王瑋琳, 劉清泉, 張永俠, 王銀杰, 原海燕, 黃蘇珍
〔江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所(南京中山植物園), 江蘇 南京 210014〕
近年來(lái)土壤和水體中的鎘(Cd)及其他重金屬元素含量劇增。 Cd 的生物毒性較強(qiáng),在人體中的半衰期長(zhǎng)達(dá)30 年[1],長(zhǎng)期攝入會(huì)危害腎臟、神經(jīng)和骨骼等[2]。 Cd 在生物體中遷移性很強(qiáng),易被有機(jī)體吸收和積累,因此,Cd 污染的治理工作迫在眉睫。 植物修復(fù)是指利用植物去除污染土壤和廢水中的重金屬,具有綠色、無(wú)二次污染和應(yīng)用方便等特點(diǎn),現(xiàn)已成為治理重金屬污染的有效途徑[3-4]。 植物對(duì)重金屬的耐性以及植株地上部對(duì)重金屬的積累能力是決定植物修復(fù)效率的關(guān)鍵要素,因此,篩選重金屬耐性和積累能力強(qiáng)的植物對(duì)于重金屬污染環(huán)境的修復(fù)具有重要意義。
目前用于修復(fù)Cd 污染環(huán)境的植物主要包括寶山堇菜(ViolabaoshanensisShu, Liu et Lan)[5]、忍冬(LonicerajaponicaThunb.)[6]、龍葵(SolanumnigrumLinn.)[7]、天藍(lán)遏藍(lán)菜(ThlaspicaerulescensJ. Presl et C. Presl)[8]40、東南景天(SedumalfrediiHance)[9]、油菜(BrassicacampestrisLinn.)[10]和印度芥菜(Brassica junceaLinn.)[11]等Cd 超積累植物。 然而,目前已發(fā)現(xiàn)的Cd 超積累植物普遍具有生物量小、生長(zhǎng)速度慢和一年生等特點(diǎn),嚴(yán)重影響Cd 污染環(huán)境的修復(fù)效率[10]。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)觀賞植物Cd 耐性和積累機(jī)制進(jìn)行研究[12-17]。 觀賞植物修復(fù)Cd 污染土壤不僅具有景觀和生態(tài)功能,還能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,同時(shí)還有助于減少Cd 向食物鏈中的轉(zhuǎn)移[18]。 鳶尾屬(IrisLinn.)植物是優(yōu)良的多年生觀賞植物,具有一定的重金屬耐性和積累能力。 馬藺〔Irislacteavar.chinensis(Fisch.) Koidz.〕是鳶尾屬中分布廣且應(yīng)用價(jià)值高的植物之一,具有生長(zhǎng)速度快、生物量大、適應(yīng)性廣、抗性強(qiáng)、觀賞價(jià)值高和露天繁殖簡(jiǎn)單等特性[19],在生態(tài)建設(shè)中有良好的應(yīng)用前景。 近年來(lái),國(guó)內(nèi)外有關(guān)馬藺的研究主要集中在生物學(xué)特性和栽培技術(shù)等方面[20-23]。 原海燕等[24-25]比較了鳶尾屬4 種植物的Cd 耐性差異,發(fā)現(xiàn)馬藺的耐性最強(qiáng),在鉛鋅礦區(qū)土壤中種植馬藺1 個(gè)月后,土壤Cd 修復(fù)效率為22.3%。 彭少麟等[26]認(rèn)為,在重金屬耐性方面,同種植物不同生態(tài)型可能具有較大差異,這些差異可能源于金屬轉(zhuǎn)運(yùn)體、遺傳特性、解毒機(jī)制以及酶系統(tǒng)等方面。 Lombi 等[27]研究發(fā)現(xiàn),不同生態(tài)型天藍(lán)遏藍(lán)菜的Cd 耐性存在差異,來(lái)自法國(guó)南部的Ganges 生態(tài)型天藍(lán)遏藍(lán)菜較來(lái)自比利時(shí)的Prayon 生態(tài)型天藍(lán)遏藍(lán)菜的Cd 耐性更強(qiáng)。 胡瑩等[28]在研究Cd 對(duì)不同生態(tài)型水稻(OryzasativaLinn.)的毒性研究中發(fā)現(xiàn),相對(duì)于秈稻品種‘K 優(yōu)818’(‘KYou 818’),Cd 對(duì)粳稻品種‘楊輻粳7 號(hào)’(‘Yangdao 7’)生長(zhǎng)指標(biāo)的影響更大。 因此,對(duì)不同生態(tài)型植物富集特性的比較分析,是揭示植物重金屬耐性和積累機(jī)制的重要途徑,并且高耐性和高積累的生態(tài)型能更好地修復(fù)重金屬污染環(huán)境[26]。
為了解不同種源馬藺對(duì)Cd 耐性和積累能力的差異,本研究采用水培法對(duì)Cd 脅迫下遼寧、山東、河南和江西4 個(gè)種源馬藺幼苗的生長(zhǎng)狀況及Cd 積累和分布狀況進(jìn)行了研究,以期為研究馬藺Cd 耐性和積累機(jī)制以及Cd 污染環(huán)境的植物高效修復(fù)提供理論依據(jù)。
供試馬藺種子分別采自遼寧、山東、河南和江西,均為無(wú)性繁殖群體當(dāng)年自然結(jié)實(shí)的種子,種源地土壤類型分別為黑土、棕壤土、黃壤土和紅壤土。
1.2.1 處理方法 挑選籽實(shí)飽滿的馬藺種子,經(jīng)體積分?jǐn)?shù)10%NaClO 溶液消毒30 min,自來(lái)水沖洗數(shù)次后播種于干凈的河沙中。 待種子萌發(fā)后選擇生長(zhǎng)基本一致、株高約10 cm 且無(wú)病蟲害的幼苗,用海綿將幼苗固定于帶有小孔的黑色泡沫板上,每孔1 株幼苗,然后置于塑料杯(口徑9.5 cm、高13.5 cm)中,塑料杯用黑色膠帶包裹,每杯5 株幼苗。 用去離子水配置1/2 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液,每杯加入1 L 營(yíng)養(yǎng)液,每隔2 d 更換1 次營(yíng)養(yǎng)液。 預(yù)培養(yǎng)15 d 后進(jìn)行Cd 處理。Cd 以CdCl2·2.5H2O 形態(tài)加入,設(shè)置對(duì)照、低濃度和高濃度3 個(gè)處理,Cd 終濃度分別為0、25 和50mg·L-1,3 次重復(fù)。 處理30 d 后取樣。1.2.2 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 每杯選取4 ~5 株長(zhǎng)勢(shì)基本一致的幼苗,用蒸餾水沖洗根系3 次,再用555mg·L-1CaCl2溶液清洗3 次,去除根系表面粘附的金屬離子。 吸水紙吸干表面水分,分別用直尺(精度0.1 cm)測(cè)量株高和根長(zhǎng),然后將每杯的植株分成地上部和根系2 部分,同杯植株的地上部和根系分別混合,用電子天平(精度0.001 g)分別稱量地上部和根系的鮮質(zhì)量,然后于105 ℃殺青30 min,70 ℃烘干至恒質(zhì)量,采用電子天平分別稱量地上部和根系的干質(zhì)量。
1.2.3 Cd 含量測(cè)定及相關(guān)指標(biāo)計(jì)算 采用HNO3-HClO4濕法消化法[4]測(cè)定Cd 含量,并計(jì)算Cd 的轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor,TF)和生物富集系數(shù)(bioconcentration factor,BCF),計(jì)算公式分別為TF=地上部中Cd 含量/根系中Cd 含量[29]和BCF=地上部中Cd 含量/營(yíng)養(yǎng)液中Cd 濃度[30]。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析和LSD多重比較。
Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗株高和根長(zhǎng)的比較結(jié)果見表1。 由表1 可以看出:隨著Cd 濃度的提高,同一種源馬藺幼苗的相對(duì)株高和相對(duì)根長(zhǎng)總體上呈逐漸減小的趨勢(shì)。 25 和50 mg·L-1Cd 處理下,不同種源間馬藺幼苗相對(duì)株高的差異較大,其中,遼寧種源的相對(duì)株高最高,河南種源的相對(duì)株高最低,且二者間存在顯著差異。 25 和50 mg·L-1Cd 處理下,不同種源間馬藺幼苗相對(duì)根長(zhǎng)的差異較小,其中,25 mg·L-1Cd 處理下遼寧種源以及50 mg·L-1Cd 處理下江西種源的相對(duì)根長(zhǎng)最長(zhǎng),山東種源的相對(duì)根長(zhǎng)最短。
Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的比較結(jié)果見表2。 由表2 可以看出:隨著Cd 濃度的提高,同一種源馬藺幼苗地上部和根系的相對(duì)鮮質(zhì)量和相對(duì)干質(zhì)量總體上呈逐漸減小的趨勢(shì)。 25 和50mg·L-1Cd 處理下,遼寧和江西種源地上部的相對(duì)鮮質(zhì)量和相對(duì)干質(zhì)量明顯高于山東和河南種源,其中,河南種源的降幅最大。 25 mg·L-1Cd 處理下,4 個(gè)種源間馬藺幼苗根系的相對(duì)鮮質(zhì)量和相對(duì)干質(zhì)量均無(wú)顯著差異;50 mg·L-1Cd 處理下,遼寧種源根系的相對(duì)鮮質(zhì)量和相對(duì)干質(zhì)量最大,其根系相對(duì)鮮質(zhì)量顯著高于其他3 個(gè)種源。
表1 Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗株高和根長(zhǎng)的比較(±SD)Table 1 Comparison on height and root length of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress(±SD)
表1 Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗株高和根長(zhǎng)的比較(±SD)Table 1 Comparison on height and root length of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress(±SD)
1) 相對(duì)值表示各處理組的指標(biāo)占對(duì)照組(0mg·L-1Cd)該指標(biāo)的百分比Relativevalueindicatespercentageofindexineachtreatmentgrouptothat inthecontrolgroup(0mg·L-1Cd).同列中不同小寫字母表示同一Cd 濃度不同種源間差異顯著(P<0.05)Differentlowercasesinthesame columnindicatethesignificant(P<0.05)differenceamongdifferentprovenancesofthesameCdconcentration.
Cd 濃度/(mg·L-1)Cd concentration種源Provenance株高 Height 根長(zhǎng) Root length測(cè)量值/cm Measured value相對(duì)值/%1)Relative value1)測(cè)量值/cm Measured value相對(duì)值/%1)Relative value1)0遼寧Liaoning 13.83±0.76 28.00±1.00山東Shandong 17.67±0.58 26.67±6.43河南He'nan 18.33±1.16 29.67±4.51江西Jiangxi 16.67±1.53 23.33±2.89 25 遼寧Liaoning 14.00±1.00 101.20±7.23a 18.00±1.73 64.29±6.19a山東Shandong 16.00±1.73 90.57±9.80ab 15.33±2.52 57.50±9.44a河南He'nan 14.67±0.58 80.00±3.15b 18.67±3.51 62.92±11.84a江西Jiangxi 14.00±1.00 84.00±6.00b 14.33±1.16 61.43±4.95a 50 遼寧Liaoning 13.33±1.53 96.39±11.04a 15.67±1.16 55.95±4.12a山東Shandong 14.67±0.58 83.02±3.27b 14.33±1.16 53.75±4.33a河南He'nan 13.00±0.00 70.91±0.00c 16.00±2.00 53.93±6.74a江西Jiangxi 14.83±0.29 89.00±1.73ab 13.33±2.52 57.14±10.79a
Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗地上部和根系中Cd含量的比較結(jié)果見圖1。 由圖1-A 可以看出:25 和50mg·L-1Cd 處理下,4 個(gè)種源馬藺幼苗地上部中Cd 含量均高于500 mg·kg-1,表明馬藺具有較強(qiáng)的Cd 積累能力。 25mg·L-1Cd 處理下,4 個(gè)種源地上部中Cd 含量在750~1 000 mg·kg-1之間,且不同種
源間地上部中Cd 含量差異不顯著;50mg·L-1Cd 處理下,遼寧種源地上部中Cd 含量總體上顯著高于其他3 個(gè)種源,其中,江西種源地上部中Cd 含量最低。
由圖1-B 可以看出:25 和50mg·L-1Cd 處理下,不同種源馬藺幼苗根系中Cd 含量均高于4 000 mg·kg-1,遠(yuǎn)高于地上部中Cd 含量,且根系中Cd 含量均隨著Cd 濃度的提高而升高,但不同種源間根系中Cd 含量差異不顯著。
表2 Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的比較 (±SD)Table 2 Comparison on fresh and dry masses of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress(±SD)
表2 Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的比較 (±SD)Table 2 Comparison on fresh and dry masses of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress(±SD)
1) 相對(duì)值表示各處理組的指標(biāo)占對(duì)照組(0mg·L-1Cd)該指標(biāo)的百分比Relativevalueindicatespercentageofindexineachtreatmentgrouptothat inthecontrolgroup(0mg·L-1Cd).同列中不同小寫字母表示同一Cd 濃度不同種源間差異顯著(P<0.05)Differentlowercasesinthesame columnindicatethesignificant(P<0.05)differenceamongdifferentprovenancesofthesameCdconcentration.
Cd 濃度/(mg·L-1)Cd concentration種源Provenance地上部鮮質(zhì)量 Fresh mass of above-ground part 根系鮮質(zhì)量 Fresh mass of root測(cè)量值/g Measured value相對(duì)值/%1)Relative value1)測(cè)量值/g Measured value相對(duì)值/%1)Relative value1)0遼寧Liaoning 0.52±0.07 0.78±0.22山東Shandong 0.72±0.11 0.95±0.21河南He'nan 0.94±0.20 0.83±0.18江西Jiangxi 0.52±0.08 0.96±0.18 25 遼寧Liaoning 0.26±0.07 49.15±13.12a 0.22±0.04 28.10±4.70a山東Shandong 0.31±0.07 42.48±9.43ab 0.23±0.08 24.32±8.26a河南He'nan 0.31±0.05 33.22±4.79b 0.23±0.05 27.64±5.61a江西Jiangxi 0.28±0.01 54.74±2.27a 0.22±0.04 22.92±4.59a 50 遼寧Liaoning 0.26±0.04 49.79±7.00ab 0.23±0.03 29.67±4.05a山東Shandong 0.28±0.06 38.96±7.89b 0.16±0.02 17.39±2.35b河南He'nan 0.24±0.06 25.89±5.98c 0.16±0.05 19.56±6.46b江西Jiangxi 0.32±0.06 61.31±11.57a 0.16±0.04 16.96±3.40b Cd 濃度/(mg·L-1)Cd concentration種源Provenance地上部干質(zhì)量 Dry mass of above-ground part 根系干質(zhì)量 Dry mass of root測(cè)量值/g Measured value相對(duì)值/%1)Relative value1)測(cè)量值/g Measured value相對(duì)值/%1)Relative value1)0遼寧Liaoning 0.11±0.01 0.10±0.03山東Shandong 0.14±0.02 0.09±0.02河南He'nan 0.17±0.05 0.07±0.01江西Jiangxi 0.10±0.02 0.09±0.02 25 遼寧Liaoning 0.09±0.03 84.06±24.57a 0.04±0.01 38.15±10.69a山東Shandong 0.10±0.01 71.26±6.72ab 0.04±0.01 44.67±15.40a河南He'nan 0.10±0.01 57.13±3.60b 0.04±0.01 50.58±13.62a江西Jiangxi 0.09±0.00 87.41±1.90a 0.03±0.01 39.62±7.03a 50 遼寧Liaoning 0.09±0.02 81.61±18.66ab 0.03±0.00 29.68±3.31a山東Shandong 0.09±0.02 68.08±11.32b 0.02±0.00 25.48±4.53a河南He'nan 0.08±0.02 46.76±8.53c 0.02±0.00 26.07±3.38a江西Jiangxi 0.10±0.00 92.62±1.73a 0.02±0.00 24.07±3.92a
Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和生物富集系數(shù)的比較結(jié)果見表3。 由表3 可以看出:25 mg·L-1Cd 處理下,不同種源間馬藺幼苗的Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和生物富集系數(shù)均差異不顯著;50 mg·L-1Cd處理下,遼寧種源的Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和生物富集系數(shù)總體上顯著高于其他3 個(gè)種源,而江西種源的Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和生物富集系數(shù)均最低。
圖1 Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗地上部(A)和根系(B)中Cd 含量的比較Fig. 1 Comparison on Cd content in above-ground part (A) and root (B) of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz.seedlings from different provenances under Cd stress
表3 Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和生物富集系數(shù)的比較(±SD)1)Table 3 Comparison on translocation factor and bio-concentration factor of Cd of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress (±SD)1)
表3 Cd 脅迫下不同種源馬藺幼苗Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和生物富集系數(shù)的比較(±SD)1)Table 3 Comparison on translocation factor and bio-concentration factor of Cd of Iris lactea var. chinensis (Fisch.) Koidz. seedlings from different provenances under Cd stress (±SD)1)
1)同列中不同小寫字母表示同一Cd 濃度不同種源間差異顯著(P< 0.05)Differentlowercasesinthesamecolumnindicatethesignificant (P<0.05)differenceamongdifferentprovenancesofthesameCd concentration.
Cd 濃度/(mg·L-1)Cd concentration種源Provenance轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Translocation factor生物富集系數(shù)Bio-concentration factor 25 遼寧Liaoning 0.20±0.03a 34.21±0.06a山東Shandong 0.19±0.04a 34.98±5.49a河南He'nan 0.19±0.04a 34.89±6.12a江西Jiangxi 0.20±0.01a 39.50±4.50a 50 遼寧Liaoning 0.15±0.02a 21.38±3.90a山東Shandong 0.09±0.01b 14.43±1.45bc河南He'nan 0.10±0.03b 17.11±3.33ab江西Jiangxi 0.08±0.01b 10.30±1.80c
Cd 脅迫下,植物體內(nèi)葉綠素含量下降,導(dǎo)致光合作用減弱,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累減少,同時(shí)細(xì)胞膜被破壞,導(dǎo)致代謝系統(tǒng)紊亂,有機(jī)物過(guò)度消耗,最終引起植物地上部和根生長(zhǎng)受阻,生物量減少,生育期推遲,葉片變黃,甚至出現(xiàn)壞死斑等癥狀[8]32,[25,31]。 一般來(lái)說(shuō),植物株高、根長(zhǎng)、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量等生長(zhǎng)指標(biāo)可以反映植物在Cd 脅迫下的生長(zhǎng)狀況[32]。 原海燕[24]通過(guò)對(duì)Cd 脅迫下鳶尾屬植物相關(guān)生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行分析,認(rèn)為馬藺的Cd 耐性最強(qiáng)。 本研究對(duì)Cd 脅迫下4 個(gè)種源馬藺幼苗的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行比較,認(rèn)為遼寧種源的Cd耐性較強(qiáng)。
Cd 超積累植物需要具備以下條件:植物地上部Cd 含量在100 mg·kg-1以上,轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于1,且植物生長(zhǎng)沒有受到嚴(yán)重影響[33]。 本研究中,Cd 處理下,馬藺幼苗地上部和根系中Cd 含量均高于100 mg·kg-1,但轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于1,因此,馬藺屬于Cd 積累植物,這一結(jié)果與已有的馬藺苗期Cd 耐性和積累能力的研究結(jié)果一致[34-35]。 一般來(lái)說(shuō),若Cd 在葉片中積累過(guò)多,會(huì)直接影響植物的光合作用,因此,根系積累相對(duì)較多的Cd 能夠減小Cd 對(duì)植物地上部的毒害作用[36]。 馬藺幼苗地上部Cd 含量超過(guò)100 mg·kg-1,但生長(zhǎng)并未受到嚴(yán)重影響,因此,馬藺地上部存在一定的Cd 耐性和積累能力。 不同生態(tài)型或種源地間,同種植物的重金屬耐性和積累能力可能存在一定的差異[37]。 本研究對(duì)4 個(gè)種源馬藺幼苗Cd積累和轉(zhuǎn)運(yùn)特性進(jìn)行比較,結(jié)果顯示:高濃度(50 mg·L-1)Cd 處理下,遼寧種源馬藺幼苗地上部中Cd含量最高,明顯高于其他種源,但不同種源根系中Cd含量的差異并不顯著,推測(cè)馬藺地上部對(duì)Cd 的積累能力存在差異,可能與Cd 從根系向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力差異有關(guān)。
轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)能反映植物將重金屬?gòu)母缔D(zhuǎn)移到地上部的能力,生物富集系數(shù)是評(píng)價(jià)植物對(duì)重金屬離子的積累能力[38],兩者都可以用來(lái)評(píng)價(jià)植物修復(fù)土壤重金屬污染土壤的能力[39]。 本研究中,馬藺幼苗Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和生物富集系數(shù)均隨著Cd 濃度的提高而降低。 Guo 等[38]研究認(rèn)為,隨著Cd 處理濃度的提高,冰草〔Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn.〕的Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)逐漸降低。 王小雪[40]在海濱木槿(Hibiscus hamaboSieb. et Zucc.)響應(yīng)重金屬的研究中也有類似結(jié)果。 Cd 超積累或積累植物能夠?qū)⒏滴盏腃d 轉(zhuǎn)移至地上部,并通過(guò)螯合作用和區(qū)域化作用等解毒機(jī)制減小重金屬對(duì)地上部的毒害作用[41]。 在高濃度Cd 處理下,遼寧種源馬藺幼苗的Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和生物富集系數(shù)總體上顯著大于其他3 個(gè)種源,說(shuō)明該種源馬藺幼苗的Cd 轉(zhuǎn)運(yùn)能力較強(qiáng);且遼寧種源馬藺幼苗的相對(duì)株高和相對(duì)地徑較大,說(shuō)明該種源馬藺幼苗的Cd 耐性在4 個(gè)種源中也最強(qiáng),而相關(guān)調(diào)控機(jī)制仍有待進(jìn)一步明確。
綜上所述,遼寧種源馬藺幼苗的Cd 耐性以及Cd轉(zhuǎn)運(yùn)能力和富集能力均最強(qiáng),可作為Cd 污染環(huán)境的修復(fù)材料進(jìn)行進(jìn)一步研究。