滇杨幼苗对镉、锌胁迫的生理响应与耐受性研究.pdf

引文格式：王艳霞，郑武扬，侯滇杨幼苗对镉、锌胁迫的生理响应与耐受性研究 .西南林业大学学报（自然科学）Jan.2024JOURNALOF SOUTHWESTFORESTRY UNIVERSITY2024年1月No.1Vol.44南西报学业第44卷学林第1期DOI:10.11929/j.swfu.2022110702024,44(1):31-39.滇杨幼苗对镉、锌胁迫的生理响应与耐受性研究王艳霞1.2郑武扬侯磊1刘楚天！何承忠陈柱学！魏文雅！（1.西南林业大学生态与环境学院，云南昆明6 50 2 33；2.西南林业大学云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室，云南昆明6 50 2 33；3.西南林业大学生命科学学院，云南昆明6 50 2 33）摘要：为探究滇杨幼苗在Cd、Z n 单一及复合胁迫下的生长、生理响应与耐受特征，采用土培盆栽的方式开展研究。结果表明：Cd、Z n 单一及复合胁迫未显著改变滇杨株高、地径和总生物量，但单一Zn胁迫显著提高总根长、根表面积和根体积，Cd-Zn胁迫显著降低总根长；Zn可改善滇杨的苗木生长质量，Cd可导致滇杨生长变差，而Cd-Zn复合胁迫时生长状况最差。Cd、Z n 单一胁迫未显著改变滇杨叶片的光合色素含量和净光合速率，Cd-Zn复合胁迫时叶绿素含量显著降低，但净光合速率和光响应特征参数变化不显著，而Cd单一胁迫时滇杨的Ra和LCP较CK显著增高，Zn单一胁迫时则LSP显著增高。Cd和Cd-Zn胁迫可激发滇杨氧化应激防御系统，使SOD和CAT活性显著提高，MDA和TPh含量无显著变化，Zn胁迫时SOD、CA T、M D A 和TPh含量均无显著变化。滇杨幼苗对Cd、Z n 单一及复合胁迫表现出耐受性，可作为Cd、Z n 污染土壤生态修复的重要候选树种，其综合耐受值为ZnCKCdCd-Zn。关键词：滇杨；镉、锌胁迫；生长；光合生理；重金属中图分类号：Q945.78文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-19 14(2 0 2 4)0 1-0 0 31-0 9Study on Physiological Response and Tolerance ofPopulus yunnanensis Seedlings to Cadmium and Zinc StressWang Yanxia 2,Zheng Wuyang,Hou Lei,Liu Chutian,He Chengzhong,Chen Zhuxue,Wei Wenya(1.College of Ecology and Environment,Southwest Forestry University,Kunming Yunnan 650233,China;2.Key Laboratory of EcologicalEnvironment Evolution and Pollution Control in Mountainous and Rural Areas of Yunnan Province,Kunming Yunnan 650233,China;3.College ofLife Science,Southwest Forestry University,Kunming Yunnan 650233,China)Abstract:To investigate the growth and physiological responses of Populus yunnanensis,and to clarify itstolerance characteristics under cadmium(Cd),zinc(Zn)and their combined(Cd-Zn)stress,the experiment was car-ried out by soil culture pot.The results showed as follows:Cd and Zn stress did not significantly change plantheight,ground diameter,and total biomass,but Zn stress significantly increased full root length,root surface areaand root volume,while Cd-Zn stress significantly decreased full root length.Zn stress improved the nursery stockquality of P.yunnanensis,Cd stress made the growth worse,and Cd-Zn stress was the worst growth status.Photo-synthetic pigment content and net photosynthetic rate were not changed by single stress of Cd and Zn.Under Cd-Zn stress,chlorophyll content decreased significantly,while net photosynthetic rate and light response character-收稿日期：2 0 2 2-11-2 3；修回日期：2 0 2 3-0 1-13基金项目：国家自然科学基金项目（318 6 0 2 19）资助；云南省山地农村生态环境演变与污染治理重点实验室开放基金项目（2 0 2 0 YB0 0 2）资助；云南省教育厅科学研究基金项目（2 0 2 1Y232）资助。第1作者：王艳霞（19 7 9），女，博士研究生。研究方向：植物修复。Email:。通信作者：何承忠（19 7 0 一），男，博士，教授，博士生导师。研究方向：林木遗传育种。Email:。32西南林业大学学报第44卷istic parameters did not change significantly.Dark respiration rate(Ra)and light compensation point(LCP)weresignificantly increased under Cd stress,and light saturation point(LSP)was significantly increased under Znstress.Cd and Cd-Zn stress could stimulate the oxidative stress defense system of P.yunnanensis,the activities ofsuperoxide dismutase(SOD)and catalase(CAT)were significantly increased,while the contents of malondialde-hyde(MDA)and total phenol(TPh)were not significantly changed,and SOD,CAT,MDA and TPh were not signi-ficantly changed under Zn stress.The seedlings of P.yunnanensis showed tolerance to single and combined stressof Cd and Zn,and could be used as an important candidate tree for ecological remediation of Cd and Zn pollutedsoil.The total tolerance values(D)of all treatments followed the sequence of ZnCKCd Cd-Zn.Key words:Populus yunnanensis;stress of cadmium and zinc;growth;photosynthetic physiology;heavymetal镉（Cd）是环境中毒性最强的重金属元素之一，亦是植物生长的非必需元素，在其胁迫下植物的生长发育以及光合作用、膜系统和酶系统等均会受到不同程度的抑制或损伤。与Cd不同，锌（Zn）是植物代谢的必需元素，是多种酶的组成成分，具有调节光合、促进植物生长的重要功能，但过量的Zn进入叶绿体后会取代叶绿素中心镁原子，导致光合作用的捕光过程受损 2 ，造成植物代谢失衡和生长发育受阻 3。重金属胁迫下，植物生理指标变化频繁，最常见的变化包括气体交换特性、糖、蛋白质、丙二醛（MDA）和酶活性的变化，这些变化是活性氧自由基（ROS）生产过剩、酶抑制或营养元素缺乏所致 4。研究发现，Cd、Z n 胁迫可诱导植物体内ROS的大量产生，引起大青杨（Populusussuriensis）5、火炬树（Rhus typhina）6 、苦楝（Meliaazedarach）7 等植物叶片抗氧化防御系统的应激响应，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶活性的升高，但随着胁迫强度的不断提高，ROS产生量超过抗氧化系统防御能力后，植物细胞膜脂质过氧化反应加剧，MDA含量升高，细胞膜结构和功能受损，最终将抑制植物的生长在土壤中，Cd、Z n 常以复合污染的形式存在，当二者共同胁迫时，必需元素与非必需的污染元素之间复杂的交互效应会对不同植物的生长、生理及光合特性产生不同的影响 8-9 ，如白花泡桐（Paulowniafortunei）的株高及生物量在单一Cd胁迫时显著提高，在单一Zn胁迫时显著下降，Cd-Zn复合胁迫时介于二者之间，表现出拮抗效应，但Cd-Zn复合胁迫时叶绿素含量较单一胁迫时显著下降，二者复合表现出协同抑制效应，而在叶片SOD活性上则表现出协同促进效应，即Cd-Zn复合胁迫较单一胁迫时显著提高SOD活性 10 。此外，Cd、Z n 复合效应还受重金属质量比的影响，如水芹菜（Oenanthejavanica）的叶绿素含量和过氧化物酶（POD）活性在Cd/Zn质量比大于2 时表现出拮抗效应，在小于2时表现出协同效应，而在超氧阴离子含量上均表现出协同效应 ，说明不同生理指标的Cd、Zn复合效应有所不同，而由此产生的重金属耐受性亦存在差异。生物量大小、耐受性高低是筛选重金属污染修复候选植物的重要指标。在植物修复中，树木修复因其生物量大、根系发达、进人食物链风险小、修复的同时能兼顾经济与生态效益等优点具有较大应用潜力 12 ；同时树木修复还是重金属污染高风险区（重金属含量超过农用地土壤污染风险管制值）实施退耕还林等管控措施的迫切需要。滇杨（Populus yunnanensis）是西南地区重金属污染修复的重要候选树种 13-15，但其在Cd、Zn复合胁迫下的耐受特征以及生理响应机制仍不清楚。为此，本研究以滇杨为对象，通过分析重金属胁迫后滇杨生长指标以及光合参数、抗氧化酶活性等生理指标的变化规律，初步探讨滇杨响应Cd、Z n 单一及复合胁迫的生理机制以及Cd-Zn复合胁迫的交互效应，以便为滇杨的重金属污染修复利用提供科学依据1材料与方法1.1供试材料供试植物：采集1年生滇杨枝条制成长2 0 cm的插穗，于水中培养6 0 d后，选择根、叶发育良好且生长基本一致的幼苗用于胁迫试验；供试基质：按红壤与有机基质体积比4：1配制，所配混合基质的pH值5.2 1，有机质含量2 4.16 g/kg，有(2)33第1期王艳霞等：滇杨幼苗对镉、锌胁迫的生理响应与耐受性研究效氮含量17 4.48 mg/kg，有效磷含量4.0 0 mg/kg，速效钾含量317.8 5mg/kg，全镉含量0.15mg/kg，全锌含量6 3.14mg/kg；试验所用Cd(NO3)24H,O、ZnSO47H,O、CO(NH 2)2 和KH,PO4均为分析纯药品。1.2试验方法设置Cd、Z n、Cd-Z n 以及未加污染物的CK，并结合文献中滇杨的重金属耐受浓度 9.13 以及西南典型矿区周边土壤重金属中、高含量水平（Cd含量0.1 75.4 mg/kg、Z n 含量 144 0 7 8 mg/kg)1-1,将添加浓度设为50 mg/kgCd和50 0 mg/kgZn，每个处理各设3个生物学重复，共计12 盆，每盆定植1棵滇杨幼苗。将3.5kg过3mm筛的供试基质与基肥CO(NH2)2、K H,PO 4充分混匀后装盆（肥料用量N0.15g/kg、P2 0 s 0.15g/k g），浇水稳定3d后移栽植物，待植物返青后，依据文献中报道的浇灌方法添加污染物18-19 ，即将各处理污染物分别溶于50 0 mL蒸馏水中并一次性浇灌至盆内（此浇灌量能使盆中土壤被全部浸润），若有水分渗出则及时回灌。2 0 2 0 年9 月胁迫试验于西南林业大学温室中开展，室内温度为152 8，空气相对湿度为2 3%6 7%，光照充足，试验共持续7 5d，期间各处理浇水量一致，且保持在田间持水量的60%80%。1.3测定方法胁迫期间，利用游标卡尺与卷尺每15d测定株高（H）、地径（D）1次；利用Li-6800便携式光合测定系统（Li-Cor，美国）于胁迫6 0 d后测定净光合速率（Pn）、气孔导度（G，）、胞间CO2浓度（C）、蒸腾速率（T）等光合参数，并根据公式（1）计算气孔限制值（L，），测定时每棵幼苗选取从上至下第5、6、7 片功能叶进行，样本室温度设为（2 51），空气相对湿度设为50%，COz浓度设为（40 0 5）mol/mol，瞬时光合设定光强为10 0 0 mol/(ms)，光响应曲线设定光强梯度为0、2 0、50、10 0、2 0 0、50 0、800、10 0 0、12 0 0、150 0、18 0 0、2 0 0 0 mol/(ms)，并采用叶子飘等 2 0 光合计算软件（4.11）中的直角双曲线修正模型拟合光响应曲线得到最大净光合速率（Pnmax）、光饱和点（LSP）、光补偿点（LCP）、表观量子效率（AQY）和暗呼吸速率（Ra）；胁迫试验结束后，利用Win-RHIZO根系扫描系统测量总根长（RL）、根体积（R V）、根平均直径（RD）、根表面积（RS）等指标；采用烘干法测定植物叶生物量（LDW）、茎生物量（SDW）、根生物量（RDW）以及总生物量（DW）；采用9 0%甲醇法测定叶片中叶绿素a（Ch l a）、叶绿素b（Ch l b）、叶绿素a+b（Ch l）和胡萝卜素（Car）含量 2 1；采用福林酚法测定叶片中总酚（TPh）含量 2 2 ；采用硫代巴比妥酸法测定叶片中MDA含量，采用紫外吸收法测定叶片中CAT活性，采用氮蓝四唑光化学还原法测定叶片中SOD活性 2 3；采用HNO3-HCIO4消解电感耦合等离子发射光谱法测定植物中Cd、Z n含量。1.4分析方法采用SPSS21.0进行数据统计分析，采用方差分析和新复极差法（Duncan法）进行均值比较和差异显著性检验；采用Canoco5完成主成分分析；采用Origin9.1完成作图。采用苗木质量综合指数（QI）反映Cd、Z n 胁迫对滇杨生长的综合影响 2 4，计算公式为（2)；采用隶属函数法对Cd、Z n 单一及复合胁迫下滇杨的耐受性进行综合评价 2 5，且按公式（3）或（4）计算隶属函数值。若所测指标与滇杨的耐受性呈正相关，则使用公式（3）计算隶属值，负相关则用公式（4），最后将每个试样的各项指标隶属函数值累加后取平均，平均值即为滇杨的综合耐受值（D）。D 值越大，耐受性越强L,=1-C./Ca(1)QI=DW/(H/D)+(SDW/RDW)X=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)(3)X=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)(4)式中：Ca为空气中COz浓度；Xu为各处理第u个指标的隶属函数值，X为参试样品某一指标的测定值，Xmax和Xmin分别为所有试样中该指标的最大值和最小值。2结果与分析2.1镉锌胁迫对滇杨重金属含量及生长的影响Cd、Z n 胁迫下滇杨体内重金属含量见图1，Cd-Zn复合胁迫时滇杨体内Cd含量为8.8 mg/kg，较单一Cd胁迫时显著降低（P0.05），降幅为51.9%，复合胁迫时Zn含量为151.9 mg/kg，较单一Zn胁迫时亦显著降低（P0.05），降幅为13.6%，Cd、Z n 复合对重金属含量表现出拮抗效应；除植物体内重金属含量受复合胁迫影响外，植物的生长状况亦受Cd、Z n 胁迫的影响。由图2 可知，与CK相比，Cd、Z n 单一及复合胁迫34西南林业大学学报第44卷时滇杨幼苗的H增长量有下降趋势，D增长量有上升趋势，但差异均未达显著水平200CdZna175bCC25a王bCC0CKCdZnCd-Zn处理不同小写字母表示差异显著（P0.05）。图1滇杨体内重金属含量Fig.1Heavy metal content in P.yunnanensis由滇杨生物量和根系指标可知（表1），Cd、Zn胁迫对根系生长影响显著（P0.05），但对总生物量无显著影响。Cd单一胁迫对RL、R S、RD、R V 的影响未达显著水平；Zn单一胁迫下RL、R S以及RV均显著提高（P0.05），较CK分别增加42.7 6%、6 7.0 1%和9 9.31%，且Zn胁迫时RDW显著高于Cd胁迫和Cd-Zn胁迫（P0.05）；Cd-Z n 复合胁迫下，RL较CK显著降低（P 0.0 5），降幅为35.7 1%，其余根系指标无显著变化。总的来看，滇杨对Cd、Z n 单一及复合胁迫表现出耐受性，且Zn促进根生长，Cd-Zn复合抑制根伸长，402.0HDa30a1.5uo/吾斗影Haauo/鲁斗Qaaa20a1.0100.500CKCdZnCd-Zn处理不同小写字母表示差异显著（P0.05）。图2 滇杨株高及地径的增长量Fig.2 Growth of plant height and ground diameter ofP.yunnanensis表1滇杨生物量及根系指标Table 1Biomass and root indexes of P.yunnanensis处理LDW/gSDW/gRDW/gDW/gQIRL/cmRS/cmRD/mmRV/cmCK2.99 0.85a11.3 1.33a1.30 0.28ab15.59 2.03a0.914.405.42 810.97b439.87 110.84b0.33 0.02a3.62 0.92bCd3.01 0.36a13.21 1.43a0.98 0.34b17.19 0.7740.834175.71 970.56bc522.83128.34b0.41 0.01a5.22 1.83abZn3.45 0.36a11.59 0.86a1.68 0.23a16.72 0.99a1.166289.35 402.51a734.62 78.81a0.38 0.10a7.22 1.65aCd-Zn2.39 0.72a12.26 4.20a0.73 0.50b15.39 3.03a0.542832.35 687.72c333.84 62.97b0.37 0.03a3.15 0.65b注：不同小写字母表示差异显著（P0.05）。QI能够综合植物多个生长指标，从整体上判断滇杨在不同重金属胁迫下的植株质量状况，QI值越高说明植株生长质量越好。由表1可知，在Zn单一胁迫下，滇杨植株质量状况最好，其次为CK以及单一Cd胁迫，在Cd-Zn复合胁迫时，植株质量最差，说明在50 0 mg/kgZn条件下，滇杨生长状况得到改善；在50 mg/kgCd条件下，滇杨生长变差；在Cd-Zn复合胁迫时，生长状况最差，毒害效应最强，Cd、Z n 复合对滇杨生长表现出协同抑制效应2.2镉锌胁迫对滇杨氧化应激酶系统的影响由图3可知，在Cd、Z n 单一胁迫时，滇杨叶片中SOD活性无显著变化，但在Cd-Zn复合胁迫时显著升高（P0.05），与CK相比其活性提高6 6.6 3%；CAT活性在Cd单一胁迫和Cd-Zn复合胁迫时均显著升高（P0.05），其活性分别提高51.8 8%和9 8.2 1%，但在Zn单一胁迫时CAT活性无显著变化。由此可知，为消除Cd和Cd-Zn胁迫造成的ROS伤害，滇杨激发了自身的氧化应激酶系统，使SOD和CAT活性显著提高（P0.05），且Cd、Z n 复合对抗氧化酶活性的提高产生协同促进作用。由图4可知，不同胁迫条件下TPh未发现显著变化，说明SOD和CAT作为植物氧化应激反应的第一道防线，有效抵御了重金属胁迫对植物产生的伤害，酚类物质的防御系统并未启动MDA是膜脂过氧化最重要的产物之一，可间接表征植物膜脂系统受损程度以及植物的抗逆35第1期王艳霞等：滇杨幼苗对镉、锌胁迫的生理响应与耐受性研究性。与CK相比，Cd、Z n 单一及复合胁迫均未对MDA含量产生显著影响，但单一Cd胁迫时MDA含量显著高于单一Zn胁迫（P0.05），说明在50、50 0 m g/k g Z n 胁迫条件下滇杨幼苗未发生显著的膜脂过氧化损伤，但Cd胁迫对滇杨幼苗的伤害大于Zn。150aSODACAT600(1-4.-8.n)/星AOS100400bbababbc50200C0OCKCdZnCd-Zn处理不同小写字母表示差异显著（P0.05）。图3钅镉锌胁迫下滇杨叶片中抗氧化酶活性变化Fig.3 Changes of antioxidant enzyme activities inP.yunnanensis leaves under cadmium and zinc stress2525TPhIAMDA2020(3.Jouu)/鲁VaWa(8.u)/吾号4dLab15ababab15abb10105500CKCdZnCd-Zn处理不同小写字母表示差异显著（P0.05）。图4镉锌胁迫下滇杨叶片中总酚及丙二醛含量变化Fig.4 Changes of total phenolics and malondialdehyde contentin P.yunnanensis leaves under cadmium and zinc stress2.3镉锌胁迫对滇杨光合生理的影响由图5可知，在Cd、Z n 单一胁迫时，滇杨叶片中Chla、C h lb 以及Car含量均无显著变化，但在Cd-Zn复合胁迫时，Chla、Ch l b 含量均显著下降（P0.05），较CK分别降低14.8 6%和16.32%，说明Cd、Z n 复合对叶绿素合成产生协同抑制效应。5JChl-aZChl-bChlCaraaa4(.3.3w)/吾掌贝号乐b3aaab2aaab1aaaa王0CKCdZnCd-Zn处理不同小写字母表示差异显著（P0.05）。图5镉锌胁迫下滇杨叶片中光合色素含量变化Fig.5Changes of photosynthetic pigment content inP.yunnanensis leaves under cadmium and zinc stress镉、锌胁迫下滇杨瞬时光合参数如表2 所示，在Cd单一胁迫和Cd-Zn复合胁迫时，P,较CK有所下降，且复合胁迫时下降最多（降幅16.1%），在Zn单一胁迫时P，略有升高，但差异未达显著水平；T,在Cd单一胁迫时有所下降，在Zn、Cd-Z n 胁迫时有所升高，但变化不显著，且Ci、G，和L,与CK亦无显著差异，说明在50 mg/kgCd、50 0 m g/k g Z n 胁迫条件下，Cd、Z n 单一及复合存在均未对滇杨光合作用产生显著影响，但Cd和Cd-Zn胁迫表现出抑制滇杨光合作用的趋势。表2镉锌胁迫下滇杨瞬时光合参数Table 2Instantaneous photosynthetic parameters of P.yunnanensis under cadmium and zinc stress处理P,/(mol m-2.s-l)T/(mmol:m2.sl)C/(mol:mol)G,/(mol m-.sl)LsCK10.39 2.40a3.69 0.08a285.11 16.04ab0.180.00a0.29 0.04abCd9.841.52a3.350.76a280.00 5.89b0.180.02a0.30 0.01aZn10.531.22a3.91 0.30a285.0011.15ab0.200.00a0.29 0.03abCd-Zn8.72 0.90a4.010.43a303.858.49a0.20 0.02a0.24 0.02b注：不同小写字母表示差异显著（P0.05）。从滇杨光响应曲线相关参数看（表3），在单一Cd胁迫下，滇杨Ra和LCP显著提高（P0.05），二者较CK分别提高2 34%和2 6 3.8%，LSP则略有下降（降幅2.2%），说明Cd胁迫降36西南林业大学学报第44卷低了滇杨对光的利用能力；在单一Zn胁迫下，滇杨AQY显著下降（降幅40%，P0.05），LCP略有下降（降幅16.6%），LSP显著提高（增幅45.9%，P 0.0 5），说明Zn胁迫下滇杨对光的利用能力有所提高，而各参数在Cd-Zn复合胁迫时无显著变化，说明Cd、Z n 产生拮抗作用缓解了重金属胁迫对滇杨光利用能力的影响。表3镉锌胁迫下滇杨光响应曲线相关参数Table3Parameters related to light response curve of P.yunnanensis under cadmium and zinc stress处理AQYRa/(mol-m-?.sl)Pmax/(umol m2-s*)LCP/(mol m*2.s-)LSP/(mol:m:s-l)CK0.05 0.001a0.50 0.026b16.77 0.29a6.5 0.46b922.31 6.64bCd0.05 0.001a1.67 0.819a15.41 0.24a23.65 11.96a902.27 30.96bZn0.03 0.008b0.29 0.293b16.51 1.70a5.42 5.39b1346.01 121.11aCd-Zn0.050.002a0.01 0.001b16.46 0.72a5.01 0.01b814.72 16.46b注：不同小写字母表示差异显著（PCKCdCd-Zn。表4滇杨耐受性综合评价Table 4Comprehensive evaluation ofP.yunnanensis tolerance隶属函数值指标CKCdZnCd-ZnH1.0000.2670.3380.000D0.0001.0000.2930.484LDW0.5680.5811.0000.000SDW0.0001.1790.1790.591RDW0.5940.2561.0000.000DW0.1151.0000.7400.000RL0.4550.3891.0000.000RS0.2650.4721.0000.000RD0.0001.0000.7010.520RV0.1170.5101.0000.000SOD0.7690.8351.0000.000CAT1.0000.4720.6930.000MDA0.7790.0001.0000.369TPh0.7800.0001.0000.573Chl a1.0000.7100.8630.000Chl b1.0000.7520.8700.000Chl1.1550.8381.0000.000Car1.0000.3660.4380.000P0.9230.6211.0000.000D值0.6060.5920.7960.134耐受性排序2314将生长、生理指标与滇杨体内Cd、Z n 含量进行主成分分析可知（图6），H、R L、R S、R V以及Chl、P,均分布在第四象限，说明重金属胁迫下植物光合作用效率和光响应的变化直接影响其地上部和根系的生长；Cd含量以及D、R D、MDA、SO D、CA T 均分布在第二象限，说明植物对Cd吸收量越多，MDA浓度越高，抗氧化酶活性越强，植株横向生长越明显。从各样点在影响因子箭头及其延长线的投影点位置可知，各处理生长、光合等指标的数值排序为ZnCKCdCd-Zn，表明Zn对叶绿素合成和光合速率提高，以及地上部和根生长有促进作用，而Cd、Cd-Z n胁迫则对滇杨生长和光合作用产生抑制作用；抗氧化酶活性顺序则相反，其数值排序为Cd-ZnCdZnCK，说明重金属胁迫可促使抗氧化酶活性提高，且Cd-Zn复合胁迫时提高最多。通过方差分析可知，Cd、Z n 交互作用仅对RL和SOD活性影响显著（P0.05），二者可能是滇杨响应Cd-Zn复合胁迫的最敏感指标Cd-ZnlCAToCd-ZnZnCd-Zn4SODZn(%659z)2dCdDRDMDA-ZnoZnSDWTPh4oCdDWRVRSCdCarPM&dLDWRDWRLCKCKCh!CKoChiaChlb-1.0PCA1(52.43%)1.0图6镉锌胁迫下滇杨生长与生理指标的主成分分析Fig.6 Principal component analysis of growth andphysiological indicators of P.yunnanensisunder cadmium and zinc stress37第1期王艳霞等：滇杨幼苗对镉、锌胁迫的生理响应与耐受性研究3结论与讨论杨树对重金属Cd、Z n 具有一定耐受性，但耐受程度和生长变化受胁迫浓度的影响 2 6-2 7 。周广波等 2 8 研究发现，当土壤加入50 mg/kgCd时对黑杨（Populus nigra）苗木高度、地径和生物量无抑制，而Cd添加量超过10 0 mg/kg则不利于苗木的生长。苦楝在50 0 mg/kgZn条件下胁迫30 d时对根、茎、叶无显著影响，在胁迫6 0 d时生物量显著下降，说明随着胁迫时间的延长，Zn的毒害效应不断加剧 7 。在本研究中，Cd、Z n 单一及复合胁迫下滇杨幼苗H、D 以及LDW、SD W、RDW、D W 均无显著变化，但根系指标变化显著，说明滇杨对50 mg/kgCd、50 0 mg/k g Z n 的胁迫环境有一定耐受性，且根系作为直接接触重金属的器官，较为敏感，在重金属胁迫下呈现变短变粗的趋势，原因是重金属离子被植物根系吸收后，可与根内的蛋白质结合形成稳定的螯合物滞留根内，当重金属浓度达到一定数值时，细胞的木质化速度加快，进而抑制植物根尖细胞的伸长，从而导致根部变短变粗 2 9-31。在本研究中，Cd单一胁迫以及Cd-Zn复合胁迫时根系呈现变短变粗的趋势，而Zn单一胁迫时显著促进根生长；从QI看，在单一Zn胁迫下，滇杨植株质量状况较CK有所改善，在单一Cd和Cd-Zn复合胁迫下植株质量有所下降，且复合胁迫时植株质量最差，说明Zn单一存在时有利于滇杨生长，而当Zn与Cd复合存在时，Zn的加人加剧了Cd对滇杨的毒害作用，致使Cd、Z n 复合对滇杨生长产生协同抑制效应。植物受Cd、Z n 胁迫时，可导致ROS的大量产生，而ROS积累则会引起膜脂过氧化，其产物MDA是反映膜脂过氧化程度高低的重要指标 32-33 。本研究中，Cd、Z n 胁迫未对滇杨叶片中MDA含量产生显著影响，说明滇杨未产生严重的脂质过氧化反应，这与火炬树（Rhustyph-ina）幼苗在50 mg/kgCd胁迫下MDA无显著变化的结果类似 ，原因是ROS可作为信号物质触发植物体的氧化应激反应，开启自身的酶促解毒系统，如SOD、CA T 等抗氧化酶活性的提高。本研究发现，在Cd、Z n 单一胁迫时，滇杨叶片中SOD活性无显著变化，但在Cd-Zn复合胁迫时显著升高，CAT活性在Cd单一胁迫和Cd-Zn复合胁迫时均显著升高，而在Zn单一胁迫时无显著变化，说明Zn单一存在时未显著改变SOD、CAT活性和MDA含量，Cd单一胁迫时可激发CAT活性提高，Cd-Zn复合胁迫可激发CAT和SOD酶活性的提高，而抗氧化酶活性的提高消除了ROS对滇杨的膜脂过氧化伤害，故MDA含量无显著变化，且Cd、Z n 复合对抗氧化酶活性产生协同促进作用，光合作用是植物体生理代谢活动中最重要的反应之一，重金属胁迫可通过影响叶绿素合成对光合作用产生影响，进而影响植物的代谢与生长过程 34。陈小米等 35 有关竹柳（Salixsp.）的研究结果表明，随着Cd、Z n 复合胁迫浓度的提高Chla、Ch l b 含量显著下降。本研究发现，滇杨叶片中Chla、Ch l b 在Cd、Z n 单一胁迫时无显著变化，在Cd-Zn复合胁迫时显著下降，而各处理Pn均无显著变化，说明Cd-Zn复合胁迫虽对滇杨叶绿素合成产生抑制但并未对P，产生显著影响。结合光响应相关参数可知，Cd胁迫提高了滇杨Ra和LCP，降低了LSP，造成了滇杨有效光合能力的下降以及夜间呼吸消耗的增强；在Zn胁迫下，滇杨LCP略有下降，LSP显著提高，说明一定浓度的Zn胁迫可提高滇杨的有效光合能力，但在Cd-Zn复合胁迫时，光响应相关参数无显著变化，表明Cd、Z n 复合对叶绿素合成产生协同抑制作用，但对光响应特征产生拮抗作用。许大全 36 指出，在Pn下降的同时，可借助C;和L的变化趋势来判断光合速率下降的限制因素，如C下降，L上升，则气孔导度变化是净光合下降的主因；若C,上升，L，下降，则光合速率下降为非气孔因素导致。本研究中，Cd胁迫时C较CK下降，L，较CK上升，说明Cd胁迫可能通过限制气孔而抑制滇杨的光合作用，而复合胁迫时Ci上升，L，下降，说明Cd-Zn胁迫对光合的抑制作用可能受非气孔因素限制，Zn的加人缓解了气孔限制对光合的影响。从耐受性看，滇杨对单一Zn胁迫的耐受性最好，对单一Cd胁迫的耐受性次之，对Cd-Zn复合胁迫的耐受性最差，这与石慧芳等 2 5 的研究结果一致。主成分分析的结果表明，Zn对滇杨叶绿素合成、光合作用以及生长有促进作用，Cd则相反，对滇杨主要起毒害作用，但因Cd胁迫可激发滇杨的防御系统，故并未对其产生严重伤害，而Cd-Zn胁迫时，Zn增强了Cd的毒害作用，故耐受性最差。徐勤松等 37 对复合胁迫下水车前（O tte lia a lis m o id e s）的研究发现，随着Zn浓度38西南林业大学学报第44卷增大，Cd的毒害作用增强，原因是植物体内一定浓度Zn的存在，阻断了Cd2+对金属硫蛋白等Cd结合蛋白诱导表达的信息传导途径，抑制了Cd结合蛋白的生物合成，从而加重了Cd的毒害效应。结合滇杨生物量、光合参数、抗氧化酶活性以及耐受性特征可知，受50 mg/kgCd、50 0 mg/k gZn单一及复合胁迫后滇杨生长、生理虽发生一定变化，但通过自身应激反应系统的调节，并未对其光合作用和生物量积累产生显著影响，说明滇杨对Cd、Z n 胁迫有一定耐受性，适宜在Cd含量低于50 mg/kg，Z n 含量低于50 0 mg/kg的单一或复合污染土壤上应用，并可结合短期轮伐或施用螯合剂、植物生长调节剂、肥料等措施来提高修复效率 38-40 。但是，滇杨作为落叶树种，脱落到地上的叶片腐烂后可再次污染土壤，因此，应用时需特别注意秋季落叶期叶片的及时回收，以避免或减少脱落叶片形成的循环污染。【参考文献1Rasafi T E,Oukarroum A,Haddioui A,et al.Cadmi-um stress in plants:a critical review of the effects,mechanisms,and tolerance strategies.Critical Re-views in Environmental Science and Technology,2022,52(5):675-726.2Kupper H,Kupper F,Spiller M.In situ detection ofheavy metal substituted chlorophylls in wat