不同观赏荷花品种对镉胁迫响应的差异性研究.pdf

南京农业大学学报():/.:./.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()江苏省农业科技自主创新资金项目()中央高校基本科研业务费专项资金()作者简介:施寅政硕士研究生通信作者:王彦杰副教授研究方向为水生植物逆境生理:.施寅政徐迎春王子康等.不同观赏荷花品种对镉胁迫响应的差异性研究.南京农业大学学报():.():.不同观赏荷花品种对镉胁迫响应的差异性研究施寅政徐迎春王子康卢学礼金奇江王彦杰(南京农业大学园艺学院/农业农村部景观农业重点实验室/国家林业与草原局华东地区花卉生物学重点实验室/农业农村部花卉生物学与种质创制重点实验室江苏 南京)摘要:目目的的 本文旨在探讨不同观赏荷花品种耐镉()的差异筛选优质荷花品种以作为植物修复 污染水体的材料 方方法法 以常用的 个大中型观赏荷花品种为试材利用盆栽试验研究不同 处理水平(、)下各荷花品种生长及生理特性的变化 结结果果 低 处理()促进了各荷花品种株高和立叶数的增加中 处理()对风卷红旗中国红 北京珠峰翠影的株高和立叶数有促进作用但抑制其他 个品种的生长经高 处理()后仅珠峰翠影的株高和立叶数仍显著增加不同 处理水平对各荷花品种冠幅和叶径的生长均产生了抑制效果 随着 处理水平升高各荷花品种叶片的叶绿素含量逐渐降低相对电导率不断上升超氧化物歧化酶()和过氧化物酶()活性均呈先上升后下降的趋势 其中风卷红旗中国红 北京和珠峰翠影叶绿素含量及相对电导率受 胁迫的影响较其他 个品种小且风卷红旗和中国红 北京的 种抗氧化酶活性仅在高 胁迫下才显著低于对照而珠峰翠影在各水平 处理下始终高于对照 对不同荷花品种 积累特性的分析表明风卷红旗和中国红 北京的 积累量相对较高而珠峰翠影的 转运系数最高荷花不同器官中 积累量由大到小表现为根、叶、根状茎 结结论论 不同观赏荷花品种耐 能力差异较大珠峰翠影风卷红旗中国红 北京的耐 性相对较强这 个耐性品种可通过根系阻挡与固定大量 或高效启动抗氧化系统清除 诱导产生过量活性氧的方式抵御 胁迫关键词:重金属胁迫荷花品种筛选抗氧化系统 含量中图分类号:.文献标志码:文章编号:()(/):.().()().().()().南 京 农 业 大 学 学 报第 卷 .:.:()水体重金属污染是当前最主要、最严重的环境污染类型之一 镉()作为一种常见的重金属元素具有很强的生物毒性与移动性 进入水体(水、底泥等)中的 不仅会危害水域中的动植物也极易通过食物链对人类健康构成巨大威胁 随着我国对生态文明建设的愈发重视重金属 污染水体的治理已成为当前亟待解决的环境问题之一目前净化水体常见的方法有物理化学法和生物治理法 其中植物修复法作为生物治理法中的一种常用方法不仅对环境友好且价格低廉对重金属的去除具有很好的效果同时还能通过收割或打捞植物把重金属从水体中清除出来从而避免二次污染达到恢复水生生态系统健康的目的 利用观赏植物作为植物修复材料不仅能够吸收环境中的重金属还兼具观赏价值具有净化与美化环境的双重作用因此逐渐成为国内外学者的研究热点荷花()为莲科多年生挺水花卉中国传统十大名花之一具有较高的观赏价值、文化价值和经济价值 根据用途不同荷花可分为花莲(观赏荷花)、藕莲和子莲其中观赏荷花花色多样、姿态优美常用于现代园林各类水景营造 近来研究表明荷花具有高效吸附重金属 的能力加之生长迅速、生物量大因此荷花具有作为植物修复材料修复 污染水体的潜能 荷花品种资源丰富现已达上千个不同荷花品种在形态、品质性状、耐低温、耐盐碱等方面存在较大差异 目前关于荷花响应重金属胁迫的研究相对匮乏少部分涉及 的研究主要关注单一荷花品种对 胁迫的生理响应机制而不同荷花品种对 的耐受程度及吸收富集能力的差异比较迄今尚未见报道限制了荷花作为植物修复材料的高效精准应用鉴于此本研究选取园林水景营造工程中常用的 个大中株型观赏荷花品种研究其在不同浓度重金属 胁迫下的生长状态和生理特性变化分析不同荷花品种对 的响应差异旨在筛选出在 污染水体中生长良好且能大量吸收 的荷花品种为开发荷花作为水体重金属污染的植物修复材料提供理论依据也为园林生态工程提供理想材料并推动此类品种的选育 材料与方法.试验材料及培养以园林水景中常用大中型观赏荷花品种风卷红旗中国红北京秣陵秋色艾江南珠峰翠影婚纱为试材 个荷花品种的种藕由浙江伟达园林工程有限公司提供 每个品种选择生长健壮、外观大小一致、带 个健康顶芽的种藕于 年 月初种植在口径为 的无孔塑料盆中 每盆装填.土壤及 菜籽饼(、含量为.、.、.)种植 支种藕 荷花生长期间采用正常水肥管理措施供试土壤与水体取自江苏省南京市溧水区南京农业大学白马基地()土壤经风干、压碎、过 孔筛后装入无孔塑料盆中其基本理化性质为.有机质含量.全氮含量.全磷含量.全钾含量.前期培养及试验过程中补充水体为基地自来水.未检测到.试验方法.试验处理及取样 试验在南京农业大学白马基地的避雨塑料大棚内进行 自荷花长出 片立叶时选择长势基本一致的植株进行 处理 将 .溶于去离子水中配制不同质量浓度的 溶液以水溶液的形式施入盆中 设置 个 处理水平分别为 (对照)、(低 第 期施寅政等:不同观赏荷花品种对镉胁迫响应的差异性研究处理)、(中 处理)、(高 处理)每个处理设置 个重复每盆为 个重复 在试验过程中定期补水保持水位距离盆上口边 处理 周后观测形态指标并取样第 次观测和取样的时间定为 此后每 观测和取样 次共进行 次.荷花形态学指标测定方法 试验开始后每 测定各植株株高、立叶数、冠幅和叶径其中盆土表面到叶片顶端的垂直距离定义为株高每盆植株顶平面的最长距离定义为冠幅随机选取每盆植株的 片中层成熟叶测量其最大直径后取平均值记为叶径.荷花生理指标测定方法 随机选取中层叶片作为采样叶距叶柄顶端约/处避开叶脉采样每个样品重复 次 采用王学奎等的方法使用乙醇浸提液比色法测定叶片中叶绿素的含量 采用 等的方法用打孔器取下 片叶圆片使用电导率仪测定相对电导率 采用氮蓝四唑()法和愈创木酚法分别测定叶片中超氧化物歧化酶()和过氧化物酶()的活性.荷花各器官 含量的测定及转运系数的计算 采用 等的方法测定荷花各器官 含量试验结束后将处理后的荷花翻盆用.乙二胺四乙酸()清洗植株表面附着的杂质然后用去离子水冲洗 次用吸水纸吸干水分 将收获的植株样品分为叶、根状茎、根 部分分别放入 的烘箱内杀青 再在 下烘干后粉碎过孔径为.的筛网 每份样品称取.用 微波消解仪消解完全使用 测定各器官中的 含量其具体含量由元素标准曲线计算得出 基于各器官 的含量按照如下公式计算转运系数:转运系数植株地上部分(叶片)含量/植株地下部分(根根状茎)含量.数据处理使用 软件绘制图表采用 .软件对试验数据进行单因素方差分析()和 法多重比较(.)数据以平均值标准差表示图 不同 处理水平下 个荷花品种株高的变化 同一时间不同小写字母表示不同处理组间差异显著(.)下同 .结果与分析.不同 处理水平对 个荷花品种生长发育的影响不同 处理水平下 个荷花品种的株高、冠幅、立叶数及叶径等生长指标随时间变化情况如图 至图 所示 总体而言 个荷花品种的各生长指标在试验前期各处理间无显著差异而自观测 起因 处理水平差异而逐渐拉开差距南 京 农 业 大 学 学 报第 卷图 不同 处理水平下 个荷花品种冠幅的变化 图 不同 处理水平下 个荷花品种立叶数的变化 具体而言 处理对各荷花品种株高与立叶数的影响相似在试验中后期因处理水平差异表现出“低促高抑”的现象(图、图)与对照相比低 处理()下 个荷花品种株高与立叶数的增长速度相对较快除风卷红旗外其他 个品种在 时立叶数均显著高于对照在 时 个品种的株高与立叶数均显著高于对照说明低 处理对荷花株高与立叶数的增长起到一定促进作用 中()处理下风卷红旗中国红 北京珠峰翠影株高与立叶数的增长速度仍高于对照其中风卷红旗和中国红 北京这 个指标的增长速度比低 处理降低珠峰翠影却高于低 处理而其他 个品种秣陵秋色艾江南和婚纱的株高和立叶数受中 处理水平的明显抑制在 时均显著低于对照其中株高抑制率分别为.、.和.立叶数增长抑制率分别为.、.和.高 处理()水平下秣陵秋色艾江南婚纱 个品种株高与立叶数几乎没有增加 时 对三者株高的抑制率达到.、.和.对立叶数增加的抑制率分别达到.、.和.并开始出现地上部分凋萎、甚至死亡的现象风卷红旗和中国红 北京的生长也受一些影响虽不致死但立叶数同样停止增长且二者株高虽然随时间延长较初始观测值具显著变 第 期施寅政等:不同观赏荷花品种对镉胁迫响应的差异性研究图 不同 处理水平下 个荷花品种叶径的变化 化(.)但在 时均显著低于对照抑制率分别为.和.值得注意的是珠峰翠影的株高与立叶数并没有受高 处理的明显抑制且在试验观测结束时仍显著高于对照与株高和立叶数变化不同 处理抑制或延缓各荷花品种冠幅和叶径的增长且随 处理时间延长与处理水平升高其抑制作用更加明显(图、图)自 观测起各水平 处理对 个荷花品种的冠幅与叶径增长起一定的抑制作用且在 时抑制作用显著至 时抑制率达到最大值 低、中 处理水平下冠幅增长受抑制最严重的品种是艾江南抑制率分别为.和.叶径抑制率最高的品种是婚纱抑制率分别为.和.高 条件下这 个品种甚至出现地上部衰败、死亡的现象此外在低 处理水平下风卷红旗和婚纱的冠幅自 起开始显著高于 而中 处理二者冠幅的增加被延缓至 才出现秣陵秋色艾江南婚纱和珠峰翠影 个品种的叶径在低 条件下均自 起显著高于对照经中水平 处理后婚纱的叶径停止增长而其他 个品种叶径的增长被延缓至 高 处理水平下仅中国红 北京的叶径随处理时间延长仍保持增长与 时差异显著而其他 个品种的冠幅和叶径随时间变化无显著差异近乎停止增长.不同 处理水平对 个荷花品种叶片中叶绿素含量的影响由图 可见:各处理水平下不同荷花品种叶片中叶绿素含量随时间的延长均呈先上升后下降的趋势与对照相比 处理导致各荷花品种叶绿素含量均有所降低且 处理水平越高对叶绿素含量的抑制作用越明显 就不同荷花品种而言各品种叶片中叶绿素含量对 胁迫的响应存在明显差异 其中秣陵秋色艾江南和婚纱 个品种经不同水平 处理后其叶片叶绿素含量在 时显著低于对照组且这种差异一直持续到试验结束试验末期时高 处理条件下艾江南叶绿素含量与对照相比下降幅度较大抑制率达到了.而秣陵秋色下降幅度最小抑制率仅为.处理对其他 个品种风卷红旗中国红 北京和珠峰翠影叶绿素含量的抑制作用相对较小例如低 处理水平下这 个品种叶绿素含量较对照显著降低的现象在 时才出现且在中、高 处理水平下也有类似的情况发生试验末期高 处理对中国红 北京叶绿素合成抑制率为.下降幅度较大而珠峰翠影下降幅度最小抑制率仅为.不同 处理水平对 个荷花品种叶片相对电导率的影响如图 所示:正常条件下大部分荷花品种叶片的相对电导率随时间延长表现为相对平稳的状态而经 处理后各荷花品种的相对电导率总体呈上升趋势且 处理水平越高被处理荷花品种的相对电导率越高 不同 处理水平下风卷红旗中国红 北京艾江南和珠峰翠影的相对电导率均呈现早期迅速上升随后保持相对平稳的状态而婚纱的相对电导率则随处理时间的延长一直表现为迅速上升趋势其中高 处理水平下 时其相对电导率高达.且植株受损严重 秣陵秋色和艾南 京 农 业 大 学 学 报第 卷江南在 时二者的相对电导率在低 条件下较对照显著升高且与稍高 处理水平间差异不显著这 个品种经高 处理后相对电导率迅速升高且在 时分别达到各自的最高值(.和.)表现为植株受伤严重甚至死亡图 不同 处理水平下 个荷花品种叶片中叶绿素含量变化 图 不同 处理水平下 个荷花品种叶片相对电导率变化 .不同 处理水平对 个荷花品种叶片抗氧化酶活性的影响不同 处理水平下 个荷花品种叶片 和 抗氧化酶活性随时间的变化呈现出相似的变化趋势(图 和图)在试验初期各荷花品种 种抗氧化酶活性在不同处理间均差异不大仅艾江南的 活性在较高水平 处理下显著低于对照自 起 处理下各荷花品种抗氧化酶活性与对照相比出现显著差异且随着 处理水平升高呈先上升后下降的趋势但不同品种间存在差异 自 起至试验结束 个荷花品种 和 活性在低 条件下均显著高于对照 中、高 处理水平下艾江南和婚纱的 种抗氧化酶活性下降显著低于对照秣陵秋色的 活性变化与上述 个品种一 第 期施寅政等:不同观赏荷花品种对镉胁迫响应的差异性研究致其 活性虽在 时仅在高 条件下显著低于对照但随着处理时间的延长该品种在中、高 处理水平下也出现较对照显著降低的现象最终导致植株衰败而风卷红旗和中国红 北京的 种抗氧化酶活性仅在高 条件下才显著低于对照 值得注意的是珠峰翠影的 和 活性在中、高 处理水平下均显著高于对照且各处理以中水平 处理下活性最高 以上结果表明风卷红旗中国红 北京和珠峰翠影(特别是珠峰翠影)对 胁迫的耐性较其他 个品种更强图 不同 处理水平下 个荷花品种叶片中超氧化物歧化酶()活性 ()图 不同 处理水平下荷花叶片中过氧化物酶()活性 ().在不同荷花品种中的积累情况分析选取风卷红旗中国红北京珠峰翠影这 个对 胁迫抵御能力较强的荷花品种对其在 胁迫下各器官内的 含量进行测定与比较分析(其他 个荷花品种在试验周期结束前已经衰败故无法监测)从表 可以看出:这 个品种均有较强的吸收及积累重金属 的能力特别是风卷红旗和中国红 北京 就不同器官而言 在 个品种各器官中的积累情况相似由大到小均表现为根系、叶片、根状茎 其中风卷红旗和中国红北京的根系对 的积累量最多显著高于珠峰翠影 值得注意的是虽然珠峰翠影根系积累 最少但其叶片和根状茎中 积累量均显著南 京 农 业 大 学 学 报第 卷高于其他 个品种 通过计算 个品种对 的转运系数发现珠峰翠影的 转运系数最高达.显著高于风卷红旗(.)和中国红 北京(.)这表明珠峰翠影对 的转移能力最强表 处理下 个荷花品种不同器官 含量及转运系数 .品种不同部位 含量/()叶 根状茎 根 转运系数 风卷红旗.中国红 北京 .珠峰翠影.注:同列不同小写字母表示不同品种间差异显著(.):.讨论与结论重金属 作为植物生长的非必需元素其在体内积累会对植物生长发育和物质代谢等产生不同程度的影响 本研究发现 个荷花品种的生长发育对 胁迫的响应存在明显差异形态上以株高和立叶数变化最为典型且存在“低促高抑”的剂量效应 其中风卷红旗中国红 北京和珠峰翠影的株高与立叶数受 胁迫的抑制作用更小属于相对耐 品种且珠峰翠影耐 性最强而秣陵秋色艾江南和婚纱对 较敏感 叶绿素是植物进行光合作用的主要色素其含量高低直接决定了植物光合作用的水平 本试验发现各荷花品种叶片叶绿素含量随 处理时间增加总体呈先上升后下降的趋势且处理水平越高抑制作用越明显说明荷花对短时间或低 处理具有一定的适应性 随着处理时间延长及 处理水平升高 个荷花品种的叶绿素含量均显著下降其中 个相对耐 品种叶绿素含量出现显著下降的时间明显晚于其他 敏感品种可见 胁迫对耐 荷花品种叶绿素损害较小 这与高耐 多花黑麦草品种经 处理后叶绿素含量下降幅度更小的结果一致重金属 对植物的毒害作用往往归因于其诱导植物产生大量的活性氧()过量的 打破植物体内氧化还原平衡破坏蛋白质、核酸以及细胞膜的结构与功能进而抑制植株的生长发育 相对电导率是衡量细胞膜透性的重要指标 本研究中不同 处理水平导致各荷花品种叶片的相对电导率总体呈上升趋势且 处理水平越高、品种对 越敏感其相对电导率就越高尤其高 条件下 个荷花品种的细胞膜均受到了严重伤害推测可能由于大量 离子进入植物体内与细胞膜蛋白的巯基或磷脂分子层的磷脂类物质反应造成膜系统受损 植物的抗氧化系统与其耐 性息息相关 和 的活性大小可在一定程度上反映植物的耐 能力 本研究中与对照相比低 处理使各荷花品种 和 活性均显著增加这些抗氧化酶能够有效清除 胁迫诱导的过量 维持氧化还原平衡进而促进各荷花品种的生长及对低 处理的适应 然而不同荷花品种抗氧化酶活性对中、高水平 胁迫的响应存在明显差异:个相对耐 荷花品种(特别是珠峰翠影)的抗氧化酶在较高水平 胁迫下仍能保持相对较高的活性说明它们可高效清除过量 以减轻植株的受害程度因此能抵御更高水平的 胁迫高 处理后期大量荷花品种(特别是 敏感品种)表现出受毒害表型可能是由于 处理水平相对过高致使荷花体内抗氧化酶系统受到破坏从而导致氧化还原平衡状态失衡最终造成植物细胞大量死亡甚至植株衰败植物修复技术是利用绿色植物通过吸收转运、根际稳定等方式对环境重金属进行清除或降解以达到环境修复的目的 本研究中 个相对耐 品种对 积累能力不同其中风卷红旗和中国红 北京的 积累量明显高于珠峰翠影 同一植物不同品种积累 能力存在较大差异的现象在玉米、红麻、小白菜中也有报道 各荷花品种不同器官中 积累量都表现为根系中最高其次依次为叶片和根状茎 其中风卷红旗和中国红 北京主要将大量 积累于根部限制其向地上部(叶片)的运输可能是由于根细胞的细胞壁果胶通过阻挡与结合作用降低了 在荷花植株体内的流动性从而获得对 的较高耐性 而耐 相对最强品种珠峰翠影的 转运系数最高(.)其根系吸收的 大量转移至地上部使叶片中 积累量在高 处理下显著高于另外 个品种 有意思的是高 条件下仅珠峰翠影叶片的、活性显著高于对照因此我们推测珠峰翠影能够通过高效启动叶 第 期施寅政等:不同观赏荷花品种对镉胁迫响应的差异性研究片抗氧化酶系统清除过量 抵抗叶片中积累的大量 离子引起的氧化损伤维持植株体内环境稳定从而促进其生长及对高水平 胁迫的耐受性 可见 个相对耐 的荷花品种可用于 污染水体的植物修复 植物修复技术因其成本低廉及环境友好等特点而备受关注然而植物修复产物的后处理问题也越发突出目前的处理方法主要是将植物采收后进行压缩填埋、焚烧、高温分解或堆肥等然而这些方法存在很多局限性因此仍需进一步探索研究以便更好推动植物修复技术的发展综上所述 胁迫在一定程度上影响了荷花的生长发育其作用因处理水平及品种不同而表现出明显差异其中风卷红旗中国红 北京和珠峰翠影为相对耐 品种 它们通过根系固定大量 或高效启动抗氧化系统清除 诱导产生过量 的方式抵御 胁迫使植株在积累 的同时保持较好的生长状态表现出良好的耐 性可考虑作为植物修复材料用于 污染水体的净化参考文献:.:.():.():.:.:():.汪鹏赵方杰.土壤水稻系统中镉迁移与阻控.南京农业大学学报():.:./.():().:.():.:.():.陶理王沛芳袁秋生等.种典型沉水植物对去除镉污染底泥的应用效果.环境科学():.():().:.():.():.():.张行言陈龙清.中国荷花新品种图志.北京:中国林业出版社:.:().().():.宋力黄勤超黄民生.利用荷花与睡莲对沉积物中重金属的修复研究.光谱学与光谱分析():.():().():.王彦杰刘佳鹤金奇江等.不同荷花品种出泥部分与根状茎生长性状和部分生理指标的比较及相关性分析.植物资源与环境学报():.():().李欣江君徐君等.经低温锻炼后荷花不同品种对低温胁迫的生理响应差异分析.植物资源与环境学报():.():().苏少文刘莹黄志远等.不同荷花对盐碱胁迫的响应.北方园艺():.():().南 京 农 业 大 学 学 报第 卷.():.袁满徐迎春牛叶青等.乙烯与 互作对镉胁迫下荷花的抗坏血酸谷胱甘肽循环的影响.应用生态学报():.():().孔德政裴康康李永华等.铅、镉和锌胁迫对荷花生理生化的影响.河南农业大学学报():.():().王学奎黄见良.植物生理生化实验原理与技术.版.北京:高等教育出版社:.:().():.宁楚涵李文彬徐启凯等.丛枝菌根真菌促进湿地植物对污染水体中镉的吸收.应用生态学报():.():().方志刚胡朝阳蔡庆生.两个多花黑麦草品种对镉胁迫的生理响应及其镉耐性差异.植物生理学报():.():().闫雷孙小贺李威等.外源 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