Cu-Cd复合胁迫对2种萱草生长与抗氧化酶活性的影响

关梦茜，周旭丹，董 然

(吉林农业大学 园艺学院，吉林 长春 130118)

Cu-Cd复合胁迫对2种萱草生长与抗氧化酶活性的影响

关梦茜，周旭丹，董 然

(吉林农业大学 园艺学院，吉林 长春 130118)

【目的】 对金娃娃萱草(HemerocallishybridusStella de Oro)和大花萱草(Hemerocallismiddendorffii)在Cu-Cd复合胁迫条件下的生长及生理特性进行研究,为重金属污染土壤的花卉植物修复提供理论依据。【方法】 以金娃娃萱草和大花萱草多年生分株苗为材料,进行盆栽试验，以不处理植株为对照，探讨不同Cu-Cd复合处理(T1：Cu 100 mg/kg+Cd 0.3 mg/kg，T2：Cu 400 mg/kg+Cd 1 mg/kg，T3：Cu 800 mg/kg+Cd 20 mg/kg，T4：Cu 1 200 mg/kg+Cd 100 mg/kg)和胁迫时间(30，60，90,120 d)下,2种萱草株高、干质量、叶片光合色素含量、净光合速率、蒸腾速率及抗氧化酶(POD、SOD)活性等生理指标的变化。【结果】 T1处理促进了大花萱草的生长，随着Cu-Cd胁迫的继续加剧，其植株高度和生物量下降；与对照相比，Cu-Cd胁迫处理金娃娃萱草植株高度和生物量一直呈下降趋势。与对照相比，大花萱草T1处理SOD活性有所增加，而后随胁迫强度的增加，SOD活性逐渐下降；金娃娃萱草SOD活性一直呈下降趋势；2种萱草POD活性均随Cu-Cd复合含量的增加逐渐上升。金娃娃萱草叶片叶绿素含量随Cu-Cd复合含量的增加而降低，而大花萱草叶片叶绿素含量呈先增加后降低趋势；2种萱草净光合速率和蒸腾速率均呈双峰曲线，峰值出现在10: 00和16: 00。【结论】 大花萱草对Cu-Cd复合胁迫的耐受性较金娃娃萱草强，更有利于对重金属污染土壤的修复。

萱草；Cu-Cd复合胁迫；抗氧化酶；土壤修复

近年来，随着矿产资源的大规模开发，过量的重金属进入到土壤、水体和空气中，使环境污染越来越严重[1]。重金属污染已经成为影响生态系统的主要污染类型[2-3]，且往往是几种重金属的复合作用[4]。复合作用可改变重金属的生物活性或毒性，已引起人们的广泛重视[5-6]。Cd是最常见且危害极大的重金属元素之一，Cu虽是作物生长的必需元素，但在作物体内积累过多也会产生明显的生物学效应[7-8]。萱草(Hemerocallisspp.) 又称金针、忘忧草，为百合科(Liliaceae)萱草属(Hemerocallis)多年生宿根草本花卉。金娃娃萱草(Hemerocallishybridus‘Stella de Oro’)和大花萱草(Hemerocallismiddendorffii)是在萱草基础上经过人工培育的多倍体矮生品种[9]，其花色艳丽，管理粗放，适应性强，耐盐碱、易繁殖[10]，为经济适用型花卉。将Cu、Cd污染的土地转化为可利用土地，对改善生态环境具有重要意义，但对Cu-Cd复合胁迫条件下2种萱草的耐受能力表现如何尚未见报道。本研究采用Cu-Cd复合胁迫处理，测定2种萱草的生长和生理指标，分析其在Cu-Cd复合胁迫下的耐受能力，以期为利用萱草对复合重金属污染进行植物修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为金娃娃萱草和大花萱草多年生分株苗，取自吉林农业大学园林基地附近苗圃。

1.2 方 法

试验在吉林农业大学园林基地温室内进行。2013-05初起苗，分株后选择长势相近的单体苗(株高6～7 cm)，留根5 cm左右，栽植于12 cm(直径)×21 cm(高)的黑色塑料花盆中，正常管理。供试土壤采用V(园土)∶V(草炭)∶V(珍珠岩)=6∶3∶1的花土，每盆装土2 kg(干质量)，每盆定植1株苗，盆下垫托盘。根据土壤环境质量标准(GB 15618-1995)中的重金属二级标准(Cu 100 mg/kg、Cd 0.3 mg/kg)进行梯度设计，同时考虑到污染有继续加剧的可能，因此在试验中对重金属含量上限作适当调整。用人工方法模拟 Cu、Cd 污染土壤，其中Cu和Cd分别以CuSO4·5H2O和CdCl2·2.5H2O形式加入，试验设4个处理，T1：Cu 100 mg/kg+Cd 0.3 mg/kg;T2：Cu 400 mg/kg+Cd 1 mg/kg; T3：Cu 800 mg/kg+Cd 20 mg/kg; T4：Cu 1 200 mg/kg+Cd 100 mg/kg;以不作处理植株为对照(CK)。待植株缓苗稳定后，于2013-06-01将重金属复合溶液一次性注入[11]，与土壤混合均匀。试验期间根据每盆土壤水分状况，不定期浇水，使盆土的持水量保持在80%左右，试验时间为4个月。

1.3 测定项目及方法

(1)株高和叶片数。于2013-07-01开始测定生长指标，每隔30 d测定1次(07-01、08-01、09-01、10-01)，共测定4次，每次每处理取3盆植株，用卷尺测定不同Cu-Cd复合胁迫处理下的株高，并记录每盆叶片数。

(2)生物量。于2013-07-01开始测定生物量，每隔30 d测定1次(07-01、08-01、09-01、10-01)，每处理选取3盆植株，清洗全株，分别将植物地上部和地下部分离，置于80 ℃烘箱中烘干至恒质量，分别测定每株苗地上、地下干质量。

(3)光合日变化。于2013-08月中旬，选择晴朗的天气，利用便携式光合仪(CIRAS-2,PPSystems，美国)，在 08:00-18:00测定植株叶片净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)。每隔 2 h 测定 1 次，共测定6次。每个处理选择长势一致的向阳叶片3片，每片叶片测3次，共9次重复，结果取平均值。

(4)生理指标。试验结束时，采用丙酮法[12]测定叶绿素、类胡萝卜素含量。采用氯化硝基四氮唑蓝法[12]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性；采用愈创木酚法[12]测定过氧化物酶(POD)活性，均重复测定3次，结果取均值。

保健食品备案双轨制、婴幼儿配方乳粉严格注册及监管、特殊医学配方食品参照药品管理……都在推动着特殊食品行业提质增效，为消费者提供更加安全的产品。边振甲表示，在“健康中国”指引下，面对巨大消费市场以及快速变化的时代，中国特殊食品行业在2018年迈入了规范化管理、精细化运作、高质量发展的新阶段。

1.4 数据处理

采用Excel和SPSS 13.0软件对数据进行统计分析，对各个参数在不同Cu-Cd复合胁迫下的差异进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 Cu-Cd复合胁迫对2种萱草生长的影响

4个Cu-Cd复合胁迫处理下，金娃娃萱草的株高和叶片数大多显著低于对照(P<0.05)(表1)，其中T1处理下降幅度最小，T4处理降幅最大。T1处理大花萱草的株高和叶片数略有提高，其中30，60，90和120 d株高分别比对照增加了5.62%，11.16%，9.13%和20.65%，显示Cu 100 mg/kg+Cd 0.3 mg/kg复合胁迫处理有促进大花萱草地上部分生长的作用；T4处理大花萱草的株高显著低于对照(P<0.05)，30,60,90和120 d时株高仅为对照组的78.32%，80.95%，82.51%和75.99%，表明较高含量的Cu-Cd复合胁迫对大花萱草的生长有一定的伤害。

Cu-Cd复合胁迫对2种萱草干质量的影响结果见表2。

表1 Cu-Cd复合胁迫对2种萱草生长的影响Table 1 Effects of Cu-Cd combined stress on growth of Hemerocallis hybridus Stella de Oro and Hemerocallis middendorffii

注：数据为平均值±标准差;同种萱草同列数据后标不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05)。下表同。

Note:Data are average±standard variation.Different lowercase letters show significant difference atP<0.05,the same below.

表2 Cu-Cd复合胁迫对2种萱草干质量的影响Table 2 Effects of Cu-Cd combined stress on dry weights of above-and under-ground parts of Hemerocallis hybridusStella de Oro and Hemerocallis middendorffii g/株

由表2可知，金娃娃萱草地上干质量随Cu-Cd胁迫的加重而下降;大花萱草地上干质量随Cu-Cd胁迫的加重呈先升后降的趋势，表现为T1>CK>T2>T3>T4，与同一胁迫条件下株高的变化趋势基本一致。金娃娃萱草和大花萱草地下部分干质量均随Cu-Cd胁迫的加重呈现下降趋势，其中30，60，90和120 d 时T4处理金娃娃萱草地下部分干质量分别较对照降低了43.52%，61.30%，47.19%和46.33%，大花萱草分别较对照降低了75.63%，75.15%，71.78%和45.20%。

2.2 Cu-Cd复合胁迫对2种萱草光合色素含量的影响

表3 Cu-Cd复合胁迫对2种萱草叶片光合色素含量的影响Table 3 Effects of Cu-Cd combined stress on chlorophyll contents in leaves of Hemerocallis hybridus Stella de Oro and Hemerocallis middendorffii

2.3 Cu-Cd复合胁迫对2种萱草光合指标的影响

由图1和图2可以看出，在Cu-Cd复合胁迫条件下，2种萱草的净光合速率、蒸腾速率日变化趋势相似，均呈“双峰”曲线，第1峰值出现在10:00，谷值出现在14:00(光合午休现象)，第2峰值出现在16:00。由于对午前不断增大的光照强度比较敏感，2种萱草的净光合速率和蒸腾速率均随光照强度的增大而增加，因此第1峰值明显高于第2峰值。随着Cu-Cd复合胁迫程度的加剧，2种萱草的净光合速率和蒸腾速率均下降，但大花萱草T1处理与对照接近；与大花萱草相比，金娃娃萱草净光合速率、蒸腾速率下降较快。2种萱草不同处理同一时间的净光合速率和蒸腾速率的大小依次为: CK>T1>T2>T3>T4。

图1 Cu-Cd复合胁迫对金娃娃萱草(A)和大花萱草(B)叶片净光合速率的影响Fig.1 Effects of Cu-Cd combined stress on photosynthetic rates of Hemerocallis hybridus Stella de Oro (A)and Hemerocallis middendorffii (B)

图2 Cu-Cd复合胁迫对金娃娃萱草(A)和大花萱草(B)叶片蒸腾速率的影响Fig.2 Effects of Cu-Cd combined stress on transpiration rates of Hemerocallis hybridus Stella de Oro (A) and Hemerocallis middendorffii (B)

2.4 Cu-Cd复合胁迫对2种萱草抗氧化酶活性的影响

POD和SOD是植物适应各种逆境胁迫的重要酶类[16]。POD是植物体内最常见的氧化还原酶，能催化有毒物质的氧化分解，是对环境因子十分敏感的一类酶[17]；SOD作为清除植物体内超氧阴离子自由基的主要酶系之一，其活性易受环境中诱导因子的影响[18]。由表4可见，2种萱草各处理叶片的POD活性大多显著高于对照(P<0.05)，呈现随胁迫的加剧而逐渐增大的趋势。随Cu、Cd胁迫程度的加剧，金娃娃萱草SOD活性逐渐降低，表现为CK>T1>T2>T3>T4；而大花萱草SOD活性则呈先升后降的变化趋势，其中T1处理组SOD活性最高，表现为T1>CK>T2>T3>T4。以上结果说明，Cu-Cd复合胁迫并未对金娃娃萱草、大花萱草叶片的保护酶系统造成伤害，且对SOD和POD活性有一定的刺激作用，这在一定程度上反映了金娃娃萱草、大花萱草对Cu-Cd复合胁迫的耐受性。

表4 Cu-Cd复合胁迫对2种萱草抗氧化酶活性的影响Table 4 Effects of Cu-Cd combined stress on POD and SOD activities in leaves of Hemerocallis hybridus Stella de Oro and Hemerocallis middendorffii U/g

3 讨论与结论

Cu对植物而言是一种必需元素，适量的外源Cu能促进植物体内的酶促生理反应，诱导植物细胞有丝分裂，但过量Cu会抑制植物叶片蛋白质的合成，对植物的生长和正常代谢产生不利影响[19-21]。王友保等[22]研究表明，Cu、As复合污染的交互作用会影响大豆种子的萌发与幼苗生长。

本研究结果显示，在Cu 100 mg/kg+Cd 0.3 mg/kg复合胁迫条件下，大花萱草的株高、叶片数、地上部分干质量、叶片叶绿素a和b含量以及SOD、POD活性等指标均高于CK，表明较低含量的Cu-Cd复合胁迫可以刺激其植株生长，这与郭平等[23]对向日葵(Helianthusannuus)幼苗的研究结果相似，其机制有待进一步研究。在Cu-Cd复合胁迫条件下，金娃娃萱草的株高、叶片数、地上部分和地下部分干质量均降低，叶绿素a和b的含量也低于对照，说明在Cu-Cd 复合胁迫下，金娃娃萱草的生长和生理代谢过程受到严重影响。本试验中，随 Cu-Cd复合胁迫的加剧，2种萱草的净光合速率和蒸腾速率均下降，蒸腾速率降低会导致降温、增湿的生态效益降低，净光合速率降低会导致生物量下降。

由以上分析可知，Cu-Cd复合胁迫会抑制金娃娃萱草的生长生理及光合作用和蒸腾作用，破坏植物体内环境的稳定性。试验结果发现，金娃娃萱草和大花萱草在Cu-Cd复合胁迫过程中未出现死亡现象，但过大浓度会影响其长势，说明金娃娃萱草和大花萱草对低浓度Cu-Cd复合胁迫有较强的耐受性，甚至低浓度Cu-Cd复合胁迫可以促进其生长， 这为重金属污染地花卉品种的选择提供了理论依据。2种萱草对Cu-Cd复合胁迫的耐受极限有待进一步研究。

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Effects of Cu-Cd combined pollution on growth and antioxidant enzyme activity of 2Hemerocallisfulvavarieties

GUAN Meng-xi，ZHOU Xu-dan，DONG Ran

(CollegeofHorticulture,JilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118,China)

【Objective】 The study investigated the growth and physiological characteristics ofHemerocallishybridus‘Stella de Oro’ andHemerocallismiddendorffiiunder Cu-Cd combined stress to provide theory basis for phytoremediation of heavy metal contaminated soils. 【Method】 Perennial divided seedlings ofHemerocallishybridus‘Stella de Oro’ andHemerocallismiddendorffiiwere planted in pots to investigate the changes in plant height,dry weight,leaf,photosynthetic rate and transpiration rate and anti-oxidase activity (POD and SOD) and other physiological indexes under different Cu-Cd combined concentrations (T1:Cu 100 mg/kg+Cd 0.3 mg/kg,T2：Cu 400 mg/kg+Cd 1 mg/kg,T3:Cu 800 mg/kg+Cd 20 mg/kg,and T4:Cu 1 200 mg/kg+Cd 100 mg/kg) and stress times (30,60,90,and 120 d) .【Result】 T1 promoted the growth ofHemerocallismiddendorfii,and the height and dry weight decreased as the increase of Cu-Cd stress.The height and dry weight ofHemerocallishybridus‘Stella de Oro’ decreased continuously.T1 increased SOD activity ofHemerocallismiddendorfii,and it decreased with the increase of stress.SOD activity ofHemerocallishybridus‘Stella de Oro’ decreased continuously.POD activities of both varieties increased as the increase of Cu-Cd content.The chlorophyll content ofHemerocallishybridus‘Stella de Oro’ decreased with the increase of Cu-Cd content,while that ofHemerocallismiddendorfiifirstly increased and then decreased.Photosynthetic rates and transpiration rates of both varieties had the shape of bimodal with peaks at 10: 00 am and 16: 00 pm. 【Conclusion】Hemerocallismiddendorfiihad better tolerance against Cu-Cd combined stress thanHemerocallishybridus‘Stella de Oro’,and it was more conducive to remediation of heavy metal polluted soil.

Hemerocallisfulva;Cu-Cd combined stress;anti-oxidation enzyme;soil remediation

2013-11-28

吉林省科学技术厅项目“长白山特种经济植物保护及配套关键技术研究”(20100259)

关梦茜(1990-)，女，吉林长春人，硕士，主要从事园林植物资源与种质创新研究。 E-mail:guanmengmeng1990@163.com

董 然(1966-)，女，吉林长春人，教授，博士，主要从事长白山野生植物的引种驯化研究。 E-mail:Dongr999@163.com

时间:2015-03-12 14:17

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.04.004

X171.5

A

1671-9387(2015)04-0128-07

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150312.1417.004.html