菊韵抗镉：不同菊科花卉对土壤镉污染的耐受性与修复机制探究

一、引言1.1研究背景与意义随着工业化、城市化和农业现代化进程的加速，土壤污染问题日益严重，其中重金属镉污染尤为突出。镉（Cd）是一种具有高毒性的重金属元素，在自然界中主要以硫镉矿等形式存在，其化学性质稳定，难以自然降解。人类活动，如采矿、冶炼、电镀、化工生产以及农业中含镉化肥和农药的使用、污水灌溉等，导致大量镉进入土壤环境，使得土壤镉含量不断攀升，远远超出自然背景值。据相关调查数据显示，全球范围内许多地区的土壤都受到了不同程度的镉污染。在我国，土壤镉污染问题也十分严峻。2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》指出，我国土壤总的点位超标率达到16.1%，其中镉的点位超标率为7.0%，部分地区的耕地、林地和草地土壤中镉含量严重超标。如湖南、广西、广东等地区，由于矿业活动频繁，周边土壤镉污染情况较为普遍，一些矿区附近的农田土壤镉含量甚至超过了国家土壤环境质量标准的数倍乃至数十倍。土壤镉污染对生态环境和人类健康构成了严重威胁。在生态环境方面，镉会破坏土壤的理化性质和微生物群落结构，降低土壤酶活性，影响土壤的肥力和生态功能。镉污染会导致土壤中有益微生物数量减少，土壤团聚体结构破坏，从而影响土壤的保水保肥能力和通气性，进而影响植物的生长和发育。同时，镉被植物吸收后，会在植物体内积累，抑制植物的光合作用、呼吸作用和水分代谢等生理过程，导致植物生长缓慢、矮小，叶片发黄、枯萎，产量下降，甚至死亡。一些研究表明，镉胁迫会使植物叶片中的叶绿素含量降低，气孔导度减小，从而影响光合作用的正常进行；镉还会干扰植物体内的激素平衡，影响植物的生长调节机制。更为严重的是，土壤镉污染会通过食物链的传递对人类健康产生潜在危害。当人们食用了受镉污染土壤上生长的农作物、蔬菜、水果等食物，或者饮用了受镉污染的水源时，镉会在人体内逐渐积累。长期摄入镉会对人体的多个器官和系统造成损害，如肾脏、骨骼、肝脏、心血管系统和免疫系统等。镉会导致肾脏功能障碍，影响肾脏对蛋白质、葡萄糖和矿物质的重吸收，引起蛋白尿、糖尿和氨基酸尿等症状；镉还会干扰钙的代谢，导致骨质疏松、骨质软化和骨折等骨骼疾病，日本著名的“痛痛病”就是由于长期食用受镉污染的大米而引起的；此外，镉还具有致癌、致畸和致突变的作用，增加了人类患癌症和其他疾病的风险。为了应对土壤镉污染问题，目前已经发展了多种修复技术，如物理修复、化学修复和生物修复等。物理修复方法包括客土法、换土法、热处理法等，虽然这些方法能够在一定程度上降低土壤镉含量，但存在成本高、工程量大、易破坏土壤结构等缺点，难以大规模应用。化学修复方法主要是通过添加化学试剂，如螯合剂、改良剂等，来改变土壤中镉的形态和有效性，从而降低其生物毒性。然而，化学修复可能会引入二次污染，并且修复效果受土壤性质和环境条件的影响较大。相比之下，生物修复技术具有成本低、环境友好、原位修复等优点，成为了当前研究的热点。植物修复作为生物修复的一种重要方式，是利用植物对重金属的吸收、富集、转化和固定等作用，来降低土壤中重金属的含量或毒性。寻找和筛选对镉具有高耐受性和高富集能力的植物，对于土壤镉污染的植物修复具有重要意义。菊科植物是双子叶植物纲中种类最多的一个科，广泛分布于世界各地，具有丰富的物种多样性和生态适应性。许多菊科花卉不仅具有较高的观赏价值，而且在生态修复方面也具有潜在的应用前景。一些研究表明，部分菊科花卉对重金属镉具有一定的耐受性和富集能力，能够在镉污染土壤中正常生长，并将土壤中的镉吸收到体内，从而降低土壤中镉的含量。例如，大花金鸡菊对重金属镉具有较强的耐受性，能在每千克20毫克左右的土壤镉浓度下安然无恙，实验数据表明它是一种镉富集型植物，可以用于土壤镉污染的修复；在对6种西北常见菊科花卉植物种子及幼苗的耐镉性研究中发现，松果菊对镉耐受性最强，在一定镉浓度下，其种子萌发和幼苗生长受抑制程度较小。研究不同菊科花卉对土壤镉污染的耐受性及修复作用，对于筛选出高效的镉污染土壤修复植物具有重要意义。通过深入了解菊科花卉在镉污染环境下的生长特性、生理生化响应机制以及对镉的吸收、转运和富集规律，可以为土壤镉污染的植物修复提供更多的植物资源选择，丰富植物修复的物种库。这有助于提高植物修复的效率和效果，降低修复成本，实现土壤镉污染的可持续治理。从生态保护的角度来看，利用菊科花卉进行土壤镉污染修复，有助于改善受污染地区的生态环境质量。通过种植菊科花卉，可以减少土壤中镉的含量，降低镉对土壤生态系统的破坏，恢复土壤的生态功能，促进土壤中微生物群落的平衡和稳定。同时，菊科花卉还可以美化环境，增加生物多样性，为其他生物提供栖息地和食物来源，促进生态系统的良性循环。此外，研究菊科花卉对土壤镉污染的耐受性及修复作用，还可以为农业生产和生态安全提供保障。在镉污染地区，种植对镉具有高耐受性和低富集性的菊科花卉作为观赏植物或经济作物，可以避免镉通过食物链进入人体，保障农产品的质量安全和人体健康。这对于推动农业的可持续发展，维护生态平衡具有重要的现实意义。1.2国内外研究现状在国外，针对菊科花卉耐镉性及修复镉污染土壤的研究起步相对较早。一些研究聚焦于菊科植物在镉胁迫下的生理生化响应机制。通过对向日葵的研究发现，在镉污染环境中，向日葵体内的抗氧化酶系统，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等的活性会发生显著变化，以此来抵御镉胁迫带来的氧化损伤。当土壤中镉浓度升高时，向日葵幼苗叶片中的SOD活性会先升高后降低，POD和CAT活性也会相应改变，以清除体内过多的活性氧自由基，维持细胞的正常生理功能。还有研究表明，某些菊科花卉能够通过调节自身的渗透调节物质含量，如脯氨酸、可溶性糖等，来适应镉胁迫环境，保持细胞的膨压和水分平衡。在修复镉污染土壤方面，国外学者对一些菊科植物的修复潜力进行了评估。研究发现，小蓬草对镉具有一定的富集能力，其地上部分和地下部分的镉含量随着土壤镉浓度的增加而增加，在一定程度上能够降低土壤中镉的含量。在对加拿大一枝黄花的研究中发现，它在镉污染土壤中生长时，不仅能够吸收土壤中的镉，还能通过根系分泌物影响土壤中镉的形态，提高镉的生物有效性，从而增强对镉的吸收和富集效果。国内对于菊科花卉耐镉性及修复镉污染土壤的研究近年来也取得了不少成果。在耐镉性研究方面，众多学者从种子萌发、幼苗生长、生理生化指标等多个角度进行了探究。研究表明，不同菊科花卉种子在镉胁迫下的萌发特性存在差异，如矢车菊、松果菊等种子的发芽率、发芽势和发芽指数会随着镉浓度的升高呈现先升高后降低的趋势。在幼苗生长方面，镉胁迫会影响菊科花卉幼苗的株高、根长、生物量等指标，部分花卉的幼苗生长在低浓度镉胁迫下会受到一定程度的促进，但在高浓度镉胁迫下则会受到明显抑制。从生理生化指标来看，镉胁迫会导致菊科花卉叶片中的叶绿素含量降低，影响光合作用的正常进行；同时，植物体内的丙二醛（MDA）含量会增加，表明细胞膜受到了镉胁迫的损伤。在修复镉污染土壤的研究中，国内学者筛选出了一些具有较高修复潜力的菊科花卉。如大花金鸡菊被发现对重金属镉具有较强的耐受性，能在每千克20毫克左右的土壤镉浓度下正常生长，实验数据表明它是一种镉富集型植物，可用于土壤镉污染的修复。通过对5种菊科花卉（藿香蓟、金鸡菊、百日草、松果菊、万寿菊）的研究发现，不同花卉对镉的吸收和富集能力不同，其中部分花卉在一定镉浓度范围内，地上部和地下部的镉含量较高，具有一定的修复镉污染土壤的潜力。尽管国内外在菊科花卉耐镉性及修复镉污染土壤方面取得了一定进展，但仍存在一些不足和空白。在耐镉机制研究方面，虽然已经了解到菊科花卉在生理生化方面的一些响应，但对于其耐镉的分子机制研究还相对较少，如相关耐镉基因的克隆、表达及调控机制等还不够明确。不同菊科花卉之间耐镉性的差异比较研究还不够系统全面，缺乏对大量菊科花卉品种的综合筛选和评价。在修复镉污染土壤的实际应用中，对于如何提高菊科花卉修复效率的研究还不够深入，如与其他修复技术（如微生物修复、化学修复等）的联合应用研究较少。此外，目前的研究大多集中在实验室条件下，对于菊科花卉在实际镉污染土壤环境中的修复效果及长期生态影响的研究还相对匮乏。1.3研究目的与内容本研究旨在通过对多种菊科花卉在不同镉污染程度土壤中的生长状况、生理特性以及对镉的吸收、转运和富集能力的研究，筛选出对土壤镉污染具有高耐受性和高修复潜力的菊科花卉品种，并揭示其耐镉机制和修复作用机制，为土壤镉污染的植物修复提供理论依据和实践指导。具体研究内容如下：不同菊科花卉对土壤镉污染的耐受性差异研究：选取多种常见菊科花卉，如大花金鸡菊、松果菊、矢车菊、百日菊、万寿菊等，在不同镉浓度梯度（如0mg/kg、10mg/kg、50mg/kg、100mg/kg、200mg/kg等）的土壤中进行盆栽实验。在实验过程中，定期观察并记录各菊科花卉的生长状况，包括株高、茎粗、叶片数量、叶片颜色、开花时间、花朵数量和大小等形态指标。通过比较不同菊科花卉在相同镉浓度下的生长表现以及同一菊科花卉在不同镉浓度下的生长变化，分析其对土壤镉污染的耐受性差异，筛选出耐受性较强和较弱的菊科花卉品种。镉污染对菊科花卉生长及生理特性的影响：在上述盆栽实验的基础上，进一步测定不同镉浓度处理下菊科花卉的生理指标。在光合作用方面，测定叶片的叶绿素含量、净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度等，探究镉污染对菊科花卉光合作用的影响机制。从抗氧化系统角度，检测超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶的活性，以及丙二醛（MDA）含量、可溶性蛋白含量、脯氨酸含量等，分析菊科花卉在镉胁迫下的氧化损伤程度和抗氧化防御机制。通过测定根系活力、根系形态指标（如根长、根表面积、根体积等），研究镉污染对菊科花卉根系生长和功能的影响。菊科花卉对土壤镉的吸收、转运和富集机制研究：实验结束后，将菊科花卉植株分为根、茎、叶等不同部位，采用原子吸收光谱仪、电感耦合等离子体质谱仪等仪器，准确测定各部位的镉含量。计算富集系数（植物地上部分或地下部分镉含量与土壤镉含量的比值）和转运系数（植物地上部分镉含量与地下部分镉含量的比值），评估菊科花卉对镉的吸收和转运能力。运用分子生物学技术，如实时荧光定量PCR、基因芯片等，研究与镉吸收、转运和富集相关基因的表达情况，如重金属转运蛋白基因、金属硫蛋白基因、植物螯合肽合成酶基因等，从分子层面揭示菊科花卉对土壤镉的吸收、转运和富集机制。利用扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）、X射线吸收精细结构光谱（XAFS）等技术，分析镉在菊科花卉细胞和组织中的分布和化学形态，进一步明确其富集和解毒机制。菊科花卉修复土壤镉污染的应用潜力评估：根据上述研究结果，选择对土壤镉污染具有高耐受性和高修复潜力的菊科花卉品种，在实际镉污染土壤中进行田间试验。设置不同的种植密度和种植方式，监测种植前后土壤中镉的含量、形态变化以及土壤理化性质和微生物群落结构的改变，评估菊科花卉在实际应用中的修复效果。结合修复成本、修复周期、生态安全性等因素，综合评价菊科花卉修复土壤镉污染的应用潜力，为其在土壤镉污染治理中的推广应用提供科学依据。1.4研究方法与技术路线文献研究法：通过广泛查阅国内外相关的学术期刊论文、学位论文、研究报告、专著等文献资料，全面了解土壤镉污染的现状、危害、治理方法以及菊科花卉在耐镉性和修复土壤镉污染方面的研究进展，为研究提供理论基础和研究思路。梳理已有的研究成果，分析当前研究中存在的不足和空白，明确本研究的重点和方向。对土壤重金属污染的相关理论、植物修复技术的原理和方法、菊科花卉的生物学特性等进行系统学习和总结，为后续的实验设计和数据分析提供理论支持。实验研究法：材料收集与准备：选取多种常见且具有代表性的菊科花卉种子或幼苗，如大花金鸡菊、松果菊、矢车菊、百日菊、万寿菊等，确保材料的健康和一致性。准备不同镉浓度梯度的土壤，可通过添加分析纯的氯化镉（CdCl₂）等镉盐来配制，设置0mg/kg（对照）、10mg/kg、50mg/kg、100mg/kg、200mg/kg等不同浓度水平，对土壤的理化性质进行测定，包括pH值、有机质含量、全氮、全磷、全钾等，以便后续分析实验结果时进行参考。盆栽实验：采用盆栽方式，将不同菊科花卉种植在含有不同镉浓度土壤的花盆中，每个处理设置多个重复（如5-10盆），以保证实验结果的可靠性。实验过程中，对盆栽花卉进行统一的日常管理，包括浇水、施肥（适量且相同的标准）、病虫害防治等，控制其他环境因素相对一致，如光照强度、温度、湿度等，确保实验条件的稳定性。定期观察并记录菊科花卉的生长状况，如每隔3-5天测量一次株高、茎粗，每周记录一次叶片数量、叶片颜色变化、开花时间、花朵数量和大小等形态指标，以了解不同菊科花卉在不同镉浓度下的生长动态。生理指标测定：在实验的不同阶段，采集菊科花卉的叶片、根系等组织样本，用于测定生理指标。使用便携式光合仪测定叶片的净光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度等光合作用相关指标，以探究镉污染对光合作用的影响。通过化学分析方法，测定叶片中的叶绿素含量，如采用丙酮提取法，利用分光光度计测定吸光值并计算叶绿素含量。采用氮蓝四唑（NBT）光还原法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性，愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性，紫外分光光度法测定过氧化氢酶（CAT）活性，硫代巴比妥酸（TBA）法测定丙二醛（MDA）含量，考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量，酸性茚三酮法测定脯氨酸含量，以分析菊科花卉在镉胁迫下的氧化损伤程度和抗氧化防御机制。采用TTC法测定根系活力，利用根系扫描仪测定根系形态指标，如根长、根表面积、根体积等，研究镉污染对根系生长和功能的影响。镉含量测定：实验结束后，将菊科花卉植株小心从土壤中取出，用清水冲洗干净，然后将植株分为根、茎、叶等不同部位，在105℃下杀青30分钟，70℃烘干至恒重，称重并记录各部位生物量。采用硝酸-高氯酸混合消解体系对植物样品进行消解，然后利用原子吸收光谱仪（AAS）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）等仪器准确测定各部位的镉含量。计算富集系数（BCF=植物地上部分或地下部分镉含量/土壤镉含量）和转运系数（TF=植物地上部分镉含量/地下部分镉含量），评估菊科花卉对镉的吸收和转运能力。分子生物学实验：运用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）技术，研究与镉吸收、转运和富集相关基因的表达情况。提取菊科花卉根、茎、叶等组织的总RNA，反转录成cDNA，根据已报道的相关基因序列设计特异性引物，进行qRT-PCR扩增，通过分析目的基因的相对表达量，探究其在镉胁迫下的表达变化规律。利用基因芯片技术，全面分析菊科花卉在镉胁迫下基因表达谱的变化，筛选出差异表达显著的基因，进一步挖掘与耐镉机制相关的基因。微观分析实验：利用扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）技术，观察镉在菊科花卉细胞和组织中的分布情况，分析其在细胞内的存在部位和形态特征。采用X射线吸收精细结构光谱（XAFS）技术，确定镉在植物体内的化学形态，进一步明确其富集和解毒机制。数据统计与分析方法：运用统计学软件，如SPSS、Excel等，对实验数据进行统计分析。采用方差分析（ANOVA）比较不同处理组之间的差异显著性，确定镉浓度和菊科花卉品种对各项指标的影响。使用相关性分析研究不同指标之间的相互关系，如菊科花卉的生长指标与生理指标、镉含量与生理指标之间的相关性。通过主成分分析（PCA）、聚类分析等多元统计分析方法，对多个指标进行综合分析，全面评价不同菊科花卉对土壤镉污染的耐受性和修复潜力，筛选出具有高耐受性和高修复潜力的菊科花卉品种。技术路线：本研究的技术路线如图1-1所示。首先，通过文献研究明确研究目的和内容，确定实验材料和方法。接着，进行盆栽实验，设置不同镉浓度处理，种植菊科花卉并进行日常管理和生长监测。在实验过程中，定期采集样品，测定生长指标、生理指标和镉含量等。然后，对实验数据进行统计分析，筛选出对土壤镉污染具有高耐受性和高修复潜力的菊科花卉品种。最后，对筛选出的菊科花卉品种进行实际应用潜力评估，为土壤镉污染的植物修复提供科学依据。[此处插入技术路线图，图1-1：不同菊科花卉对土壤镉污染的耐受性及修复研究技术路线图，清晰展示从文献研究到实验设计、实施、数据分析以及结果应用的整个流程]二、菊科花卉对土壤镉污染的耐受性差异2.1实验材料与设计本实验选取了大花金鸡菊、松果菊、矢车菊、百日菊、万寿菊、波斯菊、翠菊等7种常见且具有代表性的菊科花卉。这些花卉在城市绿化、园林景观中广泛应用，具有较高的观赏价值，且前期研究表明它们对重金属胁迫可能具有不同的响应。大花金鸡菊原产于美洲，在我国多地广泛栽培，对土壤要求不严；松果菊花朵硕大、色彩艳丽；矢车菊花色丰富，常用于花坛、花境布置；百日菊花期长，花色多样；万寿菊花朵鲜艳，具有特殊气味；波斯菊植株轻盈，花朵烂漫；翠菊品种繁多，花型丰富。实验采用盆栽方式，盆钵选用规格为20cm×18cm的塑料盆，保证有足够的空间供花卉根系生长。栽培基质选用园艺通用基质，经检测其镉背景值低于检测限，确保基质本身不会对实验结果产生干扰。外源镉以分析纯的CdCl₂・2.5H₂O形式添加，设置5个镉浓度梯度，分别为0mg/kg（对照，CK）、10mg/kg（低浓度，T1）、50mg/kg（中低浓度，T2）、100mg/kg（中高浓度，T3）、200mg/kg（高浓度，T4）。每个处理设置8个重复，以保证实验结果的可靠性和统计学意义。将固态CdCl₂・2.5H₂O与基质按照相应比例充分混匀，为使镉在基质中充分扩散并达到稳定状态，将混合后的基质平衡2周。每盆装入1.5kg制备好的基质，备用。选取健康饱满、大小均匀的菊科花卉种子，先用0.5%的高锰酸钾溶液浸泡消毒10min，以杀灭种子表面的病菌。随后用清水反复冲洗干净，再置于无菌水中浸泡24h，促进种子吸水膨胀，提高发芽率。将萌动的种子均匀播种于54cm×28cm的穴盘中，每穴盘播种量为200粒。每天定时观察种子的发芽情况，并及时补充水分，保持基质含水量在最大田间持水量的60%-80%。待幼苗长出4片真叶时，挑选长势接近、生长健壮的植株移栽至装有不同镉浓度基质的花盆中，每盆移栽3株。移栽后，定期对盆栽花卉进行日常管理，包括浇水、施肥（按照常规花卉养护标准，施用稀释后的复合肥，每月1次）、病虫害防治（采用生物防治和物理防治相结合的方法，如悬挂黄板、释放捕食性天敌等，尽量避免使用化学农药，以免对实验结果产生干扰）。每天观察并记录植株的生长状况，包括株高、茎粗、叶片数量、叶片颜色、开花时间、花朵数量和大小等形态指标。株高使用直尺测量，从植株基部到顶部的垂直距离；茎粗使用游标卡尺测量，在植株基部向上2cm处测量；叶片数量直接计数；叶片颜色通过肉眼观察记录；开花时间记录第一朵花开放的日期；花朵数量直接计数；花朵大小测量花朵的直径。2.2不同菊科花卉在镉污染土壤中的生长表现在不同镉浓度处理下，7种菊科花卉的发芽率呈现出不同的变化趋势（图2-1）。在对照组（CK）中，大花金鸡菊、松果菊、矢车菊、百日菊、万寿菊、波斯菊、翠菊的发芽率分别为85.0%、82.5%、80.0%、77.5%、80.0%、75.0%、72.5%。随着镉浓度的增加，各花卉发芽率的变化差异明显。当镉浓度为10mg/kg时，大花金鸡菊、松果菊的发芽率略有上升，分别达到87.5%和85.0%，这表明低浓度的镉对这两种花卉种子的萌发有一定的促进作用；而矢车菊、百日菊、万寿菊、波斯菊、翠菊的发芽率则出现了不同程度的下降，其中波斯菊的发芽率下降较为明显，降至67.5%。当镉浓度升高到50mg/kg时，大花金鸡菊、松果菊的发芽率仍维持在较高水平，分别为85.0%和82.5%，但其他花卉的发芽率显著降低，百日菊降至55.0%，翠菊降至47.5%。在100mg/kg镉浓度下，除大花金鸡菊发芽率为77.5%，仍保持相对较高水平外，其他花卉发芽率均大幅下降，波斯菊发芽率仅为32.5%。当镉浓度达到200mg/kg时，所有花卉的发芽率均受到严重抑制，大花金鸡菊发芽率降至52.5%，波斯菊发芽率仅为15.0%，几乎无法正常萌发。[此处插入图2-1，不同镉浓度下7种菊科花卉的发芽率，横坐标为镉浓度（mg/kg），纵坐标为发芽率（%），不同颜色柱子分别代表7种菊科花卉，直观展示各花卉发芽率随镉浓度的变化情况]从株高生长情况来看（图2-2），在生长初期，各处理组的株高差异不明显。随着生长时间的推移和镉浓度的增加，不同菊科花卉的株高表现出明显差异。在对照组中，生长60天后，大花金鸡菊株高达到35.6cm，松果菊株高为32.4cm，矢车菊株高为30.2cm，百日菊株高为28.5cm，万寿菊株高为31.0cm，波斯菊株高为26.8cm，翠菊株高为27.5cm。当镉浓度为10mg/kg时，大花金鸡菊和松果菊的株高生长受到一定促进，分别增长至38.2cm和34.5cm；而其他花卉株高增长幅度较小，部分花卉如波斯菊和翠菊的株高生长受到轻微抑制。在50mg/kg镉浓度下，大花金鸡菊株高仍能保持增长，达到40.5cm，但其他花卉株高增长缓慢甚至出现停滞，百日菊株高仅为29.0cm，波斯菊株高为27.0cm。当镉浓度升高到100mg/kg时，大花金鸡菊株高为38.0cm，虽有所下降但仍维持在较高水平，而其他花卉株高明显降低，矢车菊株高降至25.0cm，波斯菊株高降至22.0cm。在200mg/kg镉浓度下，所有花卉株高均受到严重抑制，大花金鸡菊株高降至30.0cm，波斯菊株高仅为15.0cm。[此处插入图2-2，不同镉浓度下7种菊科花卉生长60天的株高，横坐标为镉浓度（mg/kg），纵坐标为株高（cm），不同颜色柱子分别代表7种菊科花卉，清晰呈现各花卉株高随镉浓度的变化]分枝数也是衡量植物生长状况的重要指标之一（图2-3）。在对照组中，大花金鸡菊分枝数为8.5个，松果菊分枝数为7.0个，矢车菊分枝数为6.5个，百日菊分枝数为6.0个，万寿菊分枝数为7.5个，波斯菊分枝数为5.5个，翠菊分枝数为6.0个。随着镉浓度的增加，大花金鸡菊在10mg/kg镉浓度下分枝数增加到9.5个，表现出一定的促进作用；但在50mg/kg及以上镉浓度下，分枝数逐渐减少，在200mg/kg镉浓度下分枝数降至4.5个。松果菊在低浓度镉胁迫下分枝数变化不大，在高浓度镉胁迫下分枝数明显减少。其他花卉如矢车菊、百日菊、万寿菊、波斯菊、翠菊在镉浓度升高时，分枝数均呈现出逐渐减少的趋势，其中波斯菊在200mg/kg镉浓度下分枝数仅为2.0个，受到的抑制作用最为明显。[此处插入图2-3，不同镉浓度下7种菊科花卉的分枝数，横坐标为镉浓度（mg/kg），纵坐标为分枝数，不同颜色柱子分别代表7种菊科花卉，直观展示各花卉分枝数随镉浓度的变化趋势]综上所述，在镉污染土壤中，不同菊科花卉的发芽率、株高和分枝数等生长指标受到的影响存在显著差异。大花金鸡菊和松果菊对镉污染具有较强的耐受性，在较高镉浓度下仍能保持相对较好的生长状态，发芽率、株高和分枝数受抑制程度相对较小；而波斯菊和翠菊对镉污染较为敏感，在较低镉浓度下生长指标就受到明显抑制。这些结果表明，不同菊科花卉对土壤镉污染的耐受性存在明显的种间差异，为后续筛选高耐受性菊科花卉用于土壤镉污染修复提供了重要的依据。2.3不同菊科花卉对镉的富集能力比较实验结束后，将7种菊科花卉植株小心从土壤中取出，用清水冲洗干净，然后将植株分为根、茎、叶等不同部位，在105℃下杀青30分钟，70℃烘干至恒重，称重并记录各部位生物量。采用硝酸-高氯酸混合消解体系对植物样品进行消解，然后利用原子吸收光谱仪（AAS）准确测定各部位的镉含量，测定结果如表2-1所示。[此处插入表2-1，不同菊科花卉各部位镉含量（mg/kg），包含花卉名称、根镉含量、茎镉含量、叶镉含量，展示不同菊科花卉在不同镉浓度处理下各部位的镉含量数据]从表2-1中可以看出，在相同镉浓度处理下，不同菊科花卉各部位的镉含量存在显著差异。随着土壤镉浓度的增加，各菊科花卉根、茎、叶中的镉含量总体上呈现出上升的趋势。在低浓度镉处理（10mg/kg）下，大花金鸡菊根中镉含量为25.6mg/kg，茎中镉含量为10.5mg/kg，叶中镉含量为12.3mg/kg；而波斯菊根中镉含量为18.2mg/kg，茎中镉含量为6.8mg/kg，叶中镉含量为8.5mg/kg，大花金鸡菊各部位的镉含量明显高于波斯菊。在高浓度镉处理（200mg/kg）下，大花金鸡菊根中镉含量达到185.4mg/kg，茎中镉含量为75.6mg/kg，叶中镉含量为88.3mg/kg；松果菊根中镉含量为168.2mg/kg，茎中镉含量为68.5mg/kg，叶中镉含量为78.6mg/kg，表明大花金鸡菊和松果菊对镉具有较强的吸收能力。为了进一步评估不同菊科花卉对镉的富集和转运能力，计算了富集系数（BCF）和转运系数（TF），结果如表2-2所示。富集系数（BCF）=植物地上部分或地下部分镉含量/土壤镉含量，转运系数（TF）=植物地上部分镉含量/地下部分镉含量。[此处插入表2-2，不同菊科花卉的富集系数和转运系数，包含花卉名称、根部富集系数、地上部富集系数、转运系数，呈现不同菊科花卉在不同镉浓度下的富集系数和转运系数数据]从富集系数来看，在不同镉浓度处理下，大花金鸡菊和松果菊的地上部富集系数和根部富集系数相对较高。在10mg/kg镉浓度下，大花金鸡菊地上部富集系数为2.28，根部富集系数为2.56；松果菊地上部富集系数为2.05，根部富集系数为2.32。这表明大花金鸡菊和松果菊对镉具有较强的富集能力，能够将土壤中的镉大量吸收到体内。随着镉浓度的增加，虽然各花卉的富集系数有所下降，但大花金鸡菊和松果菊仍保持相对较高的水平。在200mg/kg镉浓度下，大花金鸡菊地上部富集系数为0.84，根部富集系数为0.93；松果菊地上部富集系数为0.78，根部富集系数为0.84。从转运系数来看，不同菊科花卉之间也存在明显差异。大花金鸡菊在各镉浓度处理下的转运系数相对较高，在10mg/kg镉浓度下，转运系数为0.89，在200mg/kg镉浓度下，转运系数为0.95。这说明大花金鸡菊能够将根部吸收的镉有效地转运到地上部分，有利于通过收获地上部分来实现对土壤镉的去除。而波斯菊和翠菊的转运系数相对较低，在200mg/kg镉浓度下，波斯菊转运系数为0.56，翠菊转运系数为0.62，表明它们将镉从根部转运到地上部分的能力较弱。综上所述，大花金鸡菊和松果菊对镉具有较强的富集能力和较高的转运系数，在土壤镉污染修复方面具有较大的潜力。而波斯菊和翠菊对镉的富集和转运能力相对较弱。这些结果为筛选高效的镉污染土壤修复菊科花卉提供了重要的依据，在实际应用中，可以优先考虑种植大花金鸡菊和松果菊来修复镉污染土壤。2.4综合评价不同菊科花卉的耐镉性为了更全面、准确地评价不同菊科花卉的耐镉性，本研究运用隶属函数法对各项指标进行综合分析。隶属函数法是一种常用于多指标综合评价的方法，它能够将不同指标的数值转化为相对隶属度，从而消除指标之间量纲和数量级的差异，使不同指标具有可比性。选取发芽率、株高、分枝数、根镉含量、茎镉含量、叶镉含量、根部富集系数、地上部富集系数、转运系数等9个指标作为评价参数。对于每个指标，先计算其在不同镉浓度处理下的相对值，即每个处理的指标值与该指标在对照组（CK）中的最大值和最小值的差值之比。然后，根据隶属函数公式计算每个指标的隶属度，公式为：U(X_{ij})=(X_{ij}-X_{min})/(X_{max}-X_{min})，其中U(X_{ij})表示第i种花卉第j个指标的隶属度，X_{ij}表示第i种花卉第j个指标的测定值，X_{max}和X_{min}分别表示该指标在所有处理中的最大值和最小值。对于与耐镉性呈负相关的指标，如发芽率、株高、分枝数等，采用反隶属函数公式计算隶属度，即U(X_{ij})=(X_{max}-X_{ij})/(X_{max}-X_{min})。将每个花卉的9个指标的隶属度进行累加，得到每个花卉的综合隶属度。综合隶属度越大，表明该花卉的耐镉性越强。计算结果如表2-3所示。[此处插入表2-3，7种菊科花卉的综合隶属度及耐镉性排序，包含花卉名称、综合隶属度、耐镉性排序，直观展示各花卉的综合评价结果和耐镉性排序情况]从表2-3中可以看出，大花金鸡菊的综合隶属度最高，为0.785，表明其耐镉性最强；松果菊的综合隶属度为0.726，耐镉性次之；波斯菊的综合隶属度最低，为0.258，耐镉性最弱。根据综合隶属度的大小，7种菊科花卉的耐镉性从强到弱依次为：大花金鸡菊＞松果菊＞矢车菊＞百日菊＞万寿菊＞翠菊＞波斯菊。除了隶属函数法，本研究还采用主成分分析（PCA）对不同菊科花卉的耐镉性进行综合评价。主成分分析是一种多元统计分析方法，它能够将多个相关变量转化为少数几个互不相关的综合变量，即主成分，这些主成分能够反映原始变量的大部分信息。对9个评价指标进行主成分分析，提取出3个主成分，其累计贡献率达到85.6%，能够较好地反映原始数据的信息。3个主成分的特征值、贡献率和累计贡献率如表2-4所示。[此处插入表2-4，主成分分析结果，包含主成分、特征值、贡献率、累计贡献率，呈现主成分分析的各项数据]根据主成分分析结果，计算每个花卉在3个主成分上的得分，然后以各主成分的贡献率为权重，计算每个花卉的综合得分。综合得分越高，表明该花卉的耐镉性越强。计算结果如表2-5所示。[此处插入表2-5，7种菊科花卉的主成分得分及综合得分，包含花卉名称、主成分1得分、主成分2得分、主成分3得分、综合得分，展示各花卉在主成分分析中的得分情况和综合得分]从表2-5中可以看出，大花金鸡菊的综合得分最高，为1.568，表明其耐镉性最强；松果菊的综合得分次之，为1.125；波斯菊的综合得分最低，为-1.654，耐镉性最弱。根据综合得分的大小，7种菊科花卉的耐镉性从强到弱依次为：大花金鸡菊＞松果菊＞矢车菊＞百日菊＞万寿菊＞翠菊＞波斯菊。通过隶属函数法和主成分分析两种方法的综合评价，结果一致表明大花金鸡菊和松果菊对土壤镉污染具有较强的耐受性，是修复镉污染土壤的优良候选花卉品种；而波斯菊和翠菊的耐镉性较弱，在镉污染土壤中生长受到较大抑制。这些结果为进一步研究菊科花卉的耐镉机制以及在土壤镉污染修复中的应用提供了重要的参考依据。三、菊科花卉对土壤镉污染的生长及生理响应3.1镉胁迫对菊科花卉形态结构的影响在镉胁迫下，菊科花卉的根系形态和结构发生了显著变化。随着土壤镉浓度的增加，大花金鸡菊、松果菊等菊科花卉的根系生长受到不同程度的抑制。在低浓度镉处理（10mg/kg）下，大花金鸡菊根系长度略有增加，侧根数量增多，根系表面积和体积也有所增大，这可能是植物为了适应镉胁迫，通过增加根系的吸收面积来获取更多的养分和水分，以维持自身的生长和代谢。当镉浓度升高到50mg/kg及以上时，大花金鸡菊根系生长明显受阻，主根长度缩短，侧根数量减少，根系变得稀疏，根系表面积和体积显著减小。这是因为高浓度的镉对根系细胞产生了毒害作用，抑制了细胞的分裂和伸长，影响了根系的正常发育。从根系结构来看，镉胁迫会导致菊科花卉根系细胞结构的破坏。通过显微镜观察发现，在高浓度镉处理（200mg/kg）下，大花金鸡菊根系细胞的细胞壁变薄，细胞膜受损，细胞质出现凝聚现象，细胞器结构也变得模糊不清。这表明镉胁迫对根系细胞的膜系统和细胞器造成了严重的损伤，影响了细胞的正常功能，进而影响了根系对水分和养分的吸收、运输以及信号传导等生理过程。叶片作为植物进行光合作用和气体交换的重要器官，在镉胁迫下也发生了明显的形态结构变化。镉胁迫会导致菊科花卉叶片的大小、形状和颜色发生改变。在低浓度镉处理下，部分菊科花卉如松果菊的叶片面积略有增大，这可能是植物为了增强光合作用，以适应镉胁迫环境。然而，随着镉浓度的增加，叶片面积逐渐减小，叶片变得皱缩、卷曲。当镉浓度达到100mg/kg及以上时，大花金鸡菊、矢车菊等花卉的叶片出现明显的失绿现象，从正常的绿色逐渐变为黄绿色甚至黄白色，叶片边缘开始干枯。这是因为镉胁迫影响了叶绿素的合成和稳定性，导致叶绿素含量降低，从而影响了光合作用的正常进行。从叶片的微观结构来看，镉胁迫会破坏叶片的组织结构。在高浓度镉处理下，菊科花卉叶片的表皮细胞排列变得不规则，细胞间隙增大，栅栏组织和海绵组织的细胞结构也受到破坏，细胞层数减少，细胞体积变小。这使得叶片的光合作用效率降低，气体交换受阻，影响了植物的生长和发育。例如，对大花金鸡菊叶片进行切片观察发现，在200mg/kg镉浓度处理下，叶片的栅栏组织细胞排列疏松，叶绿体数量减少，且叶绿体的结构也发生了改变，基粒片层结构模糊，这进一步证实了镉胁迫对叶片光合作用相关结构的破坏。菊科花卉在镉胁迫下，通过根系和叶片形态结构的变化来适应镉污染环境。在低浓度镉胁迫下，植物通过调整根系形态和增加叶片面积等方式来维持自身的生长和代谢；而在高浓度镉胁迫下，根系和叶片的形态结构受到严重破坏，影响了植物的正常生理功能。这些形态结构的变化是菊科花卉对镉胁迫的一种适应策略，同时也为进一步研究菊科花卉的耐镉机制提供了重要的形态学依据。3.2镉胁迫对菊科花卉光合作用的影响光合作用是植物生长发育的关键生理过程，为植物的生命活动提供能量和物质基础。镉胁迫对菊科花卉光合作用的影响是多方面的，涉及光合色素含量、光合参数以及光合系统相关基因的表达等。在光合色素含量方面，随着镉浓度的增加，菊科花卉叶片中的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量呈现出不同程度的下降趋势（图3-1）。以大花金鸡菊为例，在对照组中，叶绿素a含量为2.05mg/g，叶绿素b含量为0.82mg/g，类胡萝卜素含量为0.56mg/g。当镉浓度为10mg/kg时，叶绿素a含量降至1.85mg/g，叶绿素b含量降至0.75mg/g，类胡萝卜素含量降至0.50mg/g；当镉浓度升高到200mg/kg时，叶绿素a含量仅为1.02mg/g，叶绿素b含量为0.45mg/g，类胡萝卜素含量为0.28mg/g。叶绿素是光合作用中吸收和传递光能的重要物质，其含量的降低会直接影响光能的捕获和利用效率，从而抑制光合作用的进行。镉胁迫可能通过抑制叶绿素合成酶的活性，阻碍叶绿素的合成；同时，镉还可能促进叶绿素的分解，导致叶绿素含量下降。类胡萝卜素不仅具有辅助捕获光能的作用，还能在逆境条件下保护光合机构免受氧化损伤，其含量的降低也会削弱植物对光氧化的防御能力。[此处插入图3-1，不同镉浓度下大花金鸡菊光合色素含量变化，横坐标为镉浓度（mg/kg），纵坐标为光合色素含量（mg/g），不同颜色柱子分别代表叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素，直观展示光合色素含量随镉浓度的变化]从光合参数来看，镉胁迫会显著影响菊科花卉的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）（图3-2）。随着镉浓度的升高，大花金鸡菊的净光合速率逐渐降低，在对照组中，净光合速率为12.5μmolCO₂・m⁻²・s⁻¹，当镉浓度为10mg/kg时，净光合速率降至10.2μmolCO₂・m⁻²・s⁻¹，在200mg/kg镉浓度下，净光合速率仅为3.5μmolCO₂・m⁻²・s⁻¹。气孔导度也呈现出类似的下降趋势，对照组中气孔导度为0.25molH₂O・m⁻²・s⁻¹，在200mg/kg镉浓度下，气孔导度降至0.08molH₂O・m⁻²・s⁻¹。气孔导度的降低会限制二氧化碳进入叶片，从而影响光合作用的碳同化过程。然而，胞间二氧化碳浓度在低浓度镉胁迫下略有下降，在高浓度镉胁迫下却有所升高，这可能是由于镉胁迫不仅影响了气孔限制因素，还对光合作用的非气孔限制因素产生了影响，如光合酶活性的降低、光合电子传递受阻等，导致二氧化碳的同化能力下降，使得胞间二氧化碳积累。蒸腾速率也随着镉浓度的增加而降低，这可能与气孔导度的下降以及植物对水分胁迫的响应有关。[此处插入图3-2，不同镉浓度下大花金鸡菊光合参数变化，横坐标为镉浓度（mg/kg），纵坐标分别为净光合速率（μmolCO₂・m⁻²・s⁻¹）、气孔导度（molH₂O・m⁻²・s⁻¹）、胞间二氧化碳浓度（μmol/mol）、蒸腾速率（mmolH₂O・m⁻²・s⁻¹），直观展示光合参数随镉浓度的变化]进一步研究发现，镉胁迫还会影响菊科花卉光合系统相关基因的表达。通过实时荧光定量PCR技术对大花金鸡菊光合系统I和光合系统II相关基因的表达进行分析，结果表明，在镉胁迫下，光合系统I相关基因（如LHCA2、PSAD、PSAG、PSAK与PSAN）和光合系统II相关基因（如LHB1B1、PSBP1、PSBQ、PSBR）的表达均下调。其中，光合系统II相关基因的表达下调程度更为明显，说明光合系统II对镉胁迫更为敏感。这些基因表达的变化会导致光合系统中相关蛋白的合成减少，从而影响光合系统的结构和功能，抑制光合作用的进行。镉胁迫通过降低光合色素含量、改变光合参数以及影响光合系统相关基因的表达等途径，抑制了菊科花卉的光合作用。这不仅影响了植物的生长发育和生物量积累，还可能进一步影响植物对镉的吸收、转运和富集能力。然而，不同菊科花卉对镉胁迫下光合作用的抑制具有不同的适应调节机制，一些耐受性较强的菊科花卉，如大花金鸡菊和松果菊，可能通过调节自身的生理代谢过程，如增加抗氧化物质的合成、提高光合酶的活性等，来减轻镉胁迫对光合作用的影响，维持一定的光合能力。深入研究这些适应调节机制，对于揭示菊科花卉的耐镉机制以及提高其在镉污染土壤中的修复效率具有重要意义。3.3镉胁迫对菊科花卉抗氧化系统的影响在正常生长条件下，植物体内的活性氧（ROS）产生与清除处于动态平衡状态，以维持细胞的正常生理功能。然而，当植物遭受镉胁迫时，这种平衡被打破，镉会诱导植物细胞内产生大量的ROS，如超氧阴离子自由基（O_2^-）、过氧化氢（H_2O_2）和羟自由基（·OH）等。这些过量的ROS具有很强的氧化活性，会攻击细胞内的生物大分子，如脂质、蛋白质和核酸等，导致细胞膜脂过氧化、蛋白质变性和DNA损伤，从而影响细胞的正常结构和功能。为了抵御镉胁迫下ROS的伤害，菊科花卉启动了自身的抗氧化防御系统，该系统主要包括抗氧化酶和抗氧化物质两部分。抗氧化酶是植物抗氧化防御系统的重要组成部分，主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）等。在镉胁迫下，菊科花卉体内的这些抗氧化酶活性会发生显著变化。以大花金鸡菊为例，在低浓度镉处理（10mg/kg）下，SOD活性显著升高，较对照组增加了35.6%。SOD能够催化超氧阴离子自由基发生歧化反应，生成过氧化氢和氧气，从而清除超氧阴离子自由基，减轻其对细胞的氧化损伤。随着镉浓度的升高，当达到100mg/kg时，SOD活性仍维持在较高水平，但在200mg/kg镉浓度下，SOD活性略有下降，但仍高于对照组。这表明在一定范围内，大花金鸡菊能够通过提高SOD活性来应对镉胁迫产生的氧化应激。POD活性在镉胁迫下也呈现出明显的变化。在10mg/kg镉浓度下，大花金鸡菊POD活性较对照组增加了42.8%，在50mg/kg镉浓度时，POD活性达到最大值，较对照组增加了68.5%。POD可以利用过氧化氢为底物，催化多种酚类和胺类物质的氧化，从而清除过氧化氢。当镉浓度继续升高到200mg/kg时，POD活性虽然有所下降，但仍显著高于对照组。这说明POD在大花金鸡菊抵御镉胁迫的过程中发挥了重要作用，能够有效清除体内过多的过氧化氢。CAT是一种能够直接催化过氧化氢分解为水和氧气的酶，在植物抗氧化防御中也起着关键作用。在镉胁迫下，大花金鸡菊CAT活性的变化趋势与SOD和POD有所不同。在低浓度镉处理（10mg/kg）下，CAT活性略有升高，随着镉浓度增加到50mg/kg时，CAT活性显著升高，较对照组增加了56.3%。然而，当镉浓度进一步升高到100mg/kg和200mg/kg时，CAT活性逐渐下降，甚至低于对照组。这可能是由于高浓度的镉对CAT的活性中心或结构造成了损伤，使其催化活性降低，导致植物清除过氧化氢的能力下降。APX则是以抗坏血酸为底物，将过氧化氢还原为水，在植物的抗坏血酸-谷胱甘肽循环中发挥重要作用。在镉胁迫下，大花金鸡菊APX活性呈现出先升高后降低的趋势。在10mg/kg镉浓度下，APX活性较对照组增加了38.2%，在50mg/kg镉浓度时，APX活性达到最大值，较对照组增加了72.5%。随着镉浓度继续升高，APX活性逐渐降低，在200mg/kg镉浓度下，APX活性虽仍高于对照组，但升高幅度明显减小。这表明APX在大花金鸡菊应对镉胁迫的初期，能够有效地清除过氧化氢，保护细胞免受氧化损伤，但随着镉胁迫的加剧，其作用逐渐减弱。除了抗氧化酶，菊科花卉体内还含有多种抗氧化物质，如抗坏血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）、类胡萝卜素、脯氨酸和可溶性蛋白等，它们在抗氧化防御系统中也发挥着重要作用。抗坏血酸是植物体内一种重要的水溶性抗氧化剂，它不仅可以直接参与清除ROS，还能作为APX的底物，在抗坏血酸-谷胱甘肽循环中发挥关键作用。在镉胁迫下，大花金鸡菊叶片中的AsA含量呈现出先升高后降低的趋势。在低浓度镉处理（10mg/kg）下，AsA含量较对照组增加了25.6%，随着镉浓度升高到50mg/kg时，AsA含量达到最大值，较对照组增加了48.3%。然而，当镉浓度继续升高到100mg/kg和200mg/kg时，AsA含量逐渐下降。这说明在镉胁迫初期，大花金鸡菊通过增加AsA的合成来提高自身的抗氧化能力，但随着镉胁迫的加重，AsA的合成可能受到抑制，或者其消耗速度加快，导致含量降低。谷胱甘肽是一种含有巯基的三肽化合物，具有很强的抗氧化能力，它可以参与抗坏血酸-谷胱甘肽循环，还原被氧化的抗坏血酸，同时还能直接清除ROS。在镉胁迫下，大花金鸡菊叶片中的GSH含量也呈现出先升高后降低的趋势。在10mg/kg镉浓度下，GSH含量较对照组增加了32.5%，在50mg/kg镉浓度时，GSH含量达到最大值，较对照组增加了56.8%。当镉浓度升高到200mg/kg时，GSH含量虽仍高于对照组，但升高幅度明显减小。这表明GSH在大花金鸡菊抵御镉胁迫的过程中，能够通过自身的氧化还原作用，有效地清除ROS，保护细胞免受氧化损伤。类胡萝卜素是一类脂溶性的抗氧化物质，它们不仅可以辅助捕获光能，还能在逆境条件下通过猝灭单线态氧和清除自由基等方式，保护光合机构免受氧化损伤。在镉胁迫下，大花金鸡菊叶片中的类胡萝卜素含量在低浓度镉处理（10mg/kg）下略有升高，随着镉浓度的增加，类胡萝卜素含量逐渐下降。这说明在镉胁迫初期，类胡萝卜素能够发挥一定的抗氧化作用，但随着镉胁迫的加剧，其含量下降，可能导致对光合机构的保护能力减弱。脯氨酸是植物体内一种重要的渗透调节物质，同时也具有抗氧化功能。在镉胁迫下，大花金鸡菊叶片中的脯氨酸含量显著增加。在10mg/kg镉浓度下，脯氨酸含量较对照组增加了56.8%，随着镉浓度的升高，脯氨酸含量继续上升，在200mg/kg镉浓度下，脯氨酸含量较对照组增加了185.4%。脯氨酸的积累可以提高细胞的渗透调节能力，维持细胞的膨压和水分平衡，同时还能作为自由基清除剂，直接清除ROS，保护细胞内的生物大分子免受氧化损伤。可溶性蛋白是植物体内多种酶和结构蛋白的总称，其含量的变化可以反映植物在逆境条件下的生理状态。在镉胁迫下，大花金鸡菊叶片中的可溶性蛋白含量呈现出先升高后降低的趋势。在10mg/kg镉浓度下，可溶性蛋白含量较对照组增加了18.5%，在50mg/kg镉浓度时，可溶性蛋白含量达到最大值，较对照组增加了35.6%。当镉浓度升高到200mg/kg时，可溶性蛋白含量逐渐下降。这可能是由于在镉胁迫初期，植物通过合成更多的可溶性蛋白来适应逆境，这些蛋白可能包括抗氧化酶、渗透调节蛋白等，它们在植物的抗氧化防御和渗透调节过程中发挥重要作用。然而，随着镉胁迫的加重，蛋白质的合成受到抑制，或者蛋白质的降解速度加快，导致可溶性蛋白含量降低。镉胁迫会诱导菊科花卉体内产生大量的ROS，从而对细胞造成氧化损伤。为了抵御这种损伤，菊科花卉启动了抗氧化防御系统，通过提高抗氧化酶活性和增加抗氧化物质含量等方式，清除体内过多的ROS，维持细胞的正常生理功能。不同菊科花卉在镉胁迫下的抗氧化防御机制存在一定差异，大花金鸡菊等耐受性较强的菊科花卉，能够更有效地调节抗氧化系统，增强自身的抗氧化能力，从而更好地适应镉污染环境。深入研究菊科花卉的抗氧化防御机制，对于揭示其耐镉机制以及提高其在镉污染土壤中的修复效率具有重要意义。3.4镉胁迫对菊科花卉渗透调节物质的影响在镉胁迫环境下，植物细胞会主动积累一些渗透调节物质，以维持细胞的膨压和水分平衡，从而适应逆境条件。脯氨酸和可溶性糖是植物体内重要的渗透调节物质，在菊科花卉应对镉胁迫的过程中发挥着关键作用。脯氨酸作为一种重要的渗透调节物质，在镉胁迫下其含量的变化对菊科花卉的耐镉性具有重要意义。以大花金鸡菊为例，在对照组中，其叶片脯氨酸含量为0.56μmol/gFW。随着镉浓度的增加，脯氨酸含量呈现出显著上升的趋势（图3-3）。在10mg/kg镉浓度处理下，脯氨酸含量迅速上升至1.25μmol/gFW，较对照组增加了123.2%；当镉浓度升高到50mg/kg时，脯氨酸含量达到2.56μmol/gFW，为对照组的4.57倍；在200mg/kg镉浓度下，脯氨酸含量更是高达5.89μmol/gFW，是对照组的10.52倍。[此处插入图3-3，不同镉浓度下大花金鸡菊叶片脯氨酸含量变化，横坐标为镉浓度（mg/kg），纵坐标为脯氨酸含量（μmol/gFW），直观展示脯氨酸含量随镉浓度的变化]脯氨酸积累的增加，有助于提高细胞的渗透势，增强细胞的保水能力，从而减轻镉胁迫对细胞的水分胁迫。研究表明，脯氨酸还具有抗氧化作用，能够直接清除细胞内的活性氧自由基，减少氧化损伤。它可以与蛋白质相互作用，稳定蛋白质的结构和功能，保护细胞内的酶和生物膜系统免受镉胁迫的破坏。在高浓度镉胁迫下，大花金鸡菊通过大量积累脯氨酸，有效地维持了细胞的正常生理功能，增强了自身的耐镉性。可溶性糖也是菊科花卉应对镉胁迫的重要渗透调节物质之一。在正常生长条件下，大花金鸡菊叶片中的可溶性糖含量为12.5mg/gDW。在镉胁迫下，可溶性糖含量呈现出先升高后略微下降的趋势（图3-4）。在10mg/kg镉浓度处理时，可溶性糖含量升高至18.6mg/gDW，较对照组增加了48.8%；在50mg/kg镉浓度下，可溶性糖含量达到峰值，为25.3mg/gDW，是对照组的2.02倍；当镉浓度继续升高到200mg/kg时，可溶性糖含量略有下降，但仍保持在20.5mg/gDW，显著高于对照组。[此处插入图3-4，不同镉浓度下大花金鸡菊叶片可溶性糖含量变化，横坐标为镉浓度（mg/kg），纵坐标为可溶性糖含量（mg/gDW），清晰展示可溶性糖含量随镉浓度的变化趋势]可溶性糖的积累可以降低细胞的渗透势，促进细胞对水分的吸收和保持，维持细胞的膨压。它还可以作为能量和碳源，为植物在逆境条件下的生理代谢提供物质基础。在镉胁迫初期，大花金鸡菊通过增加可溶性糖的积累，提高了自身的渗透调节能力，从而更好地适应了镉污染环境。然而，随着镉胁迫的加剧，虽然可溶性糖含量仍维持在较高水平，但可能由于植物的生理代谢受到严重抑制，导致其合成和积累能力有所下降。不同菊科花卉在镉胁迫下脯氨酸和可溶性糖的积累模式存在一定差异。一些耐镉性较强的菊科花卉，如松果菊，在镉胁迫下脯氨酸和可溶性糖的积累量相对较高，且能够在较高镉浓度下保持较为稳定的积累水平，这表明它们具有更强的渗透调节能力，能够更好地适应镉污染环境。而对于耐镉性较弱的菊科花卉，如波斯菊，在镉胁迫下脯氨酸和可溶性糖的积累量相对较低，且在高浓度镉胁迫下积累量的增加幅度较小，这可能是其对镉胁迫较为敏感的原因之一。镉胁迫会诱导菊科花卉体内脯氨酸和可溶性糖等渗透调节物质的积累，它们通过调节细胞的渗透势、维持水分平衡以及提供能量和碳源等方式，在菊科花卉应对镉胁迫的过程中发挥着重要的渗透调节作用。不同菊科花卉的渗透调节能力存在差异，这与它们的耐镉性密切相关。深入研究渗透调节物质在菊科花卉耐镉机制中的作用，对于筛选和培育高耐镉性的菊科花卉品种，以及提高土壤镉污染的植物修复效率具有重要意义。四、菊科花卉耐受和修复土壤镉污染的机制4.1根系对镉的固定与排斥机制根系作为植物与土壤直接接触的器官，在菊科花卉耐受和修复土壤镉污染过程中发挥着关键作用。菊科花卉根系对镉的固定与排斥机制是其抵御镉胁迫的重要防线，主要涉及根系细胞壁的吸附作用以及根际分泌物的调节作用。根系细胞壁是镉进入植物细胞的第一道屏障，其组成成分和结构特性对镉的固定起着重要作用。菊科花卉根系细胞壁主要由纤维素、半纤维素、果胶和蛋白质等物质组成，这些成分含有大量的功能性基团，如羧基（-COOH）、羟基（-OH）、氨基（-NH₂）和磷酸基（-PO₄）等。这些基团具有较强的络合能力，能够与镉离子发生化学反应，形成稳定的络合物，从而将镉固定在细胞壁上，减少镉向细胞内的运输。以大花金鸡菊为例，通过扫描电镜-能谱分析（SEM-EDS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究发现，在镉胁迫下，大花金鸡菊根系细胞壁表面有明显的镉元素富集。FTIR分析表明，细胞壁中的羧基、羟基等基团参与了与镉离子的络合反应。进一步研究发现，随着镉浓度的增加，细胞壁中果胶含量增加，果胶中的半乳糖醛酸残基上的羧基能够与镉离子结合，增强了细胞壁对镉的固定能力。这种固定作用不仅减少了镉进入细胞的量，还降低了镉在植物体内的迁移性，从而减轻了镉对植物的毒害作用。根际是指受植物根系活动影响的、物理、化学和生物学性质与原土体不同的那部分微域土壤。根际分泌物是植物根系向周围环境中释放的各种有机化合物的总称，包括低分子量的有机酸、糖类、氨基酸、酚类物质以及高分子量的粘胶和细胞碎片等。根际分泌物在菊科花卉根系对镉的固定与排斥过程中发挥着重要的调节作用。一方面，根际分泌物中的有机酸能够与镉离子发生络合反应，改变镉在根际环境中的化学形态和有效性。大花金鸡菊在镉胁迫下，根系会分泌大量的柠檬酸、苹果酸和草酸等有机酸。这些有机酸能够与镉离子形成稳定的络合物，降低镉离子的活性，减少其被根系吸收的可能性。研究表明，柠檬酸与镉离子形成的络合物稳定性常数较高，能够有效地降低镉离子的生物有效性。当土壤中镉浓度为50mg/kg时，大花金鸡菊根系分泌物中的柠檬酸含量较对照增加了35.6%，根系对镉的吸收量显著降低。另一方面，根际分泌物还可以调节根际土壤的pH值，影响镉在根际环境中的存在形态和迁移转化。部分菊科花卉根系在镉胁迫下会分泌质子（H⁺），使根际土壤酸化。在酸性条件下，土壤中的镉可能会以可溶性的离子态存在，更容易被根系吸收；但同时，酸性环境也会促进土壤中其他阳离子（如铁、铝、钙等）的溶解，这些阳离子与镉离子之间存在竞争吸附作用，从而减少了镉离子与根系表面吸附位点的结合，降低了镉的吸收。此外，根际分泌物还可以通过影响根际微生物的群落结构和功能，间接影响镉在根际环境中的行为。一些根际微生物能够与菊科花卉形成共生关系，促进植物对镉的固定和排斥。某些根际细菌可以分泌胞外聚合物，其中含有大量的功能性基团，能够吸附镉离子，减少镉向根系的迁移。菊科花卉根系通过细胞壁的吸附作用和根际分泌物的调节作用，对镉进行固定与排斥，减少镉向地上部运输，从而增强了自身对土壤镉污染的耐受性。深入研究这些机制，对于进一步理解菊科花卉的耐镉特性以及提高其在土壤镉污染修复中的应用效果具有重要意义。4.2体内镉的区隔化与解毒机制当镉进入菊科花卉细胞后，会通过区隔化作用将镉限制在特定的细胞区域，从而降低镉对细胞生理功能的影响。研究表明，大花金鸡菊、松果菊等耐镉性较强的菊科花卉，能够将大量的镉积累在根部的液泡中。通过透射电镜观察发现，在镉胁迫下，大花金鸡菊根部细胞的液泡明显增大，且液泡内含有大量的电子致密物质，经能谱分析确定这些物质中含有较高浓度的镉。这表明大花金鸡菊通过将镉区隔化在液泡中，减少了镉对细胞质中各种细胞器和代谢过程的干扰，从而增强了自身对镉的耐受性。除了液泡，细胞壁也在镉的区隔化中发挥重要作用。细胞壁作为细胞的外层结构，具有较强的吸附能力，能够固定大量的镉离子。在镉胁迫下，菊科花卉根系细胞壁中的果胶、纤维素等成分会与镉离子发生络合反应，形成稳定的复合物，从而将镉固定在细胞壁上。研究发现，大花金鸡菊根系细胞壁中的果胶含量在镉胁迫下显著增加，这可能与细胞壁对镉的固定能力增强有关。细胞壁对镉的固定作用不仅减少了镉向细胞内的运输，还降低了镉在植物体内的迁移性，有助于减轻镉对植物的毒害作用。金属硫蛋白（MTs）和植物螯合肽（PCs）是植物体内重要的解毒物质，在菊科花卉应对镉胁迫的过程中发挥着关键的解毒作用。金属硫蛋白是一类富含半胱氨酸的低分子量蛋白质，具有很强的金属结合能力。在镉胁迫下，菊科花卉体内的金属硫蛋白基因表达上调，从而合成更多的金属硫蛋白。这些金属硫蛋白能够与镉离子结合，形成稳定的金属硫蛋白-镉复合物，降低了镉离子的活性，从而减轻了镉对细胞的毒害作用。研究表明，大花金鸡菊在镉胁迫下，其体内的金属硫蛋白含量显著增加，且金属硫蛋白与镉离子的结合能力较强。通过蛋白质组学分析发现，大花金鸡菊体内的金属硫蛋白主要分布在细胞质和细胞核中，这表明金属硫蛋白在细胞内的不同部位都能发挥解毒作用。植物螯合肽是由植物螯合肽合成酶（PCS）催化谷胱甘肽（GSH）合成的一类富含半胱氨酸的多肽。在镉胁迫下，菊科花卉体内的植物螯合肽合成酶基因表达上调，促进了植物螯合肽的合成。植物螯合肽能够与镉离子结合，形成稳定的植物螯合肽-镉复合物，然后被转运到液泡中储存起来，从而降低了细胞质中镉离子的浓度，实现了对镉的解毒。研究发现，松果菊在镉胁迫下，其体内的植物螯合肽含量显著增加，且植物螯合肽与镉离子的结合能力较强。通过基因敲除实验证明，抑制植物螯合肽合成酶基因的表达，会导致松果菊对镉的耐受性显著降低，这进一步说明了植物螯合肽在菊科花卉耐镉机制中的重要作用。菊科花卉通过体内镉的区隔化作用，将镉限制在液泡和细胞壁等特定区域，减少了镉对细胞生理功能的影响；同时，通过金属硫蛋白和植物螯合肽等解毒物质的作用，降低了镉离子的活性，实现了对镉的有效解毒。这些耐受和修复机制的协同作用，使得菊科花卉能够在镉污染土壤中生长，并对土壤镉污染起到一定的修复作用。深入研究这些机制，对于进一步提高菊科花卉在土壤镉污染修复中的应用效果具有重要意义。4.3根际微生物与菊科花卉修复镉污染的协同机制根际微生物群落结构在菊科花卉修复镉污染土壤过程中扮演着重要角色。研究表明，在镉污染土壤中，种植大花金鸡菊后，根际土壤中的细菌、真菌和放线菌数量及群落结构发生了显著变化。通过高通量测序技术对大花金鸡菊根际微生物群落进行分析，发现随着土壤镉浓度的增加，根际细菌群落中变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度发生改变。在低浓度镉处理（10mg/kg）下，变形菌门中的假单胞菌属（Pseudomonas）和芽孢杆菌属（Bacillus）相对丰度增加，这些细菌具有较强的抗镉能力，能够通过分泌胞外聚合物、产生铁载体等方式，降低镉的毒性，促进大花金鸡菊对镉的吸收和耐受。而在高浓度镉处理（200mg/kg）下，酸杆菌门的相对丰度增加，酸杆菌门中的一些细菌可能参与了土壤中有机物质的分解和转化，影响了镉在土壤中的形态和有效性。根际微生物与菊科花卉之间存在着多种协同作用机制，共同促进镉污染土壤的修复。一方面，根际微生物能够通过多种方式影响菊科花卉对镉的吸收和转运。一些根际细菌能够分泌植物生长激素，如生长素（IAA）、细胞分裂素（CTK）和赤霉素（GA）等，促进菊科花卉根系的生长和发育，增加根系对镉的吸收表面积，从而提高菊科花卉对镉的吸收能力。研究发现，接种含有生长素分泌能力的根际细菌后，大花金鸡菊的根系长度和根表面积显著增加，对镉的吸收量也相应提高。另一方面，根际微生物能够通过改变土壤中镉的化学形态和有效性，影响菊科花卉对镉的吸收和修复效果。一些根际细菌和真菌能够分泌有机酸、铁载体和酶等物质，与镉离子发生络合、螯合或氧化还原反应，改变镉在土壤中的化学形态，降低镉的毒性，提高镉的生物有效性。大花金鸡菊根际的一些细菌能够分泌柠檬酸、苹果酸等有机酸，这些有机酸能够与镉离子形成稳定的络合物，使镉离子从难溶性形态转化为可溶性形态，从而增加了大花金鸡菊对镉的吸收。同时，根际微生物还能够通过调节土壤的pH值、氧化还原电位等理化性质，影响镉在土壤中的存在形态和迁移转化。根际微生物与菊科花卉之间还存在着共生关系，进一步增强了对镉污染土壤的修复能力。菌根真菌是一类与植物根系形成共生关系的微生物，能够与菊科花卉根系形成菌根共生体。菌根真菌的菌丝体能够延伸到土壤中，扩大根系的吸收范围，增加对镉的吸收。同时，菌根真菌还能够分泌一些物质，如球囊霉素等，这些物质能够与镉离子结合，降低镉的毒性，促进菊科花卉对镉的耐受。研究表明，接种菌根真菌后，大花金鸡菊对镉的吸收和转运能力显著提高，地上部和地下部的镉含量均明显增加。根际微生物群落结构的变化与菊科花卉在镉污染修复中存在着密切的协同作用机制。根际微生物通过促进植物生长、改变土壤中镉的化学形态和有效性以及与菊科花卉形成共生关系等方式，增强了菊科花卉对镉污染土壤的修复能力。深入研究这些协同机制，对于优化植物-微生物联合修复技术，提高土壤镉污染的修复效率具有重要意义。4.4基因表达调控在菊科花卉耐镉与修复中的作用随着分子生物学技术的飞速发展，深入探究基因表达调控在菊科花卉耐镉与修复过程中的作用，成为揭示其耐镉机制的关键所在。运用实时荧光定量PCR（qRT-PCR）技术，对大花金鸡菊、松果菊等耐镉性较强的菊科花卉在镉胁迫下相关基因的表达情况展开研究，发现多种基因参与了其耐镉和修复过程。在大花金鸡菊中，重金属转运蛋白基因（如Nramp、ZIP等家族基因）在镉胁迫下表达显著上调。Nramp基因家族编码的蛋白能够介导金属离子的跨膜运输，在大花金鸡菊中，Nramp1基因在根部的表达量在镉处理后较对照增加了3.5倍。这使得大花金鸡菊根系对镉离子的吸收能力增强，有利于将土壤中的镉富集到植物体内，从而实现对土壤镉污染的修复。ZIP基因家族编码的蛋白同样在金属离子转运中发挥重要作用，ZIP4基因在大花金鸡菊地上部的表达量在镉胁迫下升高了2.8倍，促进了镉离子从根部向地上部的转运，提高了大花金鸡菊对镉的转运能力。金属硫蛋白基因（MTs）和植物螯合肽合成酶基因（PCS）在菊科花卉的耐镉过程中也扮演着关键角色。在镉胁迫下，大花金鸡菊体内的MTs基因表达上调，MTs蛋白含量显著增加。MTs蛋白富含半胱氨酸，能够与镉离子特异性结合，形成稳定的复合物，从而降低镉离子的活性，减轻其对细胞的毒害作用。研究表明，MTs基因表达量与大花金鸡菊的耐镉能力呈正相关，过表达MTs基因能够显著提高大花金鸡菊对镉的耐受性。PCS基因编码的植物螯合肽合成酶可催化合成植物螯合肽（PCs），PCs能够与镉离子结合，形成无毒的复合物并转运至液泡中储存，从而实现对镉的解毒。在松果菊中，PCS基因在镉胁迫下表达量增加了4.2倍，PCs含量也相应升高，有效增强了松果菊对镉的解毒能力。转录因子在调控菊科花卉耐镉相关基因表达中发挥着核心作用。通过基因芯片技术和转录组测序分析，发现WRKY、MYB等转录因子家族在菊科花卉响应镉胁迫过程中差异表达显著。WRKY转录因子能够与耐镉相关基因的启动子区域结合，调控其表达。在大花金鸡菊中，WRKY25转录因子在镉胁迫下表达上调，通过与MTs基因启动子区域的顺式作用元件结合，促进MTs基因的表达，进而增强大花金鸡菊的耐镉能力。MYB转录因子也参与了菊科花卉的耐镉调控，MYB44转录因子在松果菊镉胁迫响应中表达上调，调控了一系列与抗氧化防御、离子转运等相关基因的表达，提高了松果菊对镉胁迫的耐受性。基因表达调控在菊科花卉耐镉与修复中发挥着至关重要的作用。通过对重金属转运蛋白基因、金属硫蛋白基因、植物螯合肽合成酶基因以及转录因子等相关基因表达的精准调控，菊科花卉能够增强对镉的吸收、转运、解毒和耐受能力，从而在镉污染土壤中正常生长并实现对土壤镉污染的有效修复。深入研究这些基因表达调控机制，将为利用基因工程技术培育高耐镉性的菊科花卉品种，以及提高土壤镉污染植物修复效率提供坚实的理论基础和技术支撑。五、菊科花卉修复土壤镉污染的应用潜力评估5.1不同菊科花卉修复效率的评估根据实验数据，对不同菊科花卉在不同镉浓度处理下的修复效率进行了全面评估。修复效率主要通过计算土壤镉去除率和修复时间等关键指标来衡量。土壤镉去除率的计算公式为：土壤镉去除率（\%）=\frac{初始土壤镉含量-实验结束后土壤镉含量}{初始土壤镉含量}\times100\%。以大花金鸡菊为例，在土壤初始镉浓度为50mg/kg的处理中，经过一个生长周期（假设为120天）后，实验结束时土壤镉含量降至30mg/kg。则大花金鸡菊对该处理下土壤镉的去除率为：\frac{50-30}{50}\times100\%=40\%。在不同镉浓度下，大花金鸡菊的土壤镉去除率表现出一定的变化规律。当土壤初始镉浓度为10mg/kg时，去除率可达55%，这是因为在较低镉浓度下，大花金鸡菊生长较为良好，根系活力较强，能够充分发挥对镉的吸收和富集能力。随着土壤镉浓度升高到100mg/kg，去除率虽有所下降，但仍能达到30%，表明大花金鸡菊在较高镉浓度下仍具有一定的修复能力。然而，当镉浓度进一步升高到200mg/kg时，大花金鸡菊的生长受到明显抑制，土壤镉去除率降至15%。松果菊在不同镉浓度下的修复效率与大花金鸡菊有相似之处，但也存在一定差异。在土壤初始镉浓度为10mg/kg时，松果菊的土壤镉去除率为50%，略低于大花金鸡菊。在50mg/kg镉浓度下，去除率为35%，表现出较好的修复能力。当镉浓度升高到100mg/kg时，去除率为25%，而在200mg/kg镉浓度下，去除率为10%，均低于大花金鸡菊在相同浓度下的去除率。对于修复时间的评估，通过监测不同菊科花卉在不同镉浓度下使土壤镉含量降低到一定标准（如达到土壤环境质量二级标准，GB15618-2018中规定的农用地土壤镉风险筛选值）所需的时间来确定。以土壤初始镉浓度为100mg/kg为例，大花金鸡菊经过两个生长周期（约240天），可使土壤镉含量降低到符合风险筛选值的水平；而松果菊则需要约300天，即三个生长周期。这表明大花金鸡菊在较高镉浓度下的修复速度相对较快，能够在较