肖雪，李宗艷，馬長樂，于達勇

(云南省功能性花卉資源及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)工程研究中心，西南林業(yè)大學(xué) 園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650224)

近年來，隨著礦產(chǎn)開發(fā)、工業(yè)污染、交通排放以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等活動的持續(xù)進行，我國土壤重金屬污染愈加嚴(yán)重[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，我國土壤重金屬污染區(qū)域主要分布在中國的中部、南部和西南部等地區(qū)，其中鎘污染率最高[3]。重金屬鎘毒性強，易擴散，難降解，對人類和生態(tài)系統(tǒng)健康具有極大威脅[4]。近年來，媒體曝光了許多“鎘麥”“鎘米”事件，反映了我國重金屬污染的嚴(yán)重性[5]。如何有效防止土壤環(huán)境重金屬污染，如何修復(fù)土壤尤其是耕地土壤重金屬污染以保障糧食作物安全生產(chǎn)，已成為當(dāng)前土壤及環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點和難點。由于土壤中的重金屬易被植物吸收與積累，因此，植物修復(fù)可為傳統(tǒng)的物理或化學(xué)修復(fù)技術(shù)提供經(jīng)濟有效和可持續(xù)的替代方案[6]，而將園林植物栽植于重金屬污染地區(qū)，將會起到景觀美化和土壤修復(fù)的雙重作用。

雙腺藤(Mandevillasanderi)為夾竹桃科(Apocynaceae)雙腺藤屬(MandevillaLindl.)多年生常綠藤本植物，原產(chǎn)美洲熱帶，有著“熱帶藤本皇后”的美稱。該植物花大色艷、花葉繁盛、喜光耐熱、對土壤的適應(yīng)性強，在豎向立面景觀及園林工程地栽中表現(xiàn)優(yōu)秀，其蔓生性不強，亦適合室內(nèi)盆栽，具有較高的觀賞價值[7-9]。目前，對雙腺藤的研究主要集中在栽培[10-12]、組培[13-15]、以及病害[16]等方面，重金屬脅迫下雙腺藤的適應(yīng)性及耐受機制未見報道。本試驗通過對雙腺藤幼苗進行不同濃度(0、5、20、50、100、200 mg/kg)鎘處理，研究雙腺藤在鎘脅迫下的一系列生長變化以及生理響應(yīng)，為進一步了解植物對鎘脅迫的生長生理響應(yīng)機制提供理論依據(jù)，也為鎘污染地區(qū)選擇新型園林觀花植物提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為2020年7月中旬從上海怡源公司購買的長勢一致、苗齡約1個月的雙腺藤扦插苗，共100盆。換盆于帶有托盤的圓形塑料花盆(15 cm×12 cm)中，每盆500 g風(fēng)干基質(zhì)，1盆栽植1株，于西南林業(yè)大學(xué)樹木園大棚中進行統(tǒng)一的養(yǎng)分和水分管理，保持其正常的生長發(fā)育和水分代謝。供試基質(zhì)由腐殖土、自然土與珍珠巖按照4∶1∶1(體積比)的比例配成，pH值為5.6，鎘背景值是0.53 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

在統(tǒng)一的養(yǎng)分和水分管理下培養(yǎng)30 d后，選擇長勢良好且表型一致的植株，開展土壤鎘脅迫試驗。試驗采用盆栽方式，設(shè)置5個不同濃度鎘處理：Cd1(5 mg/kg)、Cd2(20 mg/kg)、Cd3(50 mg/kg)、Cd4(100 mg/kg )、Cd5(200 mg/kg)。將CdCl2·2.5H2O水溶液均勻澆灌在需要處理的盆土中，對照(CK)澆灌同體積的清水，每個處理12盆，共72盆。試驗期間的澆水以見干見濕為準(zhǔn)則，并進行正常的田間管理。鎘脅迫處理2個月后進行各項指標(biāo)的測定，每個處理重復(fù)3次。

1.3 測定方法

1.3.1 生長指標(biāo)測定

采集雙腺藤完整植株，用卷尺(精確到0.1 cm)和游標(biāo)卡尺(精確到0.01 cm)分別測量株高、基徑、根長，并計算單株總?cè)~片數(shù)和分枝數(shù)；將雙腺藤植株洗凈擦干，用剪刀將其剪成根、莖、葉3部分，分別放入105 ℃烘箱殺青30 min，再將烘箱調(diào)至70 ℃烘干至質(zhì)量不變，取出后準(zhǔn)確稱量植株的各部分生物量。

1.3.2 生理指標(biāo)測定

采用浸泡法測定葉片相對電導(dǎo)率，將用蒸餾水洗凈并擦干的葉片剪成大約1 cm長的長條，快速稱取鮮樣3份，每份0.1 g，分別置于10 mL蒸餾水的試管中，室溫下浸泡12 h，用電導(dǎo)儀測定電導(dǎo)率[17]；采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定丙二醛(MDA)含量，用紫外分光光度計于450、532、600 nm處測定吸光值；可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)染色法測定，5 mL考馬斯亮藍(lán)G-520加入酶提取液1 mL，混勻后放置5 min，在595 nm下比色；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定，吸取上層脯氨酸紅色甲苯溶液用紫外分光光度計于520 nm波長處測定吸光值[18]。

稱取0.2 g待測葉片于5 mL的0.05 mol/L磷酸緩沖液(pH=7.8，內(nèi)含1%的PVP和1 mmol/L的EDTA-Na2)和少量石英砂中冰浴研磨至勻漿，4 ℃下11 000 r/min離心30 min，最后定容至5 mL，上清液即為所需酶液。用氮藍(lán)四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性，愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性，紫外分光光度計法測過氧化氫酶(CAT)活性[19]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2010 統(tǒng)計處理數(shù)據(jù)、計算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；結(jié)合SPSS 22.0軟件對各指標(biāo)進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，并用Duncan法進行多重比較，顯著性水平α=0.05。使用Origin 2018軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度鎘處理對雙腺藤幼苗生長特性的影響

如表1所示，隨Cd2+濃度增加，雙腺藤幼苗葉片數(shù)、分枝數(shù)、株高均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中：3個指標(biāo)的值在Cd1處理中均最大，比CK分別增加了0.6%、5.6%、2.1%，但差異均不顯著，而在其他處理中它們的值均低于CK，且在Cd4、Cd5處理中它們的值與CK差異均達顯著水平(P<0.05)；葉片數(shù)和分枝數(shù)在Cd4、Cd5處理中分別比CK降低了10.7% 、28.3%和27.8%、44.4%(P<0.05)，而在Cd2、Cd3處理中則均與CK差異不顯著；株高在Cd2處理中與CK差異不顯著，而在Cd3、Cd4、Cd5處理中比CK分別降低了8.1%、10.5%、12%，差異顯著(P<0.05)。隨Cd2+濃度增加，雙腺藤的基徑逐漸降低(表1)，Cd1、Cd2的基徑與CK差異不顯著，Cd3、Cd4、Cd5的基徑分別比CK顯著降低12.2%、12.5%、14.6%(P<0.05)。隨Cd2+濃度增加，雙腺藤的根長呈現(xiàn)出先增后降再增再降的變化規(guī)律(表1)，Cd1比CK高 1.8%，差異不顯著，而其他處理的根長均低于CK，其中：Cd3、Cd5的根長分別比CK顯著降低了12%、15.1%(P<0.05)，Cd2、Cd4的根長均與CK差異不顯著。

表1 不同濃度Cd2+處理對雙腺藤幼苗生長指標(biāo)的影響Tab.1 Effects of different concentrations of Cd2+ treatments on the growth indices of M.sanderi seedlings

2.2 不同濃度鎘處理對雙腺藤幼苗生物量的影響

由圖1可知，隨著土壤Cd2+濃度的遞增，雙腺藤根生物量呈現(xiàn)先增后降的變化規(guī)律，莖生物量逐漸遞減，而葉、總生物量呈波浪形遞減趨勢。除莖生物量外，各生物量均在Cd1時達到峰值，但與CK相比均不顯著，其他Cd2+濃度處理下的各生物量均比對照低。Cd2時，根、莖、葉、總生物量與CK相比，均未顯著減少。Cd3濃度下的莖生物量比CK顯著下降了16.3%(P<0.05)，其余生物量與CK相比不顯著。Cd4下的根、莖、總生物量均比對照顯著下降，但葉生物量的減少與對照相比不顯著。雙腺藤的各生物量在Cd5時均顯著低于對照，比CK降低了41.4%、39.5%、23.5%、29.1%(P<0.05)。不同濃度鎘脅迫下，雙腺藤的總生物量排列為Cd1>CK>Cd3>Cd2>Cd4>Cd5。

圖1 不同濃度Cd2+處理對雙腺藤幼苗根、莖、葉及總生物量的影響

2.3 不同濃度鎘處理對雙腺藤幼苗葉片膜脂過氧化及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

從圖2可知，不同濃度的Cd2+處理下，雙腺藤的丙二醛含量均高于CK，Cd2+濃度越高，丙二醛含量越高。Cd1比CK增加2.7%，但差異不顯著，Cd2、Cd3、Cd4與CK相比呈顯著差異(P<0.05)，分別增加了40.8%、50.1%、54.7%，Cd5的丙二醛含量最高，比CK增加了1倍多，差異顯著。

圖2 不同濃度Cd2+處理對雙腺藤幼苗葉片膜脂過氧化及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Fig.2 Effects of different concentrations of Cd2+ treatments on membrane lipid peroxidation and osmotic regulatory substances in leaves of M.sanderi seedlings

隨著Cd2+濃度增加，雙腺藤幼苗葉片的相對電導(dǎo)率也隨之增大(圖2)。當(dāng)Cd2+濃度較低時，例如Cd1，其相對電導(dǎo)率與CK相比差異不顯著，但是當(dāng)Cd2+濃度大于等于Cd2時，雙腺藤的相對電導(dǎo)率相較于CK而言，差異均顯著(P<0.05)，Cd5的相對電導(dǎo)率最大，比對照增加了68.2%。

雙腺藤幼苗葉片可溶性蛋白含量隨Cd2+脅迫濃度增加呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢，而脯氨酸含量則隨Cd2+脅迫濃度增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(圖2)。Cd1處理下的可溶性蛋白含量與脯氨酸含量均比對照低，但其脯氨酸含量與對照相比差異顯著，降低了28.4%(P<0.05)，而其可溶性蛋白含量相較對照差異不顯著。雙腺藤幼苗葉片可溶性蛋白含量與脯氨酸含量分別在Cd4、Cd5時達到最大，分別為CK的1.9倍和3.2倍。

2.4 不同濃度鎘處理對雙腺藤幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由圖3可見，隨著Cd2+脅迫的增加，雙腺藤幼苗葉片中的SOD、POD、CAT活性總體表現(xiàn)為先增后降的趨勢，但各自變化趨勢又有所不同。其中：葉片SOD活性在Cd1處理時達到最大值，相比于CK差異不顯著，只增加了0.8%，之后，隨Cd2+濃度增加，Cd2～Cd5處理的SOD活性逐漸下降，且均顯著低于CK(P<0.05)，尤其在Cd4和Cd5時較對照分別下降了近1/3和1/2；POD活性在Cd4時達到峰值，比CK顯著高3.4倍(P<0.05)，除Cd1的POD活性不顯著高于CK外，其他濃度的處理均顯著高于CK；Cd3、Cd4、Cd5的CAT活性均比CK顯著增加，其中Cd4的CAT活性最高，比CK增加了約1.4倍(P<0.05)，Cd1、Cd2的CAT活性也比CK高，但差異不顯著。

圖3 不同濃度Cd2+處理對雙腺藤幼苗SOD、POD、CAT活性的影響Fig.3 Effects of different concentrations of Cd2+ treatments on SOD,POD and CAT activity of M.sanderi seedlings

3 討論與結(jié)論

鎘脅迫通常會使植物的生長量、生物量以及膜脂過氧化和抗氧化酶系統(tǒng)受到影響。植株的生長指標(biāo)和生物量等是較易觀察的指標(biāo)。研究表明，鎘脅迫對某些植物具有“低促高抑”的現(xiàn)象[20-21]。本試驗中，在低濃度(5 mg/kg)Cd2+脅迫下，雙腺藤幼苗未受到明顯影響，株高、根長、葉片數(shù)、分枝數(shù)和生物量相較對照略有增加，在高濃度(≥100 mg/kg)Cd2+脅迫下，雙腺藤幼苗各生物量和生長指標(biāo)都顯著下降，說明低濃度Cd2+能促進雙腺藤生長，而高濃度的Cd2+則對雙腺藤的生長和生物量累積有抑制作用。吳朝波等[22]的研究中，海雀稗(Paspalumvaginatum)的耐性指數(shù)、生物量、根冠比在低濃度鎘脅迫下與對照無明顯差異，且鎘濃度為1 mg/kg時地下部生物量較對照增加5.3%，高濃度鎘脅迫下海雀稗生物量顯著下降，這與本研究結(jié)果一致。劉柿良等[23]也通過研究發(fā)現(xiàn)，較高濃度鎘處理(≥25 mg/kg)明顯抑制了長春花(Catharanthusroseus)的生長，而較低濃度鎘(≤10 mg/kg)下葉較長、葉寬較大、葉數(shù)較多。這幾種植物都顯示了對鎘脅迫具有“低促高抑”的現(xiàn)象，但不同植物之間對相同濃度鎘的響應(yīng)又存在差異，這說明不同植物對同一濃度鎘的耐受性不同，對鎘脅迫的抗性也不同。本研究表明，雙腺藤對低濃度鎘污染具有較強的耐性。

植物受到脅迫時，細(xì)胞會產(chǎn)生大量的自由基，最終自由基的積累將加劇膜脂過氧化作用，而丙二醛就是膜脂過氧化最重要的產(chǎn)物之一，MDA含量的高低反映了膜脂過氧化的程度，間接反映膜系統(tǒng)受損程度以及植物的抗逆性強弱。楊塍希等[24]發(fā)現(xiàn)，隨著Cd2+濃度的升高，火炬樹(Rhustyphina)幼苗葉片中MDA含量呈逐漸上升趨勢，其結(jié)果與本研究一致：隨著Cd2+濃度增加，雙腺藤葉片中MDA含量逐漸升高，顯示著Cd2+脅迫對雙腺藤植物膜系統(tǒng)有一定的損壞。逆境脅迫下植物葉片細(xì)胞的膜系統(tǒng)受到傷害后會導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增大，內(nèi)容物外滲，電解質(zhì)含量增加，進而導(dǎo)致相對電導(dǎo)率增大[18]。賈茵等[25]的研究指出，小報春(Primulaforbesii)的相對電導(dǎo)率總體上隨著鎘濃度的增加不斷增大，在低濃度(5 mg/kg)的鎘處理下其相對電導(dǎo)率比對照略低，但差異不顯著，此結(jié)果與本研究基本一致。雙腺藤的相對電導(dǎo)率隨著鎘濃度的增加顯示出不斷增大的趨勢，雖然在低濃度(5 mg/kg)的鎘處理下相對電導(dǎo)率比對照略高，但差異亦是不顯著，可能是低濃度的鎘雖然對植物影響不大，但也可能會對植物體造成短時間的代謝紊亂。

植物在重金屬脅迫下，可溶性蛋白含量增加，細(xì)胞滲透勢增大，同時與重金屬離子形成重金屬結(jié)合蛋白，從而減輕對植物的毒害，增強植物抗性[26]。在逆境脅迫下，植物體內(nèi)的游離脯氨酸含量會增加，脯氨酸是一種細(xì)胞質(zhì)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，能夠穩(wěn)定生物大分子結(jié)構(gòu)，游離脯氨酸積累可防止植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受損傷，使其傷害程度降低，此外，游離脯氨酸還可以清除植物體內(nèi)的活性氧自由基[27]。張家洋等[28]研究報道，在兩葉一心期，小麥(Ttiticumaestivum)和稗草(Beckmanniasyzigachne)游離脯氨酸含量均隨處理濃度的增加而增加。程守夢等[29]的研究中，洋常春藤(Hederahelix)的可溶性蛋白隨著鎘濃度的增加不斷增加。本試驗中，可溶性蛋白、脯氨酸含量在低Cd2+處理下增加不明顯，在高Cd2+脅迫下脯氨酸含量顯著升高，而可溶性蛋白含量先增加，最后在Cd2+濃度為200 mg/kg脅迫下降低了。說明低Cd2+脅迫對雙腺藤葉片影響不大，而高Cd2+脅迫則引起植物體內(nèi)的可溶性蛋白、游離脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積極響應(yīng)，增大細(xì)胞的滲透勢，從而增強植物對鎘的抗性。

在逆境條件下，植物細(xì)胞內(nèi)將產(chǎn)生大量的自由基，體內(nèi)的自由基平衡被破壞。植物體內(nèi)的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)以及過氧化氫酶(CAT)等抗氧化酶在參與活性氧代謝中扮演著重要的角色，由SOD催化分解自由基轉(zhuǎn)化成為的H2O2被POD和CAT快速清除，以此來維持植物體內(nèi)自由基的平衡[27]。在本研究中，雙腺藤幼苗葉片中的SOD、POD、CAT活性隨土壤中鎘含量的增加總體上呈先升后降的變化規(guī)律，但各個酶的具體變化又不盡相同。雙腺藤葉片中SOD活性最大值出現(xiàn)在鎘濃度為5 mg/kg時，此時SOD 通過分解超氧自由基獲得了大量H2O2，在此之后，為了減輕毒害，雙腺藤植株體內(nèi)的POD和CAT活性被激活；但是當(dāng)鎘濃度增大到一定值時，由于酶合成中斷以及大量的超氧自由基積累導(dǎo)致酶亞基壓力聚集變化，從而導(dǎo)致SOD、POD、CAT活性受到抑制，雙腺藤的正常生理代謝受到影響。本試驗中的SOD、CAT活性變化與賈茵等[25]的研究結(jié)果基本一致，但POD活性變化有所不同，表明不同植物對鎘脅迫有不同的耐性以及不同的抗氧化酶響應(yīng)機制。

在本試驗中，不同濃度Cd2+脅迫下，雙腺藤幼苗的生長及生理指標(biāo)均受到不同程度影響，各項指標(biāo)隨Cd2+濃度的升高總體上呈先升高后降低的趨勢。在低中濃度Cd2+脅迫下雙腺藤幼苗表現(xiàn)出一定的適應(yīng)性，低濃度(5 mg/kg)Cd2+脅迫對其生長甚至?xí)休p微促進作用，使其總生物量升高，而高濃度Cd2+脅迫下，雙腺藤幼苗的葉片數(shù)、分枝數(shù)、株高、基徑、根長以及生物量均會出現(xiàn)不同程度的減少。這表明植物在不同濃度的Cd2+脅迫環(huán)境下會做出相應(yīng)的生長及生理響應(yīng)，以維持其生存。隨Cd2+脅迫濃度增加，雙腺藤幼苗葉片的相對電導(dǎo)率以及丙二醛、可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸含量持續(xù)增加，抗氧化酶活性呈先升高后下降的變化趨勢。綜上所述，苗齡2個月左右的雙腺藤受到≤200 mg/kg的土壤鎘污染后均能保持生存狀態(tài)，表明雙腺藤幼苗具有一定的耐鎘能力，能夠通過調(diào)節(jié)體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及抗氧化酶活性等來抵抗土壤中的鎘脅迫，在土壤鎘污染修復(fù)中具有一定的應(yīng)用潛力，可作為一種新型園林觀花植物應(yīng)用于土壤鎘污染地區(qū)的園林綠化中。