镉胁迫下两种高羊茅的生理指标应激反应

黄登峰　赵运林

摘要：以来自加拿大的两种高羊茅（Festuca arundinacea）为材料，在温室盆栽的条件下，研究和比较了不同浓度的二价镉（Cd2+）对两种高羊茅的脂质过氧化程度、保护酶活性和渗透调节物质的影响。结果表明，与护坡型的高羊茅红象品种相比，在不同程度Cd2+胁迫下，草坪型的高羊茅艾瑞品种表现出了更低的脂质过氧化水平、更强的抗氧化保护酶活性和更具适应性的渗透调节水平，说明高羊茅艾瑞品种对Cd2+的胁迫具有更好的适应性，修复被重金属污染土壤的能力更强。

关键词：高羊茅（Festuca arundinacea）;镉;脂质过氧化程度;抗氧化酶;渗透调节物质

中图分类号：S688.4;Q945.78         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）15-0068-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.15.015           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Physiological indicators stress response of two Festuca arundinacea

varieties under cadmium stress

HUANG Deng-feng1，2，ZHAO Yun-lin1，3

（1.School of Biology and Biotechnology，Hunan Agriculture University，Changsha 410128，China;2.Hunan Golf and Tourism College，Changde 410275，Hunan，China;3.Central South University of Forestry and Technology，Changsha 410004，China）

Abstract： Two kinds of tall fescue（Festuca arundinacea） from Canada were used as materials to study and compare the effects of different concentrations of cadmium （Cd2+） on lipid peroxidation， protective enzyme activity and osmotic regulators of two kinds of tall fescue in greenhouse. The results showed that， under different concentrations of Cd2+ stress，turf-type tall fescue cultivar showed lower lipid peroxidation level， stronger antioxidant protective enzyme activity and more adaptive osmotic regulation level than slope-protected tall fescue cultivar. It was concluded that，turf-type tall fescue cultivar had better adaptability to Cd2+ stress and stronger ability to repair the soil polluted by heavy metals.

Key words： tall fescue（Festuca arundinacea）; cadmium; lipid peroxidation; anti-oxidative enzyme; osmotic substance

伴隨着矿山开发与尾矿的不断堆积，隐藏其中的重金属逐渐释放出来，造成了严重的水土污染，可以说重金属污染是当今污染面积较广、危害较大的环境问题之一[1]。土壤重金属污染的治理，首先是防止污染面积进一步扩大，则首要问题在于如何降低重金属的迁移速度，即利用植物固定进行原位修复。以往的试验发现大部分的重金属镉（Cd）超富集植物，虽然转移系数高，但是其生物量都很低，土壤修复的效率并不如意。可以考虑套种、间种生物量大的且对重金属Cd具有较高耐性的草类植物，增加土壤有机质含量，提高修复效率，并且提高水土保持能力，减少污染面的扩大。高羊茅（Festuca arundinacea）是常见的多年生冷季型草坪草[2，3]，分蘖多、产量高、质地柔软、绿期长、可多次刈割、观赏性强、生物量较大。它广泛分布于欧洲和北美洲，这种广泛分布可能蕴藏着极为丰富的种质资源。高羊茅还分布在寒冷的地区，如美国北部和加拿大等地，这种逆境下生长的高羊茅可能是潜在的修复土壤的资源。

在环境胁迫下，细胞内生物自由基代谢平衡被破坏，造成超氧阴离子自由基积累，进而引发或加剧膜脂过氧化作用，使得细胞膜系统的结构和功能劣变，新陈代谢发生紊乱。植物体对于产生的活性氧自由基存在两种抗氧化系统，一种是抗氧化酶类物质，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等;另一种是非酶类化合物，如脯氨酸（Pro）、丙二醛（MDA）以及逆境诱导产生的一系列蛋白质等。它们在一定的范围内及时清理过多的活性氧，维持体内自由基代谢的动态平衡，降低膜脂过氧化，保护膜系统的稳定性，提高植物的抗逆性。因此，这些抗氧化指标可用来衡量植物对抗逆境的能力。

为此，本研究以来自加拿大的高羊茅为材料，在温室盆栽的条件下，研究和比较了不同浓度的二价镉（Cd2+）对两种高羊茅的脂质过氧化程度、保护酶活性和渗透调节物质的影响。抗氧化指标包括MDA和Pro的含量、POD和CAT的活性。通过这些指标分析草坪型和护坡型高羊茅对不同程度Cd2+的耐受能力差异，探讨它们在环境净化、废弃矿山和尾矿库草地建植等方面的应用潜力，以期为植物修复土壤重金属污染提供科学依据。

1  材料与方法

1.1  材料与处理

供试的两种高羊茅种子购自长沙斐林园林经营部，分别为加拿大产的红象品种和艾瑞品种。2010年3月中旬将高羊茅种子用0.1%的HgCl2杀菌后，去离子水洗净并浸种24 h，将高羊茅种子置于垫有2层滤纸的培养皿中，于25 ℃/18 ℃（昼/夜）恒温箱中成苗，保持滤纸湿润。25 d完全成苗后移栽至盛有Hoagland液的塑料盆中室外培养。成苗后，用Hoagland液中增加不同浓度CdCl2（0.5、1.0、2.0 mmol/L）处理材料，并以不添加CdCl2的处理为对照。连续5 d每天定时取样进行各项指标的测定。测定鲜重和干重，每个处理3次重复，每个重复50株苗;生理指标测定，每个处理至少5次重复。

1.2  生理指标的测定

1.2.1  脂质过氧化产物MDA含量的测定  参考Heath等[4]和Hodges等[5]的方法，利用MDA和硫代巴比妥酸（TBA）反应生成粉红色化合物（530 nm）来测定其含量。

1.2.2  抗氧化酶活性的测定  POD的活性检测参照张志良等[6]的方法，利用愈创木酚在H2O2存在的条件下使470 nm吸光度增加的原理测定酶活性，以每克干重每分钟增加0.01为1个酶活性单位（U）。CAT活性检测参照张志良等[6]的方法，利用CAT促进H2O2分解，使反应体系在240 nm处吸光度减小的原理测定该酶的活性。

1.2.3  渗透调节物质Pro含量的测定  参照张志良等[6]的方法，利用Pro与酸性茚三酮反应生成红色化合物来测定其含量。

2  结果与分析

2.1  Cd2+胁迫对高羊茅中MDA含量的影响

MDA是植物细胞膜脂过氧化物之一，能与细胞内成分发生反应，引起多种酶和膜的严重损伤[7]。MDA浓度是表征膜透性发生胁迫性变化的重要生理指标之一，当其含量大量增加时，表明植物体内细胞受到较严重的破坏。从图1可以看出，在无Cd胁迫下，护坡型高羊茅红象品种与草坪型高羊茅艾瑞品种的MDA含量相当，无明显差异。而在Cd2+胁迫下，两种高羊茅的MDA水平都出现了应激型波动，在不同浓度Cd2+连续处理5 d中，两种高羊茅品种的MDA含量变化均呈“高-低-最高-低-低”的峰状波动，平均水平要高于无胁迫时候的本底水平，而且MDA含量均在胁迫后第3天出现最高点，说明无论Cd2+胁迫浓度如何，高羊茅草种因为Cd2+胁迫造成的脂质过氧化均在处理后第3天达到最大值。就两种高羊茅之间比较，无论在何种浓度的Cd2+胁迫下，护坡型高羊茅红象品种的MDA含量峰值均高于草坪型高羊茅艾瑞品种，显然草坪型高羊茅艾瑞品种受损程度要低于护坡型高羊茅红象品种。

2.2  Cd2+脅迫对高羊茅抗氧化保护酶活性的影响

从图2可以看出，在POD活性方面，在无Cd胁迫下或在相同浓度Cd2+胁迫下，护坡型高羊茅红象品种的POD活性均低于草坪型高羊茅艾瑞品种。选取POD数值达到高峰值的第5天数据比较，随着Cd2+浓度的升高，草坪型高羊茅艾瑞品种的POD含量呈升高趋势;而护坡型高羊茅红象品种虽然与对照比较有明显的升高，但在各浓度Cd2+处理下的上升差异并不明显。在不同浓度Cd2+连续处理5 d中，草坪型高羊茅艾瑞品种的POD含量变化均呈“升-降-升”的趋势，最高值为胁迫后第5天，并一直高企;护坡型高羊茅红象品种则为“降-升-平”，POD含量虽有增加，却明显低于高羊茅艾瑞品种的水平。

从图3可以看出，在CAT活性方面，在无Cd胁迫或在相同浓度Cd2+胁迫下，护坡型高羊茅红象品种的CAT活性均低于草坪型高羊茅艾瑞品种。选取CAT数值达到高峰值的第3天数据进行比较，两种高羊茅品种虽然与对照相比有明显的升高，但在各浓度Cd2+处理下的上升差异并不明显。在不同浓度Cd2+连续处理5 d的过程中，两个品种的高羊茅的活性变化均呈“降-升-降”的趋势，且均于处理后第2天达到最低点，第3天达到最高点。

2.3  Cd2+胁迫对高羊茅中Pro含量的影响

从图4可以看出，在有无Cd或不同浓度Cd2+胁迫下，草坪型高羊茅艾瑞品种Pro含量均高于护坡型高羊茅红象品种。不同浓度Cd2+胁迫下，两种高羊茅Pro含量比对照均有提高，高羊茅艾瑞品种Pro含量的平均水平要高于高羊茅红象品种。艾瑞品种Pro含量水平峰值出现在前2 d，而后随着Cd2+胁迫时间的延长，草坪型高羊茅Pro含量呈逐渐降低的趋势;护坡型高羊茅红象品种Pro含量的变化较为和缓，升高水平较高羊茅艾瑞的水平要低，且最高值出现在第3天，表现出先升后降的趋势。

3  小结

由于重金属镉的环境稳定性和毒性，因此其污染已引起普遍重视。镉同时也被认为是危害植物生长发育的有害元素，其对植物的伤害多表现为光合作用、叶绿素含量降低，引起氧化胁迫和膜的损伤，高浓度Cd2+则会明显抑制抗氧化酶活性，加剧活性氧的释放，导致植物生长受到严重抑制[8-10]。但同时，人们发现也有不少植物能通过富集作用避免或减弱镉的伤害，在镉含量较高的基质（如土壤）上生长[11，12]，高羊茅就是其中之一，这为矿山和尾矿区的生态环境修复提供了绝好的材料。不同品种高羊茅对镉胁迫的反应并非一致，甚至相差很大，故选取什么品种高羊茅就成为一个重要的问题。

试验研究结果显示，在不同浓度Cd2+胁迫下两个不同高羊茅品种的脂质过氧化水平、抗氧化保护酶活性和渗透调节物质也有较大差异。在体现脂质过氧化程度上，胁迫过程中草坪型高羊茅艾瑞品种的升高水平低于护坡型高羊茅品种红象，相较而言，体现了较强的活性氧耐受能力。结合POD与CAT两种抗氧化保护酶的活性变化来看，虽然对Cd2+胁迫的反应时间相同，但草坪型高羊茅艾瑞品种反应的程度更大，具有更强的抗氧化保护能力，耐受Cd2+胁迫的能力比较突出。抗氧化能力强的高羊茅艾瑞品种虽然在胁迫前期出现了高水平的Pro，但随着时间延长其水平不断下降。草坪型高羊茅艾瑞品种相比于护坡型高羊茅品种红象更适合在镉污染修复中作为先锋草种使用。

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