木槿品种对镉胁迫的生理响应及耐镉能力评价

杨馥榕 王晓红 肖琪 方娟 李立华

（中南林业科技大学风景园林学院，长沙 410004）

2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，西南、中南地区土壤中重金属含量超标严重，其中镉的点位超标率最高，为7.0%［1］。随着镉污染的日益严峻［2］，土壤中超标的重金属镉会造成植株长势不佳甚至死亡，进而对生态环境造成严重影响。镉具有高毒性与高迁移性，被植物吸收后可以通过食物链直接或间接进入人体，威胁人的身体健康［3］，如水稻（Oryza sativa）［4］。土壤改良技术中种植耐镉能力强或镉富集能力强的植物性价比最高，既改良土壤又美化环境。对于城市绿地而言，美化环境更为重要，种植耐镉能力强的植物更具有实用性。早在上个世纪，Prasann等［5］便发现光叶子花（Bougainvillea glabra）、红椿（Toona ciliata Roem）、使君子（Quisqualis indica）等植物有清除土壤、淤泥中重金属的作用，是很好的重金属富集植物，还能够有效地净化土壤。许艳萍等［6］对大麻（Cannabis sativa）进行了镉胁迫实验，发现它不仅具有高镉耐受能力，还具有高镉富集能力，是很好的土壤净化植物，白桦（Betula platyphylla Suk）［7］、火炬树（Rhus Typhina Nutt）［8］等植物也有类似的报道，另外还发现同种植物不同品种的耐镉能力差异较大［9］。

木槿（Hibiscus syriacus L.）为锦葵科木槿属落叶灌木，在我国分布广泛，因其花色丰富、花期漫长，一直是优良的夏季观花植物，乡村、城市均适宜种植，应用前景广阔。以往研究发现，木槿能在一定程度上抵御盐碱［10］、铝［11］的胁迫，而且不同品种对干旱［12］、低温［13］等恶劣环境的耐受性有差异。王小雪［14］、邓勇［15］先后对木槿同属植物海滨木槿（Hibiscus hamabo）、红麻（Hibiscus cannabinus）进行镉胁迫研究，发现它们具有较强的耐镉能力，推测木槿可能也具有较强的耐镉能力。目前关于木槿耐镉能力的研究比较薄弱，国内文献鲜见报道，故而对不同木槿品种进行镉胁迫研究具有重要意义。为此，选择观赏价值较高、湖南生长良好、抗逆性普遍较强的3个木槿品种进行镉胁迫实验，品种分别为‘牡丹’（‘f. paeoniflorus’）、‘红星’（‘Hong xing’）与‘白花重瓣’（‘f. albus-plenus’），通过对其生长、生理指标的测定，探讨并比较3个品种在不同时间、不同镉浓度下的耐受能力，选出耐受能力最强的品种，为木槿在镉污染地区的推广与利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以来自湖南省森林植物园的‘牡丹’、‘红星’与‘白花重瓣’2年生扦插苗为实验材料，统一种植，每盆装入800 g干土，栽苗1株，置于中南林业科技大学风景园林学院楼顶，缓苗30 d，选取生长状况良好、长势一致的植株作为试验材料。

1.2 方法

1.2.1 试验方法 试验于2020年6-9月进行，将CdCl2·2.5H2O配成Cd2+含量为8 g/L的母液，于每天傍晚，每盆取5 mL母液进行稀释，均匀浇灌，浇灌结束的处理组，使用清水继续浇灌，直至盆内Cd2+浓度分别达到 0、50、100、200、400 mg/kg，以0 mg/kg处理组为对照（CK）。每个处理3株，重复3次。

处理0、60 d，利用游标卡尺和量尺测定固定植株的株高、地径。处理0、15、30、45、60 d时，于早上（8：00-9：00）每组随机采摘位置、大小、数量一致的成熟叶片，清洗干净后备用。测定时，叶绿素A+B含量利用丙酮浸泡法，可溶性蛋白含量利用考马斯亮蓝 G-250染色法，游离脯氨酸含量利用茚三酮显色法，SOD活性利用氮蓝四唑（NBT）光还原法，丙二醛含量利用TBA 显色法等方法进行测定［16-17］。

1.2.2 数据分析 利用EXCEL 2016软件进行数据统计、SPSS 22.0软件进行数据分析、Origin 2018软件进行绘图，采用比较隶属函数值得方法进行耐Cd性评价。

公式中，X（u）为测定指标的隶属函数值，x、xmin、xmax分别表示该指标的平均值、最小值和最大值。若该指标与植物的耐镉能力呈正相关则用隶属函数值计算方式，反之则用反隶属函数值计算方式。根据每个品种的各指标的隶属函数值的平均值比较得出3个木槿品种的耐镉能力排序。

2 结果

2.1 镉胁迫对木槿品种生长特性的影响

处理60 d后随胁迫浓度的升高，‘牡丹’的株高增长量逐渐下降，‘红星’和‘白花重瓣’则先上升后下降；地径增长量则完全相反，‘牡丹’先上升后下降，‘红星’和‘白花重瓣’持续下降（表1）。‘牡丹’的株高增长量在200、400 mg/kg处理组的株高增长量与CK相比，分别显著下降了78.5%、84.3%；‘红星’400 mg/kg处理组的株高增长量与CK相比，显著下降了62.6%；‘白花重瓣’变化不显著；3个木槿品种的地径增长量变化均不显著。极高浓度（400 mg/kg）镉胁迫对3个品种的生长均有抑制作用，其它浓度处理对株高、地径增长量的影响有所不同，株高增长量的变化幅度更大。

表1 不同镉浓度处理60 d后3个木槿品种生长指标变化情况Table 1 Changes of growth indexes of three Hibiscus syriacus varieties treated with different cadmium concentrations for 60 d

2.2 镉胁迫对木槿品种生理特性的影响

2.2.1 叶片叶绿素A+B含量变化影响 木槿叶片叶绿素A+B含量随着胁迫浓度的升高逐渐下降或呈先上升后下降（图1）。第45天，‘白花重瓣’200、400 mg/kg处理组的叶绿素A+B含量与CK相比分别显著下降了14.5%、18.1%（图1-C）。第60天，‘牡丹’50、100、200、400 mg/kg处理组的叶绿素A+B含量比CK相比分别显著下降了20.5%、67.5%、75.6%、75.3%（ 图 1-A）；‘红星’100、200、400 mg/kg处理组分别显著下降了56.3%、66.7%、77.3%（图1-B）；‘白花重瓣’100、200、400 mg/kg处理组分别显著下降了36.8%、49.9%、57.0%（图1-C）。低浓度（50 mg/kg）镉胁迫使得叶绿素A+B含量有轻微升高；高浓度（200、400 mg/kg）镉胁迫使得叶绿素A+B含量下降明显，而且随着时间延长，下降程度加剧；3个品种中，‘牡丹’即使在低浓度处理下，叶绿素A+B含量依旧下降明显，而‘白花重瓣’在高浓度处理下叶绿素A+B含量最先出现显著下降。

图1 镉胁迫下3个木槿品种叶绿素A+B含量变化情况Fig. 1 Changes in chlorophyll A+B content of three H.syriacus varieties under cadmium stress

2.2.2 叶片可溶性蛋白含量变化情况 木槿叶片可溶性蛋白含量，在胁迫前期，随着胁迫浓度的上升先上升后下降；在胁迫后期，随着胁迫浓度的上升逐渐降低（图2）。‘牡丹’处理30 d，400 mg/kg处理组与CK相比显著下降了17.4%；处理45 d，200、400 mg/kg处理组与CK相比分别显著下降了14.7%、17.8%；处 理 60 d，100、200、400 mg/kg处 理 组与CK相比分别显著下降了21.5%、39.7%、46.4%（图2-A）。‘红星’处理45 d，400 mg/kg处理组与CK相比显著下降了19.0%；处理60 d，100、200、400 mg/kg处理组与CK相比分别显著下降了32.9%、42.4%、44.0%（图2-B）。‘白花重瓣’处理45 d，400 mg/kg处理组与CK相比显著下降了15.9%；处理60 d，100、200、400 mg/kg处理组与CK相比分别显著下降了21.5%、22.2%、29.2%（图2-C）。可以看出，高浓度镉胁迫下，‘牡丹’的可溶性蛋白含量下降程度最为明显。

图2 镉胁迫下3个木槿品种可溶性蛋白含量变化情况Fig. 2 Changes in soluble protein content of three H.syriacus varieties under cadmium stress

2.2.3 叶片游离脯氨酸含量变化情况 木槿叶片游离脯氨酸含量多随着胁迫浓度的上升而升高，唯有‘牡丹’在处理60 d时，400 mg/kg处理组的游离脯氨酸含量出现急剧下降（图3）。‘牡丹’处理30、45 d，400 mg/kg处理组与CK相比差异显著，分别上升了149.3%、250.0%；处理60 d，50、100、200、400 mg/kg处理组与CK相比差异显著，分别上升了71.0%、130.2%、118.3%、79.9%（图3-A）。‘红星’处理30 d，400 mg/kg处理组与CK相比差异显著，上升了158.8%；处理45 d，100、200、400 mg/kg处理组与CK相比差异显著，分别上升了65.0%、112.2%、165.4%；处理60 d，100、200、400 mg/kg处理组与CK相比差异显著，分别上升了77.1%、151.9%、215.0%（图3-B）。‘白花重瓣’处理15、30、45 d，400 mg/kg处理组与CK相比差异显著，分别上升了90.7%、208.8%、149.5%；处理60 d，200、400 mg/kg处理组与CK相比差异显著，分别上升了118.1%、155.5%（图3-C）。据游离脯氨酸变化情况可知，与另外两个品种相比，‘牡丹’的游离脯氨酸含量最先出现下降。

图3 镉胁迫下3个木槿品种游离脯氨酸含量变化情况Fig. 3 Changes of free proline content in three H. syriacus varieties under cadmium stress

2.2.4 叶片丙二醛含量变化情况 木槿叶片丙二醛含量与游离脯氨酸含量变化趋势大致相似，但‘红星’高浓度镉胁迫处理组出现明显下降（图4）。‘红星’处理60 d，400 mg/kg 处理组的丙二醛含量与CK相比差显著下降了34.9%（图4-B）；‘白花重瓣’处理15 d，200、400 mg/kg处理组与CK相比分别显著上升57.4%、60.5%（图4-C）。其中，高浓度镉胁迫对‘白花重瓣’的丙二醛含量的影响最小，至胁迫后期仍未出现明显下降。

图4 镉胁迫下3个木槿品种丙二醛含量变化情况Fig. 4 Changes of MDA content in three H. syriacus varieties under cadmium stress

2.2.5 叶片SOD活性变化情况 随着胁迫浓度的上升，木槿的叶片SOD活性呈逐渐上升或先上升后下降趋势。‘牡丹’处理15 d，100、200、400 mg/kg处理组的SOD活性与CK相比显著上升17.8%、90.4%、108.9%；处理30 d，400 mg/kg处理组上升73.5%（图5-A）。‘红星’在400 mg/kg处理组下，处理30、60 d，SOD活性与CK相比分别下降了61.6%、43.7%（图5-B）。‘白花重瓣’100 mg/kg处理组下处理60 d，SOD活性变化与CK相比显著上升了70.9%（图5-C）。低浓度镉胁迫下，3个品种的SOD活性均有上升趋势；极高浓度镉胁迫下，‘红星’、‘白花重瓣’的SOD活性明显下降，而‘牡丹’的SOD活性仍保持上升。

图5 镉胁迫下3个木槿品种SOD活性变化情况Fig. 5 Changes of SOD activity in three H. syriacus varieties under cadmium stress

2.3 木槿品种耐Cd 能力综合评价

植株健康程度受多种指标影响，为避免评价的片面性，对多项指标进行隶属函数综合评价，根据评价结果对3个木槿品种的耐镉能力进行排序（表2）。在50、100 mg/kg处理组，3个木槿品种耐镉能力：‘红星’＞‘白花重瓣’＞‘牡丹’；在200 mg/kg处理组，3个木槿品种耐镉能力：‘红星’＞‘牡丹’＞‘白花重瓣’；在400 mg/kg处理组，3个木槿品种耐镉能力：‘白花重瓣’＞‘红星’＞‘牡丹’。这说明不同品种对不同镉浓度的耐受能力有所差别，其中‘红星’在镉浓度＜400 mg/kg处理组的耐受能力最强；‘白花重瓣’在400 mg/kg处理组的耐受能力最强。

表2 3个木槿品种耐镉能力综合评价Table 2 Comprehensive evaluation of Cd resistance of three H. syriacus varieties

3 讨论

低浓度（50 mg/kg）镉处理下，木槿的株高、地径增长量较之CK有所上升，而叶绿素A+B含量、可溶性蛋白含量有短暂上升，但之后仍会出现下降。推测原因如下：第一，轻度胁迫下，植物产生应激反应导致株高、地径增长量与叶绿素A+B含量出现短暂上升；第二，轻度胁迫下，为调节体内的渗透平衡、缓解镉胁迫毒害，植株会产生镉结合蛋白将镉运出细胞，使得蛋白质含量上升；第三，随着时间延长，植物体内镉不断积累，胁迫程度加深，植株代谢受抑制。

当土壤中镉含量为100、200、400 mg/kg时，株高、地径增长量、叶绿素含量以及可溶性蛋白含量下降程度随时间延长逐渐加深。王佳星［18］、温瑀［19］等的实验结果表明，随胁迫浓度、胁迫时间的增加，胁迫程度逐渐加深，植物生长受抑制，出现矮小化、叶片黄化萎蔫。宋子文等［20］发现随胁迫浓度增加，大青杨（Populus ussuriensis Kom.）的株高、地径、叶绿素含量有显著下降。植株遭受镉毒害后，可能出现叶绿体结构被破坏、叶绿素合成相关酶活性降低、叶绿素分解相关酶活性提高，或者出现根系吸收的水分、营养物质减少，这些均会导致叶绿素合成受阻、分解加快［21-22］，使得叶绿素含量降低。与此同时，可溶性蛋白的合成、水解相关酶可能也发生了类似变化，造成可溶性蛋白合成受阻、分解加剧［23］，从而导致可溶性蛋白含量的降低。孙初赛［24］、刘翰升［25］等的研究证明，镉胁迫浓度对叶绿素、可溶性蛋白含量有低促高抑作用，且随着胁迫时间的延长，促进效果减弱、抑制效果加强［26-27］。

镉胁迫往往伴随着氧化胁迫，因此植物的抗氧化能力能一定程度反映其镉耐能力［28］。本次研究发现，木槿的游离脯氨酸含量、丙二醛含量、SOD活性和胁迫浓度呈正相关，但长时间、高浓度胁迫下，其含量均会出现不同程度的下降。胁迫前期，可能是因为活性氧的上升激活了植物的氧化应激机制，通过产生并积累大量的SOD与游离脯氨酸来抵御氧化胁迫，前者用于清除活性氧，后者可以调节渗透平衡、保护各种膜结构和酶类物质；以此同时，仍有部分膜结构被活性氧破坏，使得丙二醛含量出现上升。胁迫后期，因植物抵御氧化胁迫的能力是有限的［29］，超出耐受限度后，随着SOD活性的降低或游离脯氨酸含量的下降，膜脂过氧化加剧，丙二醛含量继续上升，但当植物体内的细胞膜结构被大量破坏后，丙二醛含量也出现下降。这一结果证实了闫晶［30］、刘翰升等［31］的结论，但其中丙二醛含量的变化趋势与马月花等［32］关于黄芪（Astragalus propinquus Schischkin）的研究结果不符，这可能是因为植物材料、胁迫浓度与胁迫时间的不同造成的差异。

通过隶属函数方法分析发现，不同品种对不同浓度的镉耐受能力有差异。各浓度处理下，‘牡丹’耐受能力普遍偏低或最低；在50、100、200 mg/kg浓度处理下，‘红星’的耐受能力均最强；在400 mg/kg处理下，‘白花重瓣’的耐受能力最强。

4 结论

镉处理对木槿植株生长有低浓度促进、高浓度抑制的作用，而且随着胁迫时间的延长，促进效果减弱，抑制效果加强。3个木槿品种的耐镉能力因胁迫浓度有所差异，‘牡丹’的耐受能力最弱，但仍适宜长期种植在低浓度（50 mg/kg）镉污染土壤中；‘红星’的耐受性在中、高浓度（100、200 mg/kg）镉污染土壤中高于‘白花重瓣’，在极高浓度（400 mg/kg）镉污染土壤中低于‘白花重瓣’；3个木槿品种在镉含量＞100 mg/kg时均不适宜长期种植。综合判断，在土壤镉浓度≤50 mg/kg时，3个品种均值得推广；在50 mg/kg＜土壤镉浓度＜100 mg/kg时，‘红星’更值得推广；在土壤镉浓度≥100 mg/kg时，3个品种的生长、生理受抑制严重，不适宜长期种植。