關(guān)夢(mèng)茜 董 然 李紅婷 董洪飛 王 航
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),長(zhǎng)春,130118)
Cu脅迫對(duì)大花萱草生長(zhǎng)及生理的影響1)
關(guān)夢(mèng)茜 董 然 李紅婷 董洪飛 王 航
(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),長(zhǎng)春,130118)
為了探討大花萱草(Hemerocallismiddendorffii)在重金屬Cu脅迫條件下的適應(yīng)反應(yīng),揭示其抗重金屬能力,設(shè)置了4個(gè)梯度Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)(100、400、800、1 200 mg·kg-1)處理大花萱草植株,并測(cè)定Cu脅迫下大花萱草生長(zhǎng)、生理和光合特性。結(jié)果表明:在相同脅迫強(qiáng)度下,隨著脅迫時(shí)間的增加,各生理指標(biāo)出現(xiàn)了不同變化規(guī)律。同一時(shí)間內(nèi),Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 mg·kg-1時(shí)促進(jìn)大花萱草的生長(zhǎng),大于400 mg·kg-1時(shí)抑制其生長(zhǎng);隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,過(guò)氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)的活性均明顯增加,但SOD活性升高后又降低;大花萱草葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈先增加后降低趨勢(shì),轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)在100 mg·kg-1處理水平上;光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)均在10:00和16:00左右出現(xiàn)兩個(gè)峰值。通過(guò)對(duì)大花萱草在不同重金屬Cu脅迫條件下生長(zhǎng)及生理特性的研究發(fā)現(xiàn),大花萱草適應(yīng)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于100 mg·kg-1的Cu污染土壤的修復(fù)。
Cu脅迫;大花萱草;土壤修復(fù);生理特性
Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(7).-91~94
In order to investigateHemerocallismiddendorffiiadaptive response in the heavy metal Cu stress, we studied its resistance to heavy metal, set up four different Cu contents (100, 400, 800, 1 200 mg·kg-1) to treatH.middendorffii, and determined its growth, physiology and photosynthetic characteristics under Cu stress. In the same stress intensity with increasing stress time, there was different physiological variation. In the same time, when Cu content was 100 mg·kg-1, it could promotedH.middendorfiigrowth, when Cu content was more than 400 mg·kg-1, it could inhibitedH.middendorfiigrowth. With the increasing of Cu content, peroxidase (POD) and superoxide dismutase (SOD) activity increased significantly, but SOD activity increased and then decreased;H.middendorffiileaf chlorophyll content with increasing Cu content showed a decreasing trend after the first increase with the turning point of 100 mg·kg-1. Photosynthetic rate and transpiration rate appeared peak value at 10:00 am and 16:00 pm.H.middendorfiicould adapt to less than 100 mg·kg-1for remediation in the Cu contaminated soil.
Keywords Cu stress;Hemerocallismiddendorffii; Soil remediation; Physiologic characteristic
萱草(Hemerocallisspp.)是百合科(Liliaceae)萱草屬(Hemerocallis)的多年生耐寒宿根草本花卉,主要分布于亞洲溫帶和亞熱帶地區(qū),我國(guó)有11種原產(chǎn)種和部分自然雜交變種;少數(shù)分布在日本、朝鮮[1-2]。大花萱草(Hemerocallismiddendorffii)是在萱草的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)人工處理的多倍體矮生品種[3],為“觀為花、用為藥、食為菜”的多用途經(jīng)濟(jì)作物,其管理粗放、抗逆性強(qiáng)、種類繁多,是當(dāng)前城市節(jié)約型綠化的重要地被材料,適合多形式的園林應(yīng)用。銅(Cu)是植物生長(zhǎng)所必需的微量營(yíng)養(yǎng)元素,但過(guò)量的Cu對(duì)植物造成的傷害不容忽視[4-5]。Cu是有色金屬開采冶煉企業(yè)排出的“三廢”,化石、煤的燃燒,含銅農(nóng)藥化肥的使用等使土壤含銅量嚴(yán)重超標(biāo)。近年來(lái)諸多栽植試驗(yàn)表明,萱草具有很強(qiáng)的抗性,有關(guān)萱草植物生理指標(biāo)對(duì)高溫、低溫、干旱、遮陰等方面脅迫響應(yīng)的報(bào)道較多[6-9],但在重金屬Cu脅迫后,有關(guān)大花萱草光合及生理指標(biāo)的研究尚未見報(bào)道。本試驗(yàn)利用盆栽土培法,對(duì)在不同重金屬Cu脅迫強(qiáng)度和時(shí)間條件下大花萱草的生長(zhǎng)特征、光合生理特性及對(duì)Cu脅迫的抗性進(jìn)行了研究,以期為重金屬污染土壤修復(fù)的栽植管理提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)地點(diǎn)位于長(zhǎng)春市吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園林基地連棟日光溫室內(nèi)。供試材料為大花萱草(Hemerocallismiddendorffii)。
采用溫室盆栽控制試驗(yàn),以花土(V(園土)∶V(草炭)∶V(珍珠巖)=6∶3∶1)作為盆栽基質(zhì),土樣風(fēng)干過(guò)篩后充分混勻,2013年5月初將分株苗移植到12 cm(徑)×21 cm(高)的黑色塑料盆缽中完成萱草苗上盆,每盆1株苗木,盆下墊托盤。根據(jù)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB15618-1995)中的重金屬二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梯度劃分,并考慮到污染還會(huì)有繼續(xù)增加的可能,試驗(yàn)中對(duì)重金屬質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限作適當(dāng)延伸,試驗(yàn)處理質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0(CK)、4個(gè)梯度Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)(100、400、800、1 200 mg·kg-1)處理(以純Cu計(jì))。每個(gè)花盆裝土為2 kg(干質(zhì)量),用人工方法模擬Cu污染土壤,其中Cu以CuSO4·5H2O形式加入,配成溶液后與土壤均勻混合得到。試驗(yàn)時(shí)間共4個(gè)月,自處理后,根據(jù)每盆土壤水分狀況,每隔3~5 d給予正常施水管理,使土壤的田間持水量保持在80%左右。
株高的測(cè)定:用卷尺測(cè)定所有待測(cè)植物的株高。
生物量的測(cè)定:將植物地上、地下部分離,置于烘箱80 ℃烘至恒質(zhì)量,分別測(cè)定每株苗地上和地下干質(zhì)量,3次重復(fù)取平均值。
生理指標(biāo)測(cè)定:葉綠素、類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定采用丙酮研磨法[10],在試驗(yàn)處理末期(10月1日)進(jìn)行測(cè)定;SOD活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑法[10];POD活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法[10]。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次。
光合作用日變化測(cè)定:利用美國(guó)PPSystems公司生產(chǎn)的CIRAS-2便攜式光合儀進(jìn)行測(cè)定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)。選擇植株生長(zhǎng)狀況一致的向陽(yáng)葉片(每個(gè)品種3株,每株選擇1片,每葉測(cè)定3次,共9個(gè)重復(fù)),于2013年8月中旬晴朗天氣08:00—18:00每隔2 h測(cè)定1次。
2.1 Cu脅迫對(duì)大花萱草生長(zhǎng)及生物量的影響
由表1可知,隨著Cu污染質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu(100 mg·kg-1)對(duì)大花萱草的株高和根長(zhǎng)有一定的促進(jìn)效應(yīng);高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的則呈現(xiàn)劑量效應(yīng),質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,抑制效應(yīng)越明顯,表明低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu對(duì)大花萱草的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用,高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu抑制其生長(zhǎng)。多重比較結(jié)果顯示:大花萱草在脅迫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 200 mg·kg-1時(shí),株高與其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理達(dá)顯著差異(P<0.05),不同時(shí)間(7月1日、8月1日、9月1日、10月1日)的株高僅分別為對(duì)照的75.05%、80.95%、84.96%、90.86%。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),大花萱草的株高先增高后降低,主要是Cu脅迫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),植物生長(zhǎng)受到損害;同時(shí)植株在前3個(gè)月處于生長(zhǎng)狀態(tài),10月份后植株處于衰老狀態(tài)。植物根長(zhǎng)生長(zhǎng)對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)往往比株高生長(zhǎng)更為敏感[11]。由表1可知,在不同時(shí)間內(nèi),大花萱草經(jīng)100 mg·kg-1處理的根長(zhǎng)均高于對(duì)照組,達(dá)到最大值,分別比對(duì)照組提高了47.23%、21.35%、9.29%、7.10%,與其他質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理達(dá)顯著差異(P<0.05)。說(shuō)明添加低質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu有促進(jìn)大花萱草根系生長(zhǎng)的作用,而添加較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu則對(duì)大花萱草根系的生長(zhǎng)有抑制作用,這種影響效應(yīng)與對(duì)大花萱草株高的影響效應(yīng)一致。
柯文山等[12]認(rèn)為生物量是反映植物生長(zhǎng)發(fā)育的一項(xiàng)重要指標(biāo),植物適應(yīng)重金屬污染環(huán)境的外部表征之一就是植物生物量的變化。不同Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)大花萱草地上部分和地下部分干質(zhì)量的影響見表2,同一時(shí)間不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理下,隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,地上部分干質(zhì)量呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì),經(jīng)Cu100 mg·kg-1處理的地上部分干質(zhì)量達(dá)到最大值,與其他Cu(400~1 200 mg·kg-1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理的達(dá)顯著差異(P<0.05),與同一脅迫條件下其株高的變化趨勢(shì)基本一致。地下部分干質(zhì)量逐漸降低,且在Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 200 mg·kg-1時(shí)低于其他處理。說(shuō)明Cu污染對(duì)大花根部的影響遠(yuǎn)大于對(duì)地上部分生物量的影響。
表1 Cu脅迫對(duì)大花萱草不同時(shí)間內(nèi)生長(zhǎng)的影響
注:同列不同小寫字母為差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。
2.2 Cu脅迫對(duì)大花萱草葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
由表3可見,在Cu脅迫下,大花萱草葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總量(a+b)及類胡蘿卜素經(jīng)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu(100 mg·kg-1)處理后有一定的促進(jìn)效應(yīng);而經(jīng)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理后則呈現(xiàn)劑量效應(yīng),質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高,抑制效應(yīng)越明顯。經(jīng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)100 mg·kg-1處理的大花萱草葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量(a+b)及類胡蘿卜素均達(dá)最大值,且分別比對(duì)照增加了13.63%、4.44%、11.43%、22.50%,與對(duì)照相比差異顯著(P<0.05)。葉綠素a/b隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸升高,葉綠素a/b與對(duì)照相比,經(jīng)100~1 200 mg·kg-1Cu處理的葉綠素a/b增幅為8.80%~18.07%,表明Cu脅迫對(duì)金娃娃葉綠素b的影響略大于葉綠素a。
表2 Cu脅迫對(duì)大花萱草不同時(shí)間內(nèi)干質(zhì)量的影響
注:同列不同小寫字母為差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。
表3 Cu脅迫對(duì)大花萱草末期(10月1日)葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響
Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1葉綠素(a+b)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1葉綠素a/b類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/mg·kg-1CK1.357b0.428b1.785b3.171c0.200bc1001.542a0.447a1.989a3.450b0.245a4001.186b0.325c1.511c3.649a0.212b8001.027c0.225d1.302d3.735a0.195bc12000.996c0.266d1.262d3.744a0.181c
注:同列不同小寫字母為差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。
2.3 Cu脅迫對(duì)大花萱草光合指標(biāo)的影響
由表4可知,在不同Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)脅迫條件下,大花萱草的凈光合速率、蒸騰速率的變化趨勢(shì)大致相似,在10:00和16:00左右出現(xiàn)兩個(gè)高峰,在14:00左右出現(xiàn)最小值,表現(xiàn)出典型的“午休”現(xiàn)象。大花萱草的凈光合速率和蒸騰速率在10:00的峰值明顯高于16:00出現(xiàn)的峰值,這是由于能利用上午的有利光照條件充分進(jìn)行光合作用。隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,大花萱草的凈光合速率和蒸騰速率分別呈先上升后下降的趨勢(shì),經(jīng)100 mg·kg-1Cu處理的分別達(dá)到最大值,但上升的幅度與對(duì)照CK相比不顯著。1 d內(nèi)不同Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)脅迫下,大花萱草的凈光合速率和蒸騰速率由大到小分別依次為100、CK、400、800、1 200 mg·kg-1。經(jīng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)800、1 200 mg·kg-1處理后,隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,凈光合速率和蒸騰速率均顯著下降。
表4 Cu脅迫對(duì)大花萱草葉片光合日變化的影響
2.4 Cu脅迫對(duì)大花萱草抗氧化酶活性的影響
Cu脅迫對(duì)大花萱草葉片POD酶活性有顯著的影響(P<0.05),且隨Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而呈現(xiàn)顯著上升的趨勢(shì)(表5)。在不同時(shí)間內(nèi),大花萱草POD酶活性經(jīng)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu1 200 mg·kg-1處理后增加幅度最大,分別比對(duì)照增加了4.80倍、4.20倍、4.31倍和2.43倍。由表5可知,SOD酶活性經(jīng)低Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理后,葉片的SOD酶活性都有不同程度的升高,在Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100 mg·kg-1時(shí)達(dá)到最高;但經(jīng)高Cu(400~1 200 mg·kg-1)質(zhì)量分?jǐn)?shù)處理后與對(duì)照相比活性均顯著下降,尤其在Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 200 mg·kg-1時(shí)顯著低于對(duì)照水平(P<0.05)。隨Cu脅迫時(shí)間的增長(zhǎng),大花萱草葉片的POD酶活性和SOD酶活性都呈先升高后降低趨勢(shì),說(shuō)明在Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)脅迫下,各植物的葉片POD酶活性和SOD酶活性均先升高,從而減輕Cu引起的毒害作用,可看作是植物對(duì)Cu污染土壤的一種適應(yīng)機(jī)制,而當(dāng)隨脅迫時(shí)間的增長(zhǎng),過(guò)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cu不斷在植物體內(nèi)累計(jì),POD酶活性和SOD酶活性下降,顯示出高質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu對(duì)植物的毒害作用。
表5 Cu脅迫對(duì)大花萱草不同時(shí)間內(nèi)抗氧化酶活性的影響
注:同列不同小寫字母為差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。
Cu是植物生長(zhǎng)和發(fā)育必需的微量元素之一,適量外源Cu能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育,緩解逆境脅迫對(duì)植物造成的傷害,然而,過(guò)量Cu可能對(duì)植物生長(zhǎng)和正常代謝過(guò)程產(chǎn)生影響[13-15]。有文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于重金屬Cu脅迫植物的癥狀,主要表現(xiàn)為失綠癥和生長(zhǎng)受阻[16]。經(jīng)低質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu 100 mg·kg-1處理后的大花萱草處于生長(zhǎng)良好狀態(tài),與對(duì)照相比,反而促進(jìn)其生長(zhǎng),經(jīng)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu(400 mg·kg-1)處理后,大花萱草生長(zhǎng)受到抑制,這是由于過(guò)量的Cu對(duì)植物造成了毒害作用,主要是破壞植物對(duì)Fe2+的吸收和在體內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn),造成缺鐵病。在生理代謝方面,過(guò)量的Cu抑制脫梭酶的活性,間接阻礙了NH4+向谷氨酸轉(zhuǎn)化,造成NH4+過(guò)量積累,使大花萱草根部受到嚴(yán)重?fù)p傷,主根不能伸長(zhǎng),根毛少甚至枯死,從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育[17]。
葉綠素是植物光合作用的主要色素,在光合作用的光吸收中起到核心作用,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)高低能夠影響植物的光合作用的強(qiáng)弱,在一定程度上能反應(yīng)植物的生產(chǎn)性能和抵抗逆境脅迫的能力[18]。類胡蘿卜素是光合作用中光反應(yīng)中心和光傳導(dǎo)途徑的重要組成成分,能幫助葉綠素吸收光能,保護(hù)葉綠素免受破環(huán),從而對(duì)植物光合機(jī)能進(jìn)行保護(hù)[19]。葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與其光合能力有著密切的相關(guān)性,可以使植物的光合能力明顯提高[20]。大花萱草葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量(a+b)及類胡蘿卜素均呈先上升后下降的趨勢(shì),經(jīng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)100 mg·kg-1處理的大花萱草葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量(a+b)及類胡蘿卜素均達(dá)最大值,與對(duì)照相比均差異顯著(P<0.05)。葉綠素a/b隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸升高,表明Cu脅迫對(duì)大花萱草葉綠素b的影響略大于葉綠素a。凈光合速率可直接體現(xiàn)光合系統(tǒng)功能,可作為衡量植株系統(tǒng)工作正常與否的重要指標(biāo)[21]。隨著Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,大花萱草凈光合速率、蒸騰速率呈先升高后下降的趨勢(shì)。經(jīng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)100 mg·kg-1處理后,上升幅度最大;經(jīng)高質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu 1 200 mg·kg-1處理后下降程度最大,說(shuō)明高質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu脅迫已經(jīng)嚴(yán)重影響大花萱草植株的正常生長(zhǎng)。
過(guò)氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)是一類對(duì)環(huán)境因子十分敏感的酶,能催化有毒物質(zhì)的氧化分解,是植物體內(nèi)比較常見的氧化還原酶[22]。在不同時(shí)間的Cu脅迫下,SOD、POD酶活性在脅迫初期迅速應(yīng)激上升,清除活性氧,隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng),大花萱草葉片的SOD、POD酶活性下降,說(shuō)明酶系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間脅迫下受到部分損傷。但隨Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加劇,POD酶活性一直保持上升趨勢(shì),經(jīng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)1 200 mg·kg-1處理后,增幅最大,說(shuō)明Cu脅迫下POD酶發(fā)揮更為重要的作用;在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu污染下,SOD酶活性急劇下降,超氧陰離子依然繼續(xù)增加,致使其清除活性氧的能力降低,SOD酶活性受到了抑制,表明SOD酶調(diào)節(jié)能力是有限的。眾多試驗(yàn)研究表明[23],抗氧化酶(SOD、POD)在一定范圍內(nèi)能有效地清除過(guò)多的活性氧,防止植物體內(nèi)膜系統(tǒng)受到活性氧的過(guò)氧化傷害,但在嚴(yán)重的脅迫環(huán)境下,活性氧物質(zhì)通常會(huì)對(duì)抗氧化酶產(chǎn)生氧化損傷,導(dǎo)致其活性降低,本試驗(yàn)的結(jié)果也進(jìn)一步證明了上述研究觀點(diǎn)。
低質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu脅迫可以促進(jìn)大花萱草的生長(zhǎng),稍高的Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)(400 mg·kg-1)會(huì)影響大花萱草長(zhǎng)勢(shì),但在高質(zhì)量分?jǐn)?shù)Cu(1 200 mg·kg-1)脅迫下植物沒(méi)有出現(xiàn)死亡現(xiàn)象,說(shuō)明大花萱草對(duì)Cu脅迫有一定的耐性。由此可以看出,大花萱草具備在Cu污染區(qū)域長(zhǎng)期生長(zhǎng)的基礎(chǔ),可為重金屬污染地綠化應(yīng)用,選育抗逆性花卉品種提供理論依據(jù)。
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Growth and Physiological Characteristics ofHemerocallismiddendorffiiUnder Cu Stress/
Guan Mengxi, Dong Ran, Li Hongting, Dong Hongfei, Wang Hang(Jilin Agricultural University, Changchun 130118, P. R. China)//
關(guān)夢(mèng)茜,女,1990年6月生, 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,碩士研究生。
董然,吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院, 教授。E-mail:Dongr999@163.com。
2013年11月11日。
S682.1+9; Q945.78
1) 吉林省科技支撐項(xiàng)目(20100259)。
責(zé)任編輯:任 俐。