镉胁迫下不同生态型鱼腥草生长及生理特性的响应

吴正卓，刘桂华，范成五，吴科堰，秦 松

(1.贵州省生态环境监测中心，贵阳 550081；2.贵州省农业科学院土壤肥料研究所，贵阳 550006；3贵州大学农学院，贵阳 550025)

【研究意义】随着工农业的快速发展，工业“三废”排放量增大，固体废弃物不合理处理，农业污水、废水灌溉，劣质化肥的施用及大气沉降致使土壤中重金属污染问题日益严重[1-2]。调查显示，我国耕地土壤污染点位超标率达19.4%，其中重金属Cd的点位超标率最高，达7.0%[3]。2016年国务院颁布的《土壤污染防治行动计划》重点监测的土壤五大重金属中Cd排首位。Cd对动植物都属于非必需元素，而且具有较强的毒性，移动性强、中毒临界浓度低、具积累效应，是环境中最危险的重金属之一[4]。Cd浓度超过某一阈值时，会对植物产生毒害作用，这些作用可能包括抑制植物生长，降低净光合速率，降低光合色素、酶活性降低、活性氧含量增加等[5-6]。因此，研究Cd胁迫伤害植物机理及Cd污染土壤的植物修复均具有重要的意义。【前人研究进展】Cd对植物胁迫的研究已有一定的报道，如潭长强等[7]研究得出，Cd胁迫下显著降低了台湾恺木根、茎和叶鲜物质积累量；朱志勇等[8]研究表明，在低浓度Cd下，多数品种小麦幼苗鲜物质积累量增加，有促进作用，高浓度下，所有品种小麦生长受到明显抑制。鱼腥草(HouttuyniacasdataThunbs)，又名芩草、蕺草、臭腥草等，属三白草科(Saururaceae)，其既是一种美味高营养的食材，又是一种多用途的优质的中药材[9]在贵州分布及种植广泛，其中，贵阳市乌当区、安顺市平坝区、毕节市等地区种植面积稳定，年限较长，如乌当区鱼腥草占据了贵阳市市场70%的份额，其产值为贵州扶贫工作发挥重要作用。鱼腥草对土壤中部分重金属具有一定富集能力，李铮铮等[10]研究显示，鱼腥草对Pb具有一定的耐性和富集能力，且大多学者研究主要集中于Pb及Pb与其他重金属的交互作用对鱼腥草吸收累积和鱼腥草抗氧化酶系统及叶绿素的影响[10-13]。另外，众多研究表明，由于产区土壤及气候环境差异可能会使同一物种之间存在种质差异，进而可能会导致在生长过程中对重金属元素的吸收和耐性不同[14-16]。【本研究切入点】目前，针对Cd胁迫处理对不同生态型鱼腥草生理生化特性影响的研究相对较少。因此，对贵州不同产地鱼腥草对Cd的耐受能力进行研究，以期为Cd胁迫伤害植物机理及Cd污染土壤的植物修复提供理论依据。【拟解决的关键问题】研究侧重阐明不同浓度Cd胁迫对3种生态型鱼腥草生长的影响、叶片抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性变化及相对叶绿素含量等生理指标的响应规律，阐明不同产地鱼腥草对Cd的耐受能力。

1 材料与方法

1.1 试验材料

鱼腥草来自贵州省安顺市平坝区(山间平地)、贵阳市乌当区(丘陵)和毕节市七星关区(高原山地)3个产区，于贵州省土壤肥料研究所试验地种植1年，消除各地区土壤性质差异对鱼腥草生理特性的影响，保证试验材料基础背景含量保持一致。试验用石英砂为普通，粒径2 mm，用水洗净晾干，灭菌消毒待用。

1.2 试验设计

Cd胁迫设6个水平，采用CdCl22.5H2O(分析纯)以溶液形式加入供试石英砂中，胁迫处理浓度分别为0(CK)、0.25、0.50、1.00、2.00、5.00 mg/kg，每种生态型鱼腥草每个处理3次重复。砂培盆栽试验在日光温室大棚内开展，试验用塑料盆直径26.5 cm，高17.6 cm，石英砂预先用蒸馏水洗净晾干，灭菌消毒，每盆装石英砂1.5 kg(干重)，每盆平行栽植大小一致的6根鱼腥草茎段(每段3个节)，植深3～5 cm，第1天加入霍格蓝一阿农营养液[10]600 mL，保证液面高于石英砂1～2 cm，每天用0.l mol/L HC1和0.1 mol/L NaOH调pH至5.8。每天观察并及时补充营养液保持一致，待长出1～2片真叶及植株生长稳定后，开始向营养液中一次加入CdCl2进行Cd胁迫处理。培养60 d后，选取植株部位、生长情况、叶龄一致具有代表性的叶片剪碎混匀用于抗氧化酶活性测定。剩余部分小心将鱼腥草与石英砂分开，不破坏其生理结构，先用水将鱼腥草冲洗干净，再用去离子水完全冲洗干净后用吸水纸拭干，并将鱼腥草分地上部和地下部分别称重后装入信封袋。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性测定 取鱼腥草新鲜叶片，用去离子水中冲洗干净，滤纸拭干后进行抗氧化酶活性测定。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑光化还原法测定，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶(CAT)活性采用240 nm 光密度比色法测定[17]。

1.3.2 相对叶绿素含量测定 采用SPAD-502叶绿素测定仪，选取部位、生长情况、叶龄一致具有代表性的叶片测定叶绿素相对含量，每盆5次重复，取平均值。

1.3.3 鲜质量测定 将各处理鱼腥草从培养盆中挖出并清洗鲜净，分为地下(根)和地上(茎、叶)两部分，称量各处理鱼腥草鲜质量，计算鱼腥草根冠比。

根冠比=地下部分鲜质量/地上部分鲜质量[18]。

1.4 基于主成分分析的不同生态型鱼腥草抗Cd性综合评价

以所测SOD、POD、CAT、SPAD 4个指标在Cd肋迫下的变化速率为基础数据，利用主成分分析法综合评价不同生态型鱼腥草的抗Cd性。

1.5 数据处理

用Excel处理测定数据，用Origin 8.5.1作图，用DPS软件进行方差分析与多重比较。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫对不同生态型鱼腥草生长的影响

由表1可知，与对照(CK)比较，随着Cd胁迫的增加，3种生态型鱼腥草地上部鲜重、地下部鲜重及生物量均呈下降趋势，表明Cd污染可明显抑制鱼腥草的生长。不同产地中，乌当鱼腥草在低浓度Cd污染胁迫下(0.25 mg/kg)，其地下部鲜重和生物量显著降低，在Cd污染浓度为5 mg/kg时最低，与对照相比降低幅度分别达26.54%和33.19%；地上部鲜重则在Cd污染浓度高于1 mg/kg时降低量达显著水平，在Cd浓度为5 mg/kg时，降幅为40.97%。平坝鱼腥草在Cd低污染浓度胁迫下(0.25 mg/kg)，其地上部鲜重、地下部鲜重及生物量显著的降低，并在Cd高浓度胁迫下(5 mg/kg)降低幅度最大，分别为38.85%、17.93%、29.12%。七星关产地，鱼腥草地上部鲜重、地下部鲜重及生物量则在Cd污染浓度为1 mg/kg时，其降低量差异达显著水平，且在Cd高污染浓度下(5 mg/kg)降低幅度最大，分别为38.15%、28.64%、33.13%。

表1 Cd胁迫下不同产地鱼腥草的生长指标

根冠比是生物量累积分配的主要指标，其变化反映了植物地下部分与地上部分物质积累的变化情况。与对照比较，乌当鱼腥草在低浓度Cd(0.25和0.5 mg/kg)胁迫下根冠比显著降低，而在较高浓度Cd胁迫下(1和5 mg/kg)根冠比有一定程度升高，且达到显著水平。平坝鱼腥草在受到Cd胁迫时，其根冠比均表现出增大的趋势，且差异性显著。七星关产地鱼腥草根冠比除Cd浓度为0.25和1 mg/kg时与对照比较差异不显著外，其余处理的根冠比则显著增加。

2.2 Cd胁迫对鱼腥草抗氧化酶活性及叶绿素含量的影响

2.2.1 Cd胁迫对鱼腥草SOD活性的影响 从图1看出，随着Cd胁迫浓度的升高，3种生态型鱼腥草SOD均呈先升高后降低趋势。乌当产地，不同Cd浓度鱼腥草叶片的SOD活性显著高于对照，说明Cd处理浓度范围内对乌当产地的鱼腥草毒害作用不明显。平坝产地，与对照组比较，鱼腥草叶片SOD活性在低Cd胁迫下有一定程度的升高，但差异性不显著，在较高Cd浓度胁迫下(大于1 mg/kg)，其活性显著低于对照，说明较高浓度Cd对该产地鱼腥草的毒害作用较明显。七星关产地，在Cd胁迫下，随着处理浓度的增加SOD先上升后下降，在Cd处理浓度为5 mg/kg时显著低于对照，说明高浓度Cd对该产地鱼腥草的毒害作用明显。

沥青路面以其良好的行车舒适性、平整度、噪声小等特点成为主要路面结构类型，随着道路交通量增加迅速，车辆超载、重载现象严重，普通沥青混凝土路面已难以满足现有使用要求，因此有必要研究提高沥青路面性能，延长其使用寿命。大量研究和实践表明，SBS改性沥青能够明显提高基质沥青高低温性能以及水稳定性，相较于普通基质沥青，在相同路面设计厚度下，SBS改性沥青能够显著提高路面承载力，而在相同的路面设计寿命年限下，SBS改性沥青路面铺设厚度较低[1]，明显减小施工用料，降低工程造价。本文结合工程实践，探讨工程用SBS改性沥青制备方法，深入探讨SBS改性沥青混凝土路面施工技术。

不同小写字母表示差异达显著水平(P<0.05),下同Different lowercase letters indicate signficant difference at P<0.05 level,the same as below图1 Cd胁迫下不同产地鱼腥草的SOD活性Fig.1 SOD activity of Houttuynia casdata Thunbs with different origins under Cd stress

2.2.2 Cd胁迫对鱼腥草POD活性的影响 由图2可知，乌当产地鱼腥草叶片的POD活性明显高于平坝产地和七星关产地，七星关产地最低，且3个不同产地鱼腥草受Cd影响的响应不同。随Cd处理浓度的增加，乌当产地的POD活性先升高后降低，在Cd处理浓度为0.5 mg/kg时达最大，在Cd处理浓度为5 mg/kg时最小，且显著低于对照。平坝产地随Cd处理浓度的增加，鱼腥草叶片POD活性总体呈下降趋势，均显著低于对照。七星关产地的鱼腥草叶片POD随Cd处理浓度的增加，其活性先升高后降低，在Cd处理浓度为1 mg/kg时达最大，不同处理后鱼腥草叶片POD活性均显著高于对照处理。

图2 Cd胁迫下不同产地鱼腥草的POD活性Fig.2 POD activity of Houttuynia casdata Thunbs with different origins under Cd stress

2.2.3 Cd胁迫对鱼腥草CAT活性的影响 从图3可知，3种生态型鱼腥草叶片CAT活性随着Cd胁迫浓度的增加均呈先升高再降低后又升高的趋势。与对照相比，3种生态型鱼腥草叶片CAT活性除在低浓度Cd(0.25 mg/kg)胁迫下差异不显著外，其余处理均达显著差异水平。乌当和平坝产地在Cd处理浓度为1 mg/kg时，CAT活性最低，且显著低于对照，其他处理CAT活性均高于对照，尤其在Cd胁迫浓度为5.0 mg/kg时，CAT活性分比对照提高146.85%和68.72%。七星关产地则是在Cd处理浓度为0.5 mg/kg时，CAT活性降到最低，且显著低于对照，在较高浓度Cd(大于1 mg/kg)胁迫下，其活性显著增加，与对照比较增加幅度为355.95%～614.97%。

图3 Cd胁迫下不同产地鱼腥草的CAT活性Fig.3 CAT activity of Houttuynia casdata Thunbs with different origins under Cd stress

2.2.4 Cd胁迫对鱼腥草相对叶绿素含量的影响 从图4看出，3种生态型鱼腥草受Cd污染胁迫后，其叶片SPAD值总体呈下降趋势，且均低于对照。乌当产地不同处理均可降低鱼腥草叶片SPAD含量，与对照比较达显著差异水平，尤其在Cd处理浓度为5.0 mg/kg时，降幅高达52.20%。平坝产地鱼腥草叶片SPAD值，除在低Cd处理浓度(0.25 mg/kg)无显著差异外，其余处理SPAD含量均显著降低，在Cd处理浓度为5.0 mg/kg时，降低幅度为14.56%。七星关产地鱼腥草叶SPAD值在较低Cd浓度(<1 mg/kg)胁迫下降低不显著，在高Cd浓度(2和5 mg/kg)处理下则显著降低，并在Cd浓度为5.0 mg/kg时降低幅度最大，为27.57%。可见，高浓度Cd胁迫能明显降低鱼腥草叶片的SPAD值。

图4 Cd胁迫下不同产地鱼腥草的SPAD值Fig.4 SPAD value of Houttuynia casdata Thunbs with different origins under Cd stress

2.3 基于主成分分析的抗Cd性综合评价

由表2可知，第一主成分(F1)的特征根为1.955，贡献率为48.882%，第一主成分的贡献率较大，其对应较大特征向量的评价指标有SOD、POD，这说明第一主成分的贡献率主要来自SOD、POD这2个指标。第二主成分(F2)特征值为1.261，贡献率为31.534%，相关性较大的特征向量评价指标为CAT、SPAD。利用各指标的方差除以主成分的方差得各指标分别在第一主成分和第二主成分上的权重，两主成分的贡献率进行归一化处理得第一主成分的权重为0.608，第二主成分的权重为0.392。设抗氧化酶综合评价指数为Z，则每种生态型鱼腥草抗Cd抗氧化酶综合评价指数为Z=0.608F1+0.392F2。

表2 主成分的贡献率和各生理指标的特征向量和权重

采取胁迫最高浓度(5.0 mg/kg)计算出抗氧化酶综合评价系数来表征3种生态型鱼腥草抗Cd情况，从表3看出，在乌当产地鱼腥草的抗Cd胁迫能力最强，其抗Cd胁迫综合评价系数为2.310；乌当产地最强，平坝产地鱼腥草的抗Cd胁迫能力最小，抗Cd胁迫综合评价系数为-0.167；七星关产地鱼腥草的抗Cd胁迫能力居中，抗氧化酶综合评价系数为0.258。3种生态型鱼腥草抗氧化酶综合指数排序为乌当产地>七星关产地>平坝产地。

表3 不同产地鱼腥草抗氧化酶综合评价值及排序

3 讨 论

Cd是植物非必须元素，其进入植物并积累到一定程度，就会表现出毒害症状，通常会出现生长迟缓、植株矮小、退绿、鲜物质累积量下降等症状[6]。本研究表明，Cd胁迫处理显著影响3种生态型鱼腥草生长。当Cd胁迫浓度高于5.0 mg/kg时，3种生态型鱼腥草地上部鲜重、地下部鲜重和生物量均显著降低且降至最低值，这与吴涛等[11]研究结果相似，原因可能是Cd通过植物根部吸收进入植物体内后，通过区域化分布贮存于叶绿体中，破坏叶绿体酶系统和阻碍叶绿体合成，Cd也会抑制线粒体膜上ATP酶的活性引起线粒体结构的改变，进而损失了植物的光合作用[19]。其中，3种生态型鱼腥草鲜重受Cd胁迫而导致鲜重降低的胁迫浓度不尽相同，说明不同产地鱼腥草对Cd的抗性能力有所不同。植物受到环境胁迫时会调节其根冠比来适应环境的变化[20]。本研究得出3种生态型鱼腥草受Cd胁迫后其根冠比总体呈升高趋势，可能是由于鱼腥草在受到环境胁迫时，通过增加根冠比来提高对外界逆境的生存能力。

重金属胁迫会引起植物内部活性氧的累积，导致根系组织内的氧化胁迫和膜损伤，影响抗氧化酶系的活性，从而抑制植物的生长[7]。与此同时，植物内部也存在由POD、SOD和CAT组成的抗氧化酶系统，可以有效地清除体内因环境胁迫而产生的活性氧自由基，使细胞免受活性氧的损害，提高植物的抗逆能力，抵抗逆境的能力因不同植物，不同组织部位而不同[21]。本研究结果表明，3种生态型鱼腥草抗氧化酶SOD活性随着Cd胁迫浓度升高呈先升高后降低趋势。乌当产地鱼腥草受到Cd胁迫后，鱼腥草叶片的SOD活性均高于空白对照，增幅最高达72.14%。平坝与七星关产地鱼腥草受Cd胁迫处理后，叶片SOD活性在低浓度时有所增加，可能是由于ROS水平的提高而引起的适应性反应，但随着胁迫浓度增大，植物体内ROS水平超负荷抑制SOD活性[22],从而导致SOD活性逐渐降低且低于空白对照。

POD是植物体内活性氧防御系统的酶系成分之一，能有效清除逆境条件下细胞中产生的自由基，在抗逆境胁迫中起着关键作用，其活性变化，既可表示逆境胁迫的强弱，也可反映植物自身的抗逆潜力，其能将植物体内的H2O2分解为H2O和O2，减轻植物因环境胁迫而产生的损伤[23]。试验表明，乌当和七星关产地的鱼腥草POD活性随着Cd浓度增高表现出先增高后减低的趋势。原因可能是POD在受到Cd胁迫初期活性上升，是抗氧化系统对Cd胁迫的适应性反应，随着Cd胁迫程度的加深，酶活性受到抑制，趋于下降[24]。七星关产地鱼腥草的POD活性在1.0 mg/kg时达到最大值，比空白CK增加133.14%，且全部胁迫处理后，叶片POD的活性均高于CK，表现出相同耐性基础。Cd胁迫时平坝产地的鱼腥草POD活性下降53.44%，差异显著说明受Cd胁迫后鱼腥草体内产生的自由基已经影响到了POD的活性，这一结果与李铮铮等[10]的研究结果不同，可能是因为植物由于不同重金属胁迫产生的不同诱导机制[25]。

CAT是一种对H2O2具有强有力清除能力的抗氧化酶，CAT活性的增高可以体现植物内部H2O2水平提高。本研究中，3种生态型鱼腥草叶片CAT活性均随着Cd胁迫浓度的增加呈先升高再降低后又升高的趋势，原因可能是受Cd胁迫时，CAT增加以补充降低的POD，从而消除Cd胁迫产生的H2O2，降低鱼腥草因Cd胁迫而产生的损伤。亓琳等[17]研究发现，燕麦受锶胁迫时，CAT活性也会提高且均高于CK。由此推测，鱼腥草在受Cd胁迫时，SOD、CAT可能在清除过氧化产物时发挥关键作用。

叶绿素是植物能否进行光合作用的主要色素，其含量高低甚至影响植物正常的新陈代谢[26]。植物叶绿素含量的变化，不但可反映出植物叶片光合功能的强弱，而且可表征逆境胁迫下植物组织、器官的衰老状况[27]。由SPAD-502叶绿素含量测定仪获取的SPAD值能较精确地拟合叶绿素含量值，能够代替叶绿素含量值[28-29]。赖秋雨等[30]研究表明，番茄受到浓度大于8 mg/kg Cd胁迫时，叶片中的叶绿素含量会显著低于CK，这与本研究结果相似，即3种生态型鱼腥草受Cd胁迫后，叶片SPAD值总体呈下降趋势，5.0 mg/kg处理下显著低于对照14.56%～52.20%。叶绿素含量的降低影响了植物光合作用，从而也导致鱼腥草鲜物质累积量降低。

3种生态型鱼腥草抗氧化酶综合系数排序为乌当产地>七星关产地>平坝产地，表明3种生态型鱼腥草受到Cd胁迫时其抗氧化酶活性的大小变化情况。植物受到环境胁迫时，通过维持或提升体内抗氧化酶活性来增加其抗逆性[31-32]。因此，推测3种生态型鱼腥草抗Cd胁迫指数大小应该与抗氧化酶综合指数排序呈相反趋势，即平坝产地>七星关产地>乌当产地。该结果从Cd胁迫处理后鱼腥草的表观形态得到证实，轻度胁迫时，3种生态型鱼腥草与对照差异不大，当胁迫高于5.0 mg/kg时，乌当产地鱼腥草明显出现叶片发黄，植株矮小等特征，而七星关产地情况则好于乌当产地，平坝产地鱼腥草叶片基本没有发生变化，生物量也是高于其他产地。鱼腥草在Cd胁迫下的表观形态变化，可作为判断鱼腥草对Cd抗逆性的直观指标，只有综合生理指标的综合评价，才能更好地反映植物抗逆性。

4 结 论

Cd胁迫处理显著影响鱼腥草生长，当Cd浓度高于5.0 mg/kg时，3种生态型鱼腥草地上部、地下部鲜重、生物量及叶片叶绿素含量与CK相比显著降低。抗氧化酶活性则呈低浓度Cd提高SOD、POD活性，高浓度则抑制其活性，CAT的活性大体随处理浓度加深而升高趋势。其中，SOD和CAT可能在鱼腥草受Cd胁迫时起关键作用。相对叶绿素含量随Cd胁迫加深而降低，乌当产地降低幅度高达52.20%。3种生态型鱼腥草抗Cd胁迫指数大小为平坝产地>七星关产地>乌当产地。