徐芳慧 ，王子巍，閆 涵，李 鑫，崔賀豐，許玉鳳

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學a.林學院,b.生物科學技術(shù)學院,沈陽 110161；2.沈陽化工研究院，沈陽 110023）

自然界中的鎘以CdS和CdCO的形式存在于鋅礦石中，一般為0.01～0.5mg·kg。未污染土壤中鎘主要來源于成土母質(zhì)。環(huán)境中的鎘污染主要是通過“三廢”（廢水、廢氣、廢渣）的途徑進入自然界中。大氣沉降、污水灌溉、農(nóng)藥與肥料等的不合理使用，使土壤中的鎘污染呈逐年上升的趨勢。植物根系吸收土壤中的鎘以后會在體內(nèi)積累，通過食物鏈進入人體危害人類健康。土壤中鎘污染的修復手段有物理、化學和生物修復，其中生物修復具有綠色和高效等優(yōu)點。植物修復利用植物根系吸收土壤中的鎘并通過收獲植物以達到減少土壤中鎘含量的目的。

歐亞蔊菜（

Rorippa sylvestris

）是十字花科的多年生草本，被認定為區(qū)域性入侵物種。其具有抗逆性強、耐踐踏、耐水淹、耐修剪等特性，總狀花序，小花黃色，也是一種具有較高觀賞價值的園林地被植物。同時，歐亞蔊菜對重金屬鎘具有很強的吸收和富集能力，是鎘的超富集植物。在自然界中種子萌發(fā)率低，根蘗繁殖能力極強。根據(jù)克隆器官起源的分類，歐亞蔊菜應屬于典型的根源型克隆植物。

植物的克隆繁殖是指通過無性繁殖，母株產(chǎn)生與其基因完全相同的個體?？寺》敝呈强寺≈参锓N群得以延續(xù)的主要途徑。與種子繁殖比，當植物受到脅迫或干擾時，克隆繁殖具有更進化的優(yōu)勢?？寺≈参锏难繋欤梢赃M行克隆繁殖的所有芽）的輸出在植物繁殖和維持種群動態(tài)方面具有重要作用。根據(jù)受干擾后芽的數(shù)量和輸出可以評估植物克隆繁殖能力的高低。克隆植物在受干擾后芽庫和子株等克隆繁殖的構(gòu)件的數(shù)量變化可反映克隆繁殖能力的變化，其應對不同干擾的響應可能是不同的，因此不同的干擾可能伴隨不同的克隆繁殖特征。目前，有關(guān)重金屬污染對植物克隆繁殖能力影響的研究報道得比較少。歐亞蔊菜應用于鎘污染土壤修復時，如何以高效建群也未見報道。因此，本研究以歐亞蔊菜為試材，通過對其橫走側(cè)根克隆苗發(fā)生特點以及溫度和鎘脅迫對克隆苗生長的影響研究，探討了克隆植物在重金屬脅迫下的空間擴展能力，為其在鎘污染土壤上快速建群和提高修復效率等方面提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料

于2020 年5 月5 日在沈陽農(nóng)業(yè)大學科研基地挖取歐亞蔊菜，調(diào)查產(chǎn)生不定芽的橫走側(cè)根在土壤中的分布和生長特點，觀察橫走側(cè)根和不定芽的形態(tài)特征并拍照記錄。

于2021年4月1日在沈陽農(nóng)業(yè)大學科研基地挖取歐亞蔊菜處于休眠狀態(tài)的根，帶回實驗室，用自來水清洗干凈，去除根部多余細小根，然后進行試驗。

1.2 試驗設(shè)計和方法

將根段剪切為3cm 長度，選擇直徑為粗（3mm）、中（2mm）和細（1mm）3 個等級根段，用蒸餾水沖洗干凈，置于鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿培養(yǎng)6個根段，各等級分別有2個根段。試驗設(shè)6個鎘濃度，分別為0，10，25，50，100，200μmol·L，鎘處理是用 Cd(NO)·4HO 配制成的水溶液。每個培養(yǎng)皿中添加10mL 的含鎘培養(yǎng)液，暗培養(yǎng)在15，20，25，30，35℃培養(yǎng)箱中，每處理3 次重復，以蒸餾水處理為對照。培養(yǎng)15d 后統(tǒng)計克隆苗萌發(fā)數(shù)，并測量其長度（cm）；采用硫代巴比妥酸法測定粗根的克隆苗丙二醛含量，采用酸性茚三酮顯色法測定脯氨酸含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗所得數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel軟件進行計算和作圖，用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 歐亞蔊菜橫走側(cè)根及克隆苗發(fā)生的特點

歐亞蔊菜的橫走側(cè)根主要分布在距地表2～3.5cm，平均在2.5cm居多。橫走側(cè)根直徑為1～3mm，多數(shù)2mm。根上布滿不定芽庫。不定芽可以單生，也可以成對或成叢，萌發(fā)的不定芽距離2cm，其間分布多數(shù)的休眠不定芽（圖1）。通過調(diào)查可知，歐亞蔊菜橫走側(cè)根發(fā)達，克隆苗的繁殖能力極強。

圖1 歐亞蔊菜橫走側(cè)根及克隆苗發(fā)生的特點Figure 1 The characteristics of horizontal lateral root and clonal seedings of Rorippa sylvestris

2.2 溫度對歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響

圖2為鎘濃度為50μmol·L時，不同溫度對歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響。隨著溫度的升高，克隆苗萌發(fā)的數(shù)量呈先增加后減少的趨勢。當溫度為15℃時，克隆苗數(shù)量較少，但芽生長正常；在25℃時克隆苗萌發(fā)的數(shù)量最多（

p

＜0.05），且生長健壯，粗根、中根和細根平均萌發(fā)的克隆苗數(shù)分別為14.7，23.8，16.8 個；當溫度升高至35℃時，無克隆苗萌發(fā)。同時，在各個溫度條件下，中根克隆苗萌發(fā)的數(shù)量是最多的，其次是粗根，細根最低（除了25℃）。

圖2 溫度對歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響Figure 2 Effects of different temperatures on clonal seedlings of Rorippa sylvestris under Cd stress

2.3 鎘脅迫對歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響

當溫度為25℃時，不同濃度鎘脅迫條件對歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響如圖3 和圖4，各個等級的根段萌發(fā)的克隆苗數(shù)量隨著鎘濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中鎘濃度為50μmol·L時克隆苗萌發(fā)數(shù)最高，粗根、中根和細根平均克隆苗數(shù)分別為23.5，23.8，16.8個，且各處理間差異顯著（

p

＜0.05）。在鎘脅迫處理下，細根的克隆苗萌發(fā)的數(shù)量始終低于粗根和中根。當鎘濃度低于10μmol·L時，粗根的克隆苗萌發(fā)數(shù)較高于中根，當鎘濃度升高至50μmol·L時，粗根和中根的克隆苗萌發(fā)數(shù)差異不顯著，當鎘濃度繼續(xù)升高時，中根的克隆苗萌發(fā)數(shù)高于粗根。

圖3 鎘脅迫對歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)的影響Figure 3 Effects of Cd stress on the germination of clonal seedlings of Rorippa sylvestris

圖4 鎘脅迫下歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)情況Figure 4 The germination situation of clonal seedlings of Rorippa sylvestris under Cd stress

2.4 鎘脅迫對歐亞蔊菜克隆苗長度的影響

由圖5可知，歐亞蔊菜克隆苗的長度隨著鎘濃度的增加呈先升高后降低的趨勢，表現(xiàn)出低促高抑的現(xiàn)象，各處理之間均存在顯著性差異（

p

＜0.05）。當鎘濃度為25μmol·L時，各等級根段的平均芽長都是最高的，粗根、中根和細根分別為4.94，4.94，4.11cm，與其他處理間差異顯著（

p

＜0.05）。當鎘濃度高于50μmol·L時，各等級根段的克隆苗長均下降，粗根的克隆苗長＞中根＞細根。同時觀察到，在高濃度Cd脅迫下細根的克隆苗較細長，顏色較淺。

圖5 鎘脅迫對歐亞蔊菜克隆苗苗長的影響Figure 5 Effects of Cd stress on the height of clonal seedlings of Rorippa sylvestris

2.5 鎘脅迫對歐亞蔊菜克隆苗中MDA含量的影響

由圖6 可知，隨著Cd濃度的增加，歐亞蔊菜克隆苗中MDA 含量呈現(xiàn)先降低再逐漸升高的趨勢，當鎘濃度為10μmol·L時達到最小值為0.39μmol·L，當鎘濃度為高于25μmol·L時逐漸升高，但各處理與對照比差異不顯著（

p

＞0.05），說明歐亞蔊菜對鎘脅迫具有很強的抵抗能力。

圖6 鎘脅迫對歐亞蔊菜克隆苗MDA含量的影響Figure 6 Effects of Cd stress on MDA content in clonal seedlings of Rorippa sylvestris

2.6 鎘脅迫對歐亞蔊菜克隆苗游離脯氨酸含量的影響

當植物在受到外界脅迫時，體內(nèi)會積累大量的游離脯氨酸，以增加它的抵抗力。由圖7 可知，隨著鎘濃度的增加，游離脯氨酸含量逐漸升高，在200μmol·L濃度下達到最高值，為535.44μmol·g，說明Cd脅迫可以顯著影響歐亞蔊菜克隆苗中游離的脯氨酸含量（

p

＜0.05）。

圖7 鎘脅迫對歐亞蔊菜克隆苗游離脯氨酸含量的影響Figure 7 Effects of Cd stress on the free proline content in clonal seedings of Rorippa sylvestris

3 討論與結(jié)論

眾多研究表明，植物在逆境條件下，地下芽庫儲存芽可以使植物快速恢復，抵抗并穩(wěn)定繁殖?？寺≌峡梢栽诓焕麠l件下緩解植物生長生存脅迫，提高子株在脅迫下生存，而且在生理生態(tài)方面可以表現(xiàn)出植物克隆整合的優(yōu)勢。當植物受重金屬脅迫時，重金屬被分隔在根或芽等不同植物器官內(nèi)。這樣克隆植物的分株可以緩解重金屬的脅迫。本試驗對歐亞蔊菜根段進行不同鎘濃度處理時發(fā)現(xiàn)，低濃度鎘脅迫條件下，克隆苗萌發(fā)的數(shù)量較多，同時伴有較多的側(cè)根發(fā)生。這可能是因為根段萌發(fā)時生出的側(cè)根，可以吸收溶液中的鎘，并使其在根中積累。低濃度Cd脅迫可以促進根段萌發(fā)，可能是因為當植物受到外界脅迫時表現(xiàn)出的一種適應性的抵御反應，這與曹明等研究在鉛脅迫下蘆葦?shù)姆痔Y芽耐性策略表現(xiàn)不受脅迫影響甚至增加的現(xiàn)象一致，高濃度Cd脅迫會抑制根段克隆苗的萌發(fā)，這可能是由于重金屬對克隆苗萌發(fā)的毒害作用。當植株受到重金屬Cd脅迫時，植物形態(tài)指標相比未受到脅迫的植株表現(xiàn)出明顯的劣勢。歐亞蔊菜克隆苗，低濃度的Cd脅迫可以促進其生長，但高濃度的Cd脅迫對其生長有抑制作用。本研究結(jié)果表明，歐亞蔊菜的橫走側(cè)根分布較淺，在近地表2.5cm，具有極強的克隆繁殖能力。在25℃下克隆苗萌發(fā)的數(shù)量最多，說明在沈陽地區(qū)春季是克隆苗快速萌發(fā)和生長階段，夏季溫度高不利于克隆苗的萌發(fā)。

MDA 是膜脂過氧化的主要產(chǎn)物，通過MDA 積累量的變化可以反映植物受害的程度。在Cd脅迫下，植物葉片MDA 含量呈先降低后升高的趨勢，但是各處理間差異不顯著，說明歐亞蔊菜的克隆苗對鎘具有很強的耐性。脯氨酸在植物體內(nèi)含量變化可作為植物抗逆境能力的生理指標之一。在本試驗中，隨著Cd 濃度的增加，歐亞蔊菜克隆苗中脯氨酸含量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢（

p

＜0.05），這與溫瑀等研究杞柳和紅瑞木對重金屬脅迫生理響應一致，證明了植物體內(nèi)脯氨酸會隨著植物受重金屬迫害的程度增大而大量積累。本研究結(jié)果表明，隨著溫度的升高，歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)數(shù)量先升高后降低，說明低溫和高溫對歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)起到抑制作用。隨著Cd 處理濃度的增加，歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)數(shù)量和苗長呈先升高后降低的現(xiàn)象，在Cd 濃度為25μmol·L時克隆苗萌發(fā)數(shù)量最多，在Cd 濃度為50μmol·L時克隆苗最長，說明低濃度Cd 對歐亞蔊菜克隆苗萌發(fā)和生長起到促進作用，高濃度Cd 起到抑制作用。隨著鎘濃度的增加，克隆苗中丙二醛含量的增加差異不顯著（

p

＞0.05），脯氨酸含量逐漸增加，各處理間差異顯著（

p

＜0.05），說明歐亞蔊菜克隆苗對鎘具有很強的抗性，可能是通過增加脯氨酸含量以適應鎘脅迫。