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弯囊苔草对Cd胁迫的响应及其Cd富集能力的研究



全 文 :*通讯作者,E-mail:zhoushoubiao@vip.163.com
收稿日期:2011-11-23;修回日期:2011-12-10
基金项目:安徽省高校自然科学基金重点项目(2006kj060a);安
徽省自然科学基金(11040606M77);安徽省高校自然科学基金重点
项目(KJ2011A129)
作者简介:程龙玲(1985- ),女,安徽怀宁人,安徽师范大学在读
硕士研究生,主要从事植物生理生态方面的研究,E-mail:njlon-
glingcheng@yahoo.com.cn.
文章编号:1673-5021(2012)02-0016-07
弯囊苔草对Cd胁迫的响应及其Cd富集能力的研究
程龙玲,周守标*,吴晓艳,夏 青,王 欣,吴 琪
(安徽师范大学生命科学学院/安徽重要生物资源保护与利用研究重点实验室,安徽 芜湖 241000)
  摘要:通过水培实验,研究了不同Cd2+浓度(0、50μmol/L、100μmol/L、200μmol/L、400μmol/L)下和不同时间内
(1d、4d、7d、10d)Cd2+对弯囊苔草生长、生理指标及富集能力的影响。结果表明:(1)株高、最长根长、新增根数、新分
蘖数、鲜重和地上与地下部分的干重比均随着Cd2+浓度的提高而逐渐下降。(2)3种抗氧化酶活性均随着Cd2+浓度
的增加呈现先上升后下降的趋势。(3)MDA含量、Pro含量和质膜透性均随着Cd2+胁迫浓度的增加和胁迫时间的
延长而增加。(4)叶绿素含量在低浓度Cd2+胁迫时增加,高浓度和胁迫时间长时下降。(5)弯囊苔草体内Cd含量随
Cd2+浓度的增大而增加,根系对Cd的富集能力明显高于地上部分。根系对Cd的平均滞留率为93.21%,弯囊苔草
对Cd的转移系数小于1,表明弯囊苔草根系对Cd有较强的滞留作用和富集能力。
关键词:Cd2+胁迫;弯囊苔草;生长和生理特性;富集能力
中图分类号:Q945.78   文献标识码:A
  随着经济的发展和工业化水平的提高,重金属
通过各种途径大量进入水体中,致使水体中重金属
含量严重超标。Cd是有害的重金属元素之一,在植
物的可食用部位积累后可通过食物链危害人体健
康,因而Cd污染问题日益引起人们的重视和研究。
一些水生植物对重金属具有一定的富集作用,探究
对Cd有较强富集能力的水生植物,对Cd污染水体
的修复具有重大的意义。
弯囊苔草(Carex dispalata)是莎草科苔草属
的一种多年生挺水植物,具粗壮的匍匐茎,嫩草可作
家畜饲料,牛马喜食,广泛分布于我国南北各省[1]。
目前,国内外关于苔草属植物的研究主要集中在分
类进化、牧草和饲料、环境绿化美化、药用和物质循
环等方面[2],有关弯囊苔草对污染水体修复的研究
主要集中在对氮和磷等的去除方面[3],而对重金属
胁迫下的生长生理特性及富集能力的研究报道不
多。运用植物体过滤的方法能够快速去除水体中的
Cd[4],本文研究了在水培条件下弯囊苔草在不同浓
度Cd胁迫下的生长状况和部分生理指标的变化及
富集能力的影响,旨在探讨弯囊苔草对Cd胁迫的
耐受性及富集能力,为Cd污染水体净化及水体环
境修复工程提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验材料
供试材料弯囊苔草于2010年7月24日采自安
徽省芜湖市三山区龙窝湖,挑选生长健壮、长势基本
一致、无枯黄叶的健康植株,剪断其根状茎,先于自
来水中预培养4d,再于 Hoagland营养液中预培养
7d,进行适应性生长。试验备用的弯囊苔草植株高
平均87.09cm,每株平均鲜重28.36g。
1.2 试验设计
水培试验于2010年8月4日在安徽师范大学
保持通风的实验温室里进行,处理液为 Hoagland
营养液,用0.1mol/L HCl或0.1mol/L KOH溶液
将营养液的pH值调节至5.5,每3d更换1次 Ho-
agland营养液。Cd处理(以纯Cd计算)[Cd采用
CdCl2·2.5H2O(AR)形式添加]设0、50、100、200、
400μmol/L 5个处理浓度,每个处理设5次重复。
试验采用7l的PVC桶盛装4l上述营养液,以打有
孔洞的泡沫塑料板作为漂浮载体,将供试植物分别
移栽至载体的孔中进行水培,每桶3株。试验温室
温度和光照均为自然状态。分别在水培的第1d、
4d、7d、10d于各处理组未曾取样的植株的同一叶位
采样,测定其生理指标。15d时收获整个植株,测量
未曾取样植株的各生长指标和Cd含量。
—61—
第34卷 第2期          中 国 草 地 学 报          2012年3月
  Vol.34 No.2          Chinese Journal of Grassland           Mar.2012  
1.3 测定指标和方法
1.3.1 生长指标的测定
试验处理结束时,将未曾取样的弯囊苔草小心
取出后,先用自来水冲洗数次,再用蒸馏水漂洗3
次,滤纸吸干表面水分后,测定植株株高、新增根数、
最长根长、新分蘖数和鲜重;将地上部分与地下部分
分离,置于烘箱内,105℃杀青30min,85℃烘干至恒
重,然后精密称取干质量,并计算植株地上和地下部
分的干重比。
1.3.2 生理指标的测定
CAT活性测定采用陈利锋等的方法[5];POD
活性的测定采用愈创木酚法[6];SOD活性的测定采
用氮蓝四唑(NBT)光还原法[6];MDA含量测定采
用硫代巴比妥酸比色法[6];Pro含量用酸性茚三酮
法测定[6];叶绿素含量测定采用丙酮浸提法[6];质膜
透性的测定采用外渗电导率法[7],以相对电导率表
示大小。所有数据吸光值用 UV-3802型双光束
紫外可见分光光度计测定,每次实验均以3次重复
的平均值表示。
1.3.3 Cd含量的测定
将烘干的弯囊苔草用不锈钢粉碎机粉碎后过
100目筛,采用 HNO3∶HCLO4∶H2SO4(8∶1∶1)
消化,原子吸收分光光度计[Varian Spectra AA
220FS(火焰)]测定Cd浓度。
1.4 数据分析
根系对重金属的滞留率(%)=(地下部分重金
属含量-地上部分重金属含量)/地下部分重金属
含量×100
重金属的转移系数=地上部分重金属含量/地
下部分重金属含量
所有试验数据用 Excel和 SPSS11.5 进行
ANONA方差显著性分析和LSD检验。
2 结果与分析
2.1 Cd2+胁迫对弯囊苔草生长的影响
表1可以看出,弯囊苔草株高、最长根长、新增
根数、新分蘖数、鲜重和地上与地下部分的干重比均
随着Cd2+胁迫浓度的增大呈现出逐渐降低的趋势。
由此可见,高浓度的Cd2+抑制了弯囊苔草的生长。
方差分析表明,除50μmol/L外,株高、新分蘖数、鲜
重和地上与地下部分的干重比各浓度处理与对照比
均具显著差异(P<0.05);除200μmol/L外,最长根
长各浓度处理与对照比均具显著差异(P<0.05);
除100μmol/L外,新增根数各浓度处理与对照比均
具显著差异(P<0.05)。
表1 不同浓度Cd2+胁迫下弯囊苔草的生长特性
Table 1 Growth characteristics of Carex dispalata under different concentrations Cd2+
Cd2+浓度
Cd2+conc.
(μmol/L)
生长特性
Growth characteristics
株高
Plant height
(cm)
最长根长
Length of
longest root(cm)
新增根数/株
New root/plant
(No.)
新分蘖数/株
New tilers/plant
(No.)
鲜重/株
Fresh
weight/plant
(g)
地上/地下部分
干重比
Shoot/root dry
weight
0  94.57±2.25a 19.70±0.95a 13.33±0.58a 4.00±1.00a 30.75±0.47a 15.66±0.48a
50  92.67±1.80ab  23.60±0.66b 16.00±1.00b 2.33±0.58ab  30.53±0.27a 14.71±0.57a
100  91.17±0.75bc  21.41±1.18c 12.67±1.15a 1.33±1.15b 29.25±0.10b 13.29±0.39b
200  88.70±0.66c 18.30±0.30ad  6.33±0.58c 1.00±1.00b 28.29±0.17c 10.74±0.57c
400  85.87±0.74d 17.50±0.40d 1.67±1.53d 0.67±1.15b 27.22±0.12d 8.48±0.47d
  注:表中数据为3个重复的平均值±标准差,同列数据标有不同字母表示差异显著(LSD检验,p=0.05);下同。
Note:The dates represent as mean±sd(n=3).Values with different letters in the same columns differ significantly at the level of 0.05ac-
cording to LSD test,the same as below.
2.2 Cd2+胁迫对弯囊苔草叶片抗氧化酶活性的影响
2.2.1 对叶片CAT活性的影响
图1可知,弯囊苔草叶片CAT活性在1d随着
Cd2+处理浓度的增加而增大,在400μmol/L时达到
最大值,为对照的400.00%;在4d、7d、10d随着
Cd2+胁迫浓度的增大呈现出先升高后降低的趋势,
均在200μmol/L处理下达到最大值,分别为对照的
609.09%、458.33%、507.50%;各浓度处理下弯囊
苔草CAT活性随着胁迫时间的延长而升高。方差
分析表明,胁迫至第1d、4d、7d、10d,各浓度处理与
对照比均具显著差异(P<0.05)。
—71—
程龙玲 周守标 吴晓艳 夏 青 王 欣 吴 琪   弯囊苔草对Cd胁迫的响应及其Cd富集能力的研究
图1 Cd2+处理对CAT活性的影响
Fig.1 Effect of Cd2+treatment on CAT activity
2.2.2 对叶片SOD活性的影响
图2可知,弯囊苔草叶片SOD活性在4d、7d、
10d随着Cd2+胁迫浓度的增大呈现出先升高后降
低的趋势,4d在200μmol/L处理下达到最大值,为
对照的185.30%,7d、10d在100μmol/L处理下达
到最大值,分别为对照的198.74%、209.10%;在0、
50μmol/L、100μmol/L浓度处理组随着胁迫时间的
延长SOD活性呈增加的趋势。方差分析表明,除
1d外,4d、7d、10d各浓度处理与对照比SOD均具
显著差异(P<0.05)。
图2 Cd2+处理对SOD活性的影响
Fig.2 Effect of Cd2+treatment on SOD activity
2.2.3 对叶片POD活性的影响
图3可知,除1d外,弯囊苔草叶片POD活性均
随着Cd2+胁迫浓度的增大呈现出先升高后降低的
趋势,均在100μmol/L处理下达到最大值,分别为
对照的877.78%、910.00%、666.67%;在50μmol/L
处理下,POD活性随着胁迫时间的延长而增强,在
100μmol/L处理下呈先增后降的趋势。方差分析
表明,除50μmol/L外,1d、4d各浓度处理与对照比
均有显著差异(P<0.05);除高浓度外,7d各浓度处
理与对照比均有显著差异(P<0.05);10d各浓度处
理与对照比均有显著差异(P<0.05)。
图3 Cd2+处理对POD活性的影响
Fig.3 Effect of Cd2+treatment on POD activity
2.3 Cd2+胁迫对弯囊苔草叶片 MDA含量的影响
图4可知,随着Cd2+处理浓度的增大,不同胁
迫时间下 MDA含量均为逐渐增加,在400μmol/L
处理下达到最大值,处理1d、4d、7d、10d分别为对
照的170.43%、393.53%、380.37%、326.24%;不
同浓度处理下 MDA含量随着胁迫时间的延长而增
加,均在10d时达到最大值。方差分析表明,在胁迫
至1d时,除50μmol/L外其他各浓度处理与对照比
均具显著差异(P<0.05);处理4d、7d和10d,各浓
度处理与对照比均具显著差异(P<0.05)。
图4 Cd2+处理对 MDA含量的影响
Fig.4 Effect of Cd2+treatment on MDA content
—81—
中国草地学报 2012年 第34卷 第2期
2.4 Cd2+胁迫下弯囊苔草叶片Pro含量的变化
图5可知,除1d外,弯囊苔草叶片 Pro含量
4d、7d、10d 均 随 Cd2+ 浓 度 的 增 大 而 增 加,在
400μmol/L处理下达最大值,分别为对照的247.12%、
466.74%、531.99%;各浓度处理Pro含量均随着胁
迫时间的延长而增加。方差分析表明,除50μmol/L
外,胁迫1d的其他浓度处理与对照比均达显著差异
水平(P<0.05);胁迫4d、7d、10d时,各浓度处理与
对照比均具显著差异(P<0.05)。
图5 Cd2+处理对Pro含量的影响
Fig.5 Effect of Cd2+treatment on Pro content
2.5 Cd2+胁迫下弯囊苔草叶片质膜透性的变化
图6可知,弯囊苔草叶片质膜透性除1d外4d、
7d、10d时均随 Cd2+ 浓度的增大呈上升趋势,在
400μmol/L 处 理 下 达 最 大 值,分 别 为 对 照 的
149.93%、266.07%、347.38%;各浓度处理质膜透
性均随着胁迫时间的延长而增大。方差分析表明,
胁迫1d,除400μmol/L处理与对照比具显著差异
(P<0.05)外,其他浓度处理均无显著性差异;胁迫
4d、7d、10d,各浓度处理与对照比均具显著差异
(P<0.05)。
2.6 Cd2+胁迫对弯囊苔草叶片叶绿素含量的影响
图7可知,弯囊苔草叶绿素含量胁迫1d随着
Cd2+处理浓度的增大而增加,在400μmol/L处理下
达到最大值,为对照的285.84%;4d随着Cd2+处理浓
度的增大而呈现出先升高后降低的趋势,在200μmol/L
处理下达到最大值,为对照的367.74%;7d、10d随着
Cd2+处理浓度的增大呈现出降低的趋势。方差分析表
明,胁迫1d、4d、7d、10d各浓度处理与对照比均具显著
图6 Cd2+处理对质膜透性的影响
Fig.6 Effect of Cd2+treatment on plasolemma permeability
图7 Cd2+处理对叶绿素含量的影响
Fig.7 Effect of Cd2+treatment on chlorophyl content
差异(P<0.05)。
2.7 Cd2+胁迫对弯囊苔草Cd富集能力的影响
表2可以看出,弯囊苔草地上部分和根系的
Cd含量均随着Cd2+胁迫浓度的增大而显著增加,
并在400μmol/L处理下达最大值,分别约为对照
的380倍和1110倍;根系中的Cd含量均明显高
于地上部分;弯囊苔草根系对Cd有较强的滞留作
用,除对照组对Cd的滞留率为64.49%外,其他处
理组对Cd的滞留率平均为93.21%;各浓度处理
组弯囊苔草体内Cd的转移系数均小于1。方差分
析表明,各浓度处理组弯囊苔草体内的Cd含量具
显著差异。
—91—
程龙玲 周守标 吴晓艳 夏 青 王 欣 吴 琪   弯囊苔草对Cd胁迫的响应及其Cd富集能力的研究
表2 不同浓度Cd2+胁迫后弯囊苔草体内的Cd含量分析
Table 2 Analysis of Cd content in Carex dispalata under different concentrations Cd2+
Cd2+浓度
Cd2+conc.
(μmol/L)
地上部分Cd含量
Cd content in shoot
(μg/g)
根系Cd含量
Cd content in root
(μg/g)
滞留率
Retention rate
(%)
转移系数
Biological transfer
coefficient
0  0.07±0.01a 0.20±0.01a 64.49  0.36
50  3.54±0.31b 97.42±0.40b 96.37  0.04
100  6.04±0.31c 127.63±0.33c 95.27  0.05
200  10.21±0.44d 153.46±0.95d 93.35  0.07
400  26.92±0.19e 221.92±1.19e 87.87  0.12
3 讨论
不同浓度的Cd2+对弯囊苔草的生长产生了不
同的影响,在0~400μmol/L Cd
2+处理条件下弯囊
苔草均能生长,但随着Cd2+处理浓度的增加,其生
长受到明显抑制。结果与赵博生等[8]的研究结果一
致。本试验Cd2+处理浓度对弯囊苔草新增根数的
影响最为显著,对照组平均新增根数为13.33,
400μmol/L Cd
2+胁迫下为1.67,这可能与根部直接
接触Cd2+有关。
当植物遇到不良环境时其代谢过程就会产生自
由基破坏细胞膜,但作为植物自身的保护酶系统的
重要组成部分,SOD和POD能清除自由基[9]。杨
居荣等[10]研究表明,作物耐Cd胁迫的物质基础依
赖于POD、SOD和CAT活性的维持和提高。本实
验中,Cd2+胁迫条件下弯囊苔草叶片SOD、POD和
CAT活性随着Cd2+胁迫浓度的增大呈现出先升高
后降低的趋势,并且随着胁迫时间的延长,各处理浓
度与对照的差异达到显著水平(P<0.05),SOD和
POD活性在100μmol/L Cd
2+处理下达到最大值,
CAT活性在200μmol/L Cd
2+处理下达到最大值,
表明SOD和POD优先于CAT起作用来抵抗不良
环境的影响。当Cd2+胁迫浓度超过弯囊苔草的耐
受极限时,其保护酶系统受到损害,从而导致SOD、
POD和CAT活性的降低,产生的过量的自由基无
法清除就会对植物体造成伤害。结果与梅丽娜
等[11]和仇硕等[12]的研究相似。
植物受到高浓度Cd胁迫时膜脂过氧化水平升
高,膜透性增大,膜结构损伤,导致植物生长异
常[13]。膜质发生过氧化最重要产物是 MDA,因而
MDA含量可反映膜脂质过氧化作用的强弱,质膜
透性可表示膜受伤害或变性程度[14]。当植物受到
逆境胁迫时,游离脯氨酸含量增加,它具有清除活性
氧的功能[15]。在本试验中,随着Cd2+处理浓度的
增大,胁迫时间的延长,弯囊苔草叶片中 MDA、Pro
含量和质膜透性均逐渐增大,并且各浓度处理与对
照比均具显著差异(P<0.05)。可见,高浓度Cd2+
严重破坏了细胞膜的结构,导致了 MDA和质膜透
性的显著增加。Chien等[16]研究显示,随着Cd2+处
理浓度的增大,水稻体内的游离脯氨酸逐渐增加,它
通过保护酶的空间结构来减少逆境胁迫对水稻造成
的伤害。本试验中弯囊苔草游离脯氨酸含量的增加
可能也是来抵御Cd2+对其产生的伤害。
弯囊苔草叶绿素含量在胁迫1~4d时,随着胁
迫浓度的增大而增加,4d时在高浓度下急剧减少;
在胁迫4~10d时,叶绿素含量随着胁迫浓度的增大
而减少,并且随着胁迫时间的延长而降低。可见,低
浓度Cd2+对叶绿素合成起促进作用,高浓度抑制其
合成。高浓度使叶绿体片层中捕光 Chlalb-Pro复
合体合成受到抑制,导致叶绿素含量下降[17]。Cd2+
可能与叶绿素合成相关酶(如原叶绿素脂还原酶和
胆色素原脱氨酶等)的肽链中富含SH的部分结合,
使酶活性降低,阻碍了叶绿素的合成[18]。本试验叶
绿素含量的降低是否也是这个原理,还需要进一步
研究。
在水体-植物系统中,水体重金属含量的多少
必然会影响植物富集重金属的能力。在本试验中,
弯囊苔草体内Cd含量随着Cd2+处理浓度的增大而
增加,各浓度处理间均具有显著性差异。弯囊苔草
根系对 Cd 的富集能力明显强于地上部分,在
400μmol/L Cd
2+处理时,根系中的Cd含量达到了
221.92μg/g,而地上部分仅为26.92μg/g。这可能
是由于将Cd2+积累在根部能够减少其对光合作用
和代谢过程的影响。本试验结果还表明,弯囊苔草
对Cd平均滞留率为87.47%,并且对Cd的转移系
数均小于1,这与徐礼生等[19]的研究结果相似。由
—02—
中国草地学报 2012年 第34卷 第2期
此可知,弯囊苔草对Cd有较强的滞留作用,并且对
Cd有一定的富集能力,其生物量大,根系发达,可应
用于Cd污染水体、人工湿地以及生态河道修复建
设等水体生态工程中,但其对Cd2+的耐受机理有待
于进一步研究。
4 结论
在Cd2+ 胁迫下,弯囊苔草生长指标和叶片
CAT、SOD、POD活性、MDA、Pro、叶绿素含量、质
膜透性以及体内Cd含量的变化表明,弯囊苔草对
Cd2+胁迫有一定的耐受性,其繁殖快、生物量大、生
长周期长,因此可作为Cd2+污染水体的修复植物加
以利用。
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Studies on Responses of Carex dispalatato Cd Stress
and Its Accumulation Ability
CHENG Long-ling,ZHOU Shou-biao,WU Xiao-yan,XIA Qing,WANG Xin,WU Qi
(Key Lab.of Biological Resources Conservation and Utilization,College of Life Science,
Anhui Normal University,Wuhu 241000,China)
Abstract:The effects of Cd2+on growth characteristics,physiological indices and Cd accumulation a-
bility of Carex dispalata were studied with water culture method.The results showed that:(1)The plant
height,length of longest root,number of new root and new tilers,fresh weight and the ratio of shoot to
root dry weight were significantly reduced with increasing Cd2+level.(2)The activities of antioxidant en-
zymes increased at beginning,and then decreased with increase of Cd2+concentrations.(3)MDA content,
proline content and cel membrane permeability increased with increase of Cd level and time.(4)Chloro-
phyl content increased under lower Cd2+concentration,but decreased gradualy under higher Cd2+concen-
tration and longer stress time.(5)The Cd content in Carex dispalataincreased with the increase of Cd2+
concentration,and the Cd accumulation ability of root was distinctly higher than that of the above-ground
part.The Cd average retention rate in root of Carex dispalata was 93.21%and the biological transfer co-
efficient to Cd was less than one,which indicated that the root of Carexdispalatahas stronger retention
action and accumulation ability on Cd.
Key words:Cd2+stress;Carex dispalata;Growth and physiological characteristics;Accumulation a-
bilit
櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴櫴

更  正
发表于本刊2011年第33卷第5期题为“乳酸菌添加剂对扁穗牛鞭草青贮品质的影响”的文章,由于作
者疏忽,误将“国家科技支撑计划项目”编号(2011BAD17800)书写错误,现正式更正为:2011BAD17B03。在
此郑重申明,此错误与本刊编辑部无关,纯属作者方面失误所致。由此给大家带来的不便,敬请谅解。谢谢!
作  者:舒思敏
通讯作者:杨春华
2012年3月12日
—22—
中国草地学报 2012年 第34卷 第2期