全 文 :广 西 植 物 Guihaia Nov.2013,33(6):812-816 http://journal.gxzw.gxib.cn
DOI:10.3969/j.issn.1000G3142.2013.06.017
石贵玉,粱士楚,黄雅丽,等.互花米草幼苗对重金属镉胁迫的生理响应[J].广西植物,2013,33(6):812-816
ShiGY,LiangSC,HuangYL,etal.PhysiologicalresponseofSpartinaalternifloraseedlingstocadmiumstress[J].Guihaia,2013,33(6):812-816
互花米草幼苗对重金属镉胁迫的生理响应
石贵玉1,2,粱士楚1,2,黄雅丽1,韦宇静1,李佳枚1
(1.广西师范大学 生命科学院,广西 桂林541004;2.珍稀濒危动植物生态与
环境保护省部共建教育部 重点实验室;广西 桂林541004)
摘 要:以互花米草为实验材料,通过模拟海水河沙培养实验,研究不同浓度镉胁迫对互花米草生理生化的
影响.结果表明:随着镉浓度的增大,互花米草叶、根生物量逐渐降低,膜透性、丙二醛、SOD、POD酶活性随
着镉浓度的增加而增加,其酶抗性也发挥到最大的程度.随着镉浓度的增加互花米草的光合特性发生较大变
化,净光合速率、胞间CO2和气孔导度都下降和减少.
关键词:镉;互花米草;光合;生理特性
中图分类号:Q948 文献标识码:A 文章编号:1000G3142(2013)06G0812G05
PhysiologicalresponseofSpartinaalterniflora
seedlingstocadmiumstress
SHIGuiGYu1,2,LIANGShiGChu1,2,HUANGYaGLi1,WEIYuGJing1,LIJiaGMei1
(1.CollegeofLifeSciences,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,China;2.KeyLaboratoryofEcologyofRareand
EndangeredSpeciesandEnvironmentalProtection,MinistryofEducation,GuangxiNormalUniversity,Guilin541004,China)
Abstract:ThephysiologicalandbiochemicalresponseofSpartinaalternifloraseedlingstodiferentconcentrationof
Cdinvestigatedbycultivatingthematerialinthesimulatedseawaterandsand.TheresultsshowedthatastheconcenG
trationofCdincreasing,thebiomassofS.alternifloraleavesandrootswasdecreasing,whilethemembranepermeaG
bility,malondialdehyde(MDA),theenzymaticactivityofSODandPODtendedtoreduce,soS.alternifloracould
makethebestofitsselfGresistance.Withtheincreaseoftheconcentrationofcadmium,photosynthesischaracteristic
ofS.alterniflorachangedgreatly.Thenetphotosyntheticrate,intercelularCO2concentration(Ci)andstomatal
conductance(Gs)droppedandreduced.
Keywords:Cd(cadmium);Spartinaalterniflora;photosynthetic;physiologicalcharacteristics
互花米草(Spartinaalterniflora)是大米草的
一种,在我国广西北部湾沿海滩涂均有分布,其具有
耐盐、抗逆性强、适应性广的特点(朱晓佳,2003).
大米草占据沼泽植被和海藻生长地(Wang,2006;
Cottet,2007),从而导致底栖动物和鸟类的饲料来
源受到影响,危害当地物种多样性.但研究报道,互
花米草对生活污水中污染物的去除率在80%以上,
对有机汞有累积作用(许德芝,2002).
近年来,随着江河流域工农业的发展,沿海城市
人口与经济的增长,大量排放的污染物汇集于河口、
海湾区,从而使重金属污染日趋严重,镉是对植物和
人体危害极大的污染重金属.目前对大米草的研究
主要集中在大米草生态特性、功能(许德芝,2002)黄
酮的提取以及多糖的水解及其抗氧化的研究(唐军,
2008),而关于互花米草生理指标、光合参数对镉胁
迫的响应报道尚少.本文从镉污染对互花米草幼苗
收稿日期:2013G05G14 修回日期:2013G09G13
基金项目:广西科学基金北部湾基础研究重大专项(2012jEA50001);国家自然科学基金(30660036)
作者简介:石贵玉(1953G),男,广西百色人,教授,主要从事植物生理生化研究,(EGmail)glshigy@163.com.
几项生理生态指标的影响研究互花米草抗重金属的
能力,为筛选对重金属抗性较强的植物和植物修复
提供科学依据.
1 材料与方法
1.1实验材料
互花米草幼苗(高约15cm,3~4张叶)3月下
旬采于广西北海山口镇沿海滩涂.种于直径15
cm,深度18cm塑料桶的沙基中,每桶种植4株,第
一星期浇自来水使其根系生理状况恢复,第二星期
开始浇含6‰NaCl的Hoagland营养液配制一系列
浓度梯度含镉(Cd)的溶液浇灌(处理浓度为0,0.3,
0.6,1.0,5.0,10mmolLG1),每个浓度3个重复.
每隔4d弃去旧液,更换一次新鲜营养液,浇灌量为
300mL,于自然光下培养.50d后取材测定各项生
理生化指标.
1.2测定项目及方法
1.2.1生理指标测定 生物量测定采用电子天秤称
量法;MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸(TBA)
氧化法;细胞膜透性采用电导仪测定法;POD活性
测定采用张志良(2000)的愈伤木酚法;SOD测定参
照南京建成科技有限公司生产的SOD试剂盒的使
用方法.
1.2.2光合指标测定 利用LIG6400便携式光合测
定仪(LiGcor,Ins.USA)测定其净光合速率(A,
μmolCO2mG2sG1),光强由LIG6400红蓝BLED
光源控制为1000μmolmG2sG1,叶面温度控制在
(28±0.5)℃,大气压为98.35kPa.CO2由LIG6400
注入系统提供并控制在CO2浓度400μmolmG2
sG1.同时提取CO2浓度400μmolmG2sG1时相关
光合参数:叶片气孔导度(Gs)和胞间 CO2浓度
(Ci).实验数据为3次重复.
1.3数据统计分析
试验数据采用SPSS11.0进行数据处理及统计
分析和Excel2003制图.
2 结果与分析
2.1Cd对互花米草生物量的影响
图1为互花米草地上和地下部分生物量的变化
曲线图,反映地上生物量叶在低浓度镉0.3mmol
LG1处理时与对照组相比,略为上升,而后随着镉浓
度的增加,叶生物量迅速下降.根的生物量并未表
现低剂量效应,而是一直在下降,推测镉对互花米草
的伤害,最直接的是根部.
图1 不同浓度镉对互花米草生物量的影响
Fig.1 EfectsofdiferentCdconcentrationson
biomassofSpartinaalterniflora
2.2Cd对互花米草膜透性和丙二醛含量的影响
当植物受到逆境影响时,膜透性增大,所以膜透
性增大与逆境胁迫强度相关,从图2可以看出,随着
镉浓度的增大,互花米草叶片的电导率也在增大,他
们之间成正相关的关系(r=0.874),差异极显著.
说明随着镉浓度的增大互花米草叶片的伤害也在逐
渐增大.
图2 不同镉浓度对互花米草电导率的影响
Fig.2 EfectsofdiferentCdconcentrationson
electricconductivityofS.alterniflora
丙二醛(MDA)是膜脂过氧化作用的产物,会影
响植物的生长发育,所以丙二醛经常用来衡量植物
对逆境反应强弱的指标之一(石贵玉,2007).从图
3看出,在镉胁迫下,根和叶表现出几乎相同的变化
趋势,叶中丙二醛的含量在镉范围0~5mmolLG1
3186期 石贵玉等:互花米草幼苗对重金属镉胁迫的生理响应
内差异不显著(P<0.05),而在10mmolLG1时与
对照组间差异极显著(P<0.01).根中丙二醛含量
与叶相比略有不同,在0.6mmolLG1和1mmol
LG1时与对照组差异不大(P>0.05)、重金属镉浓度
在5mmolLG1和10mmolLG1时与对照组差异极
显著(P<0.01).这可能是重金属镉对互花米草的
影响始于根部,而根部在其耐受的范围内启动自己
的防御机制,来对抗外界逆境的胁迫.
图3 不同浓度镉对互花米草丙二醛含量的影响
Fig.3 EfectsofdiferentCdconcentrationson
MDAcontentsofS.alterniflora
2.3Cd对互花米草SOD、POD活性的影响
图4显示,互花米草根和叶片中POD酶活性对
不同镉浓度的响应变化.随着镉浓度的增大,POD
酶活性也在增大,根和叶中 POD 酶活性都在
5mmolLG1时达到最大值,而在10mmolLG1时
根和叶中的POD酶活性都迅速下降,根中的POD
酶活性除了在10mmolLG1时与对照组相比差异
不显著外(P=0.081>0.05),其他的与对照组相比
都构成了极显著差异(P<0.01).在所有重金属镉
浓度胁迫中,叶中的POD酶活性与对照组都构成
了极显著性差异(P<0.01).
从图5可以看出,叶中SOD酶的活性随着重金
属镉浓度的增加而增加,与对照组P 相比差异极显
著(P<0.01).根中SOD酶活性在0.3~1mmol
LG1时与对照组变化不大,差异不显著(P>0.05),而
5、10 mmolLG1时比对照组升高了 36.5% ﹑
48.5%,差异极显著(P<0.01).
2.4Cd对互花米草光合速率(Pn)的影响
在一定环境条件下,叶片的最大光合速率表示
了叶片的最大光合能力(陆佩玲,2000),是反映植物
生长快慢的重要生理指标.从图6看出,互花米草
图4 不同浓度镉对互花米草POD活性的影响
Fig.4 EfectsofdiferentCdconcentrationson
PODactivitiesofS.alterniflora
图5 不同浓度镉对互花米草SOD活性的影响
Fig.5 EfectsofdiferentCdconcentrationson
SODactivitiesofS.alterniflora
图6 镉浓度对互花米草净光合速率的影响
Fig.6 EfectsofCdconcentrationonPnofS.alterniflora
的净光合速率在镉浓度0.3mmolLG1时稍有提高,
而在0.3mmolLG1浓度后表现为抑制互花米草的
净光合速率.经单因素方差分析,除0.6mmolLG1
418 广 西 植 物 33卷
与对照组差异不显著外(P=0.946),其他与对照组
比差异极显著(P<0.01),从以上分析看,在高镉浓
度胁迫下,互花米草叶片的光合速率受到抑制.
2.5Cd对互花米草胞间CO2(Ci)的影响
胞间CO2浓度(Ci)是植物光合生理生态研究中
经常使用的一个参数.从图7可以看出,在一系列
浓度镉胁迫下,互花米草的胞间CO2表现出一直下
降,在1mmolLG1时达到最小值,仅为对照组的
49.8%.通过单因素方差分析比较(LSD)表明,除
0.3mmolLG1与0.6mmolLG1之外(P=0.324),
各个镉浓度下之间都是差异极显著(P<0.01),相
关性分析得知,镉浓度和胞间CO2的相关系数r=
G7.23,差异极显著P,说明这两变量间存在着极显著
的负相关,即胞间CO2随着镉浓度的升高而降低.
图7 镉浓度对互花米草胞间CO2的影响
Fig.7 EfectsofCdconcentrationonCiofS.alterniflora
2.6Cd对互花米草气孔导度(Gs)的影响
气孔是植物体与外界大气进行气体交换的门
户,是陆地植物不可缺的器官(金路路,2007).从图
8可以看出在一系列浓度镉的胁迫下,互花米草的
气孔导度表现出下降趋势,通过单因素方差分析表
明,除0.3mmolLG1与对照组差异不显著外(P=
0.35)其他的与对照组相比差异极显著(P<0.01),
相关性分析表明,镉浓度和气孔导度的相关系数r
=G7.23,关于相关性的显著性检验,P<0.01差异极
显著,说明这两变量间存在着极显著的负相关,即气
孔导度随着镉浓度的升高而降低.
3 讨论
植物在逆境的胁迫下,由于细胞内活性氧自由
基的积累,导致膜脂过氧化作用,其产物丙二醛
图8 镉浓度对互花米草气孔导度的影响
Fig.8 EfectsofCdconcentrationonGsofS.alterniflora
(MDA)是反映植物在逆境条件下过氧化作用强弱
的一个重要指标.本实验中丙二醛在镉浓度10
mmol/L时达到最大值,这与黄玉山(1997)的报道
一致.正因为互花米草在高镉浓度胁迫下,膜脂过
氧化产物增多,细胞膜透性增大从而干扰了其细胞
的正常新陈代谢,影响植物的生长.超氧化物歧化
酶(SOD)和过氧化物酶(POD)作为保护酶两者共
同对抗逆境胁迫给植物带来的伤害,使植物体内的
活性氧维持在一个相对低的水平(陈宏,2000).本
实验中,超氧化物歧化酶﹑过氧化物酶随着镉浓度
的增大,其值也在增大,根和叶的变化趋势稍有差
别,但是总体趋势是酶活性提高,说明互花米草在高
镉浓度下会最大限度地启动体内的保护酶去清除细
胞内过量的活性氧自由基,以最大限度去对抗和减
缓逆境所带来的伤害,这与李丽霞等(2009)的结果
类似,但超过其最大防御机制后保护酶的含量急速
下降.前人对植物进行镉胁迫研究时,所选用的镉
浓度比本试验选取的浓度要低的多,如宇克莉
(2010)对玉米和烟草幼苗在镉胁迫下的逆境研究.
通过以上逆境生理指标反映,互花米草在高镉浓度
下表现出较大的抗性,可以考虑把它作为重金属污
染严重的滩涂来修复环境.
植物光合效率的高低取决于其对土壤中矿质营
养﹑水分的吸收情况,并且外界的温度,光照也必不
可少(余叔文,1998).在测定互花米草基本光合特
性中,互花米草的净光合速率表现在0.3mmolLG1
达到最大值,这与很多研究者的低剂量促进,高剂量
抑制的结果是一致的.镉对植物光合作用影响的机
制目前研究多集中在光合系统的内在因素上,如周
卫等(1999)的研究证实,Cd对PSⅡ的影响显著性
5186期 石贵玉等:互花米草幼苗对重金属镉胁迫的生理响应
强于PSⅠ.在高镉浓度下,气孔导度减少了,这最
重要的原因是互花米草为了保持细胞内的水分,而
使气孔关闭,从而减少蒸发量,以度过逆境的胁迫来
减少植物的伤害.
本文研究了互花米草在重金属镉胁迫下的一些
逆境指标,初步得出互花米草对镉的忍耐范围大,具
有较大程度的抗性作用,可考虑把它作为重金属污
染严重的滩涂来修复环境,但是相关机理需要更进
一步的研究.
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