镉对苗期高羊茅的形态和生理影响

范 金，袁庆华

(中国农业科学院北京畜牧兽医研究所，北京100193)

镉(Cadmium)是一种有毒的重金属，对人和动物都有很大的危害。植物从土壤中吸收到镉，会通过食物链的传递而转移到了人和动物体内［1］。土壤中的镉主要有两个来源，即自然和人为。镉在土壤中的人为来源主要包括污水污泥、化肥、矿山冶炼和其他工业废料［2-3］。近年来，随着经济的发展，越来越多的重金属镉被排放到土壤中。有研究报道，土壤中的重金属污染可以通过植物修复的方法解决［4］。在工厂、矿山等镉含量排放多的地方种植耐镉性高的草坪草，不但可以绿化工厂矿区的工作环境，而且可以吸收排放在土壤中的重金属镉。

高羊茅(Festuca arundinacea)是禾本科羊茅属多年生冷季型草，又名苇状羊茅。原产于欧洲西部，在我国新疆、东北中部湿润的地区均有野生［5-6］。因成坪绿度良好、耐践踏性强、抗病抗虫和耐热性好等性状而被广泛应用于各种草坪的建植［7-9］。因此，研究高羊茅的耐镉胁迫生理机制，筛选出耐镉性强的高羊茅材料，有非常重要的实践意义。本研究采用温室盆栽法，用6 个不同浓度的镉溶液对20 份高羊茅材料进行处理，通过形态指标的测定，比较不同浓度的镉胁迫对种子萌发和幼苗生长的影响。对20 份材料进行综合评价，筛选出耐镉性较强的两份材料和耐镉性较弱的两份材料，通过生理指标的测定，比较不同镉浓度对4 份材料的影响，以期为耐镉高羊茅材料的筛选提供重要参考。

1 材料与方法

1．1 试验材料

20 份高羊茅供试材料(表1)全部来源于中国农业科学院北京畜牧兽医研究所。

表1 供试高羊茅材料及其来源Table 1 List of tested materials

1．2 试验方法

试验于2013 年12 月－2014 年4 月在中国农业科学院河北廊坊智能温室中进行，12 月上旬育苗，出苗20 d 后间苗，每盆20 株。镉处理的方法为:将CdSO4·8H2O 制成一定浓度的溶液，再将溶液施入已间苗盆中，使处理后土壤含水率为最大持水量的70%。镉离子浓度设置:0(对照)、10、20、50、100、200 mg·kg－1(风干土重)，每处理设3 个重复。经过30 d 的处理，对各材料的存活率、株高、分蘖数和地上生物量进行测定，并通过上述4 个指标对各材料进行综合评价。处理期间对幼苗进行日常的养护管理［10］。选用过筛后的土壤，将其装入高20 cm、地径15 cm、口径20 cm 的花盆中，每盆装入土壤2 kg。

经过综合评价后，选出耐镉性强的材料和耐镉性弱的材料，分别测量他们的生理指标，过氧化氢酶(CAT)、过氧化酶(POD)、脯氨酸(Pro)和叶绿素的含量，研究镉胁迫下高羊茅的生理反应。

1．3 测定指标及方法

株高:每盆中随即选取5 株幼苗，用卷尺测定其垂直高度;

分蘖数:每盆中随即选取5 株幼苗，查其分蘖数;

存活率:每盆中的存活数/每个花盆中的总数×100%;

地上生物量:烘干法［11］;

CAT 含量:紫外吸收法［12］;

POD 含量:愈创木酚法［13］;

脯氨酸(Pro):酸性印三酮法［14］;

叶绿素:二甲基亚砜法［15-16］;

指标相对值=处理测定值/对照测定值×100。

1．4 数据处理

采用SPSS 19．0 软件对所测数据统计分析，对同一镉胁迫浓度下的20 份材料进行单因素方差分析，采用Duncan 法对各测定数据进行多重比较;并用Excel 2007 制图。

1．4．1 数据标准化 运用隶属函数对各指标进行标准化处理。

式中，Xj表示第j 个综合指标值，Xmax表示第j 个综合指标的最大值，Xmin表示第j 个综合指标的最小值。

1．4．2 权重确定

采用标准差系数法，计算标准差系数，化归一后得到各指标的权重系数。

式中，Vj表示标准差系数，Xij表示第i 个材料的第j个综合指标值表示第j 个综合指标的平均值;Wj表示权重系数。

1．4．3 综合评价值 计算各材料的综合评价值。

式中，D 为各供试材料的综合评价值。

2 结果与分析

2．1 苗期20 份高羊茅材料耐镉性综合评价

2．1．1 镉胁迫对高羊茅材料存活率和株高影响

在镉胁迫下，随着镉浓度的升高，高羊茅材料的相对存活率呈下降的趋势(表2)。从整体上看，镉胁迫对高羊茅相对存活率的影响不是很大。当镉浓度在100 mg·kg－1以下时，所有材料的相对存活率都在85%以上。当镉浓度在200 mg·kg－1时，仍有17 份材料的相对存活率在85%以上;其中，材料M5、M10和M14的相对存活率分别是65．00%、75．00%和75．00%。经过多重比较，当镉浓度在10、20 和100 mg·kg－1时，20 份材料间均无显著差异(P ＞0．05)，当镉浓度在50 mg·kg－1时，材料M11存活率最低，除M11外，其他材料之间无显著差异。当镉浓度在200 mg·kg－1时，材料M5、M10和M14的存活率最低，和其他材料M1、M2、M8、M17和M18存在显著差异(P ＜0．05)，3 份材料间无显著差异。

在镉胁迫下，各高羊茅材料的相对株高随着镉浓度的升高而呈下降的趋势(表2)。不同浓度的镉胁迫对材料的株高有不同程度的影响。当镉浓度为10、20 和50 mg·kg－1时，分别有20、18 和13 份材

料的相对植株高度在85% 以上。当镉浓度100 mg·kg－1时，相对植株高度在85%以上的只有5 份材料;耐镉性表现最好的是材料M19，表现最差的是材料M5。当镉浓度200 mg·kg－1时，所有材料的相对植株高度均在65% ～85%，耐镉性表现最好的是材料M13和M18，表现最差的是材料M4、M5、M9和M14，表现好的材料和表现差的材料之间存在显著差异(P ＜0．05)。

表2 镉胁迫对高羊茅材料存活率和株高的影响Table 2 Effects of different concentrations of Cd on survival rate and plant height

2．1．2 镉胁迫对20 种高羊茅材料分蘖数和地上生物量的影响 在镉处理下，高羊茅的相对分蘖数随着镉浓度的升高呈下降的趋势(表3)。当镉浓度为10 mg·kg－1时，所有供试材料的相对分蘖数均在100%以上，且20 种材料之间不存在显著差异(P ＞0．05)，说明低浓度的镉胁迫促进了高羊茅材料的分蘖。当镉浓度为20 mg·kg－1时，有11 份材料的相对分蘖数在80% 及以上;当镉浓度为50 mg·kg－1时，相对分蘖数在80%以上的只有1 份材料。当镉浓度为100 mg·kg－1时，相对分蘖数的变化在38．31% ～72．70%;当镉浓度为200 mg·kg－1时，相对分蘖数最大的是材料M16，为60．74%，相对分蘖数最小的是材料M5，为32．75%，二者之间存在显著差异(P ＜0．05)。

在镉处理下，高羊茅的相对地上生物量随着镉浓度的升高呈逐渐下降的趋势(表3)。当镉浓度为10、20 和50 mg·kg－1时，相对地上生物量在80%以上的品种分别有18、11 和10 份材料。当镉浓度100 mg· kg－1时，相 对 地 上 生 物 量 在31． 35% ～84．80%。当镉浓度200 mg·kg－1时，耐镉性表现好的有M1、M2和M19，这3 份材料之间无显著差异(P＞0．05);耐镉性表现最差的是M5、M10和M14，这3份材料之间也无显著差异;但是M1、M2、M19与耐镉性差的M5、M10、M14之间存在显著差异(P ＜0．05)。

2．1．3 镉胁迫对20 份高羊茅材料叶组织含水量的影响 在镉胁迫下，高羊茅的相对叶组织含水量随着镉浓度的升高呈逐渐下降的趋势(表4)。当镉浓度为10、20 和50 mg·kg－1时，相对叶组织含水量在70%以上的品种分别有19、13 和11 份材料。当镉浓度100 mg·kg－1时，相对叶组织含水量在38． 15% ～89．95%，相对叶组织含水量最高的是材料M5，最低的是M11，两个材料之间的相对叶组织含水量存在显著差异(P ＜0．05)，说明不同材料之间的叶组织含水量差异较大。当镉浓度为200 mg·kg－1时，相对叶组织含水量高的材料是M5和M16，两份材料之间不存在显著差异(P ＞0．05)，与相对叶组织含水量最低的材料M11之间存在显著差异。

2．1．4 20 份高羊茅材料的综合评价 本试验采用标准差系数赋予权重法对20 份高羊茅材料进行了综合性评价(表5)。综合评价D 值最大的是材料M15，来自美国的猎狗5 ，其次是M8，来自荷兰的巴夫斯，综合评价D 值最小的是M5，来自于荷兰的米斯特拉尔，较小的是M11，来自日本的法恩，其他品种的耐镉性介于两者之间。

2．2 镉胁迫下4 个高羊茅材料的生理反应

2．2．1 镉胁迫对高羊茅酶活性的影响 在5 个不同的镉浓度下，4 份筛选出来的耐镉性强的材料(M15、M8)和耐镉性弱的材料(M5、M11)生理指标的变化表明(图1)，当镉浓度为10 mg·kg－1时，4份高羊茅材料的CAT 含量均显著高于对照(P ＜0．05)。当镉浓度大于10 mg·kg－1时，材料M5的CAT 含量逐渐下降，且其含量均显著小于镉浓度为10 mg·kg－1时的CAT 含量。材料M11的CAT含量随着镉浓度的增加呈先上升后下降的趋势，当镉浓度为20 mg·kg－1时，材料M11的CAT 含量达到最大值。这说明耐镉性较差的材料对重金属镉的反应非常敏感。材料M8随着镉浓度的增加其CAT 含量显著增加。材料M15随着镉浓度的增加其CAT 含量也逐渐增加，但在镉浓度为20、50、100 mg·kg－1时，其CAT 含 量 差 异 不 显 著(P ＞0．05)。

M5和M11的POD 含量随着镉浓度的升高出现先升后降的趋势(图2)。当镉浓度为10 mg·kg－1时，与对照相比，4 份高羊茅材料的POD 活性均显著上升(P ＜0．05)。当镉浓度为20 mg·kg－1时，M5和M11的POD 含量显著高于对照;当镉浓度≥50 mg·kg－1时，M5和M11的POD 含量均显著低于对照。M5的POD 含量在镉浓度为50 和100 mg·kg－1时，两者差异显著。与对照相比，M8和M15的POD 的含量随着镉浓度的增加显著上升。当镉浓度为20 mg·kg－1时，与10 mg·kg－1相比，M8和M15的POD 的含量显著增加;当镉浓度50 mg·kg－1时，与20 mg·kg－1相比，M8和M15的POD 含量差异不显著(P ＞0．05);当镉浓度梯度≥100 mg·kg－1时，与前一梯度的镉浓度相比，M8和M15的POD 含量显著增加。

表3 镉胁迫对高羊茅材料分蘖数和地上生物量的影响Table 3 Effects of different concentrations of Cd on stiller number and above ground biomass

表4 镉胁迫对高羊茅材料叶组织含水量的影响Table 4 Effects of different concentrations of Cd on leaf organization water content

表5 20 份高羊茅材料的隶属函数值和综合评价D 值Table 5 Value of membership function and evaluation D each accessions

图1 镉对高羊茅过氧化氢酶活性的影响Fig．1 Effects of different Cd 2+ concentrations on CAT activity of Festuca arundinacea

图2 镉对高羊茅POD 活性的影响Fig．2 Effects of different Cd 2+ concentrations on POD activity of Festuca arundinacea

2．2．2 镉胁迫下叶绿素的变化 在镉胁迫下，叶绿素a 含量和叶绿素b 含量的变化有相同的趋势，都是随着镉浓度的升高而逐渐降低(图3、图4)。5 个不同的镉浓度梯度下，4 份高羊茅材料的叶绿素a 含量均显著低于其对照(P ＜0．05);且随着镉浓度的增加，每一梯度下的叶绿素a 含量都显著低于其前一梯度下叶绿素a 含量。由此可以看出，镉对耐镉性较强的高羊茅材料M8与M15和耐镉性较差的高羊茅材料M5与M11，其影响都是非常显著的。

当镉浓度为10 mg·kg－1时，材料M5、M11、M15的叶绿素b 含量与其相应对照之间存在显著差异(P ＜0．05)，材料M8的叶绿素b 含量与其对照无显著差异(P ＞0．05)。当镉浓度为20、50、100、200 mg·kg－1时，4 份高羊茅材料的叶绿素b 含量变化明显，且均显著低于对照。随着镉浓度的增加，材料M5每一梯度下的叶绿素b 含量都显著低于其前一梯度下叶绿素b 含量。材料M15在镉浓度为50、100、200 mg·kg－1时，其叶绿素b 含量之间差异不显著。

图3 镉对高羊茅体内叶绿素a 含量的影响Fig．3 Effects of different Cd 2+ concentrations on Chlorophyll a content of Festuca arundinacea

图5 镉对高羊茅体内游离脯氨酸含量的影响Fig．5 Effects of different Cd 2+ concentrations on proline content of Festuca arundinacea

2．2．3 镉对游离脯氨酸含量的影响 当镉浓度为10 mg·kg－1时，4 份高羊茅材料的脯氨酸含量均显著高于其对照(P ＜0．05)(图5)。这说明低浓度的镉即对不同材料的脯氨酸积累有十分明显的影响。在5 个不同的镉浓度梯度下，4 份高羊茅材料的脯氨酸含量均显著高于其对照，且随着镉浓度的增加，每一梯度下的脯氨酸含量均显著高于其前一梯度下的脯氨酸含量。重金属镉对4 份材料脯氨酸含量的影响都十分显著，这说明脯氨酸对重金属镉的反应非常敏感。

3 讨论与结论

植物在重金属镉胁迫下，其耐镉性是一个复杂的过程，耐镉能力的高低是多种代谢的综合表现。运用综合评价法能有效地反映出不同材料的耐镉性。

对于不同的高羊茅材料，随着镉浓度的升高，植物的植株高度和地上生物量呈现不断下降的趋势，这与王小雪［17］的研究结果一致。植物的相对分蘖数呈现下降的趋势，这与李慧芳等［18］的研究结果一致。在高镉浓度下，即镉浓度在100 和200 mg·kg－1时，不同供试材料的相对存活率虽然存在显著差异，但相对存活率依然较高。可见，高浓度的镉溶液对大多数材料的致死率不高。本研究运用标准差系数赋予权重法对20 份高羊茅材料的形态指标进行了耐镉性的综合评价，筛选出耐镉性较强M15(采自美国的猎狗5)和M8(采自荷兰的巴弗斯)，耐镉性较差的材料是M5(采自荷兰的米斯特拉尔)和M11(日本的法恩)。

在植物细胞的正常代谢过程中，活性氧可以通过多种途径产生。生物和非生物胁迫的都可使活性氧的水平升高。当环境胁迫长期作用于植株，使其产生的活性氧超出活性氧清除系统的能力时，就会产生氧化损伤［19］。CAT 属于植物细胞内清除活性氧的一种重要酶。这种酶参与清除过氧化氢的积累和毒害来保持细胞内H2O2的正常水平［20］。CAT的作用是把H2O2分解成水和氧气［21］。POD 定位于胞质、液泡、细胞壁和胞外空间。以愈创木酚作为受体，清除各种生物和非生物胁迫过氧化产生的H2 O2［22］。在镉胁迫下，耐镉性较强的高羊茅材料M15和M8，CAT 及POD 含量呈上升趋势;耐镉性较差的高羊茅材料M5和M11，CAT 及POD 含量呈先上升后下降的趋势。这与陈会等［23］的研究结果一致。

光合作用为植物生长发育提供物质和能量，是植物生长发育的基础［24］。高等植物光合作用对重金属胁迫的反应比其他生理过程更为敏感［25］。因此，光合生理的变化可以衡量植物对重金属的耐受性［26］。Cd 引起高羊茅叶绿素含量降低的原因可能是叶绿体结构功能遭破坏或叶绿素分解，也可能是叶绿素的生物合成受到了抑制［27-28］。叶绿素含量随镉浓度的升高而下降，这与张远兵等［29］的 研 究 结 果 一 致。据 报 道［30］，利 用 水 稻(Oryza sativa)叶片叶绿素含量的变化，可以检测农田的镉污染程度。

植物体内游离脯氨酸含量的增加是植物对逆境胁迫的一种生理生化反应，脯氨酸作为细胞质渗透调节物质，具有稳定生物大分子结构的作用，游离脯氨酸积累可防止植物细胞结构和功能受损伤或降低伤害程度，此外，还具有清除活性氧的功能［28］。随着镉浓度的升高，脯氨酸含量呈现不断上升的趋势，这与李文一等［31］和王晓桐等［32］的研究结果一致。这些生理指标反映了不同高羊茅品种之间对镉胁迫响应的不同，可作为高羊茅品种耐镉性评价的鉴定指标。

［1］ Kirkham M B．Cadmium in plants on polluted soils:Effects of soil factors，hyperaccumulation and amendments［J］．Geoderma，2006，137:19-32．

［2］ Ryan J A，Pahrenhr，Lucas J B．Controlling cadmdumincthe human food chain-A review and rationale based on health effects［J］．Environments，1982，28:251-302．

［3］ Smith S R．A critical review of the bioavailability and impacts of heavy metalsin municipal solid waste composts compared to sewage sludge［J］．Environment International，2009，35，142-156．

［4］ 曲冉，孟伟，李俊生．土壤重金属污染的植物修复［J］．生态学杂志，2008，27(4):626-631．

［5］ 陈宝书．牧草饲料作物栽培学［M］．北京:中国农业出版社，2001:329．

［6］ 张庆峰，徐胜，李建龙．高温胁迫下高羊茅生理生化特性研究［J］．草业科学，2006，23(4):24-26．

［7］ 韩烈保，杨碚，邓菊芬．草坪草种及其品种［M］．北京:中国林业出版社，1999:186-187．

［8］ 郑轶琦，臧国长，王青风．聚乙二醇胁迫对高羊茅种子萌发和幼苗生长的影响［J］．北方园艺，2012(2):70-72．

［9］ 程玲，邱永福，刘兵．PEG 胁迫下高羊茅幼苗几个生理生化指标的变化［J］． 长江大学学报(自然科学版)，2011，8(1):227-231．

［10］ 陆宇，袁庆华．三叶草属牧草苗期耐钴性评价［J］．草原与草坪，2009(1):15-19．

［11］ 杨丽，袁庆华．重金属镉对野生披碱草形态与生理特性的影响［J］．中国草地学报，2013，35(4):25-33．

［12］ 邹琦．植物生理学实验指导［M］．北京:中国农业出版社，2000:166-169．

［13］ 王学奎．植物生理生化试验原理和技术［M］．第二版．北京:高等教育出版社，2010:167-168．

［14］ 李合生，孙群，赵世杰．植物生理生化实验原理和技术［M］．北京:高等教育出版社，2000:134-137．

［15］ 陈振德，傅以彬，邹琦．二甲亚砜和丙酮混合法测定叶绿素含量［J］．山东农业大学学报，1989(2):31-35．

［16］ 胡文玉，王兴理，玄英淑．二甲基亚砜法测定叶绿素含量［J］．辽宁农业科学，1984(1):38-41．

［17］ 王小雪．海滨木槿不同家系对重金属Cd 胁迫的响应［D］重庆:西南大学硕士论文，2012．

［18］ 李慧芳，王瑜，袁庆华．镉胁迫对多年生黑麦草生长及生理特性的影响［J］．中国草地学报，2014，36(4):79-85．

［19］ 杜秀敏，殷文璇，越彦修．植物中活性氧的产生及清除机制［J］．生物工程学报，2007，17(2):121-125．

［20］ 宋关玲，侯文华，刘朝，丁剑峰，王磊，王文彩．镉对西洋菜生长影响的研究［J］．高效化学工程学，2008，22(2):339-343．

［21］ Msttés J M．Effects of antioxidant enzymes in the molecular control of reactive oxygen species toxicology［J］．Toxicology，2000，153(13):83-104．

［22］ 林东，朱诚，孙宗修．镉敏感水稻突变体在镉胁迫下活性氧代谢的变化［J］．环境科学，2006，27(3):561-566．

［23］ 陈会，任艳芳，陈秀兰．镉胁迫下不同耐性水稻植株幼苗生长和抗氧化酶的变化［J］．江西农业大学学报，2012，34(6):1099-1104．

［24］ 邹丽娜，周志宇，颜淑云．盐分胁迫对紫穗槐幼苗生理生化特性的影响［J］．草业学报，2011，20(3):84-90．

［25］ Clijsters H，Vanassche F Inhibition of photosynthesis by heavy metals［J］．Photosynthesis Research，1985，70:31-40．

［26］ 刘俊祥，孙振元，勾萍．镉胁迫下多年生黑麦草的光合生理响应［J］．草业学报，2012，21(3):191-197．

［27］ Truong P N V，Claridge J．Effect s of heavy metalstoxicities on vetiver growth［J］．Vetiver Newsletter，1996，15:32-36．

［28］ Smirnoff N．The role of active oxygen in the response of plants to water deficit and desiccation［J］．New Phytologist，1993，125(1):27-58．

［29］ 张远兵，刘爱荣，禹智辉．9 个高羊茅品种初期生长对镉胁迫的响应［J］．激光生物学报，2011，20(4):510-517．

［30］ 关丽，刘湘南，程承旗．土壤镉污染环境下水稻叶片叶绿素含量监测的高光谱遥感信息参数［J］．光谱学与光谱分析，2009，29(110):2713-2716．

［31］ 李文一，徐卫红，胡小凤． Zn 胁迫对黑麦草幼苗生长、生理生化及Zn 吸收的影响［J］． 农业工程学报，2007，23(5):190-194．

［32］ 王晓桐，柳玉霞，苏旭．高羊茅对重金属镉的抗性分析［J］．中国农学通报，2012，28(4):192-199．