鬼针草对重金属镉的耐受性和抗氧化酶响应特征研究.pdf
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1、云南师范大学学报(自然科学版),2 0 2 4,4 4(1):5 9-6 4 h t t p s:/q k g j.y n n u.e d u.c nJ o u r n a l o fY u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e sE d i t i o n)D O I:1 0.7 6 9 9/j.y n n u.n s-2 0 2 4-0 1 2鬼针草对重金属镉的耐受性和抗氧化酶响应特征研究*韩飞1,陈春2,资静云2,史任芬3,沈蕊4,黄晶心1,岳志强5,孙世中*,宋洪川*(1.云南师范大学能源与环境
2、科学学院,云南 昆明6 5 0 5 0 0;2.澄江市乡村振兴发展中心,云南 澄江6 5 2 5 0 0;3.澄江市种植业综合服务管理中心,云南 澄江6 5 2 5 0 0;4.澄江市农业农村信息中心,云南 澄江6 5 2 5 0 0;5.玉溪市农业环境保护和农村能源工作站,云南 玉溪6 5 3 1 0 0)摘要:采用营养液栽培的方式,设置不同浓度C d(0、2 0、4 0、8 0m g/L和1 6 0m g/L)胁迫处理,探究不同浓度下鬼针草的生长、耐受能力和抗氧化酶变化特征.结果表明:随C d胁迫浓度升高,鬼针草生长受抑制加重,株高和生物量显著下降,C d浓度为2 0m g/L时根系耐性系
3、数达最大为0.6 0,高于该浓度鬼针草生长发育受阻.植株C d含量随胁迫浓度增加而升高,根部最高含量达1 2 0 3.6 4m g/k g,C d 1(2 0m g/L)处理时C d富集总量最大,后逐渐减小.抗氧化酶活性(过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶)呈现先升后降再升高的趋势,表现出对C d胁迫的响应过程,其中超氧化物歧化酶活性变化与鬼针草C d的吸收呈极显著正相关(P0.0 1).研究表明鬼针草对C d有较强吸收能力,适用于有效C d浓度低于2 0m g/L的污染土壤修复.关键词:镉胁迫;鬼针草;重金属耐受性;抗氧化酶中图分类号:X 5 3;X 1 7 3 文献标志码:A 文章编号
4、:1 0 0 7-9 7 9 3(2 0 2 4)0 1-0 0 5 9-0 6 随着人类社会和工业的发展,土壤遭到了严重的重金属污染,其中重金属镉(C d)是一种毒性强且污染范围广的污染物,不仅会给植物造成各种生理毒害,还会随各种传播途径进入人体,造成潜在危害1.因此,对土壤重金属污染修复技术的研究十分重要.与传统的重金属污染修复方法相比,植物修复因成本低廉和环境友好等优点成为重金属污染修复的研究热点,其中重金属超富集植物的生物量、对重金属的富集和转运能力是植物修复效果的关键2.鬼针草(B i d e n sp i l o s aL.)为菊科一年生草本植物3,具有生物量大、生长周期短和种间竞
5、争力强等特点.前人研究表明矿区周边的鬼针草体内能大量富集C d,对C d污染土壤具有较好的修复潜力4-6.而不同环境下鬼针草的C d富集特征存在差异,例如邹春萍等7研究表明在土壤C d浓度为9 0m g/k g时鬼针草生长受到抑制,生物量显著降低,同时植株C d吸收能力下降.严明理等人8研究则表明在土壤C d浓度为5 0m g/k g时鬼针草就表现出生长受阻等不适应症状.也有研究表明在土壤C d浓度为2 51 2 5m g/k g时,鬼针草的生物量与对照相比显著增加9.邹璐璐等人1 0在对C d胁迫下河岸草本植物种子萌发特征的研究中发现,鬼针草种子在溶液C d浓度为2 0 0m g/L时仍能萌
6、发,表现出较强的C d耐受性.目前,鬼针草修复土壤C d污染相关研究主要集中在鬼针草对镉的富集和迁移特性上,关于鬼针草对C d的耐受范围和抗性机制方面缺少统一的讨论.本研究采用温室营养液栽培的方式,通过不同浓度C d胁迫下鬼针草生长耐受性、C d富集能力和抗氧化酶活性等指标的变化情况,探究鬼针草对C d胁迫的耐受范围和抗性响应特征,为鬼针草修复镉污染土壤的应用提供理论依据.*收稿日期:2 0 2 3-0 9-1 7基金项目:国家自然科学基金资助项目(3 1 8 0 0 4 4 3,3 2 3 6 0 3 1 7);云南省基础研究计划资助项目(2 0 2 3 0 1 A T 0 7 0 0 7
7、7).作者简介:韩飞(1 9 9 6-),男,云南昭通人,硕士研究生,主要从事土壤重金属污染生物修复方面研究.通信作者:孙世中.E-m a i l:1 2 7 7 8 8 9 3 0 9q q.c o m.宋洪川.E-m a i l:s h c h 1 6 3.c o m.1 材料与方法1.1 试验材料鬼针草种子采集于云南师范大学校园内一未开荒地块,该地块无作物种植,多为一年生杂草生长.种子用7 5%酒精浸泡5m i n后用蒸馏水清洗3遍,放入垫有滤纸的9mm培养皿中,于恒温培养箱中进行种子萌发,温度为2 8,湿度6 0%.当幼苗达到5c m的时候移植到霍格兰营养液(H o-a g l a n
8、 dN u t r i e n tS o l u t i o n)中继续培养.1.2 试验设计霍格兰营养液配制时以C d C l22.5 H2O(分析纯)为C d供源加入,设不同C d浓度处理C d 1(2 0 m g/L)、C d 2(4 0 m g/L)、C d 3(8 0 m g/L)和C d 4(1 6 0m g/L),不加C d为对照(C K)处理,每个处理4个重复.水培盒规格为1 2 8mm(长)8 8mm(宽)1 1 5mm(高),孔径为2c m,加入配好的营养液7 0 0m L,每盒定植5棵苗,使幼苗的根浸在营养液中.随机摆放于恒温光照培养箱中,温度为2 6,湿度6 0%,光照
9、强度设置为6 0 0 0l x,每天保证1 2h光照时间,试验期间视消耗情况适时补充无C d营养液.培养6 0d后收获植株,进行指标测定.1.3 测定指标与方法1.3.1 生长指标测定收获后的鬼针草植株用自来水洗净后,再用蒸馏水超声清洗5m i n,滤纸吸干表面水分,用刀片分割为根和地上部,用游标卡尺和卷尺分别测量株高和根长.植物材料经烘箱1 0 5 杀青3 0m i n后,7 0恒温下烘干至恒重,称量各部分生物量.参照韩瑞宏等1 1的方法,计算不同浓度C d胁迫下鬼针草各生长指标对C d的耐性系数.耐性系数(T i)=处理组测量值/对照组测量值1.3.2 C d含量测定烘干的植物材料研磨后过
10、0.2 5mm孔径筛网,取过筛粉末0.5g采用体积比31的盐酸-硝酸混合液进行消解,用原子吸收光谱仪(AA-7 0 0 0,S h i m a d z u,J a p a n)测定植物不同部位C d含量,计算C d富集量.植物不同部位C d富集量=植物不同部位C d含量不同部位生物量1.3.3 抗氧化酶活性测定收获前取鬼针草鲜叶0.1g,加入预冷的磷酸盐缓冲液(p H 7.8)研磨成浆,然后在4 下离心2 0m i n(1 0 0 0 0r/m i n),取上清液测定酶活性.过氧化物酶(P O D)活性采用愈创木酚法1 2测定,超氧化物歧化酶(S O D)活性用氮蓝四唑法测定,过氧化氢酶(C
11、AT)活性采用紫外分光光度法测定.1.4 数据分析方法使用M i c r o s o f tE x c e l 2 0 1 9软件进行数据整理和图表绘制,用I BM S P S SS t a t i s t i c s(2 6.0)软件对不同处理指标数据进行单因素方差分析和相关性分析,并用最小显著差异法(L S D)进行差异显著性检验(P0.0 5),文中所列数据均为4次重复的平均值,以平均值标准误表示.2 结果与分析2.1 不同处理对鬼针草生长的影响如表1所示,鬼针草的株高随C d浓度增加呈先升高后降低的趋势,C d 4处理时最低,比C K显著降低6 0.5 8%(P0.0 5);根长和单株
12、叶片数均呈现显著下降趋势(P0.0 5),C d处理下根长下降4 0.1 7%8 1.6 8%,叶片数减少3 0.8 5%7 8.3 0%;与C K相比,C d处理组鬼针草根生物量减少9 1.1 5%9 6.4 6%,地 上 部 生 物 量 减 少8 9.8 6%9 7.9 7%(P0.0 5).表1 不同处理下鬼针草的生长指标T a b l e1G r o w t h i n d e x e so fB i d e n sp i l o s aL.u n d e rd i f f e r e n t t r e a t m e n t s处理株高/c m叶片数/株根长/c m生物量/(g/株
13、)根部 地上部 C K1 5.5 51.8 0 a4 7.0 04.9 1 a1 6.3 80.4 0 a1.1 30.1 7 a 4.9 30.3 9 aC d 11 7.5 03.4 9 a3 2.5 02.2 6 b9.8 00.6 1 b0.1 00.0 3 b 0.5 00.1 1 bC d 21 1.0 32.4 1 a2 0.5 52.2 2 b c6.0 00.1 7 c0.0 70.0 1 b 0.2 20.0 3 cC d 38.6 01.9 2 b1 9.8 03.9 7 b c4.4 80.2 9 d0.0 50.0 1 b 0.1 20.0 4 cC d 46.1 3
14、1.3 8 b1 0.2 00.3 1 c3.0 00.3 0 e0.0 40.0 2 b 0.1 00.0 6 c表中不同小写字母标记表示不同处理间指标存在显著差异(P0.0 5),下同.06云南师范大学学报(自然科学版)第4 4卷 2.2 不同处理下鬼针草生长指标的耐性系数将与植物生长相关指标的耐性系数进行计算分析,结果见表2.各指标耐性系数均明显减小,从株高来看,除C d 4处理下耐性系数小于0.5外,其他处理均大于0.5;根长和叶片数仅C d 1处理下耐性系数大于0.5,其余处理随C d浓度升高显著下降(P0.0 5);各处理鬼针草的生物量耐性系数均较小.表2 不同处理鬼针草生长指标的
15、耐性系数T a b l e2 T o l e r a n c ec o e f f i c i e n t so fg r o w t h i n d e x e so fB i d e n sp i l o s aL.u n d e rd i f f e r e n t t r e a t m e n t s处理株高根长叶片数地上生物量地下生物量C d 11.1 30.1 1 a0.6 00.0 5 a0.7 10.0 8 a0.1 00.0 1 a0.0 80.0 1 aC d 20.8 80.0 4 b0.3 70.0 1 b0.4 40.0 3 a b0.0 40.0 1 b0.0 6
16、0.0 1 a bC d 30.5 50.0 5 c0.2 70.0 1 b c0.4 60.1 4 a b0.0 20.0 1 b0.0 50.0 1 bC d 40.3 90.0 3 c0.1 80.0 2 c0.2 30.0 6 b0.0 20.0 1 b0.0 40.0 1 b2.3 不同浓度C d胁迫对鬼针草C d吸收的影响鬼针草植株根部和地上部的C d含量均随C d胁迫浓度升高而递增(图1),且达到显著水平(P0.0 5),C d 4处理根部和地上部C d含量均最大,分别为1 2 0 3.6 4m g/k g和9 1 9.4 4m g/k g;地下部和地上部C d富集量均在C d
17、1处理下最大(P0.0 5).图中不同大小写字母分别表示不同处理地上部和根部指标间存在显著差异(P0.0 5).图1 不同处理下鬼针草不同部位的C d含量和富集量F i g.1 C dc o n t e n t a n de n r i c h m e n t i nd i f f e r e n tp a r t so fB i d e n sp i l o s aL.u n d e rd i f f e r e n t t r e a t m e n t s2.4 不同浓度C d胁迫对鬼针草抗氧化酶活性的影响由图2可知,随C d浓度升高,鬼针草叶片中抗氧化酶活性整体均呈先升后降再升的趋 势
18、.S O D活性在C d 1C d 4处理下较C K明显增加了3 4.0 1%1 0 2.3 8%(P0.0 1),C d 4处理时最大为4 3 4.7 0Ug-1m i n-1;C AT活 性 在C d 2处理时显著下降后逐渐上升,C d 4处理时最大,比C K增长6 5.0 7%;P O D的变化幅度较明显,C d 2处 理 显 著 高 于 其 他 处 理(P 0.0 1),为6 3 6.6 7Ug-1m i n-1,比C K处 理 升 高 了1 5 0.2 6%.图2 不同处理下鬼针草S O D、C A T和P O D活性的变化F i g.2 C h a n g e so fS O D,
19、C A Ta n dP O Da c t i v i t i e s i nd i f f e r e n t t r e a t m e n t so fB i d e n sp i l o s aL.16 第1期 韩飞,等:鬼针草对重金属镉的耐受性和抗氧化酶响应特征研究2.5 鬼针草C d吸收与抗氧化酶系统的相关性分析对不同浓度C d处理鬼针草体内C d的吸收与抗氧化酶活性进行相关性分析,结果见表3.鬼针草地下和地上部分C d含量与处理C d浓度达极显著正相关(P0.0 1),P O D活性和地下部C d含量显著负相关,S O D活性与C d处理浓度和鬼针草体内C d含量均具有较强正相关性
20、,与植株C d含量的相关性达到极显著(P0.0 1).C AT活性除与处理C d浓度和S O D正相关外,与P O D呈负相关(P0.0 5).表3 不同浓度C d胁迫下鬼针草C d吸收和抗氧化酶系统的相关系数T a b l e3 C o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to fC dc o n t e n ta n da n t i o x i d a n te n z y m es y s t e mo fB i d e n sp i l o s aL.u n d e rd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i
21、o n so fC ds t r e s s指标T r-C dU n-C dO n-C dP O DS O DC A TT r-C d10.7 7 1*0.8 1 3*-0.3 8 80.5 1 5*0.6 2 0*U n-C d10.9 5 7*-0.5 5 4*0.7 1 8*0.3 5 3O n-C d1-0.5 10.6 4 7*0.3 0 2B C F-0.2 9 50.4 7 6-0.1 4 3T F0.6 1 0*-0.7 9 9*-0.2 3 4P O D1-0.4 0 6-0.5 6 9*S O D10.5 2 1*C A T1T r-C d表示C d处理浓度;U n-C d
22、表示鬼针草地下部C d含量;O n-C d表示鬼针草地上部C d含量;P O D表示过氧化物酶;S O D表示超氧化物歧化酶;C A T表示过氧化氢酶.*表示具有显著相关性(P0.0 5),*表示相关性极显著(P0.0 1).3 讨论试验中随C d浓度的升高鬼针草植株出现不同程度的叶片失绿和卷曲等典型的C d中毒症状1 3,生物量和叶片数也较C K有明显下降,各指标耐性系数均明显减小,说明此C d浓度抑制了鬼针草正常生理生化反应,干扰了正常生长,但最高浓度(1 6 0m g/L)处理下鬼针草依然能存活.根系耐性系数的大小是衡量植物重金属耐性的重要指标,耐性系数大于0.5时,表明植物对该浓度重金
23、属具有较强耐受性,小于0.5则说明重金属对植物的毒害作用明显,基本难以或不能生长在此浓度的重金属环境中1 4.以S a l i m等人1 5的方法确定植物耐性临界值,根系耐性系数接近1时植株体内重金属含量定为临界值下限,超过下限时植物生长发育受阻,以植株体内重金属含量最高且植物能生长时其体内重金属含量为临界值上限,超过上限时植株体内防御系统彻底破坏,甚至死亡.本试验中根系耐性系数只在C d 1时大于0.5,此浓度已超过鬼针草C d耐性临界值下限,但其上限可达2 1 2 3.0 8m g/k g.刘秀梅等1 6研究表明羽 叶 鬼 针 草 对 重 金 属P b的 耐 性 上 限 达2 5 8 3.
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