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镉胁迫对绣球生长及生理特性的影响

日期:2023-12-13 10:09:52     作者:吴勇    浏览:0    
核心提示:随着镉处理浓度的不断增大,绣球叶片叶绿素含量、SOD活性、POD活性、丙二醛含量等指标均在一定范围内呈现显著的差异。重金属镉胁迫对无尽夏绣球造成了不同程度的膜脂过氧化损伤,抗氧化防御系统均被激活。
 镉胁迫对绣球生长及生理特性的影响
 
吴勇1,颜惠芳2,曹受金2*
 
(1湖南省农作物种质资源保护与良种繁育中心,湖南长沙410219;2中南林业科技大学林学院,湖南长沙410004)
 
摘要:以3年生“无尽夏”绣球实生苗为材料,对其进行不同浓度镉10mg/kg、25mg/kg、50mg/kg处理,以未进行镉处理为对照,探究重金属镉胁迫对其生长及生理特性的影响。结果表明,所有重金属镉处理下,绣球均未出现生长发育迟缓、叶片发黄卷曲等镉毒害症状,但绣球的株高、地径等生长指标受到不同程度的影响,而相对含水量及地上部生物量相比于对照组均无显著性变化。随着镉处理浓度的不断增大,绣球叶片叶绿素含量、SOD活性、POD活性、丙二醛含量等指标均在一定范围内呈现显著的差异。重金属镉胁迫对无尽夏绣球造成了不同程度的膜脂过氧化损伤,抗氧化防御系统均被激活。
 
随着工业化进程迅速发展,土壤重金属污染成为世界范围影响严重的环境问题之一,给动植物的生长发育及人类健康带来了巨大威胁。在土壤重金属污染中,镉(Cd)毒性大,影响时间长,在植物体内易累积且难降解,
不仅会对植株的正常生长造成严重危害,还会通过食物链危害人体的健康。目前,对土壤中的重金属吸附和富集作用研究主要集中在农作物、经济作物、水草等方面,木本植物中相关研究较为少见。但木本植物对重金属的吸收和累积能力高于草本植物,且短时间内不会排放到环境中。因此,加强对木本植物重金属胁迫的损伤机制及生理响应研究,对土壤修复和农业生产具有重要意义。
 
绣球(Hydrangeamacrophylla)花型饱满,花色丰富,是优良的观赏植物,目前尚未见有关镉胁迫对其生长和生理反应的影响。本研究以3年生“无尽夏”绣球实生苗为试验材料,通过不同浓度的镉溶液胁迫处理,测量相关生长及生理指标变化,探究重金属镉对绣球的生长及生理影响,以期为监测绣球生长环境、减缓重金属危害提供参考。
 
1材料与方法
 
1.1试验材料
 
供试的绣球品种为‘无尽夏’(EndlessSummer),母株为3年生健壮植株,种植于湖南长沙中南林业科技大学西园苗圃中。于2021年3月下旬挑选上述品种生长健壮、大小一致、无病虫害的3年生实生苗为试验材料,所有试验材料均于试验开始前1周转移至中南林业科技大学西园苗圃中进行恢复生长。
 
试验所用的3CdSO4·8H2O为分析纯试剂,利用超纯水溶解3CdSO4·8H2O制备1000mg/L的镉储备溶液,置于4℃下保存。
 
1.2试验设计
 
将试验材料随机分为4组,1组作为对照,每天浇水,保证植物正常生长状态。另外3组分别将镉储备溶液稀释成不同浓度梯度(处理Ⅰ为10mg/kg、处理Ⅱ为25mg/kg、处理Ⅲ为50mg/kg)的Cd2+溶液进行胁迫处理。每组5盆,重复3次,
 
将镉储备溶液均匀喷洒到绣球土壤中,花盆底垫塑料盘,渗出的处理液继续倒回花盆中,避免重金属镉离子的流失。胁迫处理开始之后,每组隔1d浇100mL的超纯水1次,保证土壤含水量在50%左右。将试材置于室外培养,40d后测定其生长指标、生理生化指标和镉富集指标,记录植株生长变化、胁迫症状。每隔10d采样,共采集4次。
 
1.3指标测定及数据分析
 
1.3.1生长指标测定。在田间试验阶段,利用钢卷尺和游标卡尺测量苗木的株高和地径。收集叶片称量其鲜重后,经105℃烘箱15min杀青后于70℃烘干至恒重,再分别称量其干重,计算含水量和生物量。
 
1.3.2生理指标测定。叶绿素含量采用丙酮和乙醇浸提法测定;过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定;超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑法测定;丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸显色法测定;电导率通过电导仪测定;脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取法测定,具体参考李合生的方法[1]。每个处理重复3次。
 
1.3.3数据分析。试验采用MicrosoftExcel2016软件统计整理原始数据,SPSS25.0软件分析数据,当方差分析(ANOVA)显示处理间存在显著差异(P<0.05)时,采用最小显著性差异法(LSD)进行组间差异性检验。文中图表均采用Origin软件绘制。
 
2结果与分析
 
2.1不同浓度镉处理下绣球生长指标变化

不同浓度镉处理下绣球生长指标变化
 
由图1、图2可知,不同浓度镉处理下,各处理组间的株高和地径存在显著差异(P<0.05),相对含水量和生物量无显著变化。当土壤镉处理40d时,10mg/kg镉处理组的株高增长量最大,为57.6cm;25mg/kg镉处理组的地径最大,为7.7cm。50mg/kg镉处理组下的绣球株高及地径均低于其他3组。培养60d时,对照组和10mg/kg镉处理组的各项生长指标无显著差异。总体来看,各处理组的株高和地径随培养时间呈增长趋势,低浓度的Cd胁迫处理能在一定程度上刺激绣球生长,高浓度的Cd胁迫抑制绣球生长。
 
2.2不同浓度镉处理下绣球生理指标变化

不同浓度镉处理下绣球生理指标变化
 
植物通过光合作用来积累有机质,光合作用强弱与叶绿素的水平高低密切相关。由图3可知,10mg/kg和50mg/kg的镉处理组与对照组比较,其叶绿素含量有所上升,50mg/kg镉处理组在处理不同时长后,与对照组相比,分别增加了13.58%、26.92%、20.25%。25mg/kg镉处理组叶绿素含量则明显下降,叶绿素a和叶绿素b含量最低,分别为0.61mg/gFW、0.68mg/gFW、0.69mg/gFW。对照组与各镉胁迫处理间存在显著差异,表明无尽夏叶绿素含量在一定浓度处理时受镉胁迫影响大,但50mg/kg处理对其叶绿素合成有一定的促进作用。
 
镉胁迫对绣球生长及生理特性的影响
 
SOD是植物体内的一种含金属酶,它能催化O2-发生歧化反应,生成O2和H2O2,以此保护细胞膜系统免受活性氧或其他氧化自由基的伤害。POD可分解一定的H2O2,从而减少H2O2对细胞膜的伤害。由图4和图5可知,Cd处理过的绣球SOD活性高于对照组,且镉浓度越大,SOD活性越高,培养后期绣球SOD活性后趋于平衡,对镉胁迫表现出一定的适应性。Cd处理过的绣球POD活性低于对照组,呈先降后升趋势。其中10mg/kg镉浓度处理组与对照组无显著差异,另2组与对照组存在显著差异,且浓度越高,POD活性越低。
 

镉胁迫对绣球生长及生理特性的影响
 
MDA是植物在受到逆境胁迫时,通过膜脂过氧化的最终降解产物,其含量与膜系统损伤程度呈正相关。由图6和图7可知,经10mg/kg和25mg/kg镉处理的绣球MDA含量较初始有所降低,培养后期趋于平稳,与对照组间存在显著差异;经50mg/kg镉处理的绣球MDA含量少量增加,与对照组差异不明显。镉处理后,随培养天数增加,绣球相对电导率呈现上升趋势,各镉胁迫处理组相对电导率均高于对照组,且与对照存在显著差异。说明随着镉胁迫浓度的增加,无尽夏绣球细胞膜系统受到的伤害逐渐加大。
 
镉胁迫对绣球生长及生理特性的影响
 
Pro是植物体内主要的渗透调节物质之一,同时具有防御膜脂过氧化损伤的作用,在胁迫下其含量会增加,作为对渗透应力和膜脂过氧化伤害的响应[2-4]。由图8可知,镉胁迫处理下,绣球Pro含量呈先增加后降低趋势,与对照组存在显著差异。在镉胁迫浓度50mg/kg处理40d时,Pro含量最高,是对照组的1.10倍。Pro含量增加说明此时无尽夏绣球受镉胁迫危害严重,体内的渗透调节机制开始发挥作用以抵制镉胁迫造成的伤害。
 
3讨论
 
3.1镉胁迫对绣球生长指标的影响
 
一般来说,重金属镉对植物的毒害作用主要表现为植株生长发育迟缓、萎蔫失水,叶片枯黄、卷曲、干枯脱落等,且随着镉胁迫浓度的增加,植物生长抑制率逐渐增大[5]。本试验中,所有处理组绣球均未观察到出现重金属毒害症状,即使以最高浓度镉处理(50mg/kg),也未观察到明显的植株矮化及黄化的现象。地上部生物量虽然相较于对照组有所下降,整体上看趋于稳定值。这可能与绣球自身特性有关,不同植物对镉的耐受能力和抗性差异较大[6]。
 
3.2镉胁迫对绣球生理特性的影响
 
正常生长情况下,植物可以利用自身的抗氧化酶系统来消除体内产生的活性氧自由基,以此实现平衡。植物体内含有多种抗氧化酶,其中SOD、POD是清除活性氧的最关键的几种酶,因为它们可有效降解活性氧、保护膜、减少氧化应激给植物造成的伤害。但当植物受到重金属胁迫时,植物体内活性氧自由基含量会提高,活性氧的增加会导致抗氧化酶活性提升[5]。
 
通过植物体转运至地上部分的镉,会阻碍叶绿素的合成,尤其是不同种类的叶绿素及其比例会受到不同程度的影响[7]。本试验中绣球叶片的叶绿素a和叶绿素b含量随镉浓度的升高先下降后上升。绣球叶片叶绿素含量减少,可能是由于镉与叶绿素蛋白上的巯基结合从而破坏了叶绿体结构[8-9]。镉浓度为25mg/kg时叶绿素含量变化较对照明显降低,可能是镉浓度过高,诱发的活性氧导致了叶绿素的破坏,致使其下降。镉处理浓度增大一段时间后,叶绿素含量上升,表明绣球对镉有一定的耐受性,可能是受环境胁迫后植物自我保护的结果,这与李叶华等[7]研究结果相似。
 
植物受到胁迫时,体内会产生大量的活性氧自由基,促使细胞膜内的不饱和脂肪酸发生过氧化反应,从而产生MDA。镉是质膜过氧化的重要诱变剂,高浓度的镉诱导会产生较多的MDA[10]。本试验中镉浓度在25mg/kg时,MDA含量最低,显著低于对照;50mg/kg时MDA含量达到最高,且显著高于对照。MDA的含量不仅与镉胁迫浓度有关,而且随着镉胁迫时间的延长会不断增多[10]。本试验结果显示一段时间MDA值下降,可能是因为仅仅测定了镉胁迫一段时间后叶片的MDA值。在此期间,绣球受到不同浓度的镉胁迫后,自身发生了一系列生理生化变化,从而最大可能地降低重金属镉的毒害作用。
 
4结论
 
所有重金属镉处理下,绣球均未出现生长发育迟缓、叶片发黄卷曲、植株萎蔫失水等镉毒害症状,且低浓度镉处理下绣球的株高及地径相比对照组有显著性增大。其中,随着镉处理浓度的增大,在较低镉浓度时(10mg/kg),可以促进绣球植株的伸长;在镉浓度为25mg/kg时,显著促进绣球地径增大。

此外,镉处理对绣球的含水量和地上部生物量影响不大。一定浓度的镉胁迫处理对叶绿素合成有促进作用,但对绣球会造成不同程度的膜脂过氧化损伤,酶促反应失衡,细胞膜结构被破坏,以及细胞膜功能的缺失等一系列生理活动失调。镉胁迫时,绣球通过自身的抗性机制,激活抗氧化防御系统,保持自身生物量水平等来适应胁迫环境。
 
标签: 绣球花
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