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水培条件下东南景天对镉的耐性与富集特性研究



全 文 :水培条件下东南景天对镉的耐性与富集特性研究
熊愈辉 (湖州师范学院教师教育学院 ,浙江湖州 313000)
摘要 [目的 ]探讨不同生态型东南景天对 Cd的耐性和富集能力的差异。 [方法]通过水培试验 ,研究东南景天矿山和非矿山 2种生态
型植物在不同Cd供应水平下的生长情况以及体内Cd含量的变化。 [结果 ]非矿山生态型东南景天忍耐环境Cd胁迫的临界浓度是 100
μmmol/L,而矿山生态型东南景天是 400μmol/L。随着供Cd水平的提高 , 2种生态型植物各部分的Cd含量均呈升高的趋势。非矿山生
态型东南景天叶和茎中的最大Cd含量分别为 493和 934mg/kg(DW),而矿山生态型东南景天叶和茎中的最大 Cd含量分别为 4 933和
3 874mg/kg(DW)。在相同供 Cd水平下 ,非矿山生态型东南景天各部分的 Cd含量大小次序为根 >茎>叶;而矿山生态型东南景天各
部分的 Cd含量大小次序为叶 >茎>根。 [结论]水培条件下 ,东南景天矿山生态型比非矿山生态型具有更强的忍耐 、吸收和向地上部转
运Cd的能力。
关键词 镉;东南景天;耐性;富集
中图分类号 Q945  文献标识码 A  文章编号 0517-6611(2009)35-17814-03
StudyontheToleranceandEnrichmentCharacteristicsofCadmiumofSedumalfrediiHanceunderSolutionCulture
XIONGYu-hui  (SchoolofTeachersEducation, HuzhouTeachersColege, Huzhou, Zhejiang313000)
Abstract  [ Objective] Theresearchaimedtostudythediferencesbetweenthetoleranceandenrichmentcharacteristicsofcadmiumofdiffer-
entecotypeSedumalfrediHance.[ Method] Takentwocontrastingecotypes(non-minedecotypeandminedecotype)ofS.alfrediiHanceas
materials, andthecharacteristicsofplantgrowthanduptakeofcadmium(Cd)werestudiedbyhydroponicexperiments.[ Result] Theresults
showedthatthecriticalconcentrationsofexternalCdfornon-minedecotypeS.alfrediHanceandminedecotypeS.alfrediHancewere100
and400μmol/L, respectively.TheconcentrationsofCdinnon-minedecotypeS.alfrediHanceandminedecotypeS.alfrediHanceincreased
withtheexternalCdsupply, andthemaximumvalueswere493mg/kg(DW)inleafand934mg/kg(DW)instemrespectivelyfornon-mined
ecotypeS.alfrediHance, whilethemaximumCdconcentrationinleafandstemreachedat4 933and3 874 mg/kg(DW)forminedecotype
S.alfrediiHance.AtthesamelevelofCdsupply, Cdconcentrationsamongvariouspartswithineachecotypeplants, theorderroot>stem>
leafwasrecordedinnon-minedecotypeS.alfrediiHance, whereasleaf>stem>rootwasobservedinminedecotypeS.alfrediHance.[ Con-
clusion] ItisconcludedthatminedecotypeS.alfrediHancehasbeterabilitytotolerate, uptakeandtransportCdthannon-minedecotypeS.
alfrediHance.
Keywords  Cadmium;SedumalfrediiHance;Tolerance;Enrichment
基金项目 湖州师范学院校级教育教学改革项目(JY2008042)。
作者简介 熊愈辉(1965-),男 ,安徽芜湖人 ,博士 ,副教授 , 从事植物
营养与环境生态学研究。
收稿日期  2009-10-26
  近年来 ,农田土壤 Cd污染日趋严重。Cd在土壤中大量
累积 ,不仅抑制植物细胞分裂和生长 ,而且对植物产生毒害
作用。另外 ,根系吸收的 Cd易向作物可食部分移动 ,进而危
及人类的食品安全 [ 1] 。由于土壤重金属具有易分散和非降
解的特点 ,采用传统的物理化学修复方法降解重金属不仅费
用高 ,且难以见效。近年来兴起的植物修复技术(Phytoreme-
diation),具有投入低 、环境友好和无二次污染的优点 ,其发展
前景十分广阔 。但实施植物修复的前提条件是必须找到对
污染金属有较强吸收能力的超积累植物(Phytoaccumulator),
这种植物的地上部对重金属的积累量一般是普通植物的 100
倍以上。虽然已发现的超积累植物约有 450种 ,广泛分布于
植物界的 45个科 [ 2] ,但 Cd的超积累植物在自然界中却很少
发现。矿山生态型东南景天是在我国境内新发现的一种 Zn
超积累植物。这种植物不仅生物量较大 、对 Zn富集能力强 ,
而且具有多年生 、无性繁殖 、适于刈割的特点 ,是实施植物修
复的良好候选材料 [ 3] 。但东南景天对 Cd的耐性和富集能力
尚不清楚。笔者采用水培试验 ,以矿山和非矿山 2种生态型
东南景天为试验材料 ,探讨不同生态型东南景天对 Cd的耐
性和富集能力的差异。
1 材料与方法
1.1 植物采集 矿山生态型东南景天(MinedEcotypeSe-
dumalfredi, ME)采自于浙江西部一古老铅锌矿山;非矿山生
态型东南景天(Non-minedEcotypeSedumalfredi, NME)采自
杭州郊区一茶园中。 2种生态型东南景天均根据当地的地形
和植被分布特点 ,采集代表性植物样品供试验研究。
1.2 植物培养 营养液的组成(μmol/L):Ca(NO3)2 · 4H2O
2 000, KH2PO4 100, MgSO4 · 7H2O500, KCl100, K2SO4 700,
H3BO3 10, MnSO4 · H2O 500, ZnSO4 · 7H2O 1.0, CuSO4 ·
5H2O0.2, (NH4)6 Mo7O24 0.01, Fe-EDTA100。
将植物材料用去离子水冲洗干净 ,剪成大小一致的枝
条 ,进行预培养 ,每 4 d更换 1次营养液 ,调节营养液 pH值
至 5.8,保持 24 h通气。为充分消除植株内 Cd本底 ,待植株
长到 15cm高时 ,截取上端 5cm长的带叶枝条进行第 2次预
培养 ,在枝条长出比较旺盛的根系之后 ,取生长一致的植株
开始 Cd处理 。
2种生态型东南景天均设对照(不加 Cd)和浓度 25、50、
100、200、400、600、800、1 000 μmol/L8个处理水平 ,以 CdCl2
形态加入 ,重复 3次 ,每盆 18株 ,在处理 12 d后收获。
1.3 测定项目与方法 收获的样品先用去离子水冲洗干
净 ,再将根浸入浓度 20 mmol/LNa-EDTA溶液中交换 15
min,以去除表面吸附的金属离子。用去离子水冲洗干净 ,吸
干植株表面的水分 ,分别测定株高和最大根长后 ,将植株分
成根 、茎 、叶 3部分 ,烘干至恒重 ,分别测定干物质量 。最后
将样品磨细 ,过 60目尼龙网筛 ,用干灰化 -原子吸收法(AA-
6800型原子分光光度计 ,岛津公司生产)测定 Cd的含量 。
2 结果与分析
2.1 不同浓度 Cd处理下 2种生态型东南景天的生长情
况 在不同的供 Cd水平下 , 2种生态型东南景天表现出不
同的生长状况。随着供 Cd水平的提高 ,非矿山生态型东南
责任编辑 张彩丽 责任校对 卢瑶安徽农业科学 , JournalofAnhuiAgri.Sci.2009, 37(35):17814-17816, 17834
景天地上部与根部干重 、株高及最大根长均呈下降趋势(图
1)。但在 Cd供应水平≤100 μmol/L时 ,以上 4项数值在各
处理之间差异均不显著(P>0.05)。而当 Cd供应水平提高
到浓度为 200 μmol/L时 ,植株生长明显受到抑制 ,与对照相
比 ,其地上部与根部干重 ,株高及最大根长分别下降了 37%、
54%、48%和 39%,并明显低于浓度 100μmol/LCd水平下的
各项对应值 ,其中在地上部干重 、根部干重以及株高上的差
异达极显著水平(P<0.01),在最大根长上的差异为显著水
平(P<0.05)。并从处理第 4天起 ,植株表现出萎蔫 、失绿 、
根尖褐化等中毒现象 ,且症状随着供 Cd水平的升高和时间
的延长而逐步加重。供 Cd水平在浓度 400 ~ 1 000 μmol/L
的范围内 ,随着供 Cd水平的提高 ,植株地上部干重 、根部干
重 、株高以及最大根长均呈下降的趋势。综合分析来看 ,在
水培条件下 ,浓度 100μmol/L的供 Cd水平是非矿山生态型
东南景天所能忍耐的环境 Cd胁迫的临界浓度 ,在此浓度水
平以下 ,植株生长所受影响较小。
图 1 不同浓度 Cd处理下 2种生态型东南景天的生长情况
Fig.1 ThegrowthsituationsoftwoecotypesofS.alfrediatdiferentconcentrationsofCd
  与此相反 ,矿山生态型东南景天地上部干重随供 Cd水
平的提高呈缓慢上升的趋势 ,至浓度 100 μmol/L的 Cd供应
水平时 ,地上部干重(266.7 mg/株)为各处理中的最大值(图
1a)。更高的 Cd供应水平时 ,地上部干重呈下降趋势 ,但直
到浓度 400μmol/L的供 Cd水平时 ,植株地上部干重与对照
仍无显著差异(P>0.05)。仅当供 Cd水平≥600 μmol/L
时 , Cd对地上部的生长才表现出明显的抑制作用。不同的
供 Cd水平下 ,矿山生态型株高的变化与地上部干重的变化
基本一致(图 1c)。随着供 Cd水平的提高 ,株高呈上升趋
势 ,并在浓度 100μmol/L的供 Cd水平下出现最大值。进一
步提高供 Cd水平 ,株高呈下降的趋势 ,到浓度 800 μmol/L
的供 Cd水平时 ,株高显著低于对照(P<0.05)。矿山生态
型根部干重与最大根长在浓度 400 μmol/L的供 Cd水平以
下 ,各处理与对照相比均无显著差异(P>0.05)(图 1b、d)。
进一步提高 Cd供应水平 ,两者均迅速下降。在浓度 600
μmol/L的供 Cd水平下 ,植株根部干重与浓度 400μmol/L的
供 Cd水平之间有极显著差异(P<0.01),最大根长间有显
著差异(P<0.05)。这些结果说明 ,矿山生态型东南景天在
浓度 100μmol/L的 Cd供应水平下生物量最大 ,而浓度 400
μmol/L的供 Cd水平是其所能忍耐的临界浓度。
2.2 不同浓度 Cd处理下 2种生态型东南景天各部分 Cd
含量和积累量 由图 2可见 ,随着 Cd供应水平的提高 ,非
矿山生态型东南景天叶和茎中的 Cd含量基本呈直线形增
长 ,在最高供 Cd水平下(1 000 μmol/L)达到峰值 ,分别为
493和 934mg/kg。根中 Cd含量在供 Cd水平≤100 μmol/L
时 ,随着供 Cd水平的提高缓慢上升 ,在供 Cd水平达到浓度
200μmol/L时 ,根中 Cd含量迅速增至 3 779 mg/kg,是浓度
100μmol/L供 Cd水平下根中 Cd含量(1 321 mg/kg)的 2.9
倍。而当 Cd供应水平至最高处理水平时达到峰值 6 546
mg/kg。比较叶 、茎和根中的 Cd含量可以看出 ,在相同供 Cd
水平下 ,非矿山生态型东南景天各部分的 Cd含量次序为根
>茎 >叶。对于矿山生态型植株 ,随着供 Cd水平的提高 ,叶
和茎中 Cd含量迅速增高(图 2a、b)。在浓度 400 μmol/L的
供 Cd水平下达到最大值 ,分别为 4 933和 3 874mg/kg,进一
步提高 Cd供应水平 ,叶和茎中的 Cd含量均呈下降趋势 ,至
最高 Cd供应水平(1 000μmol/L)时 ,叶和茎中的 Cd含量分
别下降至 3 214和 2 890mg/kg。而根中的 Cd含量随着供 Cd
水平的提高始终呈升高的趋势 ,在最高 Cd供应水平下达到
峰值 ,为 2 890 mg/kg。相同的 Cd供应水平下 ,矿山生态型
各部分的 Cd含量相比较 ,在浓度 0 ~ 800μmol/LCd供应水
平范围内 ,表现为叶 >茎 >根(图 2a、b、c)。
由图 2还可以看出 ,相同供 Cd水平下 , 2种生态型植株
各部分 Cd含量相比较 ,矿山生态型叶和茎中的 Cd含量远大
于非矿山生态型 ,尤其在叶中 ,当 Cd供应水平在浓度 25 ~
1781537卷 35期                熊愈辉 水培条件下东南景天对镉的耐性与富集特性研究
600 μmol/L的范围内 ,矿山生态型叶中的 Cd含量高于非矿
山生态型 10倍以上;茎中的 Cd含量差异相对较小 ,为 3 ~ 6
倍 。而非矿山生态型根中的 Cd含量却高于矿山生态型 1 ~ 2
倍(图 2c)。这些结果表明 ,矿山生态型根吸收的 Cd大多转
运至地上部 ,而非矿山生态型根吸收的 Cd多滞留在根部。
由表 1可见 ,随着 Cd供应水平的提高 , 2种生态型东南
景天地上部 Cd积累量均呈增高的趋势。非矿山生态型在浓
度 100 μmol/L的供 Cd水平下 ,地上部 Cd积累量达到峰值 ,
为 67 μg/株;而矿山生态型在浓度 400 μmol/L的供 Cd水平
下 ,地上部 Cd积累量达到峰值 ,为 1 032 μg/株。进一步提
高 Cd供应水平 , 2种生态型地上部 Cd积累量均下降。非矿
山生态型在供 Cd水平≤200 μmol/L,矿山生态型在供 Cd水
平≤400 μmol/L的范围内 ,随着供 Cd水平的提高 , 2种生态
型东南景天根部的 Cd积累量均升高 ,分别在浓度 200和 400
μmol/L供 Cd水平下达到最大值 ,各自为 47和 59 μg/株。
在所设置的 Cd供应水平范围内 ,矿山生态型地上部与根部
Cd积累量的比值都在 10以上 ,显著高于非矿山生态型地上
部与根部 Cd积累量的比值 ,尤其是在浓度 50 μmol/L的供
Cd水平下 ,矿山生态型地上部与根部 Cd积累量的比值高达
39,而非矿山生态型仅为 2,相差约 20倍 。这些结果均表明 ,
与非矿山生态型相比 ,矿山生态型不仅具有更强的 Cd吸收
能力 ,而且具有更强的向地上部输送 Cd的能力。
注:a.叶;b.茎;c.根。
Note:a, Leaves;b, Stem;c, Root.
图 2 不同浓度 Cd处理下 2种生态型东南景天植株中的 Cd含量
Fig.2  CdcontentintheplantsoftwoecotypesofS.alfrediatdiferentCdconcentrations
表 1 不同浓度 Cd处理下 2种生态型东南景天体内 Cd积累量
Table1 CdaccumulationintwoecotypesofS.alfrediatdifferentCd
concentrations μg/株
Cd供应水平μmol/LCdsupplylevels
矿山生态型 ME
地上部Shoot 根Root
非矿山生态型 NME
地上部Shoot 根Root
CK 2.92 0.30 0.86 0.24
25 223.54 6.23 25.53 9.87
50 483.83 12.35 48.36 22.77
100 668.57 27.09 66.92 34.55
200 811.39 36.26 51.58 46.69
400 1031.62 58.68 40.44 36.62
600 740.19 39.64 35.45 33.73
800 477.24 33.42 34.99 31.12
1 000 366.78 30.33 30.92 29.36
3 讨论
以往研究表明 ,同种植物不同品种之间对 Cd的吸收能
力存在显著的差异。Lombi等对 4个不同品种遏蓝菜(Thlas-
picaerulecens)的 Zn、Cd积累进行比较发现 , 4个品种对 Zn有
相同富集能力 ,而对 Cd的富集能力却存在显著的差异 [ 4] 。
这一结果意味着 Zn、Cd吸收机制可能是不同的。用 2种不
同生态型的遏蓝菜为材料进一步研究 Cd吸收的动力学特性
后推测 ,在 Cd超积累生态型的根细胞膜上存在着一种高亲
和力的 Cd转运子(Cd-transporters)[ 5] 。该研究中 ,在相同的
供 Cd水平下 ,矿山生态型 Cd的总吸收量显著大于非矿山生
态型(表 1),说明矿山生态型比非矿山生态型具有更大的 Cd
吸收能力 ,是否在矿山生态型东南景天的根细胞膜上也存在
类似的 Cd转运子尚需进一步研究。
植物对游离态金属离子的耐性与超积累特性是有一定联
系的 ,它们与金属离子在细胞内缔合 、积累以及跨膜运输有关。
普遍认为植物螯合肽(Phytochelatin)的合成是植物对 Cd的主
要反应 [ 4] 。谷胱甘肽是合成植物螯合肽的前体。已发现谷胱
甘肽合成酶在印度芥菜(Brasicajunica)体内过分表达时 ,会导
致这种植物对 Cd的耐性和积累能力增强 [ 6-7] 。相反 ,拟南芥
(Arabidopsisthaliana)的一种螯合肽合成酶活性缺失的突变子
(cad2),由于不能形成 Cd-phytochelatin复合物而对 Cd敏
感 [ 8] 。这些研究表明 ,植物螯合肽对于某些植物 Cd的解毒与
积累是至关重要的。该研究中 ,从不同供 Cd水平下植株的生
长反应和地上部 Cd含量来看 ,矿山生态型比非矿山生态型具
有更强的耐 Cd能力。矿山生态型植株在浓度 400 μmol/L的
供 Cd水平下生长 12 d而没有明显的毒害症状 ,同时 ,其叶中
的 Cd含量高于非矿山生态型 10倍左右 ,茎中 Cd含量高于非
矿山生态型 6倍左右 ,地上部的平均Cd含量远超过 Cd超积累
植物的标准(100mg/kg)[ 2] ,而且 ,在浓度 100μmol/L的供 Cd
水平下植株比对照生长得更好。与此相反 ,随着供 Cd水平的
提高 ,尤其是 Cd浓度大于 200μmol/L时 ,非矿山生态型植株
出现了严重的重金属毒害症状 ,地上部和根部干物质产量急剧
下降。由此可见 ,对于矿山生态型东南景天来说 ,对 Cd高度的
忍耐性与其超量积累 Cd能力有关。因此 , 2种生态型东南景
天在对 Cd的耐性 、吸收和转运能力上的差异为进一步揭示超
积累植物对重金属吸收和转运的分子生物学机制提供了良好
的试验材料。同时 ,矿山生态型东南景天则可能将是应用于植
物修复的候选植物。
(下转第 17834页)
17816           安徽农业科学                         2009年
风景区中共设园桥 32座 ,其各具风情 ,成为湖上园林的 亮点。
图 2 景观序列的高潮
Fig.2  Theclimaxoflandscapesequence
3.2 借桥成景 ,情景交融 瘦西湖窈窕多姿 ,多处设置园
桥 ,原是交通通行的汇集点 ,造园者因地制宜 ,不拘泥于固有
的程式 ,为了创造出动人的景色 ,灵活运用各种造园手法 ,借
桥成景 ,根据园林各空间特质 ,塑造姿态优美 ,形态各异的园
桥 ,瘦西湖的桥或华丽端庄 、或天然质朴 、或妩媚燎人 、或悠
然自处 [ 5] 。瘦西湖的桥以五亭桥最为著名 ,其位于瘦西湖的
中心也是全园的重心 ,建筑的色彩 、造型乃至比例尺度均和
开阔的湖面空间协调 ,给游人壮观和华丽的感受;雄健的桥
基与秀丽的亭的完美结合 ,集南秀北雄的建筑风格为一体 ,
展现了极高超的建筑艺术 。亭与桥相结合的建筑形式 ,使游
人在桥上徘徊留恋 ,驻足赏景。瘦西湖多采用拱桥 ,大虹桥 、
玉版桥 、二十四桥等如垂虹卧波 ,拱形的桥身既满足通船的
需要 ,又可构成框景 ,桥身优美的弧线与平静的水面产生了
曲与直的鲜明艺术对比。造园者借桥成景 ,但桥景不限于外
在的形式 ,而重在融入内在的神髓 ,使情与景交融。瘦西湖
借景以 “四桥烟雨 ”之景最具神髓。登上烟雨楼 ,往南可眺望
大虹桥;向西可欣赏春波桥 、五亭桥;朝北又可观长春桥 ,桥
造型各异 ,有高有低。若在细雨中登楼远眺 , 4座桥立于烟雨
迷蒙之水面 ,有远有近 ,有浓有淡 ,更显瘦西湖之柔情。夜晚
游园 ,人以月寄情 ,造园者构景有感而发 ,用湖水 、园桥与明
月共同形成园林的意境。如二十四桥 ,唐代诗人杜牧曾作
诗:“二十四桥明月夜 ,玉人何处教吹箫 ”,桥与月构成的景触
发了诗人对友人的思念之情 。又如五亭桥 ,桥身 15孔 ,洞洞
相连 ,可倒映出 15轮明月 , 《望江南百调 》中曾描述此情景:
“面面清波涵月镜 ,头头空洞过云桡 ”,因桥洞的形与影勾勒
成镜 ,以水借月 ,形成水中 15轮明月的奇景 ,极大提高游园
的情趣 。
4 结语
瘦西湖这一典型的带状水系在空间的分隔与联系 、主从
景点的序列安排等方面都独具匠心:借鉴了中国传统山水画
论中的构图方法来建构园林空间结构 ,并利用定向移动观景
把多个散点透视的画面联系起来 ,通过桥 、岛 、堤 、亭的安排
避免了带状空间的单调性;利用空间的对比及紧凑的布局制
造赋有节奏感的空间序列 ,给游人带来层层递进的空间感
受;借用带状水系多园桥的特点 ,借桥成景 ,使瘦西湖形成了
独特的多样化景点。瘦西湖的造景手法对当今城市滨水景
观营造具有现实性借鉴意义 。
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(上接第 17816页)
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