楊家強(qiáng)，劉德承，韋秀媚，吳志南，王柳平，譚長(zhǎng)強(qiáng)，申文輝，滕維超

（1．廣西壯族自治區(qū)國(guó)有維都林場(chǎng)，廣西來(lái)賓 546100；2．廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院，廣西南寧530002；3．廣西大學(xué)，廣西南寧 530004）

近年來(lái)，汽車排放尾氣、工業(yè)生產(chǎn)中排放廢物、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥及化肥殘留等使土壤中鎘（Cd）含量升高[1-2]。鎘是植物生長(zhǎng)的非必要元素，有很高的致癌性[2]，鎘對(duì)土壤的污染會(huì)影響植物的生長(zhǎng)，植物吸收后通過(guò)食物鏈進(jìn)入人和動(dòng)物體內(nèi)，影響動(dòng)物與人類的健康。廣西是有色金屬之鄉(xiāng)，部分地區(qū)土壤重金屬污染嚴(yán)重，由于鎘污染造成的社會(huì)公共危機(jī)事件已經(jīng)有報(bào)道[3]。

紅錐（Castanopsis hystrix）是常綠大喬木，主要分布在海拔30 ～1 600 m 的緩坡及山地，常為林木的上層樹種，老年大樹的樹干有板狀根。該樹種常見于我國(guó)南方，成年后韌皮纖維發(fā)達(dá)，材質(zhì)堅(jiān)硬且有彈性，木材紋理直且耐腐性能穩(wěn)定，用材價(jià)值高[4]。目前，關(guān)于紅錐脅迫響應(yīng)的研究主要有紅錐對(duì)鋁脅迫、鉛脅迫及干旱脅迫的響應(yīng)[5-8]，對(duì)鎘脅迫的研究未見報(bào)道。植物受到脅迫時(shí)，常出現(xiàn)植株矮小、葉片變黃等癥狀，植物細(xì)胞內(nèi)的各類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和抗逆性物質(zhì)等均會(huì)發(fā)生變化以適應(yīng)或抵抗鎘脅迫。本研究通過(guò)探究不同鎘濃度下紅錐幼苗光合生理和生化指標(biāo)，探究紅錐對(duì)鎘脅迫的光合生理生化響應(yīng)，為紅錐幼苗培育提供更多的理論參考。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地設(shè)在廣西壯族自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院苗圃（108°34′E，22°92′N），屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫21．8 ℃，平均相對(duì)濕度79%，降雨主要集中在5—9月。土壤pH 值為4．73，有機(jī)質(zhì)含量為17．31 g/kg，全氮含量為0．54 g/kg，水解氮含量為66．73 mg/kg，全磷含量為0．34 g/kg，有效磷含量為1．26 mg/kg，全鉀含量為7．08 g/kg，速效鉀含量為98．14 mg/kg 和全鎘含量為0．25 mg/kg。

1．2 試驗(yàn)材料

土壤經(jīng)風(fēng)干、粉碎和過(guò)篩后，分別按各處理組所需的鎘含量，將CdCl2·2．5H2O（分析純）溶液一次性加入土壤中，將土壤淋透后，在遮雨棚下放置1 周。據(jù)廣西土壤鎘污染的程度（西江流域部分地區(qū)農(nóng)田土壤鎘含量為0．27 ～185．10 mg/kg）[9]及前人的研究[10]，設(shè)置4 個(gè)處理組，土壤的鎘含量分別為0（CK）、30（Cd1）、60（Cd2）和120（Cd3）mg/kg。紅錐為1年生幼苗，苗高為（3．87 ± 0．20）cm，地徑為（1．43±0．03）mm，生長(zhǎng)良好。

1．3 試驗(yàn)方法

鎘脅迫的試驗(yàn)育苗方法有水培法[11-12]和土培法[13-14]。本研究使用土培法，與紅錐苗木培育實(shí)況相似。

2020年2月20日，移栽1年生紅錐幼苗，每盆栽植1 株，每處理20 盆。在盆下放置塑料托盤，將盤內(nèi)滲出水分倒回盆中，以免鎘流失；按照常規(guī)方法進(jìn)行松土、除草等養(yǎng)護(hù)管理，試驗(yàn)期間保持土壤濕潤(rùn)。2020年5月20日，每個(gè)處理隨機(jī)采摘多株20 ～30 片成熟功能葉，放在冰盒中帶回實(shí)驗(yàn)室，迅速用蒸餾水洗凈后擦干，用于葉片生理指標(biāo)測(cè)定。

1．4 指標(biāo)測(cè)定

采用丙酮-乙醇提取法測(cè)定葉綠素和類胡蘿卜素含量，采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量，采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)含量，采用酸性茚三酮比色法測(cè)定游離脯氨酸含量，采用硫代巴比妥酸顯色法測(cè)定丙二醛（MDA）含量，采用氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法測(cè)定超氧化物歧化（SOD）酶活性[15]。

采用LI-6400XT 便攜式光合作用測(cè)量?jī)x測(cè)定光合氣體交換參數(shù)[16]，設(shè)定光照強(qiáng)度為1 000 μmol·m-2·s-1，每處理選取6株，每株選取1片長(zhǎng)勢(shì)均勻、完全展開的成熟功能葉，測(cè)定葉片光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳（Ci）和蒸騰速率（Tr）。

1．5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理；采用SPSS 22．0 軟件對(duì)紅錐生理指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較[17]。

2 結(jié)果與分析

2．1 不同鎘含量對(duì)紅錐幼苗生化指標(biāo)和光合色素的影響

隨鎘含量升高，可溶性蛋白含量呈先下降后上升的趨勢(shì)；Cd1 和Cd2 處理的可溶性蛋白含量顯著低 于CK 和Cd3（P＜0．05），分別降低52．37% 和41．84%（表1）。隨鎘含量升高，MDA 含量呈逐漸上升的趨勢(shì)；Cd1、Cd2 和Cd3 處理的MDA 含量均顯著高 于CK（P＜0．05），分別高出9．99%、13．00% 和23．27%。隨鎘含量升高，可溶性糖含量呈先升高后下降的趨勢(shì)；與CK 相比，Cd1、Cd2 和Cd3 處理的可溶性糖含量分別高出40．32%、24．96%和16．48%；Cd1 處理的可溶性糖含量顯著高于CK（P＜0．05），Cd2 與Cd3 處理與CK 差異不顯著。隨鎘含量升高，游離脯氨酸含量呈逐漸上升的趨勢(shì)；Cd1、Cd2 和Cd3 處理的游離脯氨酸含量均顯著高于CK（P＜0．05），分別高出56．46%、56．53%和57．41%。

表1 不同鎘含量對(duì)紅錐幼苗生化指標(biāo)和光合色素的影響Tab.1 Effects of different cadmium contents on biochemical indexes and photosynthetic pigments of C.hystrix seedlings

隨鎘含量升高，SOD 活性呈先上升后下降的趨勢(shì)；與CK 相比，Cd1 處理的SOD 活性高出6．38%，Cd2 和Cd3 處理分別降低2．49%和0．95%，均與CK差異不顯著。

葉綠素含量與其光合速率有緊密的聯(lián)系，光合指標(biāo)在一定程度內(nèi)可體現(xiàn)苗木當(dāng)前的生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)狀況。隨鎘含量升高，葉綠素a含量呈下降的趨勢(shì)；與CK 相比，Cd1、Cd2 和Cd3 處理分別降低了8．97%、32．05%和53．85%；Cd1處理的葉綠素a含量與CK差異不 顯著，Cd2 和Cd3 處理與CK 差異顯著（P＜0．05）。隨鎘含量升高，葉綠素b 含量呈下降的趨勢(shì)；Cd1、Cd2 和Cd3 處理的葉綠素b 含量均顯著低于CK（P＜0．05），分別降低了30．77%、58．97%和60．10%。隨鎘含量升高，葉綠素a+b含量呈下降的趨勢(shì)；Cd1、Cd2 和Cd3 處理與CK 相比分別降低19．87%、46．15%和58．33%；Cd1 處理的葉綠素a + b含量與CK 差異不顯著，Cd2 和Cd3 處理的葉綠素a + b 含量均與CK 差異顯著（P＜0．05）。隨鎘含量升高，類胡蘿卜素含量呈逐漸減少的趨勢(shì)；Cd1、Cd2和Cd3 處理均顯著低于CK（P＜0．05），分別降低了47．37%、36．84%和63．16%。

2．2 不同鎘含量對(duì)紅錐幼苗光合參數(shù)的影響

隨鎘含量升高，紅錐幼苗的Pn、Gs、Ci和Tr均呈下降的趨勢(shì)，Cd1、Cd2 和Cd3 處理均顯著低于CK（P＜0．05）（表2）。Pn、Gs、Ci和Tr均在Cd3處理最低，分別為3．37 μmol·m-2·s-1、0．11 μmol·m-2·s-1、220．83 μmol/mol和1．14 mol·m-2·s-1；與CK相比，分別降低了66．27%、38．89%、7．56%和54．76%。

表2 不同鎘含量對(duì)紅錐幼苗光合參數(shù)的影響Tab.2 Effects of different cadmium contents on photosynthetic parameters of C.hystrix seedlings

2．3 鎘脅迫下各光合生理和生化指標(biāo)的相關(guān)性分析

在鎘脅迫下，游離輔氨酸與Ci呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0．01），葉綠素b 與Gs和Pn均呈極顯著正相關(guān)（P＜0．01），葉綠素a+b 與葉綠素a、葉綠素b、Pn、Tr和Gs均呈顯著正相關(guān)（P＜0．05），Tr與葉綠素a 呈顯著正相關(guān)（P＜0．05），Pn和Gs呈極顯著正相關(guān)（P＜0．01）（表3）。

表3 光合生理和生化指標(biāo)的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of photosynthetic physiological and biochemical indexes

3 討論與結(jié)論

研究表明植物生長(zhǎng)受鎘脅迫的影響主要表現(xiàn)為“低促高抑”[18-20]。本研究中，鎘低濃度時(shí)未促進(jìn)紅錐幼苗生長(zhǎng)，未施鎘處理時(shí)，紅錐幼苗生長(zhǎng)狀態(tài)最好，與“低促高抑”現(xiàn)象存在差異，這可能與鎘濃度、植物種類和培養(yǎng)環(huán)境等因素有關(guān)[21]。

MDA 是一種脂質(zhì)的過(guò)氧化物產(chǎn)物，MDA 含量可反應(yīng)膜的損傷程度[22]。本研究中，隨鎘濃度升高，葉片MDA 含量增加，活性氧含量大，膜脂過(guò)氧化加劇，與張明華等[23]研究羽扇豆（Lupinus micranthus）、歐報(bào)春（Primula acaulis）植物在鎘濃度為0 ～80 mg/kg，葉片MDA含量逐漸增加相似。植物受到毒害時(shí)，可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸會(huì)在體內(nèi)積累，使細(xì)胞液濃度升高?？扇苄蕴堑闹饕δ苁钦{(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓和維持植物體內(nèi)蛋白質(zhì)穩(wěn)定[24]。本研究結(jié)果表明，隨鎘含量升高，可溶性糖含量呈先升后降的趨勢(shì)，這與韋獻(xiàn)東[25]對(duì)楓香（Liquidambar formosana）幼苗對(duì)鎘脅迫響應(yīng)研究和張阿芳等[26]對(duì)銀灰楊（Populus canescens）對(duì)鎘脅迫響應(yīng)的研究結(jié)果一致。本研究中，隨鎘濃度升高，紅錐葉片可溶性蛋白含量呈先降后升的趨勢(shì)，尚玉坤等[27]、楊馥榕等[14]和查應(yīng)琴等[28]均發(fā)現(xiàn)隨鎘濃度升高，可溶性蛋白含量下降，本研究與其他研究結(jié)果不一致的原因需進(jìn)一步探導(dǎo)。譚長(zhǎng)強(qiáng)等[29]研究表明，隨鎘濃度升高，蜆木（Excentrodendron hsienmu）游離脯氨酸含量高于對(duì)照組，本研究結(jié)果與其結(jié)果基本一致。彭昌琴[30]在尾穗莧（Amaranthus caudatus）對(duì)鎘脅迫響應(yīng)研究中得到相似的結(jié)論。

脅迫條件下，不同植物體內(nèi)的SOD 活性隨鎘濃度升高呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。王迪華等[20]報(bào)道，隨土壤鎘（0 ～40 mg/kg）含量升高，白菜葉片SOD 活性呈先升后降的趨勢(shì)。本研究也有相似的趨勢(shì)，在Cd1處理下，紅錐葉片SOD 活性升高；在Cd2與Cd3處理下，SOD 活性降低，可能是Cd2 與Cd3 處理的鎘含量超過(guò)紅錐耐受閾值。本研究中，隨鎘濃度升高，紅錐幼苗葉片內(nèi)葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b 和類胡蘿卜素含量降低，該結(jié)果與賴秋羽等[31]結(jié)果相似。

植物在重金屬毒害下，體內(nèi)葉綠素合成受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而影響光合指標(biāo)［32-34］。本研究中，隨鎘濃度升高，Pn、Gs、Gi和Tr濃度均呈下降的趨勢(shì)，影響植物正常生長(zhǎng)發(fā)育，該研究結(jié)果與文靜等［35］的研究結(jié)果一致，這可能是鎘損壞葉綠體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，影響葉綠素合成，導(dǎo)致植物體內(nèi)葉綠素含量下降，需要進(jìn)行葉片微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)進(jìn)一步分析。本試驗(yàn)中，紅錐幼苗葉片Ci在3 個(gè)鎘含量處理差異不顯著，Pn、Gs、Tr與葉綠素含量均隨鎘濃度升高而降低，且Pn、Gs和Tr與葉綠素含量均呈顯著正相關(guān)，是因?yàn)槿~綠素含量在植物光合作用中影響著Pn、Gs和Tr。

綜合各項(xiàng)生理指標(biāo)，鎘含量為30 ～120 mg/kg對(duì)紅錐幼苗毒害嚴(yán)重，紅錐幼苗應(yīng)對(duì)鎘毒害的能力較弱。本研究為豐富修復(fù)重金屬污染植物提供理論依據(jù)，為全面揭示紅錐對(duì)鎘的響應(yīng)機(jī)理，后續(xù)可從分子水平等方面進(jìn)行深入研究。