镉胁迫下柳树个无性系生理特性的变化

1、镉胁迫下柳树5个无性系生理特性的变化徐爱春，陈益泰，王树凤，吴天林中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 富阳 摘要：柳树（Salix）以其自己特有的生物学特性，对环境Cd污染具有一定的吸收蓄积能力。以5个金丝柳无性系为材料，用盆栽方法研究了镉胁迫对柳树生理特性的影响，以主成分分析法分析7个生理指标的重要性，并以隶属函数法评价了金丝柳5个无性系镉耐性的强弱。研究结果表明，在10150 mg.kg-1镉胁迫范围内，金丝柳5个无性系生理变化程度不同，但变化规律基本一致。在Cd胁迫下，金丝柳各无性系植株生长受到抑制；叶绿素质量分数降低；叶片细胞膜透性和游离脯氨酸积累量增加，丙二醛和可溶性蛋白质量分

2、数降低。主成分分析表明本试验中选取的5个成分在评价柳树Cd耐性方面有重要作用，它们分别是地径生长率、叶绿素质量分数、MDA质量分数、脯氨酸质量分数和可溶性蛋白质量分数。用隶属函数法以评定金丝柳5个无性系Cd耐性的强弱顺序为4号6号5号7号2号。关键词：镉胁迫；柳树（Salix）；植物生理学；耐性中图分类号：X171.5 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）02-0410-06镉（cadium, Cd）是土壤环境中毒害最为严重的重金属之一，通过多种途径进入土壤，无污染土壤中Cd浓度范围为0.040.32 mol/L1，目前我国土壤受Cd污染非常严重，据报道，我国镉污染严重的土

3、地面积有20万亩，仅污灌区就有11处达到生产“镉米”的程度，因此，治理镉污染土壤迫在眉睫。自从20世纪90 年代以来，植物修复技术成为环境污染治理研究领域的一个前沿性课题。许多工作者研究了植物对重金属Cd的吸收积累，但多以草本植物或农作物为研究对象，由于这些植物植株矮小，地上部生物量小，需要种植很多年才能将污染土壤的Cd修复到安全临界标准。木本植物尤其是高大的乔木对重金属Cd具有明显的吸收和积累作用，它们的生物产量高，不进食物链而对人体产生危害，目前对木本植物吸收Cd已经有了一些研究2-9。柳树是一种落叶乔木，速生树种，适应性强，易繁殖，在美国、德国、英国和瑞典等国家已经作为一种生物能源作物。

4、国内外一些学者也证明了不同柳树品种在吸收、积累以及修复土壤Cd方面具有较大的潜力10-16。而不同柳树品种对Cd的吸收能力不同。本试验以盆栽5个金丝柳无性系，分析了镉处理对杂交柳当年生扦插苗生长、叶绿素、丙二醛、电导率、游离脯氨酸和可溶性蛋白的影响，并通过隶属函数法评价了各无性系镉耐性的强弱，为进一步了解木本植物重金属作用机制及其生化解毒机理、重金属污染土壤的植物修复提供理论依据和植物材料。1 材料与方法材料来自浙江富阳新沙岛金丝柳，采集柳树枝条后马上扦插，生长35 d后移栽到花盆中，移栽30 d后实施Cd处理，Cd采用CdCl22.5H2O配成不同质量分数溶液后加入，试验设5个处理，wCd分

5、别为0、10、50、100和150 mgkg-1（以干土质量计）, 3次重复，每盆4株，试验容器每盆中的干土质量为2.5 kg。土质为中壤土，pH（水土质量比为61）为6.57.0，有机碳质量分数为0.96%，全镉质量分数为0.05 mg.kg-1，有效镉质量分数为0.02 mgkg-1。生长期内各处理浇水、除草措施相同。试验在中国林科院亚林所塑料大棚中进行。在苗木处理前和处理100 d后测定苗高和地径，苗木处理100 d时测定叶绿素、叶片电导率、丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白等生理指标。苗高和地径分别用直尺和游标卡尺测定；叶绿素的测定采用体积分数为80%的丙酮提取法；叶片电导率、丙二醛和脯氨酸的

6、测定依据现代植物生理学实验指南17；可溶性蛋白用考玛斯亮蓝法。2 结果与分析2.1 Cd处理对金丝柳无性系生长发育的影响由表1可知，Cd胁迫抑制了金丝柳幼苗的生长，随着处理浓度的增大，抑制作用增强，不同无性系生长受浓度影响程度不同。 不同无性系之间，5号无性系植株高生长受浓度影响最大，4号无性系受浓度影响最小，在150 mg.kg-1 镉处理时，5号和4号无性系苗高生长百分率分别比对照减少了64.70%和39.09%；表1 Cd处理对金丝柳生理特性的影响Table 1 Effects of cadium on physiological indicators of Salixaureo-pen

7、dula无性系wCd/(mg.kg-1)苗高/%地径/%w(叶绿素)/( mg.g-1)w(MDA)/(g.g-1)电导率w(脯氨酸)/ (mg.g-1）w(可溶性蛋白)/ (mg.kg-1)2016.7110.831.611.081.100.174.181015.918.281.581.211.250.183.545014.907.161.550.901.460.193.2710013.785.501.420.961.700.202.8915011.205.061.280.923.190.272.59405.9117.302.131.000.590.134.67105.5116.902.00

8、0.951.310.134.26505.0715.251.890.921.390.134.181004.1013.021.890.881.710.144.091503.609.641.770.911.880.154.015034.2213.691.801.351.360.143.841023.8013.651.750.951.490.163.705018.4011.451.720.981.490.172.6510017.049.561.630.871.580.212.2315012.088.321.490.832.030.252.196014.8619.801.240.982.080.115.

9、611012.0217.021.221.342.170.125.315011.2615.921.180.932.430.124.7410010.9613.301.120.902.830.134.611508.9112.061.000.812.860.134.277018.2821.651.651.131.870.115.791013.0218.361.381.062.280.134.695016.4511.691.291.002.970.184.2010016.539.421.221.113.000.183.9615010.666.901.101.023.140.203.26注：表中苗高和地茎

10、生长百分率%=（末期测定值-处理前测定值）100/处理前测定值 Cd处理对不同无性系植株地径生长的影响程度不同，7号无性系受浓度影响最大，5号无性系受影响最小，在150 mg.kg-1处理时，7号和5号无性系地径生长百分率分别比对照减少了68.13%和39.23%。2.2 Cd处理对金丝柳无性系叶绿素的影响叶绿素是植物光合作用的主要色素，其质量分数高低直接影响植物正常的光合作用，甚至影响植物正常的新陈代谢。叶绿素质量分数的变化，既可反应植物叶片光合功能的强弱，也可用以表征逆境胁迫下植物组织、器官的衰老状况。Cd处理降低了柳树叶绿素质量分数，随着处理浓度的升高而降低程度越大，wCd在10 mg.

11、kg-1-150 mg.kg-1的范围内，Cd胁迫对叶绿素的影响不显著，在表观颜色上叶片也没有明显变化。不同无性系之间7号无性系受影响最大，5号无性系受影响最小，wCd为150 mg.kg-1时，7号和5号无性系叶绿素总质量分数分别比对照减少了33.17% 和17.01%； 2.3 Cd处理对金丝柳叶片细胞膜透性和丙二醛的影响植物组织受到危害时，细胞膜的结构和功能先受到伤害，细胞膜透性增大，电解质外渗，电导率增大，本试验发现，随着Cd处理质量分数的增加，柳树各无性系叶片电导率增加。wCd为150 mg.kg-1时，4号无性系电导率变化最大，比对照增加了218.64%，6号无性系变化最小比对照增

12、加了37.5%。此结果表明6号无性系细胞膜受害程度最小。MDA是细胞膜质过氧化的产物，已被广泛用作衡量膜脂过氧化损伤的指标，MDA的积累在一定程度上反应了体内自由基的活动状态。本研究发现，Cd处理下，只有2号和6号无性系在wCd为10 mg.kg-1时MDA质量分数比对照略有升高，大多数柳树MDA质量分数降低， 4号、5号和7号无性系在土壤Cd胁迫下，叶片MDA质量分数均低于对照。此结果可能是由于4号、5号和7号无性系在Cd胁迫下，细胞内自由基清除系统或Cd适应性较好。2.4 Cd处理对金丝柳脯氨酸和可溶性蛋白的影响 脯氨酸是植物重要的渗透调节物质，它的积累表现植物对逆境胁迫的适应能力。因此其

13、质量分数的变化可以作为植物对逆境胁迫的一种生理生化指标。本试验中随着Cd质量分数的增大，柳树叶片脯氨酸质量分数增高，这是植物对重金属胁迫的正常生理反应。当植物受到胁迫时，其体内代谢发生变化，脯氨酸氧化受阻，蛋白质合成速度减慢，导致植物体内脯氨酸质量分数升高。这种升高趋势，可以降低水势，维持体内的水分平衡，保持植物的正常生长。本试验还发现，Cd胁迫下，各无性系脯氨酸质量分数增高，变化差异显著，在土壤中镉质量分数为150 mg.kg-1时，7号无性系脯氨酸质量分数比对照增加了81.57%，变化最大；4号无性系比对照增加了19.00%，变化最小。可溶性蛋白是逆境胁迫条件下植物细胞内的渗透调节剂，可溶

14、性蛋白在细胞内的积累对于降低细胞内溶质的渗透势，均衡原生质体内外的渗透度等具有重要作用。本试验结果发现Cd处理下柳树叶片可溶性蛋白降低，随着Cd质量分数的增加，叶片可溶性蛋白质量分数减少，其中在镉质量分数为150 mg.kg-1时7号无性系可溶性蛋白质量分数变化最大，比对照降低了43.70%，4号无性系变化最小，比对照降低了14.13%。本研究结果表明金丝柳体内可溶性蛋白受重金属Cd的影响比较敏感。3 金丝柳Cd耐性评价指标的确定 表2 Cd耐性指标的主成分分析结果Table 2 Result of primary element analysis on cadmium tolerance i

15、ndicators主成分特征向量Y1Y2Y3苗高生长率（X1）-0.32000.38120.7061地径生长率（X2）0.4761-0.09050.5943叶绿素质量分数（X3）-0.2090-0.51040.1531MDA质量分数（X4）-0.06300.5661-0.1301电导率（X5）0.30240.4916-0.0446脯氨酸质量分数（X6）-0.50830.1488-0.2136可溶性蛋白质量分数（X7）0.52290.0402-0.2453特征值3.53852.77230.4553贡献率/%50.549439.60496.5037累计贡献率/%50.549490.1543196.

16、6579 选择评价植物重金属耐性的方法和指标，在理论和实践中都有重要意义。用主成分分析法来选择植物的耐性评价指标是近年来应用较多的方法。本文用株高和地径生长率、叶绿素质量分数、MDA质量分数、电导率、脯氨酸质量分数和可溶性蛋白质量分数7个指标分别进行了主成分分析（表2），在7个指标中获得了2个主成分，第一主成分贡献率占50.549 4%，包含信息（权重指数）为地径生长率（0.476 1）、脯氨酸质量分数（-0.508 3）、可溶性蛋白质量分数（0.522 9）；第二主成分的贡献率为39.604 9%，包含信息（权重指数）为叶绿素质量分数（-0.510 4）、MDA质量分数（0.566 1）。由

17、此可见，地径生长率，、脯氨酸质量分数、可溶性蛋白质量分数、叶绿素质量分数、叶绿素质量分数和MDA质量分数，这5项指标在评价重金属耐性方面是比较重要的。4 运用隶属函数法对各无性系进行比较分析一些测定指标和重金属质量分数的相关性，用隶属函数法综合评定各无性系对重金属的耐性。这是目前应用比较广泛的抗逆性综合评定法，其基本计算方法如下:（1）求出各指标的隶属函数值 如果某一指标与重金属抗性呈现正相关，可用公式:X(u)=(XXmin)/(XmaxXmin) 如果某一指标与重金属抗性呈现负相关，可用公式:X(u)=1(XXmin) /(XmaxXmin)式中，X为某一指标的测定值Xmax为某一指标测定

18、值中的最大值Xmin为某一指标测定值中的最小值（2）计算各指标隶属函数值的平均值()用隶属函数法评定时，其值越大，重金属抗性越强，能比较准确地评定树种或品种间抗性的强弱。本文采用地径生长率、叶绿素质量分数、MDA质量分数、脯氨酸质量分数和可溶性蛋白质量分数5个指标对金丝柳5个无性系的耐重金属Cd的能力进行综合评价和比较研究，结果表明5个无性系耐Cd能力的强弱顺序为4号6号5号7号2号。5 讨论土壤受Cd污染后，影响植物的正常生长、发育，一些生理生化活性也发生改变。Cd在植物体内积累到一定程度，就会产生毒害症状，表现出生长受到抑制、植株矮小、失绿、生物量下降等症状。本研究结果也显示，Cd胁迫抑制

19、了金丝柳植株的生长，降低了叶绿素的合成速度，新生叶片较对照黄而薄，根据叶绿体分离提取法18推断，进入叶绿体的Cd等重金属元素主要是以蛋白质结合态存在，他们可与蛋白质的-SH基（或其他侧链）结合，或取代其中的Fe2+、Zn2+等，直接破坏叶绿体的结构，或使叶绿体酶活性发生变化，进而影响叶绿体的合成。本试验的结果与张小兰等19的结果一致。许多研究表明20-22，植物在重金属胁迫下，叶片膜脂质过氧化作用加剧，膜透性增加，MDA质量分数增高，因此把膜透性和MDA质量分数变化作为膜脂质过氧化作用的指标，本试验发现，Cd 胁迫下柳树叶片电导率增加而MDA质量分数降低，说明细胞膜透性的大小不是引起MDA质量

20、分数变化的唯一原因，这可能与膜上的自由基清除系统以及柳树的重金属胁迫下的适应性有关，其原理有待于进一步研究。表3 5个无性系Cd耐性的隶属函数值及Cd耐性的确定Table 3 Subject function value and establishment of cadmium tolerance on five clones统计因子处理质量分数/(mg.kg-1)无性系24567地径生长率000.59800.26430.829011000.85520.53270.867115000.92350.489710.517110000.96410.520510.502615000.65430.465

21、710.2629叶绿素质量分数00.407010.624400.4563100.454310.671800.2021500.513410.764500.14671000.390910.658400.12601500.364910.640300.1355MDA质量分数00.71080.9351010.5730100.323910.987100.7198501.00000.80390.20590.676501000.63560.94491.00000.868601500.48170.51380.908310脯氨酸质量分数010.29670.558500.05061010.24580.719100.

22、08365010.20960.754300.77301000.88820.1208100.681215010.11000.818900.4949可溶性蛋白质量分数00.17440.425600.907711000.40680.090410.6497500.29670.7321010.74161000.27730.7815010.72691500.19230.8750010.5144平均值0.4445 0.6959 0.5070 0.5260 0.4543 排序51324在逆境胁迫条件下，渗透调节是植物提高自身耐性的一个重要途径，植物体内的渗透调节物质主要是一些有机物如脯氨酸、可溶性蛋白等，这些

23、渗透调节物质质量分数的增加在一定程度上也反映了植物的耐性强弱。在逆境条件下，许多植物体内大量积累脯氨酸，植物脯氨酸质量分数的增加是植物对逆境胁迫的一种生理生化反应，可能具有双重意义：其一是细胞结构和功能遭受伤害的反应，这一点已经被许多研究所证实；其二是植物在逆境下的适应表现，即是防护反应，可作为鉴定植物相对抗性的指标，这时脯氨酸具有多种生理功能，如作为细胞质渗透调节物质、稳定生物大分子结构，降低细胞酸度以及作为能量库调节细胞氧化还原势等。Cd胁迫下植物通过提高体内可溶性蛋白质、脯氨酸质量分数来提高植物对Cd胁迫的适应，体内可溶性蛋白质和脯氨酸质量分数的提高，可以增加细胞渗透势和功能蛋白的数量，

24、有助于维持细胞正常代谢，提高植物抗逆性。也有研究表明，低质量浓度的Cd（20 mg.L-1）小麦幼苗的脯氨酸质量分数增加较小，高质量浓度的Cd（50或100 mg.L-1），则使脯氨酸质量分数增加23 。本试验中，Cd胁迫增加了柳树叶片脯氨酸的积累，且胁迫浓度越高，积累量越多。洪仁远24，李员25等报道Cd能诱导植物可溶性蛋白质量分数增加是植物抵抗Cd毒害的一种解毒机制。本研究中发，Cd胁迫下，柳树叶片可溶性蛋白质量分数下降，与张小兰19、陈国祥等26的研究结果一致，引起此现象的原因可能有两方面：一是Cd2+进入细胞后，促进了蛋白水解酶的活性，加强了原有蛋白质分解；另一方面是Cd2+对蛋白质合

25、成的众多酶系均有毒害和纯化作用，且使蛋白质合成的相关细胞器受到损伤，抑制了新蛋白的合成。尽管利用生理生化指标可以缩短林木耐重金属新品种的选育过程，但生理生化指标与生长及遗传性状的关系还有待于进一步深入研究，因为重金属对植物造成的伤害是多方面的，而植物对重金属胁迫有多方面的防卫机制，细胞清除重金属的毒性涉及多种代谢过程，如金属有机物的合成、金属离子的还原、金属离子的螯合和运输过程（环境细胞间细胞内细胞器）等，只有全面考虑重金属离子在细胞内的活动（如重金属的累积、代谢、对细胞功能的破坏及被螯合和区域化），采用一系列的综合指标才能反映植物的重金属耐性。本文运用主成分分析和隶属函数法，利用植株地径生长

26、率，叶绿素质量分数、丙二醛质量分数、脯氨酸质量分数和可溶性蛋白质量分数综合评定结果认为，这5个指标对反映植物重金属耐性起着非常重要的作用，本试验初步确定金丝柳5个无性系Cd耐性强弱顺序为4号6号5号7号2号。 参考文献：1 WAGNER G J. Accumulation of cadmium in crop plants and its consequences to human healthJ. Advances in Agronomy, 1993, 51: 173-212.2 ALI M B, VAJPAYEE P, TRIPATHI R D, et al. Phytoremediati

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