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
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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