4 种常见水生鸢尾属植物幼苗的耐铅性评价

薄 伟，王 松，王 晋，康红梅，刘琛彬

（山西农业大学园艺学院, 山西 太原 030031）

重金属污染具有隐蔽性、持续性和不可逆性，会对水体和土壤资源产生严重破坏。随着经济的快速发展，工矿业活动日益增多，铅锌矿资源开采冶炼所产生的含铅(Pb)工业污水、矿渣、尾沙等毒害物质对周边生态环境造成严重污染[1]。值得关注的是，水体中Pb 超标不仅影响水体生态环境，更对人类健康造成严重威胁[2]。Pb 含量在多数重金属矿区严重超标，因此，尽快降低工矿区Pb 对环境的污染，是迫切需要解决的生态环境问题。

Pb 是植物生长发育的非必需元素，但却容易被植物富集，只有累积超过一定阈值时，才会对植物产生负面影响。目前，利用富Pb、耐Pb 型植物修复环境是控制Pb 污染的重要措施之一，加快筛选评价这些植物，充实Pb 植物修复材料库，对开展土壤和水体Pb 污染植物修复具有重要意义[3]。观赏草本植物多应用于城市绿化，其体内富集的Pb 也不会经由食物链进入人体，是理想的Pb 污染植物修复材料。研究者已对垂盆草(Sedum sarmentosum)[4]、紫花苜蓿(Medicago sativa)[5]和黑麦草(Lolium perenne)[6]等植物的耐Pb 性及适应策略进行了研究，但涉及的观赏草本种类仍然有限。

水生鸢尾是鸢尾科鸢尾属(Iris)中为数较少的多年生草本植物，却兼具生长强健、花期长、适应性强、观赏效果好等特点，是城市水体绿化和造景的优良植物素材[7]。从水生鸢尾中筛选富集、转运能力较强的耐Pb 植物种类并用于营造城市水体景观，可实现改善水体Pb 污染和美化环境的目的。为此，采用营养液培养法，测定4 种水生鸢尾Pb 胁迫(1 200 mg·L-1Pb)条件下地上和地下部分的Pb 吸收量，并对其生长指标(形态指标、生物量指标的胁迫指数) 及生理指标(胁迫指数) 进行差异比较及分析，综合评价其耐Pb 性，为水生鸢尾的耐Pb 品种筛选及耐Pb 种质选育奠定理论基础，也为Pb 污染水体修复提供植物资料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以引自江苏的花菖蒲(I. ensatavar.hortensis)、西伯利亚鸢尾(I. sibirica)、玉蝉花(I. ensata)、黄菖蒲(I. spseudacorus)为试材，依次编号1～4，栽培于山西现代园艺科技示范基地。参试材料均为当年从根状茎无性繁殖的幼苗，选取长势一致的新生幼苗待用。

1.2 试验设计

参考施旭丽等[8]的方法，将待用鸢尾根部洗净后，去离子水缓苗培养，待有白色新根长出置于含有1/2 Hoagland 营养液的塑料箱(容积4 L)中预培养，并用具孔泡沫板固定，每个塑料箱栽植同种鸢尾12 株。预培养20 d 后，4 种鸢尾分别设置对照(CK，Pb 浓度为0)和胁迫(PB，Pb 浓度为1 200 mg·L-1)2 个处理组，胁迫组中Pb 以Pb(NO3)2的形式加入，对照组则1/2 Hoagland 营养液继续培养。营养液用气泵加氧，每4 d 更换1 次，室内温度25 ℃。每种鸢尾各处理测定指标分别重复3 次。

1.3 指标测定及方法

胁迫20 d 后，在CK 和PB 组中分别收集各鸢尾幼苗，用直尺测量最长叶长(LL)、叶宽(LW，最长叶最宽处)和最长根长(RL)；分离茎叶和根部，洗净后称量茎叶(SFW)和根(RFW)的鲜质量，烘箱105 ℃杀青1 h，80 ℃烘干至恒重，称取茎叶(SDW) 和根(RDW)的干质量；采用硫代巴比妥酸比色法测定叶片丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量[9]、NBT 光还原法测定叶片超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性[10]、紫外线吸收法测定叶片过氧化氢酶(catalase, CAT)活性[11]，茚三酮比色法、考马斯亮蓝法分别测定叶片脯氨酸(proline, Pro)[12]、可溶性蛋白(soluble protein，SP) 含量[13]；参考田松青等[14]方法，分别选取PB 处理各鸢尾烘干至恒质量的地上部分和地下部分，测定Pb 浓度。

1.4 数据分析

依据各鸢尾地上部分和地下部分的Pb 浓度计算富集系数(BCF)和转运系数(TC)[15]。

BCF= 植株地上部分Pb 浓度/营养液中Pb 浓度；

TC= 植株地上部分Pb 浓度/植株根中Pb 浓度。

基于上述指标的测定值分别计算LL、LW、RL、SFW、RFW、SDW、RDW 及MDA、SOD、CAT、Pro、SP 的胁迫指数。

胁迫指数 = (处理组该指标的测定值/对照组该指标的测定值) × 100%[8]。

隶属函数计算公式如下：

式中：Xj为第j个指标值，U(Xj)为第j个指标的隶属函数值，Xmax和Xmin分别为第j个指标的最大和最小值。

各项指标的权重：

式中：Wj为第j个综合指标在全部指标中的重要程度，Pj为第j个综合指标的贡献率。

水生鸢尾的综合耐Pb 性强弱：

式中：F值表示水生鸢尾在Pb 胁迫下的耐Pb 性综合得分值。

采用SPSS 18.0 软件分别对4 种水生鸢尾的12 个耐Pb 指标进行方差分析(单因素ANOVA)、相关性分析(Pearson)、主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 Pb 在水生鸢尾不同器官的富集和分布

如表1 所列，地上和地下部分富集Pb 最高的水生鸢尾为花菖蒲，吸收Pb 的主要部位在地下部分，远远高于富集在地上部分的Pb 含量。黄菖蒲地下和地上部分Pb 富集量最小，其他水生鸢尾介于两者之间。4 种水生鸢尾BCF 和TC 以花菖蒲最高，分别达到8.12 和0.24，其次为西伯利亚鸢尾(6.30和0.22)，黄菖蒲最低(1.38 和0.06)。

表1 Pb 胁迫后4 种水生鸢尾地上部分和地下部分Pb 富集量和分布情况Table 1 Above and underground Pb concentrations after Pb stress in four aquatic Iris species

2.2 Pb 胁迫下水生鸢尾幼苗生长及生理指标的胁迫指数分析

经1 200 mg·L-1Pb 胁迫后4 种水生鸢尾的7 个生长指标胁迫指数如表2 所列。在Pb 胁迫下，玉蝉花和黄菖蒲的生物量、黄菖蒲的茎叶鲜重和干重、玉蝉花的叶长明显下降，胁迫指数较低。不同鸢尾多数指标的胁迫指数均存在较大差异，叶长胁迫指数为65.72%～96.97%，茎叶鲜质量、干质量的胁迫指数分别在31.01%～92.83%、21.60%～81.67%，根鲜质量、干质量的胁迫指数分别在21.83%～96.95%、49.27%～90.98%，以茎叶、根鲜质量的胁迫指数差异最大，说明参试水生鸢尾的茎叶鲜质量、根鲜质量对Pb 胁迫更为敏感。

表2 Pb 胁迫后4 种水生鸢尾各生长和生理指标的胁迫指数Table 2 Stress indices for different growth and physiological factors in four aquatic Iris species following Pb stress%

如表2 所列，1 200 mg·L-1Pb 胁迫下，黄菖蒲的SOD、CAT 胁迫指数较低，而MDA 的胁迫指数则相对较高，说明Pb 胁迫对其生理代谢造成较大的不利影响；而花菖蒲SOD、SP 和Pro 的胁迫指数较高，MDA 的胁迫指数变化幅度较小，表明Pb 胁迫对其生理代谢的抑制作用相对较弱。

2.3 单项指标相关性分析

相关性分析发现，各指标间均表现出不同程度的相关性(表3)。如，SP 与SOD 显著相关(r= 0.957，P＜ 0.05)，说明SP 与SOD 携带了95.7%的共同信息，需要筛选出既可替代原有指标，又相互独立、信息不重叠的新指标来鉴定水生鸢尾的耐Pb 性。

表3 单项指标相关系数矩阵Table 3 Correlation matrix of all stress indices and physiological factors

2.4 单项指标主成分分析及综合评价

对各耐Pb 指标进行主成分分析，结果如表4 所列，原有12 个指标转变为3 个相互独立的主成分因子(CI1、CI2、CI3)，贡献率分别为55.02%、24.11%、20.87%，主成分CI1中 LL、LW、SFW、RFW、RDW系数较大，这5 个指标均与Pb 胁迫下植物生长状况有关，所以CI1主要表示生长状况综合因子；主成分CI2中对应较大的变量为负向标MDA，反映出Pb 胁迫下植物质膜的受损程度，所以CI2主要表示伤害程度综合因子；RL 在主成分CI3中具有较大载荷，反映出植物可通过调节根系生长，增强从环境中吸收水和养分的能力来耐受Pb 胁迫，因而CI3主要表示耐Pb 能力综合因子。同时LL、LW、SFW、RFW、RDW 在贡献率较高的主成分CI1中系数较大，认为这些指标在一定程度上可作为鉴定水生鸢尾耐Pb 能力的重要指标。

表4 综合指标的系数和贡献率Table 4 Principal component analysis coefficients and cumulative contributions for the different stress indices and physiological factors

如表5 所列，4 种水生鸢尾中，花菖蒲在U(X1)和U(X3)隶属值最高，反映了植株形态和生物量受Pb 胁迫影响较小，对Pb 毒害的耐受力较强；而西伯利亚鸢尾在U(X2)中分值最高，表明Pb 胁迫并未加剧植物细胞膜脂过氧化作用。综合D(X1)、D(X2)和D(X3)，耐Pb 能力最强的水生鸢尾为花菖蒲，西伯利亚鸢尾、黄菖蒲次之，玉蝉花最弱。

表5 鸢尾属植物综合指标值、权重、F 值和综合排序Table 5 Comprehensive index, weight value, F value, and comprehensive ranking of the four Iris species

3 讨论与结论

筛选Pb 富集植物是进行Pb 污染地区植物修复工作的前提。已有许多科研学者对Pb 富集植物进行了筛选分析。如，马蔺(Iris lactea)在尾矿Pb 污染区叶片和根系富集的Pb 含量分别为126.9 和1 725 mg·kg-1[16]。溪荪(I. sanguinea) 在500 mg·L-1Pb 胁迫下，其地上和地下部分Pb 含量仅为671.38 和835.77 mg·kg-1[17]。Panda[18]把地上部分富集Pb 含量大于1 000 mg·kg-1的植物定义为Pb 超积累植物。本研究中，1 200 mg·L-1Pb 胁迫下4 种水生鸢尾地上部分Pb 含量均在1 000 mg·kg-1以上，但富集于根的Pb浓度远高于地上部分，这与前人的研究结果一致[16]。同时，各鸢尾Pb 富集量也表现出较大差异，以花菖蒲地上、地下部分Pb 含量最高，分别达到9 739.24、40 999.05 mg·kg-1，可能是花菖蒲生物量较大，尤其是具有粗壮的根茎，积累了一定的养分，对植株逆境耐性起到重要作用，因而表现出花菖蒲各部分Pb 富集量高于西伯利亚鸢尾、玉蝉花和黄菖蒲的结果[14]。从转运系数来看，花菖蒲、西伯利亚鸢尾转运系数分别为0.24 和0.22，表明这两种水生鸢尾能较快地将富集的Pb 运向地上部，黄菖蒲转运Pb 的能力则相对较差。在工矿区重Pb 污染治理中，结合美化环境，花菖蒲、西伯利亚鸢尾具有一定的应用价值。

近年来，有关Pb 对植物生长发育及生理代谢的影响研究已成为探讨植物逆境适应性的热点之一。粟春青等[19]认为，低浓度Pb 处理会使金花茶(Camellia nitidissima)地上和地下部分生物量增加。Iqbal 等[20]则认为，高浓度Pb 胁迫会引起玉米(Zea mays)营养物质吸收和转运受阻，影响植物长势，导致生物量下降。可见，植物对轻度Pb 胁迫具有一定抵御能力，但随着Pb 浓度的升高，生长受到明显抑制。本研究中，在1 200 mg·L-1Pb 处理下，参试的4 种水生鸢尾幼苗均出现叶和根生长缓慢，生物量下降等受害症状，说明1 200 mg·L-1Pb 胁迫可抑制水生鸢尾幼苗的生长发育，但Pb 对不同鸢尾的毒害作用也存在较大差异，表明4 种水生鸢尾对Pb 胁迫表现出不同的耐受性。

植物在遭受逆境时体内活性氧(ROS)会处于失衡状态，导致ROS 过量积累，氧化逆境又引起MDA含量增加，进一步对机体造成损伤。SOD、CAT 作为ROS 清除酶，可协同作用将超氧阴离子自由基、过氧化氢转变成水，减少ROS 对机体的负面影响[21]。已有研究表明，凤仙花(Impatiens balsamina)可通过调节活性氧清除酶活性，抵御轻度Pb 胁迫对自身的毒害，但1 000～1 500 mg·kg-1高浓度Pb处理的SOD、CAT 活性则显著降低[22]。香根草(Vetiveria zizanioides)酶活性随Pb 浓度增加表现出先升后降的趋势，SOD、CAT 活性在4 mmol·L-1Pb浓度处理下明显下降[23]。与前人研究得出的结果类似，本研究中，1 200 mg·L-1Pb 处理时，黄菖蒲叶片MDA 含量明显增加，SOD、CAT 活性均明显下降。说明在此浓度下机体酶保护系统失活或破坏，过量ROS 致使细胞氧化损伤，导致MDA 含量增加。而其他鸢尾MDA 含量略有增加，证明该浓度内机体细胞受损程度较轻，表现出一定的耐Pb 性。植物受到逆境胁迫时，Pro 能与蛋白质产生水合作用，避免细胞的空间结构被逆境破坏，并可与SP 一起以渗透调节的形式保持细胞结构稳定[24]。黑麦草(Lolium perenne)能通过快速提高Pro 含量，缓解Pb 损伤，但高浓度Pb 胁迫超出了黑麦草忍受极限，Pro 明显下降[25]。相同的研究结果也出现在玉米(Zea mays)的耐Pb 研究中[26]。本研究中，1 200 mg·L-1Pb 胁迫可能调控了花菖蒲相关基因表达，使叶内Pro 和SP 含量明显增加，缓解环境水势下降造成的细胞失水，以保持植株正常生长代谢，这可能是花菖蒲有效抵御Pb 胁迫的机制之一。而玉蝉花、西伯利亚鸢尾的Pro 含量均低于对照，这与毛雪飞等[27]对金银花(Lonicera japonica) Pb 胁迫的研究结果一致。推测是高浓度Pb 影响两种水生鸢尾的细胞内环境，阻碍了Pro 合成所致。

基于多指标进行综合分析可避免单项指标鉴定时的片面性，从而更加全面、准确地鉴定植物的抗逆能力。因此，多数研究学者采用隶属函数分析、主成分分析及聚类分析综合评价植物抗逆性[28-29]。本研究中，运用隶属函数结合主成分分析对参试4 种水生鸢尾耐Pb 性进行综合评价。结果发现，主成分分析将原来12 个单项指标转化成3 个主成分因子，第1 主成分贡献率较高，达到55.02%，其中5 个耐Pb 指标(LL、LW、SFW、RFW、RDW)载荷较大，表明这5 项生长指标能够在一定程度上反映水生鸢尾耐Pb 能力，可作为水生鸢尾耐Pb 性评价的指标。这与施旭丽等[8]得出菊花(Chrysanthemum×morifolium)耐镉性评价的主要指标为SFW、SDW和RFW 等生物量指标的研究结果相似。而这些直观的生长指标也更易应用于评价植物抗逆性的实践中。

综上，参试4 种水生鸢尾Pb 的富集、转运能力及耐Pb 性存在明显差异，初步评价出耐Pb 型水生鸢尾(花菖蒲)和较耐Pb 型水生鸢尾(西伯利亚鸢尾)，这两种水生鸢尾Pb 的富集、转运能力较强，不仅可用于Pb 污染水体的植物修复，也为耐Pb 水生鸢尾品种选育以及后续耐Pb 基因挖掘奠定基础。