镉胁迫下苎麻生理生化变化规律及品种间差异比较

李玉兰，陈坤梅，喻春明，陈继康，高钢，陈平，侯美，熊和平

（中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205）

遗传育种·种质资源

镉胁迫下苎麻生理生化变化规律及品种间差异比较

李玉兰，陈坤梅，喻春明，陈继康，高钢，陈平，侯美，熊和平*

（中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205）

选取了三份镉吸收量差异较大的苎麻品种，通过水培方式进行浓度为 7 mg／L镉胁迫处理，比较分析了其在镉胁迫下不同处理时间生理生化的变化规律及品种间的差异。结果表明：苎麻在镉胁迫下有较活跃的生理调控机制，随着镉胁迫时间的延长，根系中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性降低，但根系活跃吸收面积几乎不受影响；叶片中的可溶性蛋白含量增加，POD、CAT酶活性则先升高后降低，叶绿素含量增加；三份苎麻种质资源中，邵阳 3号叶片中的可溶性蛋白含量、CAT活性随着镉胁迫时间的延长变化幅度不大；邵阳 3号表现出更强的吸镉潜力，其根系活跃吸收面积平均值达到（63.45±5.21）%。

苎麻；镉胁迫；生理生化；品种差异

人类活动的影响导致我国镉污染耕地日渐增多且趋于严重［1－3］，目前我国重金属污染土壤面积多达 2000万 hm2，占耕地总面积的 20%，其中以镉、铅污染等最为严重［4］。植物修复利用植物根系吸收并转移土壤中的重金属［5］，因成本低、不破坏土壤、无二次污染而受到关注。

至今无研究报道苎麻（Boehmeria nevia L.）是镉的超富集植物，但苎麻比大多数正常植物具有更大的耐镉吸镉潜力已被证实［6－9］。作为多年生宿根草本植物，苎麻具有根系庞大、生物量大、抗逆性强、生长速度快、可多次收割等特点，因此地上部镉积累量较可观［10，11］；且作为优良的纺织原料，最终产物可不通过食物链进入人体。近几年来对苎麻多功能用途的不断开发［12］，使其具有较大的经济价值，因此可作为修复镉污染土壤的先锋材料。

不同品种苎麻对镉的敏感度、耐性、重金属富集能力和转运能力存在差异［13，14］。研究不同品种苎麻的耐镉生理特性，筛选出高耐高吸附兼具较大经济效益的品种，对实现镉污染耕地土壤修复和替代种植具有重要意义。关于苎麻耐镉生理机制已有较多报道［15－17］，但关于不同品种间的比较只有极少数研究［18］可供参考。本研究以苎麻侧枝为材料，采用水培法进行长根培养和镉处理，探索镉胁迫初期苎麻生理生化变化规律及品种间差异，旨在为进一步揭示苎麻耐镉生理机制及筛选高富集镉品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据 195份苎麻种质资源水培镉胁迫（浓度 7 mg／L）试验中镉吸收量，选择吸收量差异比较明显的3个苎麻品种作为试验材料（见表1）。供试材料均取自国家种质长沙苎麻圃（位于湖南省长沙市望城区）。

表1 供试苎麻品种Tab.1 Ramie varieties used in the experiment

1.2 试验方法

1.2.1 水培试验

去除资源圃中三个苎麻品种主茎的顶芽，15 d后其侧枝长达到 10～15 cm。取侧枝进行修剪，削除末端使侧枝长为 10 cm，削除老叶，保留顶端 2～3片展开叶，浸入 500倍百菌灵消毒液中消毒30 s。处理好的侧枝扦插于装有清水的卡莲（Karen）水培仪中，每盆 15株。置于水培室培养，光暗周期为16／8 h，室温控制在 25～30℃。扦插苗生根后，按说明加入海珀尼卡无土栽培植物营养液，继续培养，期间每隔 7 d换一次营养液。待平均株高至 20 cm时，选取 10株长势一致的水培苗，更换营养液，加入 CdCl2处理，处理浓度为 7 mg／L，用磷酸调 pH到 6.0。每个品种重复 3次，共计9盆。

1.2.2 指标测定

分别在镉胁迫第 0、2、4、6和 8 d取样，每盆随机取 2株，测定顶端第 3、4片叶的叶绿素含量，根系活跃吸收面积，以及根、叶（顶端第 3、4片叶）中可溶性蛋白含量、POD及 CAT活性。根系活跃吸收面积采用甲烯蓝吸附法［19］，叶绿素含量采用 95%酒精浸提法［20］，可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法［21］，POD及 CAT活性采用试剂盒法，试剂盒由南京建成生物科技有限公司提供。

1.2.3 数据分析

利用 Microsoft Excel和 SAS软件进行数据分析。

2 结果与分析

如图 1所示，苎麻水培扦插苗根系中可溶性蛋白含量随着镉胁迫时间的延长逐渐增加，第 6 d后增幅较大，且到第 8 d时品种间出现差异，邵阳 3号显著高于另外两个品种。镉胁迫第 8 d与对照（未添加镉，即第 0 d）相比，邵阳 3号根系中可溶性蛋白含量增幅达到了 167.3%，显著（P＜0.05）高于中苎 2号（147.9%）和 S－1－6（136.0%）。如图 2所示，邵阳 3号和 S－1－6叶片中的可溶性蛋白含量则整体上呈现先减少后增加的趋势。中苎2号受到镉胁迫后，叶片中的可溶性蛋白含量升高，第 2 d天后下降，到第 4 d又出现升高。胁迫第 8 d与未加镉时相比，邵阳3号叶片中的可溶相蛋白含量增幅仅为 0.84%，远远低于中苎 2号（64.54%）和 S－1－6（28.80%）。

图1 镉胁迫对苎麻根系可溶性蛋白含量的影响Fig.1 Effect of Cd stress on solute protein content in ramie roots

图2 镉胁迫对苎麻叶片可溶性蛋白含量的影响Fig.2 Effect of Cd stress on solute protein content in ramie leaves

如图 3所示，水培苎麻扦插苗受到镉胁迫后，中苎 2号和 S－1－6根系中的 POD活性整体上呈 现 下 降 的 趋 势 ，邵 阳 3号 根 系 中 POD活 性 先 降 低 ，镉 胁 迫 第 2 d到 第 4 d出 现 少 量 提 高 ，后 持 续下降。镉胁迫第 8 d与未添加镉时相比，邵阳 3号根系中的 POD活性降低了 59%，降幅略高于中苎 2号和 S－1－6。叶片中的 POD活性变化情况在品种间也存在一定的差异：S－1－6在镉胁迫开 始 到 第 4 d时，POD活 性 提高 ，4 d后 开 始下 降 ；邵 阳 3号 和 中 苎 2号 叶 片 中 的 POD活 性 变 化 趋势一致，镉胁迫后先出现少量下降，第 2 d到第 4 d增加，镉胁迫 4 d后持续降低。

图4中，苎麻根系和叶片中的 CAT活性变化趋势与 POD基本相似，根系中呈现整体下降的趋势，但中苎 2号根系中的 CAT活性在镉胁迫第 2 d到第 4 d出现小幅提高，4 d后下降。叶片中CAT活性先提高后降低，其中，中苎2号降低出现在镉胁迫后的第2 d，邵阳3号和 S－1－6则出现在第 4 d。镉胁迫第 8 d时，邵阳 3号叶片中 CAT活性与未添加镉相比，仅降低 3%，远远小于另外两个品种。

如图 5所示，水培苎麻扦插苗的根系在遭受镉胁迫之后，活跃吸收面积变化幅度不大，各品种分别在不同测试时间点下的变化无显著（P＜0.05）差异。添加镉后的第 4 d和第 6 d，邵阳 3号根系活跃吸收面积显著高于另外两个品种。在5个测试时间点，邵阳3号根系活跃吸收面积平均值达到（63.45±5.21）%，显著（P＜0.05）高于中苎 2号（55.47±4.06）%和 S－1－6（55.92± 3.71）%。叶绿素含量变化幅度也不大，镉胁迫前两天，中苎 2号中总叶绿素含量出现少量增加，邵阳3号和 S－1－6中的叶绿素含量则与未添加镉时基本持平；镉胁迫第 2 d后开始下降，第 6 d后又出现大幅增加；第 8 d与未添加镉时相比，3个苎麻品种总叶绿素含量均有所提高。

图3 镉胁迫对苎麻根系和叶片 POD活性的影响Fig.3 Effect of Cd stress on POD activity in ramie roots and leaves

图4 镉胁迫对苎麻根系和叶片 CAT活性的影响Fig.4 Effect of Cd stress on CAT activity in ramie roots and leaves

图5 镉胁迫对苎麻根系活跃吸收面积和叶绿素含量的影响Fig.5 Effect of Cd stress on root active absorbing area and chlorophyll content in ramie

3 结论与讨论

苎麻水培扦插苗受镉胁迫后，通过合成大量的可溶性蛋白来调节细胞的渗透势，以维持植株正常生长所需的水分和营养。本研究中，苎麻根系的可溶性蛋白含量随着胁迫时间的延长逐渐增加，叶片中的含量在波动后于镉胁迫第 4 d出现增长趋势。镉胁迫第 8 d与未添加镉时相比，叶片中的可溶性蛋白含量增幅小于根系中的增幅，这与杨叶萍等［22］的研究结果基本一致，表明苎麻在遇到不良环境时，主要由庞大根系的调节系统来适应环境，以免叶片受到不良影响而导致植株死亡。随着镉胁迫时间的延长，邵阳 3号根系合成可溶性蛋白量与中苎 2号、S－1－6相比显著增加，叶片中的含量增幅却显著较小，这可能与不同苎麻品种各部位在应对外界相同镉浓度胁迫时的敏感度不同有关。

本研究中，7 mg／L镉胁迫条件下，观察水培苎麻扦插苗表观并未出现明显的中毒症状，但检测到根系中 POD活性和 CAT活性随着镉胁迫时间的延长逐渐降低，这与汤叶涛等［23］的研究结果不一致，有可能本研究中的镉胁迫浓度已超过水培苎麻扦插苗根系抗氧化系统能自行调节进行解毒的承受范围，受到了显著的氧化损伤［24］。叶片中的 POD和 CAT活性呈现先升高后降低的趋势，与袁祖丽等［25］的研究结果基本一致，但与本研究根系中的变化趋势不一致，这是因为苎麻根系是最先接触、吸收溶液中镉离子的部位，因此在该浓度镉胁迫时因毒害作用而导致酶活性立即出现降低；镉进入到叶片部位则需要通过长距离运输，加之根系的区隔化作用［15］，前期叶片中低浓度的镉离子反而使得酶活性提高，随着镉胁迫时间延长，叶片中的镉逐渐积累，酶活性受到影响出现降低。与中苎2号和S－1－6相比，邵阳3号叶片中 CAT活性在镉胁迫第8 d时的降幅（与未添加镉时相比）显著较小，可能是该品种叶片中镉积累较少，也有可能该品种叶片中的 CAT活性对镉胁迫的敏感度不高。

苎麻叶片中的总叶绿素含量在小幅波动后与对照（未添加镉时）比反而增加，这与简敏菲等［26］的研究结果基本一致。短时间镉胁迫下，苎麻需要更多的营养物质来应对毒害产生的不良影响，叶绿素含量的增加为叶片在镉胁迫下能够进行活跃的光合作用奠定了一定的基础［27］，以提供植株正常生长所需的能量和营养。根系是植物主要的吸收器官，该研究中，苎麻根系在镉胁迫下的活跃吸收面积变化幅度不大，表明苎麻吸收水和营养物质的能力并未受到较大影响［28］。相同镉浓度胁迫下，邵阳 3号的根系活跃吸收面积平均值达到（63.45±5.21）%，显著高于中苎二号的（55.47±4.06）%和 S－1－6的（55.92±3.71）%，保证了该品种根系对营养物质的吸收，同时邵阳3号在该浓度镉胁迫下存在更大的继续吸收镉的潜力。

作为修复重金属镉污染土壤材料已成为苎麻多功能开发的一个热点研究方向，其耐镉性强、易成活、生物量大等优势也已逐渐凸现出来。但我国的苎麻种质资源较为丰富，且不同品种在不同地区的生长情况也存在较大差异。针对不同的镉污染区，应当筛选适宜的品种推广种植。本试验以前期试验数据为参考，采用水培方法进行研究，选择了水培体系下不会引起苎麻毒害表观症状的镉浓度［15］，探索了三个品种在镉胁迫初期的部分生理特性，发现苎麻有较强的耐镉胁迫能力，邵阳3号在吸收镉方面表现出较大潜力，为研究苎麻应对镉胁迫时的生理机制及品种间差异提供参考。但由于试验考察周期较短且镉胁迫浓度设定较单一，苎麻应对镉胁迫时的更多生理调控规律还有待进一步挖掘。

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Physiological and Biochem ical Dynam ic Characteristics of Ram ie（Boehmeria nivea L．）to Cadm ium Stress and Com parison among Various Varieties

LIYulan，CHEN Kunmei，YU Chunming，CHEN Jikang，GAO Gang，CHEN Ping，HOU Mei，XIONG Heping*
（Institute of Bast Fiber Crops，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Changsha 410205，China）

In this research，three varietieswhich differ greatly in cadmium absorption were selected to anlaysis the physical and biochemical dynamic characteristics of ramie to cadmium stress by hydroponicswith the 7mg／L cadmium concentration.It concluded that ramie had active regulatorymechanism to cadmium stress.Soluble protein content in roots increased，enzyme activity declined but active absorbing area changed littlewith the increasing of the time.Meanwhile，soluble protein content in leaves and chlorophyll content increased，POD and CAT activity in leaves increased at first and then decreased.Among the three，Shaoyang No.3 had potential of absorbingmore cadmium with themean root active absorbing area reaching（63.45±5.21）%，which was significantly higher than（55.47±4.06）%of Zhongzhu No.2 and（55.92±3.71）%of S－1－6.Soluble protein contentand CAT activity in leaves of Shaoyang No.3 changed little when cadmium stress continued.

ramie；cadmium stress；physiological＆biochemical；variety difference

S563.1

A

1671－3532（2017）03－0105－06

2016－12－28

湖南重金属污染耕地修复及农作物种植结构调整试点

李玉兰（1994－），女，硕士，研究方向为作物遗传育种理论与方法。E－mail：979070634＠qq.com

*通讯作者：熊和平（1955－），男，研究员，主要从事苎麻育种研究。E－mail：ramiexhp＠vip.163.com