活性隨鎘濃度升高呈現不同變化趨勢。王迪華等[20]報道，隨土壤鎘（0 ～40 mg/kg）含量升高，白菜葉片SOD 活性呈先升后降的趨勢。本研究也有相似的趨勢，在Cd1處理下，紅錐葉片SOD 活性升高；在Cd2與Cd3處理下，SOD 活性降低，可能是Cd2 與Cd3 處理的鎘含量超過紅錐耐受閾值。本研究中，隨鎘濃度升高，紅錐幼苗葉片內葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b 和類胡蘿卜素含量降低，該結果與賴秋羽等[31]結果相似。

植物在重金屬毒害下，體內葉綠素合成受到嚴重影響，進而影響光合指標［32-34］。本研究中，隨鎘濃度升高，Pn、Gs、Gi和Tr濃度均呈下降的趨勢，影響植物正常生長發育，該研究結果與文靜等［35］的研究結果一致，這可能是鎘損壞葉綠體內部結構，影響葉綠素合成，導致植物體內葉綠素含量下降，需要進行葉片微觀結構試驗進一步分析。本試驗中，紅錐幼苗葉片Ci在3 個鎘含量處理差異不顯著，Pn、Gs、Tr與葉綠素含量均隨鎘濃度升高而降低，且Pn、Gs和Tr與葉綠素含量均呈顯著正相關，是因為葉綠素含量在植物光合作用中影響著Pn、Gs和Tr。

綜合各項生理指標，鎘含量為30 ～120 mg/kg對紅錐幼苗毒害嚴重，紅錐幼苗應對鎘毒害的能力較弱。本研究為豐富修復重金屬污染植物提供理論依據，為全面揭示紅錐對鎘的響應機理，后續可從分子水平等方面進行深入研究。