王鴻燕，黃蘇珍，①，原海燕，陳曉萱，馬萬榮

〔1.江蘇省·中國科學院植物研究所(南京中山植物園)，江蘇 南京 210014； 2.江蘇大千生態(tài)景觀股份有限公司，江蘇 南京 210024〕

農藥和“工業(yè)三廢”(廢水、廢渣、廢氣)中所含的大量Pb和Cd是污染環(huán)境的主要重金屬元素；Pb和Cd被排放至土壤和水體后，通過植物的吸收作用而富集到食物鏈中，對人體健康和生態(tài)環(huán)境產生極為不利的影響［1-2］。因此，開展Pb和Cd污染環(huán)境的修復研究具有重要的現實意義，并已受到一定的關注。

溪蓀(Iris sanguinea Donn ex Horn.)又名東方鳶尾，屬鳶尾科(Iridaceae)鳶尾屬(Iris L.)多年生草本植物，生于溪流邊緣、沼澤地、濕草地或向陽坡地，花大而美麗，可為庭園綠化和切花之用；根、莖均可入藥，具有清熱解毒的作用［2］。目前，有關Pb和Cd單一及復合脅迫條件下溪蓀植株生長狀況及其對金屬離子吸收能力的研究尚未見報道，關于溪蓀是否具有修復Pb和Cd污染環(huán)境的能力尚不清楚。鑒于此，作者以溪蓀幼苗為實驗材料，采用水培方法研究了Pb和Cd單一及復合脅迫對溪蓀幼苗地上和地下部分生長及Pb、Cd、Zn、Cu、K、Na等金屬離子積累的影響，為探討溪蓀對Pb和Cd的耐性機制及其在修復污染環(huán)境中的應用提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 材料

實驗用溪蓀種子為江蘇省·中國科學院植物研究所鳶尾種質圃內的溪蓀無性繁殖群體所結的子實。

1.2 方法

1.2.1 幼苗培育及脅迫處理 采用Han等［3］的方法培育溪蓀幼苗。選擇生長健壯且長勢基本一致的植株(苗高約10 cm)，從培養(yǎng)盤中取出并洗凈后栽植于裝有300 mL 1/2Hoagland營養(yǎng)液的培養(yǎng)瓶中預培養(yǎng)，每瓶6株幼苗；置于室內培養(yǎng)，光照度1 500～3 000 lx、溫度20℃～30℃。

預培養(yǎng)10 d后，將培養(yǎng)液更換為含不同質量濃度Pb和Cd的1/2Hoagland營養(yǎng)液進行脅迫處理。其中，Pb和Cd分別以Pb(NO3)2和Cd(NO3)2的形式加入。實驗設3個處理組，即Pb單一脅迫處理組(500 mg·L-1Pb)、Cd單一脅迫處理組(25 mg·L-1Cd)和Pb-Cd復合脅迫處理組(500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd)，以不添加Pb和Cd的1/2Hoagland營養(yǎng)液為對照(CK)。每處理1瓶，各重復3次，每隔4天更換1次培養(yǎng)液。

1.2.2 生長指標測定 脅迫處理20 d后取樣，沖洗干凈后測量并計算各處理組所有植株根系的平均長度，并按照公式“耐性指數=(處理組平均根長/對照組平均根長)×100％”計算耐性指數［3］。各處理隨機選3株幼苗，80℃干燥箱內干燥至恒質量，分別稱量地上部分和地下部分的干質量。

1.2.3 離子含量測定 分別稱取地上部分和地下部分干樣約0.1 g，剪碎后用V(HNO3)∶V(HClO4)= 87∶13混合液6 mL浸泡12 h，然后消煮至近干；加入10 mL體積分數5％HNO3，水浴振蕩使之充分溶解，并用體積分數5％HNO3定容至25 mL；用TAS990火焰原子分光光度計(AAS)測定消煮液中Pb、Cd、Zn、Cu、K和Na的含量［3］。

1.3 數據分析

應用Excel和SPSS 13.0軟件對實驗數據進行統(tǒng)計和方差分析(ANOVA)；所有數據均為3次重復的平均值。

2 結果和分析

2.1 Pb和Cd單一及復合脅迫對溪蓀幼苗干質量和耐性指數的影響

經Pb和Cd單一及復合脅迫后溪蓀幼苗地上部分和地下部分的干質量及耐性指數見表1。由表1可見：在500 mg·L-1Pb單一脅迫條件下，溪蓀幼苗地下部分干質量比對照降低了18.2％，差異顯著；但地上部分干質量與對照差異不顯著；耐性指數與對照無顯著差異。25 mg·L-1Cd單一脅迫條件下，溪蓀幼苗地下部分與地上部分的干質量均顯著低于對照，分別較對照降低了16.4％和14.1％，耐性指數降低了7％，表明25 mg·L-1Cd單一脅迫顯著抑制了溪蓀幼苗的生長。在500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd復合脅迫條件下，溪蓀幼苗地下部分和地上部分的干質量與對照差異不顯著，且耐性指數僅下降了5％，說明Pb-Cd復合脅迫減弱了Pb和Cd單一脅迫的抑制作用，對溪蓀生長的影響相對減弱。

表1 Pb和Cd單一及復合脅迫對溪蓀幼苗地上部分和地下部分干質量及耐性指數的影響(±SD)1)Table 1 Effects of single and combination stresses of Pb and Cd on dry weights of above-and under-ground parts and tolerance index of Iris sanguinea Donn ex Horn.seedlings(±SD)1)

表1 Pb和Cd單一及復合脅迫對溪蓀幼苗地上部分和地下部分干質量及耐性指數的影響(±SD)1)Table 1 Effects of single and combination stresses of Pb and Cd on dry weights of above-and under-ground parts and tolerance index of Iris sanguinea Donn ex Horn.seedlings(±SD)1)

1)表中數據為3次重復的平均值Datums in this table are the average of three replications；同列中不同的小寫字母表示經鄧肯氏新復極差測驗差異顯著(P=0.05)Different small letters in the same column indicate the significant difference by Duncan’s new multiple range test(P=0.05).

質量濃度/mg·L-1 Concentration Pb Cd干質量/g Dry weight地下部分Under-ground part 地上部分Above-ground part耐性指數Tolerance index 0 0 0.055±0.020a 0.071±0.013a 1.00±0.023a 500 0 0.045±0.022b 0.069±0.014a 0.99±0.105a 0 25 0.046±0.034b 0.061±0.012b 0.93±0.038b 500 25 0.052±0.030a 0.070±0.021a 0.95±0.137ab

2.2 Pb和Cd單一及復合脅迫條件下溪蓀幼苗對金屬離子的積累規(guī)律分析

2.2.1 對Pb和Cd的積累 Pb和Cd單一及復合脅迫條件下溪蓀幼苗對Pb和Cd的積累狀況見表2。由表2數據可以看出：在500 mg·L-1Pb單一脅迫及500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd復合脅迫條件下，溪蓀幼苗地下部分的Pb含量均高于地上部分；在Pb單一脅迫條件下，溪蓀幼苗地上部分和地下部分的Pb含量分別為671.384和835.773μg·g-1，分別比Pb-Cd復合脅迫處理組高19.8％和16.0％，說明Pb-Cd復合脅迫降低了溪蓀幼苗對Pb的積累。

在25 mg·L-1Cd單一脅迫和500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd復合脅迫條件下，溪蓀幼苗地上部分的Cd含量明顯高于地下部分；在Cd單一脅迫條件下，溪蓀幼苗地上部分和地下部分的Cd含量分別為404.060和95.149μg·g-1；而在Pb-Cd復合脅迫條件下，幼苗地上部分和地下部分的Cd含量明顯高于Cd單一脅迫處理組，分別是后者的2.02和5.74倍?？梢?，Pb-Cd復合脅迫顯著促進了溪蓀幼苗對Cd的積累及其向地上部分的遷移。

表2 Pb和Cd單一及復合脅迫條件下溪蓀幼苗體內Pb和Cd含量的比較1)Table 2 Com parison of Pb and Cd contents in seed lings of Iris sanguinea Donn ex Horn.under single and combination stressesof Pb and Cd1)

2.2.2 對Zn、Cu、K和Na的積累 Pb和Cd單一及復合脅迫條件下溪蓀幼苗對Zn、Cu、K和Na的積累狀況見表3。由表3可知：在Pb和Cd單一及復合脅迫條件下，溪蓀地上部分的Zn含量均高于地下部分；經Pb和Cd單一及復合脅迫處理后，溪蓀體內的Zn含量均高于對照，特別是在Pb-Cd復合脅迫條件下，地上部分和地下部分的Zn含量分別為對照的2.86和1.73倍。上述結果說明：Pb和Cd單一及復合脅迫可促進溪蓀幼苗對Zn的吸收，且Pb-Cd復合脅迫的促進作用更顯著。

在Pb和Cd單一及復合脅迫條件下，溪蓀幼苗地上部分和地下部分的Cu含量均明顯高于對照。在500mg·L-1Pb單一脅迫條件下，溪蓀幼苗地下部分的Cu含量高于地上部分；而在25 mg·L-1Cd單一脅迫及500 mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd復合脅迫條件下，則表現為地上部分的Cu含量高于地下部分。在Pb-Cd復合脅迫條件下，地上部分和地下部分的Cu含量均最高，分別是對照的3.92和9.45倍。上述結果說明：Pb和Cd單一及復合脅迫對溪蓀幼苗Cu的吸收有一定的促進作用，其中Pb脅迫對溪蓀地下部分Cu吸收的促進作用更為明顯，且Pb-Cd復合脅迫能明顯促進溪蓀體內Cu的積累。

表3 Pb和Cd單一及復合脅迫條件下溪蓀幼苗體內Zn、Cu、K和Na含量的比較1)Table 3 Com parison of contents of Zn，Cu，K and Na in seed lings of Iris sanguinea Donn ex Horn.under single and combination stresses of Pb and Cd1)

各處理組溪蓀地上部分的K含量都明顯高于地下部分；Pb和Cd單一脅迫條件下，地上部分K含量均較對照有所增加，但增加幅度不明顯；在Pb-Cd復合脅迫條件下，地上部分K含量較對照下降了37.0％，下降幅度明顯。與對照相比，經Pb和Cd單一及復合脅迫處理后，溪蓀地下部分K含量均有一定程度的降低，其中，復合脅迫后地下部分的K含量下降幅度最大，較對照降低了62.0％。說明Pb-Cd復合脅迫對溪蓀幼苗K吸收有顯著的抑制作用。

經Pb和Cd單一及復合脅迫處理后，溪蓀幼苗地上部分和地下部分的Na含量均高于對照；在Cd單一脅迫條件下，幼苗地上部分和地下部分的Na含量均最高，分別為對照的1.43和2.37倍；但在Pb單一脅迫和Pb-Cd復合脅迫條件下，地上部分的Na含量增加幅度不大，而地下部分的Na含量增加幅度也小于Cd單一脅迫處理組。上述結果說明：Cd單一脅迫對溪蓀體內Na積累的促進作用較Pb單一脅迫更明顯，而Pb-Cd復合脅迫則削弱了這種促進作用。

3 討論和結論

在逆境條件下，植物體內的活性氧代謝平衡被打破，超氧自由基增多，導致膜蛋白和膜脂受損，生物膜的結構和功能被破壞，最終使植物的正常生長代謝受到影響［4］。Pb和Cd均為土壤中的主要重金屬污染元素，植物根系能夠快速直接地吸收大量的Pb和Cd，引起根系生長率下降、導致側根發(fā)育受到抑制。李永麗等［5］的研究結果顯示：在500 mg·L-1Pb脅迫條件下，東方香蒲(Typha orientalis Presl)的生物量急劇下降，植株生長被抑制。仇碩等［6］用25 mg·L-1Cd處理黃菖蒲(I.pseudacorus L.)幼苗，幼苗的根長、側根數量、干質量等都明顯小于對照。本實驗結果與上述研究結果有相似之處，即：在500 mg·L-1Pb和25 mg·L-1Cd單一脅迫條件下溪蓀的生長受到一定程度的抑制作用，但在500mg·L-1Pb-25 mg·L-1Cd復合脅迫條件下，溪蓀的生長狀態(tài)與對照差異不大。這可能是由于Pb和Cd具有拮抗作用，削弱了彼此的毒性；也可能與離子形態(tài)和濃度比例有關［7］。

Pb進入植物體后絕大部分積累在根部，運輸到地上部分的Pb僅占其中的一小部分，本實驗結果也說明了這一點。但在實驗設置的脅迫條件下，溪蓀幼苗地上部分的Cd、Zn、Cu、K和Na等離子的積累量基本都高于地下部分，說明這些金屬離子較易轉移到溪蓀的地上部分，而Pb主要積累于溪蓀的根部，這與Stoltz等［8］的研究結果不同。Stoltz等認為：重金屬在濕地植物體內趨向于積累在根部。這可能是由于Pb在根系中主要以Pb(PO4)2和PbCO3等沉淀形式存在，而在植物汁液中以離子態(tài)和絡合態(tài)Pb存在，由于吸持、鈍化或沉淀作用，植物根系吸收的Pb向地上部分的運輸比較困難［9-10］。土壤吸附動力學實驗結果［11］表明，Pb對植物吸收Cd有一定的促進作用，本實驗結果與之相一致。然而，Cd卻對Pb的吸收有一定的抑制作用。Pb和Cd脅迫對植物體一些離子的吸收有一定的促進或者抑制作用，這與離子之間的協(xié)同或者拮抗作用有關［12］。本實驗中，溪蓀幼苗內Pb、Cd、Zn、Cu和Na等元素的含量變化大部分都表現出一定的同步作用，這與陳彤等［13］的研究結論(即：在苔蘚植物體內Cu、Pb、Cd和Zn含量具有顯著的正相關關系和協(xié)同效應)一致。但是在本研究中，溪蓀地下部分的K含量卻呈下降趨勢，尤其是在Pb-Cd復合脅迫條件下下降幅度更大，這可能是因為K是植物生長所必需的金屬元素，與其他離子的來源和作用并不相似；或者由于K呈離子狀態(tài)溶于植物細胞液中，在維持液泡的滲透勢和細胞膨壓中起著重要作用，細胞的伸長生長與K含量有密切的關系，其主要功能與植物的新陳代謝有關［14］；Pb-Cd復合脅迫導致溪蓀的生長受到抑制，細胞結構被破壞，新陳代謝減緩，從而導致K的流失。Pb-Cd復合脅迫對溪蓀體內Na吸收的促進作用并不明顯，Cd單一脅迫條件下Na含量變化顯著，這與Na元素自身特性和濃度比例有關，還與共存元素的性質和濃度比例有關［15］。

綜上所述，溪蓀對Pb脅迫有相對的耐性，對Pb和Cd均具有一定的積累作用，可用于Pb污染環(huán)境的修復，尤其是可用于濕地Pb污染環(huán)境的修復。

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