镉胁迫对欧亚蔊菜克隆苗的萌发和生长的影响

徐芳慧 ，王子巍，闫 涵，李 鑫，崔贺丰，许玉凤

（1.沈阳农业大学a.林学院,b.生物科学技术学院,沈阳 110161；2.沈阳化工研究院，沈阳 110023）

自然界中的镉以CdS和CdCO的形式存在于锌矿石中，一般为0.01～0.5mg·kg。未污染土壤中镉主要来源于成土母质。环境中的镉污染主要是通过“三废”（废水、废气、废渣）的途径进入自然界中。大气沉降、污水灌溉、农药与肥料等的不合理使用，使土壤中的镉污染呈逐年上升的趋势。植物根系吸收土壤中的镉以后会在体内积累，通过食物链进入人体危害人类健康。土壤中镉污染的修复手段有物理、化学和生物修复，其中生物修复具有绿色和高效等优点。植物修复利用植物根系吸收土壤中的镉并通过收获植物以达到减少土壤中镉含量的目的。

欧亚蔊菜（

Rorippa sylvestris

）是十字花科的多年生草本，被认定为区域性入侵物种。其具有抗逆性强、耐践踏、耐水淹、耐修剪等特性，总状花序，小花黄色，也是一种具有较高观赏价值的园林地被植物。同时，欧亚蔊菜对重金属镉具有很强的吸收和富集能力，是镉的超富集植物。在自然界中种子萌发率低，根蘖繁殖能力极强。根据克隆器官起源的分类，欧亚蔊菜应属于典型的根源型克隆植物。

植物的克隆繁殖是指通过无性繁殖，母株产生与其基因完全相同的个体。克隆繁殖是克隆植物种群得以延续的主要途径。与种子繁殖比，当植物受到胁迫或干扰时，克隆繁殖具有更进化的优势。克隆植物的芽库（可以进行克隆繁殖的所有芽）的输出在植物繁殖和维持种群动态方面具有重要作用。根据受干扰后芽的数量和输出可以评估植物克隆繁殖能力的高低。克隆植物在受干扰后芽库和子株等克隆繁殖的构件的数量变化可反映克隆繁殖能力的变化，其应对不同干扰的响应可能是不同的，因此不同的干扰可能伴随不同的克隆繁殖特征。目前，有关重金属污染对植物克隆繁殖能力影响的研究报道得比较少。欧亚蔊菜应用于镉污染土壤修复时，如何以高效建群也未见报道。因此，本研究以欧亚蔊菜为试材，通过对其横走侧根克隆苗发生特点以及温度和镉胁迫对克隆苗生长的影响研究，探讨了克隆植物在重金属胁迫下的空间扩展能力，为其在镉污染土壤上快速建群和提高修复效率等方面提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 材料

于2020 年5 月5 日在沈阳农业大学科研基地挖取欧亚蔊菜，调查产生不定芽的横走侧根在土壤中的分布和生长特点，观察横走侧根和不定芽的形态特征并拍照记录。

于2021年4月1日在沈阳农业大学科研基地挖取欧亚蔊菜处于休眠状态的根，带回实验室，用自来水清洗干净，去除根部多余细小根，然后进行试验。

1.2 试验设计和方法

将根段剪切为3cm 长度，选择直径为粗（3mm）、中（2mm）和细（1mm）3 个等级根段，用蒸馏水冲洗干净，置于铺有双层滤纸的培养皿中，每个培养皿培养6个根段，各等级分别有2个根段。试验设6个镉浓度，分别为0，10，25，50，100，200μmol·L，镉处理是用 Cd(NO)·4HO 配制成的水溶液。每个培养皿中添加10mL 的含镉培养液，暗培养在15，20，25，30，35℃培养箱中，每处理3 次重复，以蒸馏水处理为对照。培养15d 后统计克隆苗萌发数，并测量其长度（cm）；采用硫代巴比妥酸法测定粗根的克隆苗丙二醛含量，采用酸性茚三酮显色法测定脯氨酸含量。

1.3 数据分析

试验所得数据均用Microsoft Excel软件进行计算和作图，用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 欧亚蔊菜横走侧根及克隆苗发生的特点

欧亚蔊菜的横走侧根主要分布在距地表2～3.5cm，平均在2.5cm居多。横走侧根直径为1～3mm，多数2mm。根上布满不定芽库。不定芽可以单生，也可以成对或成丛，萌发的不定芽距离2cm，其间分布多数的休眠不定芽（图1）。通过调查可知，欧亚蔊菜横走侧根发达，克隆苗的繁殖能力极强。

图1 欧亚蔊菜横走侧根及克隆苗发生的特点Figure 1 The characteristics of horizontal lateral root and clonal seedings of Rorippa sylvestris

2.2 温度对欧亚蔊菜克隆苗萌发的影响

图2为镉浓度为50μmol·L时，不同温度对欧亚蔊菜克隆苗萌发的影响。随着温度的升高，克隆苗萌发的数量呈先增加后减少的趋势。当温度为15℃时，克隆苗数量较少，但芽生长正常；在25℃时克隆苗萌发的数量最多（

p

＜0.05），且生长健壮，粗根、中根和细根平均萌发的克隆苗数分别为14.7，23.8，16.8 个；当温度升高至35℃时，无克隆苗萌发。同时，在各个温度条件下，中根克隆苗萌发的数量是最多的，其次是粗根，细根最低（除了25℃）。

图2 温度对欧亚蔊菜克隆苗萌发的影响Figure 2 Effects of different temperatures on clonal seedlings of Rorippa sylvestris under Cd stress

2.3 镉胁迫对欧亚蔊菜克隆苗萌发的影响

当温度为25℃时，不同浓度镉胁迫条件对欧亚蔊菜克隆苗萌发的影响如图3 和图4，各个等级的根段萌发的克隆苗数量随着镉浓度的增加呈现先增加后降低的趋势，其中镉浓度为50μmol·L时克隆苗萌发数最高，粗根、中根和细根平均克隆苗数分别为23.5，23.8，16.8个，且各处理间差异显著（

p

＜0.05）。在镉胁迫处理下，细根的克隆苗萌发的数量始终低于粗根和中根。当镉浓度低于10μmol·L时，粗根的克隆苗萌发数较高于中根，当镉浓度升高至50μmol·L时，粗根和中根的克隆苗萌发数差异不显著，当镉浓度继续升高时，中根的克隆苗萌发数高于粗根。

图3 镉胁迫对欧亚蔊菜克隆苗萌发的影响Figure 3 Effects of Cd stress on the germination of clonal seedlings of Rorippa sylvestris

图4 镉胁迫下欧亚蔊菜克隆苗萌发情况Figure 4 The germination situation of clonal seedlings of Rorippa sylvestris under Cd stress

2.4 镉胁迫对欧亚蔊菜克隆苗长度的影响

由图5可知，欧亚蔊菜克隆苗的长度随着镉浓度的增加呈先升高后降低的趋势，表现出低促高抑的现象，各处理之间均存在显著性差异（

p

＜0.05）。当镉浓度为25μmol·L时，各等级根段的平均芽长都是最高的，粗根、中根和细根分别为4.94，4.94，4.11cm，与其他处理间差异显著（

p

＜0.05）。当镉浓度高于50μmol·L时，各等级根段的克隆苗长均下降，粗根的克隆苗长＞中根＞细根。同时观察到，在高浓度Cd胁迫下细根的克隆苗较细长，颜色较浅。

图5 镉胁迫对欧亚蔊菜克隆苗苗长的影响Figure 5 Effects of Cd stress on the height of clonal seedlings of Rorippa sylvestris

2.5 镉胁迫对欧亚蔊菜克隆苗中MDA含量的影响

由图6 可知，随着Cd浓度的增加，欧亚蔊菜克隆苗中MDA 含量呈现先降低再逐渐升高的趋势，当镉浓度为10μmol·L时达到最小值为0.39μmol·L，当镉浓度为高于25μmol·L时逐渐升高，但各处理与对照比差异不显著（

p

＞0.05），说明欧亚蔊菜对镉胁迫具有很强的抵抗能力。

图6 镉胁迫对欧亚蔊菜克隆苗MDA含量的影响Figure 6 Effects of Cd stress on MDA content in clonal seedlings of Rorippa sylvestris

2.6 镉胁迫对欧亚蔊菜克隆苗游离脯氨酸含量的影响

当植物在受到外界胁迫时，体内会积累大量的游离脯氨酸，以增加它的抵抗力。由图7 可知，随着镉浓度的增加，游离脯氨酸含量逐渐升高，在200μmol·L浓度下达到最高值，为535.44μmol·g，说明Cd胁迫可以显著影响欧亚蔊菜克隆苗中游离的脯氨酸含量（

p

＜0.05）。

图7 镉胁迫对欧亚蔊菜克隆苗游离脯氨酸含量的影响Figure 7 Effects of Cd stress on the free proline content in clonal seedings of Rorippa sylvestris

3 讨论与结论

众多研究表明，植物在逆境条件下，地下芽库储存芽可以使植物快速恢复，抵抗并稳定繁殖。克隆整合可以在不利条件下缓解植物生长生存胁迫，提高子株在胁迫下生存，而且在生理生态方面可以表现出植物克隆整合的优势。当植物受重金属胁迫时，重金属被分隔在根或芽等不同植物器官内。这样克隆植物的分株可以缓解重金属的胁迫。本试验对欧亚蔊菜根段进行不同镉浓度处理时发现，低浓度镉胁迫条件下，克隆苗萌发的数量较多，同时伴有较多的侧根发生。这可能是因为根段萌发时生出的侧根，可以吸收溶液中的镉，并使其在根中积累。低浓度Cd胁迫可以促进根段萌发，可能是因为当植物受到外界胁迫时表现出的一种适应性的抵御反应，这与曹明等研究在铅胁迫下芦苇的分蘖芽耐性策略表现不受胁迫影响甚至增加的现象一致，高浓度Cd胁迫会抑制根段克隆苗的萌发，这可能是由于重金属对克隆苗萌发的毒害作用。当植株受到重金属Cd胁迫时，植物形态指标相比未受到胁迫的植株表现出明显的劣势。欧亚蔊菜克隆苗，低浓度的Cd胁迫可以促进其生长，但高浓度的Cd胁迫对其生长有抑制作用。本研究结果表明，欧亚蔊菜的横走侧根分布较浅，在近地表2.5cm，具有极强的克隆繁殖能力。在25℃下克隆苗萌发的数量最多，说明在沈阳地区春季是克隆苗快速萌发和生长阶段，夏季温度高不利于克隆苗的萌发。

MDA 是膜脂过氧化的主要产物，通过MDA 积累量的变化可以反映植物受害的程度。在Cd胁迫下，植物叶片MDA 含量呈先降低后升高的趋势，但是各处理间差异不显著，说明欧亚蔊菜的克隆苗对镉具有很强的耐性。脯氨酸在植物体内含量变化可作为植物抗逆境能力的生理指标之一。在本试验中，随着Cd 浓度的增加，欧亚蔊菜克隆苗中脯氨酸含量呈现明显的上升趋势（

p

＜0.05），这与温瑀等研究杞柳和红瑞木对重金属胁迫生理响应一致，证明了植物体内脯氨酸会随着植物受重金属迫害的程度增大而大量积累。本研究结果表明，随着温度的升高，欧亚蔊菜克隆苗萌发数量先升高后降低，说明低温和高温对欧亚蔊菜克隆苗萌发起到抑制作用。随着Cd 处理浓度的增加，欧亚蔊菜克隆苗萌发数量和苗长呈先升高后降低的现象，在Cd 浓度为25μmol·L时克隆苗萌发数量最多，在Cd 浓度为50μmol·L时克隆苗最长，说明低浓度Cd 对欧亚蔊菜克隆苗萌发和生长起到促进作用，高浓度Cd 起到抑制作用。随着镉浓度的增加，克隆苗中丙二醛含量的增加差异不显著（

p

＞0.05），脯氨酸含量逐渐增加，各处理间差异显著（

p

＜0.05），说明欧亚蔊菜克隆苗对镉具有很强的抗性，可能是通过增加脯氨酸含量以适应镉胁迫。