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Effects of exogenous calcium (Ca) on tolerance of Allium cepa var. agrogarum L. to cadmium (Cd) stress

外源钙(Ca)对毛葱耐镉(Cd)胁迫能力的影响



全 文 :
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 渊杂匀耘晕郧栽粤陨 载哉耘月粤韵冤
摇 摇 第 猿源卷 第 缘期摇 摇 圆园员源年 猿月摇 渊半月刊冤
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
干旱指标研究进展 李柏贞袁周广胜 渊员园源猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
气候变化对作物矿质元素利用率影响研究进展 李垄清袁吴正云袁张摇 强袁等 渊员园缘猿冤噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎
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赵明月袁赵文武袁钟莉娜 渊员员园缘冤
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陈旭飞袁张摇 池袁戴摇 军袁等 渊员员员源冤
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期刊基本参数院悦晕 员员鄄圆园猿员 辕 匝鄢员怨愿员鄢皂鄢员远鄢圆愿圆鄢扎澡鄢孕鄢 预 怨园郾 园园鄢员缘员园鄢猿园鄢圆园员源鄄园猿
室室室室室室室室室室室室室室
封面图说院 插秧季节的桂西要要要圆园园怨要圆园员员年袁我国广西尧云南尧贵州尧四川尧重庆等西南地区遭受了百年不遇的特大旱灾袁其中
广西西北部尧云南大部尧贵州西部等石漠化地区最为严重袁农作物大面积绝收袁千百万人和大牲畜饮水困难袁这种危
害是巨大的尧现实的遥 从对 圆园园怨要圆园员员年我国西南地区旱灾程度及其对植被净初级生产力影响结果显示院圆园园怨要
圆园员员年西南地区年均降水量和湿润指数明显低于 员怨愿园要圆园园愿年均值袁植被净初级生产力低于 圆园园员要圆园园愿年均值袁
造成的碳损失约占我国总碳汇的 苑援怨员豫遥 全球气候变暖给大气环流提供了动力袁也造成了许多极端灾害天气袁因此
如何应对气候变化形势显得更加紧迫遥
彩图及图说提供院 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 耘鄄皂葬蚤造院 糟蚤贼藻泽援糟澡藻灶躁憎岳 员远猿援糟燥皂
第 34 卷第 5 期
2014年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.5
Mar.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:天津市高等学校科技发展计划项目(20100606,20110603);天津市应用基础计划项目青年项目(12JCQNJC09700);天津师范大学校级
基金(52XB1105,52XS1210)
收稿日期:2013鄄05鄄06; 摇 摇 修订日期:2013鄄09鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: yueshan1982@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201305060949
王巧玲,邹金华,刘东华,岳洁瑜.外源钙(Ca)对毛葱耐镉(Cd)胁迫能力的影响.生态学报,2014,34(5):1165鄄1177.
Wang Q L,Zou J H,Liu D H,Yue J Y.Effects of exogenous calcium (Ca) on tolerance of Allium cepa var. agrogarum L. to cadmium (Cd) stress.Acta
Ecologica Sinica,2014,34(5):1165鄄1177.
外源钙(Ca)对毛葱耐镉(Cd)胁迫能力的影响
王巧玲,邹金华,刘东华,岳洁瑜*
(天津市动植物抗性重点实验室,天津师范大学,天津摇 300387)
摘要:以对环境敏感的毛葱(Allium cepa var. agrogarum L.)为材料,通过水培试验分别研究不同浓度 Ca(0、0.1、1、10 mmol / L)对
Cd(10 滋mol / L、100 滋mol / L和 300 滋mol / L)胁迫下毛葱幼苗生长、叶片光合特性、体内 Cd 积累和矿质营养的变化,探讨 Ca 缓解
敏感植物 Cd 毒害的生理生化机制。 结果表明:(1) Cd 显著抑制了毛葱的生长并导致其根端弯曲、发黄,叶片绿色加深;外源
Ca显著削弱了 Cd的毒害,缓解了其对毛葱生长的抑制;(2)Cd导致毛葱叶片光合色素含量大幅度上升却显著降低了毛葱的光
合作用;外源 Ca延缓了光合色素上升的速度,提高了毛葱的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率;(3)Cd 胁迫导致毛葱体内 Cd
含量显著增加,并造成明显的矿质营养失衡,主要表现为显著降低了毛葱根中 Mg、Mn,叶中 Ca、Mg、Mn、Zn等元素的含量,毛葱
根中 Ca、Fe、Zn,叶中 Fe元素含量的显著增加,扰乱了毛葱体内矿质营养的内稳态;外源 Ca 削弱了毛葱对 Cd 的积累,减轻了
Cd 胁迫所造成的矿质营养失衡。 因此,外源 Ca能通过抑制 Cd的吸收,促进叶片光合作用及气体交换速率,维持植物体的含水
量、植物叶片光合色素含量及矿质营养的平衡等途径来增强毛葱对 Cd 胁迫的耐性。
关键词:毛葱;Cd;Ca;胁迫;耐性
Effects of exogenous calcium (Ca) on tolerance of Allium cepa var. agrogarum L.
to cadmium (Cd) stress
WANG Qiaoling,ZOU Jinhua,LIU Donghua,YUE Jieyu*
Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Regulation, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China
Abstract: Cadmium (Cd) pollution is one of the most extensive and harmful environmental problems worldwide. Recently,
coastal water pollution by Cd and other heavy metals have been becoming more serious because of continuous economic
development, including mining, urban traffic, burning of fossil fuels, and production of phosphate fertilizers. Calcium
(Ca) is an essential macroelement that plays a crucial role in regulating plant growth and development. Moreover, Ca has
been shown to alleviate heavy metal toxicity in many plants. Allium cepa is well known and commonly used in many
laboratories primarily due to its many advantages, such as low cost, short test time, ease of storage and handling, large
number of roots, and large cells with excellent chromosome conditions. In the present study, this plant was chosen as the
experimental material to investigate whether the application of exogenous Ca can enhance the tolerance of A. cepa var.
agrogarum L. to Cd stress ( 10,100 滋mol / L and 300 滋mol / L) . In addition, the effects of various concentrations of
exogenous Ca application ( 0, 0. 1, 1, and 10 mmol / L) on the vegetative growth, photosynthesis characteristics, Cd
accumulation, and nutrient minerals of A. cepa var. agrogarum L. under various concentrations of Cd stress (10 滋mol / L to
300 滋mol / L) were analyzed. This study showed the following results: (1) Excess Cd significantly inhibited the growth of A.
cepa var. agrogarum L., resulting in changes in morphological characteristics, such as stunted and bent root tips and
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darkened green leaves, whereas exogenous Ca significantly decreased the negative effects of Cd and alleviated growth
inhibition in A. cepa var. agrogarum L. ( 2) Cd treatment greatly increased the chlorophyll contents and significantly
decreased net photosynthetic rate, stomatal conductance, and transpiration rate, whereas exogenous application of Ca
markedly alleviated the increase in photosynthetic pigments and significantly increased the net photosynthetic rate, stomatal
conductance, and transpiration rate. ( 3) Cd stress induced substantial Cd accumulation, resulting in serious nutrient
imbalance, such as the significant inhibition of absorption of Mg ( Magnesium ) and Mn (Manganese ) in roots and Ca,
Mg, Mn, and Zn ( Zinc ) in leaves and a massive accumulation of Ca, Fe ( Iron) and Zn in roots and Fe in leaves,
whereas the exogenous addition of Ca significantly decreased Cd accumulation and effectively reversed the Cd鄄induced
imbalance of nutrients in A. cepa var. agrogarum L. Therefore, supplementing exogenous Ca with an optimal concentration
can effectively relieve the phytotoxicity of Cd stress to A. cepa var. agrogarum L. by decreasing excessive Cd accumulation,
maintaining high levels of photosynthesis characteristics, and maintaining the balance of water content, photosynthetic
pigments, and nutrient elements, among others.
Key Words: Allium cepa var. agrogarum L.; Cd; Ca; stress; tolerance
摇 摇 镉(Cd)是一种毒性很大的重金属元素,对植物
的生长发育造成伤害,如抑制植物对水分的吸收和
运输,抑制光合作用和呼吸作用;对能量转化和蛋白
合成造成紊乱;导致营养失衡和超微结构损伤
等[1鄄5]。 植物亦通过不同的生理、生化机制对 Cd 胁
迫作出反应。 鉴于此,国内外对如何解除或缓解 Cd
胁迫的重视程度日益加深。 钙(Ca)是植物生长发育
所必需的营养元素, 而且能够作为第二信使与 CaM
(Calmodulin)结合偶联胞外信号与胞内生理生化反
应,通过稳定细胞壁、细胞膜结构[6]及诱导特异基因
的表达来提高植物对逆境的抗性[7]。 已有研究表
明,外源钙可增强植物对许多非生物逆境的适应性,
提高植物对重金属毒害的耐性,减轻重金属对植物
所造成的伤害[8鄄9]。
洋葱(Allium cepa)不仅是非常重要的蔬菜作物,
而且对环境变化敏感,是环境监测的优选植物[10]。
毛葱(Allium cepa var. agrogarum L.)作为洋葱的一个
变种(百合科葱属),除了具有洋葱易培养,根系粗壮
发达,对环境因子敏感,染色体数目较少(2n = 16),
形态特征明显等优点外,毛葱还具有体积小,休眠期
短的独特优点[11]。 目前,有关钙调节 Cd 对毛葱胁
迫方面的研究鲜有报道。 本研究以毛葱为试验材
料,探讨外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱幼苗生理生化特
性的影响,为缓解重金属 Cd 对生物的毒害找到经
济、有效的方法提供基础数据和理论支持。
1摇 材料与方法
1.1摇 植物材料的培养与处理
摇 摇 试验材料为毛葱 ( Allium cepa var. agrogarum
L.)。 选取 100 头大小均匀一致、饱满、色泽匀称、表
皮光滑、健康无损伤、未萌发根也未长绿叶的毛葱鳞
茎为实验材料。 剥去外部的干燥膜质鳞叶,洗净,在
室温下(25 益)用自来水培养,每隔 12 h 换 1 次水。
经自来水培养至刚长出叶片后,从中选取 80 头生长
一致的毛葱,平均分成 16 组进行处理。 在预试验
中,筛选出 10、100 滋mol / L和 300 滋mol / L CdCl2为适
合的 Cd 胁迫浓度,其中 10 滋mol / L CdCl2对毛葱幼
苗的生长无明显的胁迫作用,100 滋mol / L CdCl2既对
毛葱幼苗产生胁迫作用,又不会造成严重的 Cd 毒
害,300 滋mol / L CdCl2可对毛葱幼苗产生严重的毒
害。 在 3个 Cd处理组中,分别加入 0、0.1(低钙)、1
(中钙)、10 mmol / L(高钙)的 Ca,以不施 Cd和 Ca为
对照,具体处理分组见表 1。 对照及实验组材料均在
50% Hoagland营养液中培养,实验组中 Cd 和 Ca 是
直接溶解于 50% Hoagland营养液中,实验周期为 12
d,整个实验过程中对培养液通气,每 4 d更换 1次培
养液。
1.2摇 实验方法
1.2.1摇 形态观察及株高、根长测定
实验期内每天记录毛葱幼苗生长状况,第 12 天
时测定毛葱幼苗的株高、根长,每处理组测量 5 个植
株,每个植株测量 5组数据。 数码相机拍照。
6611 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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表 1摇 实验组编号
Table 1摇 The numbered list of experimental treatment
实验组
Experimental groups
实验处理 Experimental treatment
Cd处理 / (滋mol / L)
Cd treatment
Ca处理 / (mmol / L)
Ca treatment
A A1(对照) 0 0
A2 0 0.1
A3 0 1
A4 0 10
B B1 10 0
B2 10 0.1
B3 10 1
B4 10 10
C C1 100 0
C2 100 0.1
C3 100 1
C4 100 10
D D1 300 0
D2 300 0.1
D3 300 1
D4 300 10
1.2.2摇 光合色素含量测定
样品称重后,于研钵中加入 80%丙酮 10 mL,将
其充分研磨,移入锥形瓶后用封口膜封口,4益过夜
萃取至材料残渣变白,4000伊g 离心 20 min,取上清
液,即为色素提取液[12]。 测定提取液在波长 663,
646,470 nm 处的光吸收值,按 Lichtenthaler[13]公式
计算。
1.2.3摇 光合速率及气体交换数据的测定
处理 12 d时,对 16组毛葱进行光合作用及气体
交换指数的测定,净光合速率(Pn, 滋mol CO2·m
-2·
s-1)、气孔导度(Gs, mmol H2O·m
-2·s-1)及蒸腾速率
(Tr, mmol H2O·m
-2·s-1)等用 LI鄄340(CID Co.,USA)
手持式光合仪进行测定。 测定每株毛葱长势最好的
功能叶,每组测定 5株,每株测量 5 个叶片。 测量要
迅速,测定时间控制在 10:00—12:00。
1.2.4摇 电感耦合等离子发射光谱( ICP鄄AES)制样及
分析
材料处理 12 d后收获。 分别收集每个实验组毛
葱的根系和叶片,共 32个样品。 每个样品分成相同
质量的 5组,称重后,将样品分别置于烘箱中烘干:
45 益,4 d;80 益,2 d;105 益,过夜。 烘干后的样品
称重后研磨至粉末,移入干燥瓶中保存,用于消化分
析。 称 0.2 g 粉末于小烧杯中,加入 5 mL 浓硝酸
(Analytical Reagent, AR)浸泡过夜;加入 2 mL 高氯
酸(AR)后 80 益加热 3 h,温度升至 120 益,将剩余
硝酸挥发殆尽。 冷却后再加入 3 mL 浓硝酸、2mL 高
氯酸(AR),缓慢加热,待烧杯中溶液呈橙黄色时,再
加入 2 mL高氯酸(AR),温度升至 200 益,至烧杯中
有白色晶体析出。 样品冷却后,用 10%的硝酸溶液
溶解并准确定容至 25 mL,用 ICP鄄AES ( LEEMAN
LABS INC., New Hampshire, USA)测定 Cd在毛葱各
器官中的积累量,并测定根系、叶片中 Ca、Mg、Mn、
Fe、Zn的含量。 每个样品重复测定 3次。
1.3摇 数据统计方法
采用 Sigmaplot 8.0 软件处理除光合特性以外所
有数据并作图,用 excel 2003 软件处理光合特性数
据,并用 SPSS 13.0软件进行统计学分析。
2摇 结果与分析
2.1摇 外源 Ca对 Cd胁迫下毛葱生长的影响
2.1.1摇 对毛葱形态特征的影响
不同浓度外源 Ca对 Cd胁迫下的毛葱处理 12 d
后,可明显缓解 Cd 胁迫造成的毒害(图 1)。 Cd 对
毛葱造成毒害,使其形态发生明显的变化,浓度越高
其毒害作用越明显。 与对照相比,Cd 处理组的毛葱
生长缓慢,植株矮小,叶片绿色加深,根长受到显著
抑制,颜色暗黄,变粗变脆(图 1 b, c, d)。 在高浓度
Cd(100 滋mol / L和 300 滋mol / L)处理组中,与对照组
叶片的黄绿色不同,其叶片呈暗绿色夹杂白色小枯
斑,根端极度弯曲,发黄呈腐烂状(图 1 c, d)。
外源 Ca对 Cd胁迫下毛葱形态的影响不同(图
1):A组和 B组毛葱并未因 Ca的加入表现出明显的
形态差异(图 1 a, b);但在 C 组和 D 组中,外源 Ca
对毛葱的毒害有显著的缓解作用,且随外源 Ca 浓度
的增加,其缓解效果也越明显(图 1 c, d)。
2.1.2摇 对毛葱株高、根长的影响
Cd显著抑制毛葱的株高和根长(图 2)。 外源
Ca对 A、B组毛葱的株高和根长无明显的影响,但对
C、D组毛葱表现出明显的缓解作用(图 2)。 A、B 组
中,施加外源 Ca后毛葱的株高和根长均无显著性差
异(P > 0.05)(图 2)。 C、D组中,对毛葱株高产生明
显影响的外源 Ca 浓度与对根长产生明显影响的外
源 Ca浓度不同:10 mmol / L 的外源 Ca 缓解 Cd 对毛
葱株高的毒害作用,C4、D4 组毛葱的株高分别比
7611摇 5期 摇 摇 摇 王巧玲摇 等:外源钙(Ca)对毛葱耐镉(Cd)胁迫能力的影响 摇
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C1、D1组毛葱增高了 26.5%和 61.5%(图 2);C 组
中,1 mmol / L的外源 Ca显著缓解了 Cd 对毛葱根长
的抑制作用,C3 组毛葱的根长比 C1 组增加 12郾 1%
(图 2)。
图 1摇 外源 Ca对 Cd胁迫下毛葱生长及形态特征的影响(12 d)
Fig.1摇 Effects of exogenous Ca on morphological characteristics of Allium cepa var. agrogarum L. under Cd stress over 12 days
图 2摇 外源 Ca对 Cd胁迫下毛葱株高和根长的影响
Fig.2摇 Effects of exogenous Ca on plant height and root length of Allium cepa var. agrogarum L. under Cd stress
A:A实验组(1,2,3,4:A1,A2,A3,A4); B:B实验组(1,2,3,4;B1,B2,B3,B4); C:C实验组(1,2,3,4:C1,C2,C3,C4); D:D 实验组(1,2,
3,4:D1,D2,D3,D4); 同一实验组中字母完全不同表示差异显著(n= 15,P<0.05)
2.2摇 外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱叶片光合色素含量
的影响
图 3表明,Cd 胁迫毛葱 12 d 后导致其叶绿素 a
含量的显著增加,处理组与对照组之间差异显著
(P <0.05)。 不同浓度外源 Ca对叶绿素 a 的增加幅
度有明显的影响。 外源 Ca浓度为 0.1 mmol / L时,对
叶绿素 a 含量的增加没有明显影响;Ca 浓度至 1
mmol / L时,能有效缓解除 10、100滋mol / L 处理组毛
8611 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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葱叶片叶绿素 a 含量的骤升;外施 Ca 浓度升至 10
mmol / L时,对 100、300 滋mol / L Cd 处理组毛葱的缓
解作用反而减弱,只对 10 滋mol / L Cd 处理毛葱叶片
叶绿素 a含量的骤升有明显的抑制作用,使其恢复
到正常水平。
Cd对毛葱叶片叶绿素 b 含量的影响与对叶绿
素 a 含量的影响明显不同(图 3)。 300 滋mol / L Cd
处理导致毛葱叶片的叶绿素 b 含量显著上升(P<
0郾 05),其它浓度的 Cd 处理组与对照组之间无显著
性差异(P > 0.05)。 10 mmol / L 外源 Ca 显著抑制
Cd胁迫毛葱叶片叶绿素 b 含量的上升,使其含量与
对照组无显著性差异(P > 0.05)(图 3)。
类胡萝卜素存在于所有光合生物中,是光合作
用的辅助色素,能将吸收的光能传递给叶绿素分子,
在捕光色素复合体的组装中承担重要的结构性作
用。 高浓度的 Cd(100 滋mol / L 和 300 滋mol / L)能显
著增加类胡萝卜素的含量 (P < 0. 05) (图 3)。 10
mmol / L外源 Ca可缓解 100 滋mol / L Cd毒害,低于此
浓度的 Ca 均未对类胡萝卜素的含量产生影响
(图 3)。 摇
图 3摇 外源 Ca对 Cd胁迫下毛葱光合色素含量的影响
Fig.3摇 Effects of exogenous Ca on leaf pigment content of Allium cepa var. agrogarum L. under Cd stress
同列字母完全不同表示差异显著(n= 15,P<0.05)
2.3 摇 外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱叶片光合特性的
影响
2.3.1摇 外源 Ca对 Cd胁迫下毛葱叶片净光合速率的
影响
净光合速率(Pn)是反映光合作用强弱的最重
要指标,净光合速率越大,植物光合作用的水平越
高,反之亦然。 Cd胁迫下毛葱叶片净光合速率受到
明显的影响,随 Cd 处理浓度的增加而明显降低(图
4)。 Cd 胁迫毛葱 12 d 后,10、100 滋mol / L 和 300
滋mol / L Cd处理组毛葱其叶片净光合速率比对照组
分别下降了 24.2%、75.8% 和 85.4%。 外源 Ca 对其
下降幅度有明显的影响。 具体表现为,0.1 mmol / L
Ca对 Cd的毒害无明显缓解作用;1 mmol / L Ca 显著
缓解 300 滋mol / L Cd的毒害(P<0.05);10 mmol / L外
源 Ca 比 1 mmol / L Ca 缓解效果更明显,对 100
滋mol / L和 300 滋mol / L Cd 毒害均有明显缓解作用
(图 4)。
图 4摇 不同浓度 Ca对 Cd 胁迫下毛葱处理 12 d 后净光合速率
(Pn)的影响
Fig.4摇 Effects of different concentrations of Ca on the net
photosynthetic rate ( Pn) in Allium cepa var. agrogarum L.
exposed to Cd stress over 12 d
同一实验组中字母完全不同表示差异显著(n= 15,P<0.05)
9611摇 5期 摇 摇 摇 王巧玲摇 等:外源钙(Ca)对毛葱耐镉(Cd)胁迫能力的影响 摇
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2.3.2摇 外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱叶片气孔导度的
影响
气孔导度(Gs,单位为 mmol H2O·m
-2·s-1),影响
植物的光合作用和蒸腾作用。 不同浓度的 Cd 对毛
葱叶片的气孔导度有不同程度的抑制作用(图 5)。
10、100 滋mol / L和 300 滋mol / L Cd处理毛葱 12 d后,
其叶片的气孔导度比对照组分别下降了 19郾 8%、
42郾 7% 和 81.3%。 施加外源 Ca 显著降低了 A 组叶
片的气孔导度(P<0.05),但对 B、C、D组叶片的气孔
导度没有明显的影响(图 5)。
图 5摇 不同浓度 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱处理 12 d 后气孔导度
(Gs)的影响
Fig.5摇 Effects of different concentrations of Ca on the stomatal
conductance (Gs) in Allium cepa var. agrogarum L. exposed to
Cd stress over 12 days
同一实验组中字母完全不同表示差异显著(n= 15,P<0.05)
2.3.3摇 外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱叶片蒸腾速率的
影响
蒸腾作用是植物吸收水分和转运水分的主要动
力,对维持植物各部分的水分饱和,保持细胞组织的
形态,促进无机盐类在植物体内的分布具有重要的
作用。 对比图 6 和图 5 可以看出,蒸腾速率(Tr)和
气孔导度的变化趋势一致。 不同浓度 Cd 胁迫毛葱
12 d后,10、100 滋mol / L和 300 滋mol / L Cd 处理后毛
葱叶片的蒸腾速率分别比对照下降了 14郾 2%、43.1%
和 78.0%。 施加外源 Ca 显著降低了 A 组叶片的蒸
腾速率(P<0.05);外源 Ca 显著缓解了 100 滋mol / L
Cd对毛葱的毒害(P<0.05),提高了毛葱叶片的蒸腾
速率,尤其当 Ca 浓度大于 1 mmol / L时,缓解效果尤
为明显;外源 Ca 对 B、C、D 组叶片的蒸腾速率没有
明显的影响(图 6)。
图 6摇 不同浓度 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱处理 12 d 后蒸腾速率
(Tr)的影响
Fig. 6 摇 Effects of different concentrations of Ca on the
transpiration rate ( Tr ) in Allium cepa var. agrogarum L.
exposed to Cd stress over 12 days
同一实验组中字母完全不同表示差异显著(n= 15,P<0.05)
2.4摇 外源 Ca对 Cd胁迫下毛葱 Cd 含量及营养元素
吸收的影响
2.4.1摇 外源 Ca对 Cd胁迫下毛葱含水量的影响
Cd显著降低毛葱体内的含水量,施加外源 Ca
能明显的减缓其降低幅度(图7) 。本研究中毛葱幼
图 7摇 不同浓度 Ca对 Cd胁迫毛葱 12 d后各器官鲜干重比值的影响
Fig.7摇 Effects of different concentrations of Ca on the fresh and dry weights ratio in Allium cepa var. agrogarum L. exposed to Cd stress
over 12 days
同列字母完全不同表示差异显著(n= 15,P<0.05)
0711 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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苗根系的鲜干重比与 Cd 浓度呈负相关,B1、C1、D1
组幼苗(10—300 滋mol / L)根系的鲜干重比始终显著
低于 A1组(对照组)(P<0.05)且各处理组间差异显
著(P<0.05)。 施加外源 Ca 后各实验组毛葱根系的
鲜干重比均先升高后随着 Ca 浓度的提高 ( > 0. 1
mmol / L)而逐渐降低,在 Ca 浓度为 10 mmol / L 时最
低(图 7)。
毛葱叶片鲜干重比的变化趋势与根系不完全一
致(图 7)。 毛葱叶片的的鲜干重比与 Cd 浓度呈现
负相关,除 C1和 D1 组外其它各实验组间差异显著
(P<0.05)。 施加外源 Ca后,A组中毛葱叶片鲜干重
比的变化趋势与根系保持一致。 B、C、D 组在 Ca 浓
度为 0.1 mmol / L 时比值均下降,与根系的变化趋势
相反;当 Ca浓度为 1 mmol / L 时,B组比值上升,C、D
组均下降;当 Ca 浓度至 10 mmol / L 时,B、C、D 各组
叶片的变化趋势正好与 1 mmol / L Ca 处理组相反
(图 7)。
2.4.2摇 外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱体内 Cd 含量的
影响
Cd处理后毛葱体内 Cd 含量随 Cd 浓度上升而
增加,但 Cd在毛葱根系中的积累量远远高于叶片中
的含量(图 8)。 施加外源 Ca 显著降低了 B、C、D 组
毛葱根系和叶片中 Cd的积累量(P<0.05)。
图 8摇 不同浓度 Ca对 Cd 胁迫下毛葱 12 d 后,Cd 在毛葱体内
不同器官中的积累和分布
Fig.8摇 Cadmium uptake and accumulation by Allium cepa var.
agrogarum L. under cadmium stress, after 12 days cultivation
with different concentration of Ca
同一实验组中字母完全不同表示差异显著(n= 5,P<0.05)
外源 Ca对毛葱根系中 Cd的积累量有明显的影
响(图 8)。 B 组中,1 mmol / L 外源 Ca 显著促进 Cd
在毛葱根系中的积累(P<0.05),10 mmol / L Ca 对其
积累量无明显影响。 在 C、D 组中,10 mmol / L 外源
Ca能显著降低 Cd在根系的积累(P<0.05);D组中,
0.1 mmol / L外源 Ca能显著降低 Cd在毛葱根系中的
积累(P<0.05),随着 Ca 浓度的升高,降低效果更为
显著(图 8)。
与外源 Ca 对毛葱根系中 Cd 的积累的影响一
致,毛葱叶片中 Cd 的积累量随着施加外源 Ca 而明
显降低(图 8)。 与根不同的是,0.1 mmol / L 的 Ca 就
能显著降低 C组叶片中 Cd 的积累量;而在 D 组中,
0.1 mmol / L和 1 mmol / L 外源 Ca 对毛葱叶片中 Cd
的积累量没有产生明显的影响(P > 0.05)(图 8)。
2.4.3摇 外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱营养元素吸收的
影响
Cd胁迫造成毛葱体内明显的矿质营养失衡,主
要表现为显著降低毛葱根中 Mg、Mn,叶中 Ca、Mg、
Mn、Zn 等元素的含量;显著增加毛葱根中 Ca、Fe、
Zn,叶中 Fe 元素的含量,扰乱毛葱体内矿质营养的
内稳态;外源 Ca削弱了 Cd 胁迫造成的矿质元素失
衡,稳定了毛葱体内矿质营养的内稳态(表 2)。
摇 摇 Cd造成毛葱根系中钙(Ca)含量显著高于对照
组(A1)(P<0.05)并随 Cd 浓度的升高而增加;不同
浓度的外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱体内钙(Ca)的代
谢与利用有不同的影响(表 2)。 A 组中,外源 Ca 浓
度低于 10 mmol / L 时显著降低毛葱根系中 Ca 的含
量(P<0.05);当 Ca 浓度升至 10 mmol / L 时,根系中
Ca的积累量显著高于对照组(P<0.05)。 B、C、D 组
中,外源 Ca显著降低毛葱根系 Ca 含量。 Ca 在毛葱
叶片中的吸收和积累情况与根系中明显不同(表
2)。 Cd显著降低毛葱叶片中的 Ca 含量。 A 组中,
外源 Ca浓度为 0.1、1和 10 mmol / L时,叶片中 Ca的
含量比对照组分别增加了 17.3%、37.8% 和 44郾 7%;
B、C、D组中,Ca 在毛葱叶片的积累随外源 Ca 浓度
的变化趋势与根系保持一致。 A 组施加外源 Ca 后,
毛葱体内 Ca 含量较对照组显著增加(P<0郾 05);而
B、C、D组中毛葱体内 Ca含量却随着外源 Ca的施加
而减少。
Cd显著地抑制了毛葱对镁(Mg)的吸收和积
累;不同浓度外源 Ca对 Cd胁迫下毛葱体内Mg的代
1711摇 5期 摇 摇 摇 王巧玲摇 等:外源钙(Ca)对毛葱耐镉(Cd)胁迫能力的影响 摇
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谢与利用有不同的影响(表 2)。 毛葱根系 Mg 含量
显著受到外源 Ca的影响。 A组中,施加外源 Ca 后,
毛葱根系中 Mg 含量较对照组显著降低(P<0郾 05),
0.1 mmol / L Ca 对其降低效果最明显仅为对照组
(A1)的 83.3%;B、C、D 组中 0.1 mmol / L 外源 Ca 施
加组(B2、C2、D2),毛葱根系中 Mg 含量仅为其无 Ca
组(B1、C1、D1)含量的 71.0%、96.0%和 63.9%(表
2)。 毛葱叶片中Mg含量也明显受到外源 Ca的影响
(表 2)。 与根系中 Mg 含量不同的是,A 组中,0郾 1
mmol / L 外源 Ca处理下毛葱叶片中 Mg 含量高于对
照组及其它 Ca处理组(P<0.05)。 随着 Ca浓度的升
高,叶片中 Mg 的积累量逐渐下降,10 mmol / L 时达
最低且显著低于对照组(P<0.05);B、C、D组与 A组
变化趋势一致。 0.1 mmol / L 外源 Ca 能显著降低毛
葱根系中 Mg含量并随外源 Ca浓度的增加降低幅度
减小;叶片中 Mg含量在 0.1 mmol / L 外源 Ca 组中显
著增加,但其增加幅度随外源 Ca 浓度的升高而减小
(表 2)。
Cd显著促进了毛葱对铁 ( Fe) 的吸收 ( P <
0郾 05);不同浓度外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱体内 Fe
的代谢与利用有不同的影响(表 2)。 根系中:A、B
组 Fe含量随外源 Ca 浓度的升高而增加,其中 A4、
B4 组 Fe 含量分别为 A1、 B1 组的 143. 7% 和
130郾 6%;C、D组 Fe含量在外源 Ca浓度为 0.1 mmol /
L(C2、D2 组)时最大,其值分别为 C1 组、D1 组的
107.2% 和 119.1%,当外源 Ca 浓度大于 0.1 mmol / L
时,毛葱根系中 Fe 含量逐渐减少(表 2)。 叶片中:
A、C 和 D 实验组均在外源 Ca 浓度为 0. 1 mmol / L
(A2、C2、D2 组)时叶片中 Fe 含量最大,其值分别比
A1、C1和 D1 组增加了 111.3%、61.5%和 44.0%,外
源 Ca浓度大于 0.1 mmol / L 时,毛葱叶片中 Fe 含量
逐渐减少;B组中,毛葱叶片中 Fe 含量在 Ca 浓度为
1 mmol / L最大,为 B1组的 124.7%。 因此,施加外源
Ca能显著增加毛葱体内 Fe 的积累量,0.1 mmol / L
Ca效果最明显。
Cd显著抑制了毛葱对锰 ( Mn) 的积累 ( P <
0郾 05);不同浓度外源 Ca 对 Cd 胁迫下毛葱体内 Mn
的代谢与利用有不同的影响(表 2)。 A 实验组中,
外源 Ca会显著降低毛葱根系中 Mn 的积累量(P<
0郾 05),Ca浓度为 0.1 mmol / L时含量达最低,为对照
组的 68.7%;B、C、D 实验组中,外源 Ca 也会显著降
低毛葱根系中 Mn 的积累量(P<0.05),但只有当 Ca
浓度升至 10 mmol / L 时才会使毛葱根中 Mn 的积累
量达到各组的最低含量(表 2)。 与根系不同的是,
外源 Ca 会显著增加 A 组中毛葱叶片中 Mn 的含量
(P<0.05),在 Ca浓度为 0.1 mmol / L时叶片中 Mn含
量达最高为 A1组的 157.5%;B、C、D实验组中,毛葱
叶片中 Mn 含量随外源 Ca 浓度的施加而降低(表
2)。 因此,外源 Ca 能显著降低 Cd 胁迫下毛葱体内
Mn的积累量。
Cd显著促进了毛葱根系对锌(Zn)的积累却显
著抑制了叶片对 Zn的积累(P<0.05);不同浓度外源
Ca对 Cd胁迫下毛葱体内 Zn 的代谢与利用的影响
不同(表 2)。 A组中,外源 Ca 能显著促进毛葱根系
对 Zn的吸收(P<0.05),0.1 mmol / L Ca 处理组比对
照组增加了 29.8%;B组中,外源 Ca显著增加毛葱根
系中 Zn的含量(P<0.05),当 Ca浓度为 1 mmol / L时
达到 Zn 积累量的最大值,为 B1 组的 122.1%;C 组
中 10 mmol / L Ca对根中 Zn 的含量产生显著抑制作
用(P<0.05),低于此浓度的 Ca 对其均无明显影响;
D组中,外源 Ca 能显著抑制毛葱根中 Mn 含量(P<
0.05),Ca 浓度为 1 mmol / L 时含量最低,比 D1 组下
降 36.8%(表 2)。 毛葱叶片中 Zn的积累与根系的变
化趋势不同(表 2)。 A 组中,当外源 Ca 浓度为 0.1
mmol / L 时可显著促进 Zn 在毛葱叶片的积累(P<
0郾 05),而 10 mmol / L的 Ca显著抑制 Zn在毛葱叶片
的含量(P<0.05),1 mmol / L Ca对其无明显影响(P>
0.05);B实验组,0.1mmol / L Ca 显著地促进 Zn 在毛
葱叶片中的积累(P<0.05),但当 Ca 浓度上升时,其
对 Zn在毛葱叶片的积累量与 B1组无显著差异(P >
0.05);C实验组中外源 Ca 未对 Zn 在毛葱叶片的积
累产生明显影响;D 实验组中,外源 Ca 能显著增加
毛葱根中 Mn的含量(P<0.05)。
3摇 讨论
3.1摇 外源 Ca对 Cd 胁迫下毛葱生长的影响
株高根长是水培模拟试验中最易观测的植株外
观指标,并能反映植物所受胁迫的强度[14]。 Cd 胁迫
严重影响了毛葱的形态特征,使其株高、根长也受到
明显的抑制,外源 Ca 能有效缓解 Cd 对毛葱幼苗产
生的毒害,使其形态得到有效恢复、对其生长的抑制
也明显减弱(图 1,图 2)。 因为 Ca 作为植物必需的
3711摇 5期 摇 摇 摇 王巧玲摇 等:外源钙(Ca)对毛葱耐镉(Cd)胁迫能力的影响 摇
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营养元素之一,参与植物的多种生命活动与多种酶
的代谢过程[15],可在一定程度上缓解 Cd 的毒害,促
进植物体的生长。
植株的生理代谢活性能够反映环境对植物的适
宜程度,含水量的高低是衡量植物生理活性的一个
重要指标。 采用植株鲜重(FW)与干重(DW)的比
值代表植株的含水量。 Cd 造成毛葱体内含水量的
显著下降,造成体内水分失衡(图 7)。 植物对这一
失衡关系的调节主要是通过相应有机物的合成和无
机离子的积累两条途径来实现[16鄄19]。 外源 Ca 促进
了毛葱根系的生长,保持了毛葱体内水分的相对平
衡(图 7),可能是由于外源 Ca 对根尖部位离子关系
有明显的改善,从而有利于根系生长[18,20] (图 1)。
Ca作为植物必需的营养元素之一,是多种酶的组成
成分和激活剂,能调节细胞的充水度及渗透性,维持
细胞正常的生理状态,从而维持植物体的正常生理
代谢,因此,Ca 对于降低植物对 Cd 的吸收,及减轻
Cd对植物的毒害具有重要作用[21]。
3.2摇 外源 Ca对 Cd 胁迫下毛葱生理特性的影响
Cd 毒害造成植物的生理代谢紊乱,加速植物的
衰老。 有研究表明,叶片衰老过程中伴随着叶绿素
酶活性提高,叶绿素降解加剧。 唐蕾等[22]采用反相
高效液相色谱,结合光电二极管阵列和荧光检测技
术,发现在衰老的银杏叶中主要存在叶绿素 a、叶绿
素 b 和脱镁叶绿素(暗橄榄褐色),脱植基叶绿素
(鲜绿色)。 在液泡膜上也发现了一种依赖 ATP
(Adenosine Triphosphate, ATP)的特异运载蛋白,负
责叶绿素代谢物在液泡中转运[23]。 由上可知,叶绿
素的许多卟啉衍生物在叶片衰老过程中从衰老叶绿
体转运到液泡中贮存起来,这些叶绿素代谢物如脱
植基叶绿素等的光谱性质和叶绿素原体基本相同,
可在同一波长下被检测到,但这些叶绿素的代谢产
物均不能行使正常叶绿素的功能,从而降低了叶片
的光合特性。 毛葱受 Cd 毒害后其色素含量上升但
其光合作用却严重受到了抑制。 叶绿素降解除了影
响光合作用外还具有其它的意义。 例如,衰老时叶
绿素降解启动蛋白质的水解,利于氮的释放利用;一
些叶绿素降解产物或衍生物可以提高细胞对重金属
毒害的耐受力[24]。 外源 Ca 对毛葱幼苗色素含量产
生较大影响。 毛葱叶片色素含量受外源 Ca 水平的
限制,当外源 Ca浓度为 0.1 mmol / L时毛葱叶片叶绿
素和类胡萝卜素含量与 Ca 对照组相比均显著下降,
Ca浓度升至 1 mmol / L 时,色素含量继续下降,但当
Ca浓度为 10 mmol / L 时,其含量反而上升(低于无
施加 Ca 组)。 这可能与外源 Ca 促进了毛葱的快速
生长,其生长量增大导致的“稀释效应冶有关[25],但
高浓度外源 Ca(10 mmol / L)对毛葱幼苗来说可能是
一种营养胁迫,在这种营养胁迫下,Ca 可能会造成
强光胁迫,这与邱栋梁[26]的研究结果是一致的,即
Ca能减少叶绿素 a、b和类胡萝卜素含量的下降。 类
胡萝卜素是叶绿体内的天线色素,与光合作用中的
光系统玉(PS玉)和光系统域(PS域)相连结,一方面
阻止激发态叶绿素分子的激发能从反应中心向外传
递,另一方面又能保护叶绿素分子的激发能免遭光
氧化损伤,是单线态氧重要的猝灭剂[27],能够在一
定程度上保护光合机构,调节过剩光能的耗散,减轻
过剩光能对光合机构的破坏。 因此,毛葱叶片在 10
mmol / L外源 Ca处理下保持了较高的类胡萝卜素含
量[25]。 这也是其耐 Cd的一种有效措施。
Cd能使毛葱叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度
(Gs)和蒸腾速率(Tr)持续降低,外源 Ca明显减小了
其降低幅度,使 Pn维持在较高的水平(图 4)。 这可
能是由于 Cd造成毛葱体内矿质营养失衡所致。 Mn
和 Ca都是光合放氧复合物中的重要组成成分。 Mn
是植物必需营养元素,与其体内许多酶的活性和氧
化还原体系有关,并直接参与光合作用[28]。 Mn 含
量的下降而使叶绿体的放氧活性下降,从而抑制了
毛葱的光合效率[26]。 而外源 Ca 能适当提高毛葱的
净光合速率主要是因为 Ca 能提高叶绿体二氯酚吲
哚酚(Dichlorophenol Indophenol, DCPIP)光还原活
性。 在 PS域膜中,每个 PS域含有一个高亲合性及两
个低亲合性的 Ca的结合位点;这些位点上含有 2—3
个结合态 Ca,并且非常靠近 Mn 复合物[29],Ca 能提
高叶绿体 DCPIP 光还原活性可能是因为 Ca促进Mn
簇电子向原初氧化剂传递。 已有研究证明 Ca 的作
用位于 Mn的 S1—S4(不同氧化还原状态的放氧复
合体)状态之后,接近原初氧化剂 Y+,且促进 Y+的还
原[30]。 Handreck[31]认为,Ca 供应过多会引起植物
出现缺 Mg 的症状,这与本文的研究结果是一致的
(表 2)。 肖细元等[27]也指出 Ca 处理显著限制 Mg
的吸收,高钙处理使蜈蚣草羽片中镁浓度含量极低,
几乎为对照处理的一半。 Mg和 Mn一样在植物的光
4711 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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合作用中发挥着重要的作用,Mg 是叶绿素的重要组
成成分,同时 Mg也是催化磷酸化过程酶的关键辅助
因子之一,在磷酸盐的代谢过程中起着重要的作
用[32]。 因此,Mg 的缺乏也可造成植物净光合速率
的显著下降。
在 Cd胁迫下毛葱体内 Zn、Fe 和 Ca 等半径与
Cd相似的离子含量均有所上升,因为 Fe 是植物体
某些酶的组成成分,在氧化还原过程中起着重要的
电子传递作用,而 Zn 与植物蒸腾作用有关,Zn 还参
与植物生长素的形成,促进光合作用和蛋白质合
成[27]。 这些离子与 Cd竞争毛葱细胞表面有限的离
子通道,进而减少毛葱对 Cd的吸收,从而减轻 Cd 毒
害,另一方面,Fe、Zn 含量的增加进一步保证了毛葱
的正常生理,从而有利于毛葱光合作用的提高。 另
外有研究报道,Zn 含量的上升还可能是因为 Zn 与
Ca之间存在共积累关系[33鄄34]。 Cd 胁迫所造成的矿
质营养失衡,影响植物正常的生理代谢[35鄄36],导致植
物生物量下降[37]。 外源 Ca能缓解 Cd 的毒害,因为
Ca与 Cd具有相似的化学性质,是 Cd 吸附位点的主
要竞争者,当溶液中 Ca 和 Cd 同时存在时,Ca 可显
著地降低植物对 Cd 的吸收和积累,从而减轻 Cd 的
毒害。 植物所处环境中的离子的物理性质(化学价、
离子半径)的相似性会影响植物对离子的吸收及分
配,如 Cd能够利用 Ca2+通道被植物运输,运 Fe 载体
也参与 Cd的运输[38鄄40]。 另有研究指出,在 Cd 胁迫
下,外源 Ca使细胞内游离 Ca常常显著增加,以便于
启动特定基因的表达,激活一系列生化反应,从而使
植物适应环境中的胁迫因子[39鄄48]。
4摇 结论
(1)不同浓度外源 Ca 对 Cd 胁迫下的毛葱处理
12 d后,对 Cd胁迫所造成的伤害具有不同程度的缓
解作用。 其中,10 mmol / L 的外源 Ca 对毛葱生长的
缓解作用最为显著。
(2)外源 Ca对 Cd 胁迫下毛葱叶片光合色素含
量的影响。 Cd 胁迫毛葱 12 d 后能导致其叶绿素 a
含量的显著增加,处理组与对照组之间差异显著(P
<0.05)。 不同浓度外源 Ca 对叶绿素 a 的增加幅度
有明显的影响。 1 mmol / L Ca 有效的缓解了 300
滋mol / L Cd处理组毛葱叶片叶绿素 a含量的骤升;10
mmol / L Ca使 10 滋mol / L Cd 处理毛葱叶片叶绿素 a
含量恢复到正常水平。
(3)外源 Ca 对 Cd胁迫下毛葱叶片光合特性的
影响。 Cd 胁迫毛葱 12 d 后,10、100 滋mol / L 和 300
滋mol / L Cd处理毛葱其叶片净光和速率比对照组分
别下降了 24.2%、75.8% 和 85.4%。 外源 Ca 对其下
降幅度有明显的影响。 具体表现为,Ca 浓度为 0.1
mmol / L时对 Cd的毒害无明显缓解作用;当 Ca 浓度
达 1 mmol / L 时可显著缓解 300 滋mol / L Cd 的毒害
(P < 0.05);当外源 Ca浓度高达 10 mmol / L时,比 1
mmol / L有更好的缓解作用,对 100 滋mol / L 和 300
滋mol / L Cd毒害均有明显缓解作用。
(4)Cd处理后毛葱体内 Cd 含量显著增加且与
Cd浓度呈正相关性,但 Cd 在毛葱根系中的积累量
远远高于叶片中的含量。 施加外源 Ca 显著降低了
Cd处理组中毛葱根系和叶片中 Cd 的积累量(P<
0郾 05)。 与外源 Ca 对毛葱根系中 Cd 的积累的影响
一致,毛葱叶片中 Cd 的积累量随着施加外源 Ca 而
明显降低。
(5)Cd 胁迫造成毛葱体内明显的矿质营养失
衡,显著降低毛葱根中 Mg、Mn,叶中 Ca、Mg、Mn、Zn
等元素的含量;却显著增加了毛葱根中 Ca、Fe、Zn,
叶中 Fe元素的含量,扰乱毛葱体内矿质营养的内稳
态;外源 Ca削弱了 Cd 胁迫所造成的矿质元素失衡,
稳定了毛葱体内矿质营养的内稳态。
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7711摇 5期 摇 摇 摇 王巧玲摇 等:外源钙(Ca)对毛葱耐镉(Cd)胁迫能力的影响 摇
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远圆猿员 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 猿源卷摇
叶生态学报曳圆园员源年征订启事
叶生态学报曳是由中国科学技术协会主管袁中国生态学学会尧中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
高级专业学术期刊袁创刊于 员怨愿员年袁报道生态学领域前沿理论和原始创新性研究成果遥 坚持野百花齐放袁百家
争鸣冶的方针袁依靠和团结广大生态学科研工作者袁探索生态学奥秘袁为生态学基础理论研究搭建交流平台袁
促进生态学研究深入发展袁为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务尧为国民经济建设和发展服务遥
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第 猿源卷摇 第 缘期摇 渊圆园员源年 猿月冤
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耘凿蚤贼藻凿 遭赠摇 耘凿蚤贼燥则蚤葬造 遭燥葬则凿 燥枣
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