高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

镉胁迫对黑杨派无性系生理生化特性及生长的影响

姚俊修 陈甘牛 李善文 乔艳辉 仲伟国 李庆华 董玉峰 吴德军

姚俊修, 陈甘牛, 李善文, 乔艳辉, 仲伟国, 李庆华, 董玉峰, 吴德军. 镉胁迫对黑杨派无性系生理生化特性及生长的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(4): 12-20. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462
引用本文: 姚俊修, 陈甘牛, 李善文, 乔艳辉, 仲伟国, 李庆华, 董玉峰, 吴德军. 镉胁迫对黑杨派无性系生理生化特性及生长的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(4): 12-20. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462
Yao Junxiu, Chen Ganniu, Li Shanwen, Qiao Yanhui, Zhong Weiguo, Li Qinghua, Dong Yufeng, Wu Dejun. Physiological and biochemical properties and growth of Aigeiros clones under cadmium stress[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(4): 12-20. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462
Citation: Yao Junxiu, Chen Ganniu, Li Shanwen, Qiao Yanhui, Zhong Weiguo, Li Qinghua, Dong Yufeng, Wu Dejun. Physiological and biochemical properties and growth of Aigeiros clones under cadmium stress[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(4): 12-20. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462

镉胁迫对黑杨派无性系生理生化特性及生长的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462
基金项目: 山东省重点研发计划项目(2017GNC11115),林业科技发展项目(KJZXZZ2019015)
详细信息
    作者简介:

    姚俊修,博士,高级工程师。主要研究方向:林木遗传育种。Email:yjx95289528@163.com 地址:250014山东省济南市历下区文化东路42号山东省林业科学研究院

    通讯作者:

    李善文,博士,研究员。主要研究方向:林木遗传育种。Email:lishanwen66@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S722.3

Physiological and biochemical properties and growth of Aigeiros clones under cadmium stress

  • 摘要: 目的为研究重金属Cd对林木生理生化特性的影响,探讨林木对Cd胁迫的响应机制,为日渐严重的土壤重金属污染治理提供依据。方法对黑杨派的5个无性系进行沙培试验,测定其地径和苗高生长量及8个生理生化指标,评价不同无性系抗Cd2+胁迫的能力。结果镉胁迫导致无性系的CAT及MDA含量较CK呈先增加后减少的趋势;POD和SOD活性较CK也呈先增大后减小的变化趋势,其中L35、鲁林9号、鲁林16号的POD活性始终排在前3位;随着镉处理浓度的增加,无性系L35、I-107和中菏1号的脯氨酸及可溶性糖含量较CK均呈现逐渐上升趋势,而叶绿素含量均呈先增加后减少的趋势,L35、I-107和中菏1号的叶绿素含量始终排在前3位。各无性系的地径和苗高在Cd胁迫下存在差异,苗高达到显著水平,而地径未达到显著水平,表明参试无性系苗高性状较地径对Cd的胁迫更为敏感。结论利用主成分分析对5个无性系生长量及生理生化指标进行综合评价,L35、中菏1号和I-107的抗重金属Cd能力较强,可作为修复重金属镉污染土壤的理想无性系。
  • 图  1  不同Cd2+质量浓度对不同无性系地径的影响

    不同小写字母表示同一处理不同无性系间差异显著(P < 0.05)。下同。Different lowercase letters indicate that there are significant differences among different clones in the same treatment (P < 0.05). The same below.

    Figure  1.  Effects of Cd2+ with different mass concentrations on ground diameter of different clones

    图  2  不同Cd2+质量浓度对不同无性系苗高的影响

    Figure  2.  Effects of Cd2+ with different mass concentrations on seedling height of different clones

    图  3  Cd胁迫对5个黑杨无性系CAT活性的影响

    Figure  3.  Effects of Cd stress on CAT activity of five Aigeiros clones

    图  4  Cd胁迫对5个黑杨派无性系MDA含量的影响

    Figure  4.  Effects of Cd stress on MDA content of five Aigeiros clones

    图  5  Cd胁迫对5个黑杨派无性系POD活性的影响

    Figure  5.  Effects of Cd stress on POD activity of five Aigeiros clones

    图  6  Cd胁迫对5个黑杨派无性系SOD活性的影响

    Figure  6.  Effects of Cd stress on SOD activity of five Aigeiros clones

    图  7  Cd胁迫对5个黑杨派无性系电导率的影响

    Figure  7.  Effects of Cd stress on conductivityof five Aigeiros clones

    图  8  Cd胁迫对5个黑杨派无性系可溶性糖含量的影响

    Figure  8.  Effects of Cd stress on soluble sugarcontent of five Aigeiros clones

    图  9  Cd胁迫对5个黑杨派无性系脯氨酸含量的影响

    Figure  9.  Effects of Cd stress on proline content of five Aigeiros clones

    图  10  Cd胁迫对5个黑杨派无性系叶绿素含量的影响

    Figure  10.  Effects of Cd stress on chlorophyll content of five Aigeiros clones

    表  1  黑杨派无性系Cd胁迫下的主成分分析

    Table  1.   Principal component analysis on Aigeiros clones under Cd stress

    测定指标 Testing index第一主成分 Prin1第二主成分 Prin2第三主成分 Prin3第四主成分 Prin4
    特征根 Characteristic root 4.622 4 2.583 4 1.457 2 1.336 9
    累计贡献 Cumulative contribution rate/% 46.224 8 72.059 2 86.631 5 100.000 0
    苗高 Seedling height 0.076 6 0.536 2 0.381 8 −0.115 6
    地径 Ground diameter −0.462 7 0.046 6 0.053 4 −0.022 2
    过氧化氢酶 CAT −0.348 5 −0.281 2 −0.009 1 0.418 7
    丙二醛 MDA 0.177 7 0.000 1 −0.710 0 −0.299 0
    过氧化物酶 POD −0.085 6 0.490 2 −0.024 2 0.507 6
    超氧化物歧化酶 SOD 0.246 7 −0.401 6 0.387 6 0.249 3
    电导率 Electrical conductivity 0.354 3 0.305 5 −0.197 6 0.301 8
    可溶性糖 Soluble sugar 0.414 4 0.059 1 −0.108 2 0.367 3
    脯氨酸 Proline 0.352 2 0.067 4 0.381 7 −0.389 4
    叶绿素 Chlorophyll 0.371 0 −0.358 2 0.003 1 0.155 2
    下载: 导出CSV

    表  2  5个无性系的主成分值及其排序

    Table  2.   Principal component values and ranking of 5 Aigeiros clones

    项目
    Item
    I-107
    P. × euramericana ‘Neva’
    中菏1号
    P. deltoides‘Zhonghe 1’
    L35
    P. × euramericana ‘L35’
    鲁林16号
    P. deltoides‘Lulin 16’
    鲁林9号
    P. deltoides‘Lulin 9’
    主成分值
    Principal component value
    0.225 61.783 02.363 4−2.427 6−1.944 4
    排序 Order32154
    下载: 导出CSV
  • [1] Hu H, Jin Q, Kavan P. A study of heavy metal pollution in China: current status, pollution-control policies and countermeasures[J]. Sustainability, 2014, 6(9): 5820−5838. doi:  10.3390/su6095820
    [2] Ponsbranchu E, Ayrault S, Roybarman M, et al. Three centuries of heavy metal pollution in Paris (France) recorded by urban speleothems[J]. Science of the Total Environment, 2015, 518−519: 86−96. doi:  10.1016/j.scitotenv.2015.02.071
    [3] 杨海琳. 土壤重金属污染修复的研究[J]. 环境科学与管理, 2009, 34(6):130−135. doi:  10.3969/j.issn.1673-1212.2009.06.038

    Yang H L. Remediation of heavy metal polluted soil[J]. Environmental Science and Management, 2009, 34(6): 130−135. doi:  10.3969/j.issn.1673-1212.2009.06.038
    [4] 吴双桃. 镉污染土壤治理的研究进展[J]. 广东化工, 2005(4):40−41, 50. doi:  10.3969/j.issn.1007-1865.2005.04.015

    Wu S T. The latest development about the remedy of Cd contaminated soil[J]. Guangdong Chemical Industry, 2005(4): 40−41, 50. doi:  10.3969/j.issn.1007-1865.2005.04.015
    [5] 王娜, 魏样. 土壤重金属镉污染来源及其修复技术探究[J]. 环境与发展, 2019, 31(8):55−56, 58.

    Wang N, Wei Y. Study on sources of heavy metal cadmium pollution in soil and its remediation technology[J]. Environment and Development, 2019, 31(8): 55−56, 58.
    [6] 周东美, 邓昌芬. 重金属污染土壤的电动修复技术研究进展[J]. 农业环境科学学报, 2003, 22(4):505−508. doi:  10.3321/j.issn:1672-2043.2003.04.031

    Zhou D M, Deng C F. Review: electrokinetic remediation of heavy metal contaminated soil[J]. Journal of Agro-environment, Science, 2003, 22(4): 505−508. doi:  10.3321/j.issn:1672-2043.2003.04.031
    [7] 樊霆, 叶文玲, 陈海燕, 等. 农田土壤重金属污染状况及修复技术研究[J]. 生态环境, 2013, 22(10):1727−1736.

    Fan T, Ye W L, Chen H Y, et al. Review on contamination and remediation technology of heavy metal in agricultural soil[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2013, 22(10): 1727−1736.
    [8] Reysens I L, Blust R, De Temme R, et al. Clonal variation in heavy metal accumulation and biomass production in a poplar coppice culture(I): seasonal variation in leaf, wood and bark concentrations[J]. Environmental Pollution, 2004, 131(3): 485−494. doi:  10.1016/j.envpol.2004.02.009
    [9] Mihucz V G, Csog A, Fodor F, et al. Impact of two iron (Ⅲ) chelators on the iron, cadmium, lead and nickel accumulation in poplar grown under heavy metal stress in hydroponics[J]. Journal of Plant Physiology, 2012, 169(6): 561−566. doi:  10.1016/j.jplph.2011.12.012
    [10] Elobeid M, Gobel C, Feussne R I, et al. Cadmium interferes with auxin physiology and lignification in poplar[J]. Journal of Experimental Botany, 2012, 63(3): 1413−1421. doi:  10.1093/jxb/err384
    [11] 姜岳忠, 李善文, 秦光华, 等. 黑杨派无性系区域化试验初报[J]. 林业科学, 2006, 42(12):143−147. doi:  10.3321/j.issn:1001-7488.2006.12.026

    Jiang Y Z, Li S W, Qin G H, et al. Regional test of poplar clones in section Aigeiros[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2006, 42(12): 143−147. doi:  10.3321/j.issn:1001-7488.2006.12.026
    [12] 张春燕, 王瑞刚, 范稚莲, 等. 杨树和柳树富集Cd、Zn、Pb的品种差异性[J]. 农业环境科学学报, 2013, 32(3):530−538.

    Zhang C Y, Wang R G, Fan Z L, et al. Difference in cadmium, zinc and lead accumulation of poplar and willow species[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2013, 32(3): 530−538.
    [13] 何佳丽. 杨树对重金属镉胁迫的分子生理响应机制研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2014.

    He J L.A study on mechanisms of molecular and physiological responses to cadmium in Populus species[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2014.
    [14] 郑慧芳. 镉胁迫下杨树耐受性和次生生长的氮、硅调控[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2018.

    Zheng H F.The regulation of the tolerance of poplar and the secondary growth of nitrogen and silicon under cadmium stress[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2018.
    [15] 杨传宝, 孙超, 李善文, 等. 白杨派无性系苗期耐盐性综合评价及筛选[J]. 北京林业大学学报, 2017, 39(10):24−32.

    Yang C B, Sun C, Li S W, et al. Comprehensive evaluation and screening of salt tolerance for Leuce clones at nursery stage[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2017, 39(10): 24−32.
    [16] 杨传宝, 倪惠菁, 李善文, 等. 白杨派无性系苗期对NaHCO3胁迫的生长生理响应及耐盐碱性综合评价[J]. 植物生理学报, 2016, 52(10):1555−1564.

    Yang C B, Ni H J, Li S W, et al. Growth and physiological responses to NaHCO3 stress and comprehensive evaluation on saline-alkaline tolerance in Leuce clones at seedling stage[J]. Plant Physiology Journal, 2016, 52(10): 1555−1564.
    [17] 杨传宝, 姚俊修, 李善文, 等. 白杨派无性系苗期对干旱胁迫的生长生理响应及抗旱性综合评价[J]. 北京林业大学学报, 2016, 38(5):58−66.

    Yang C B, Yao J X, Li S W, et al. Growth and physiological responses to drought stress and comprehensive evaluation on drought tolerance in Leuce clones at nursery stage[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2016, 38(5): 58−66.
    [18] 万雪琴, 张帆, 夏新莉, 等. 镉胁迫对杨树矿质营养吸收和分配的影响[J]. 林业科学, 2009, 45(7):46−51.

    Wan X Q, Zhang F, Xia X L, et al. Effects of cadmium stress on absorption and distribution of mineral nutrients in poplar plants[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2009, 45(7): 46−51.
    [19] 李合生. 现代植物生理学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2012: 358.

    Li H S. Modern plant physiology[M]. Beijing: Higher Education Press, 2012: 358.
    [20] 赵世杰, 史国安, 董新纯. 植物生理学试验指导[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2002: 83−135.

    Zhao S J, Shi G A, Dong X C. Guidance for plant physiological tests[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2002: 83−135.
    [21] 张宪政. 植物叶绿素含量测定−丙酮乙醇混合液法[J]. 辽宁农业科学, 1986(3):23−25.

    Zhang X Z. Determination of plant chlorophyll content by acetone-ethanol mixture method[J]. Liaoning Agricultural Sciences, 1986(3): 23−25.
    [22] 李子芳, 刘惠芬, 熊肖霞, 等. 镉胁迫对小麦种子萌发幼苗生长及生理生化特性的影响[J]. 农业环境科学学报, 2005, 24(增刊1):17−20.

    Li Z F, Liu H F, Xiong X X, et al. Effect of cadmium on seed germination, seedling development and physiological and biochemical characteristics of wheat[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2005, 24(Suppl.1): 17−20.
    [23] Rom C, Romeo S, Francini A, et al. Leaves position in Populus alba Villafranca clone reveals a strategy towards cadmium uptake response[J]. Plant Growth Regulation, 2016, 79(3): 355−366. doi:  10.1007/s10725-015-0139-6
    [24] 顾颉刚. 镉胁迫对杨树无性系植株生长发育及部分生理特性影响的研究[D]. 天津: 天津师范大学, 2008.

    Gu J G. The study on Cd effect of growth and some physiological charaeteristics of Populus clones[D]. Tianjin: Tianjin Normal University, 2008.
    [25] Quanacci M F, Baker A J M, Navari-Izzo F. Nitrilotriacetate-and citric acid-assisted phytoextraction of cadmium by Indian mustard[J]. Chemsphere, 2005, 59: 1249−1255.
    [26] 黄玉敏, 邓勇, 李德芳, 等. 镉胁迫对大麻幼苗生长及生理生化影响[J]. 中国麻业科学, 2017, 39(5):227−233. doi:  10.3969/j.issn.1671-3532.2017.05.003

    Huang Y M, Deng Y, Li D F, et al. Effect of growth and physiology-chemistry of hemp (Cannabis sativa) seedlings under cadmium stress[J]. Plant Fiber Sciences in China, 2017, 39(5): 227−233. doi:  10.3969/j.issn.1671-3532.2017.05.003
    [27] 唐星林, 金洪平, 周晨, 等. 镉胁迫对龙葵叶绿素荧光和光合生化特性的影响[J]. 中南林业科技大学学报, 2019, 39(9):102−108.

    Tang X L, Jin H P, Zhou C, et al. Effects of cadmium stress on chlorophyll fluorescence and photosynthetic biochemical characteristics in leaves of Solanum nigrum[J]. Journal of Central South University of Forestry & Technology, 2019, 39(9): 102−108.
    [28] 尹大川, 邓勋, 宋小双, 等. Cd胁迫下外生菌根菌对樟子松生理指标和根际土壤酶的影响[J]. 生态学杂志, 2017, 36(11):3072−3078.

    Yin D C, Deng X, Song X S, et al. Effects of ectomycorrhizal fungi on physiological indexes of Pinus sylvestris var. mongolica seedlings and soil enzyme activities under cadmium stress[J]. Chin J Ecol, 2017, 36(11): 3072−3078.
    [29] 周青, 黄晓华, 施国新, 等. 镉对5种常绿树木若干生理生化特性的影响[J]. 环境科学研究, 2001, 14(3):9−11. doi:  10.3321/j.issn:1001-6929.2001.03.004

    Zhou Q, Huang X H, Shi G X, et al. Effect of cadmium on the physiological and biochemical character of evergreen trees[J]. Research of Environmental Sciences, 2001, 14(3): 9−11. doi:  10.3321/j.issn:1001-6929.2001.03.004
    [30] 杨园, 王艮梅. 杨树对镉胁迫的响应及抗性机制研究进展[J]. 世界林业研究, 2017, 30(4):29−34.

    Yang Y, Wang G M. Poplar response to Cd stress and its resistance mechanism[J]. World Forestry Research, 2017, 30(4): 29−34.
    [31] 孙永娣, 巢建国, 谷巍, 等. 镉胁迫对茅苍术生理生化特征的影响[J]. 植物生理学报, 2018, 54(12):1857−1864.

    Sun Y D, Chao J G, Gu W, et al. Effect of cadmium stress on physiological and biochemical characteristics of Atractylodes lancea[J]. Plant Physiology Journal, 2018, 54(12): 1857−1864.
    [32] 陈霞霞, 蒲高忠, 黄玉清, 等. 铊和镉胁迫对芦竹生长及光合特征的影响[J], 广西植物, 2019,39(6):743−751.

    Chen X X, Pu G Z, Huang Y Q, et al. Effects of thallium and cadmium stress on growth and photosynthetic characteristics of Arundo donax[J], Guihaia, 2019,39(6):743−751.
    [33] 简敏菲, 杨叶萍, 余厚平, 等. 不同浓度 Cd2+ 胁迫对苎麻叶绿素及其光合荧光特性的影响[J]. 植物生理学报, 2015, 51(8):1331−1338.

    Jian M F, Yang Y P, Yu H P, et al. Influences of different cadmium concentration stress on chlorophyll and its photosynthetic fluorescence characteristics of ramie (Boehmeria nivea)[J]. Plant Physiology Journal, 2015, 51(8): 1331−1338.
    [34] 马晓华, 张旭乐, 钱仁卷, 等. 镉与铜胁迫下无柄小叶榕的生理响应[J]. 森林与环境学报, 2019, 39(2):194−200.

    Ma X H, Zhang X L, Qian R J, et al. Physiological response of Ficus concinna var. subsessilis under heavy metal cadmium-copper stress[J]. Journal of Forest and Environment, 2019, 39(2): 194−200.
  • [1] 闫文华, 吴德军, 燕丽萍, 王因花, 任飞, 燕琳, 刘婕, 于林霖.  盐胁迫下白蜡无性系苗期的耐盐性综合评价 . 北京林业大学学报, 2019, 41(11): 44-53. doi: 10.13332/j.1000-1522.20180438
    [2] 朱智梅, 张玉红, 撒刚, 刘建, 马旭君, 邓晨, 赵瑞, 陈少良.  外生菌根真菌Paxillus involutus吸收Cd2+及H2O2对Cd2+内流的调控作用 . 北京林业大学学报, 2018, 40(4): 24-32. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170418
    [3] 李春旭, 刘桂丰, 刘宇, 徐焕文, 姜静.  盆栽白桦优良无性系苗期的初步选择 . 北京林业大学学报, 2017, 39(2): 16-23. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160064
    [4] 赵阳, 乔杰, 王保平, 冯延芝, 周海江, 崔令军, 王炜炜, 杨代贵.  南方低山丘陵区泡桐无性系生长和干形综合选择 . 北京林业大学学报, 2017, 39(9): 32-40. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160372
    [5] 向敏, 孙会敏, 王少杰, 郎涛, 马旭君, 李妮亚, 陈少良.  NaCl对泌盐红树和非泌盐红树Cd吸收和积累的影响 . 北京林业大学学报, 2016, 38(8): 10-17. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160079
    [6] 张子杰, 杨善勋, 曾彦江, 王荣刚, 王黎明, 庞晓明, 李悦.  岑软油茶不同品种无性系和家系变异与优株选择 . 北京林业大学学报, 2016, 38(10): 59-68. doi: 10.13332/j.1000-1522.20160104
    [7] 张振, 张含国, 周宇, 刘灵, 于宏影, 王绪, 冯万举.  红松多无性系群体的种实性状变异研究 . 北京林业大学学报, 2015, 37(2): 67-78. doi: 10.13332/j.cnki.jbfu.2015.02.020
    [8] 王少杰, 赵楠, 申泽丹, 撒刚, 孙会敏, 赵瑞, 沈昕, 陈少良.  镉胁迫下NO对胡杨细胞Cd2+吸收调控机制的研究 . 北京林业大学学报, 2015, 37(6): 11-16. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150023
    [9] 孙鹏, 戴丽, 孙妍, 徐兆翮, 温富贵, 袁存权, 胡瑞阳, 李云.  刺槐幼林不同无性系性状比较及相关分析 . 北京林业大学学报, 2013, 35(4): 34-40.
    [10] 刘彤, 祝佳媛, 李鹏, 崔海娇, 周志强.  秋冬季自然降温过程中东北红豆杉幼苗的生理生化特性 . 北京林业大学学报, 2013, 35(2): 51-56.
    [11] 张国君, 张士权, 孙宇涵, 李丽, 辛红河, 袁存权, 李云.  刺槐优良无性系饲料特性区域化试验初报 . 北京林业大学学报, 2013, 35(5): 8-14.
    [12] 张国君, 袁存权, 汪洋, 李云, 徐兆翮, 孙鹏.  刺槐无性系叶片营养价值变异分析 . 北京林业大学学报, 2012, 34(4): 42-47.
    [13] 王力朋, 李吉跃, 王军辉, 何茜, 苏艳, .  指数施肥对楸树无性系幼苗生长和氮素吸收利用效率的影响 . 北京林业大学学报, 2012, 34(6): 55-62.
    [14] 赵曦阳, 王军辉, 张金凤, 张守攻, 张增顺, 马建伟, 贠慧玲, 李奎友.  楸树无性系叶绿素荧光及生长特性变异研究 . 北京林业大学学报, 2012, 34(3): 41-47.
    [15] 江锡兵, 宋跃朋, 马开峰, 郭斌, 安新民, 张志毅, 史志伟, 徐兰丽, 张有慧.  低温胁迫下美洲黑杨与大青杨杂种无性系若干生理指标变化研究 . 北京林业大学学报, 2012, 34(1): 58-63.
    [16] 麻文俊, 王军辉, 张守攻, 孙晓梅, 赵海祥, 宁延龙.  日本落叶松无性系扦插生根过程中多酚类物质研究 . 北京林业大学学报, 2011, 33(1): 150-154.
    [17] 李悦, 王晓茹, 李伟, 沈熙环, 续九如.  油松种子园无性系花期同步指数稳定性分析 . 北京林业大学学报, 2010, 32(5): 88-93.
    [18] 赵曦阳, 宋跃朋, 马开峰, 王斯琪, 董晓飞, 张志毅.  美洲黑杨种内杂种无性系树皮厚度与湿心材变异分析 . 北京林业大学学报, 2010, 32(5): 67-73.
    [19] 王费新, 郑小贤, 殷亚方, 毛俊娟, 高黎, 吴彩燕, 魏潇潇, 秦爱光, 周永学, 胡胜华, 黄荣凤, 张洪江, 王芳, 白岗栓, 张璧光, 袁怀文, 颜绍馗, 刘杏娥, 杨平, 张莉俊, 李瑞, 邓小文, 胡万良, 何亚平, 戴思兰, 王胜华, NagaoHirofumi, 汪思龙, 崔赛华, 杜社妮, 常旭, 王晓欢, 孙向阳, 李猛, 王小青, 张岩, 王兆印, 王正, 谭学仁, 罗晓芳, 刘燕, 费世民, 张克斌, 樊军锋, 乔建平, 赵天忠, 韩士杰, 李华, 王海燕, 江泽慧, , 范冰, 徐嘉, 刘云芳, 江玉林, 龚月桦, 张双保, 孔祥文, 高荣孚, 李昀, 张旭, KatoHideo, 陈放, 张占雄, 刘秀英, IdoHirofumi, 任海青, 李媛良, 常亮, 杨培华, , 陈宗伟, 李晓峰, 丁磊, 郭树花, 陈秀明, 侯喜录, , 费本华, 徐庆祥, 陈学平, 高建社, 李考学, 张桂兰, 薛岩, 张代贵, , 蒋俊明, 金鑫, 王晓东, 续九如, 涂代伦, 刘永红, , 李雪峰, , , 丁国权, 张红丽, .  施肥对台湾青枣营养生长的影响 . 北京林业大学学报, 2007, 29(6): 211-214.
    [20] 张亚利, 杨永福, 王华, 李笑吟, 赵广亮, 赖巧玲, 王献溥, 马履一, 张春雨, 何利娟, 张力平, 于占源, 何恒斌, 于格, 姜春宁, 王勇, 李秀芬, 钟健, 许月卿, 贾彩凤, 郭小平, 李长洪, 吕兆林, 林峰, 曹金珍, 史军辉, 杨培岭, 杨明嘉, 朱清科, 尚晓倩, 郑彩霞, 曾德慧, D.PascalKamdem, 王骏, 郭惠红, 王希群, 赵博光, 朱教君, 胥辉, 王继兴, 郝玉光, 黄忠良, 习宝田, 鲁春霞, 李鸿琦, 孙长霞, 李悦, 邵晓梅, 于顺利, 赵秀海, 贾桂霞, 毕华兴, 丁琼, 王秀珍, 王庆礼, 陈宏伟, 张榕, 费孛, 尚宇, 包仁艳, 姜凤岐, 郑景明, 欧阳学军, 朱金兆, 甘敬, 谢高地, 刘燕, 李黎, 丁琼, 周金池, 崔小鹏, 任树梅, 张志2, 杨为民, 刘艳, 张池, 沈应柏, 刘鑫, 贾桂霞, 何晓青, 范志平, 沈应柏, 张中南, , 贾昆锋, , 刘足根, 蔡宝军, 张方秋, 周金池, 陈伏生, 鹿振友, 纳磊, 毛志宏, 李凤兰, 李林, 唐小明, 申世杰, 马玲, 赵琼, , 周小勇, .  矿质营养与沙冬青幼苗生长和根系结瘤关系的研究 . 北京林业大学学报, 2006, 28(4): 129-134.
  • 加载中
图(10) / 表 (2)
计量
  • 文章访问数:  359
  • HTML全文浏览量:  211
  • PDF下载量:  18
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-11
  • 修回日期:  2020-02-18
  • 网络出版日期:  2020-04-12
  • 刊出日期:  2020-04-27

镉胁迫对黑杨派无性系生理生化特性及生长的影响

doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462
    基金项目:  山东省重点研发计划项目(2017GNC11115),林业科技发展项目(KJZXZZ2019015)
    作者简介:

    姚俊修,博士,高级工程师。主要研究方向:林木遗传育种。Email:yjx95289528@163.com 地址:250014山东省济南市历下区文化东路42号山东省林业科学研究院

    通讯作者: 李善文,博士,研究员。主要研究方向:林木遗传育种。Email:lishanwen66@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: S722.3

摘要: 目的为研究重金属Cd对林木生理生化特性的影响,探讨林木对Cd胁迫的响应机制,为日渐严重的土壤重金属污染治理提供依据。方法对黑杨派的5个无性系进行沙培试验,测定其地径和苗高生长量及8个生理生化指标,评价不同无性系抗Cd2+胁迫的能力。结果镉胁迫导致无性系的CAT及MDA含量较CK呈先增加后减少的趋势;POD和SOD活性较CK也呈先增大后减小的变化趋势,其中L35、鲁林9号、鲁林16号的POD活性始终排在前3位;随着镉处理浓度的增加,无性系L35、I-107和中菏1号的脯氨酸及可溶性糖含量较CK均呈现逐渐上升趋势,而叶绿素含量均呈先增加后减少的趋势,L35、I-107和中菏1号的叶绿素含量始终排在前3位。各无性系的地径和苗高在Cd胁迫下存在差异,苗高达到显著水平,而地径未达到显著水平,表明参试无性系苗高性状较地径对Cd的胁迫更为敏感。结论利用主成分分析对5个无性系生长量及生理生化指标进行综合评价,L35、中菏1号和I-107的抗重金属Cd能力较强,可作为修复重金属镉污染土壤的理想无性系。

English Abstract

姚俊修, 陈甘牛, 李善文, 乔艳辉, 仲伟国, 李庆华, 董玉峰, 吴德军. 镉胁迫对黑杨派无性系生理生化特性及生长的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(4): 12-20. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462
引用本文: 姚俊修, 陈甘牛, 李善文, 乔艳辉, 仲伟国, 李庆华, 董玉峰, 吴德军. 镉胁迫对黑杨派无性系生理生化特性及生长的影响[J]. 北京林业大学学报, 2020, 42(4): 12-20. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462
Yao Junxiu, Chen Ganniu, Li Shanwen, Qiao Yanhui, Zhong Weiguo, Li Qinghua, Dong Yufeng, Wu Dejun. Physiological and biochemical properties and growth of Aigeiros clones under cadmium stress[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(4): 12-20. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462
Citation: Yao Junxiu, Chen Ganniu, Li Shanwen, Qiao Yanhui, Zhong Weiguo, Li Qinghua, Dong Yufeng, Wu Dejun. Physiological and biochemical properties and growth of Aigeiros clones under cadmium stress[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2020, 42(4): 12-20. doi: 10.12171/j.1000-1522.20190462
  • 随着我国现代工农业的快速发展,农药和化肥的过度利用造成大量重金属排放到环境中并在农田土壤中积累,大面积的农田被重金属和其他有害物质污染后,不仅会对作物的产量和品质产生深远影响,而且会通过食物链的形式最后进入人体,最终危害人类的身体健康,重金属污染土壤的修复问题引发了人们的广泛关注[1-2]。据了解,我国有30%的土壤已受到不同程度的重金属污染,而这些农田是运用污水灌溉的方式来处理的,其中以镉(Cd)污染为主,其在土壤中平均含量为 0.2 mg/kg[3-5]。进一步研究表明,土壤或水污染物的净化可以通过植物蒸发、根过滤和降解的机制来实现,从而达到净化的目的,因此植物修复土壤具有很强的潜力,逐渐成为近年来重金属污染修复的国内外讨论和研发的热点[6-7]

    杨树是杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus)树种的统称,是世界上分布和栽培面积较大的树种,也是重要的工业用材林、生态防护林和生物质能源树种,其根系发达,对外来毒性物质耐受性强,具富集及转运重金属到地上部分的能力[8-9]。杨树可做短轮伐或超短轮伐栽培,也可与浅根系草本植物间作,分别修复不同深度土壤的重金属。因此,在北美洲杨树已被广泛应用于修复重金属污染的土壤[10]。黑杨派(Aigeiros)的美洲黑杨(P. deltoides)及其杂交种欧美杨(P. × euramericana)是世界上栽培面积较大、经济价值较高的杨树种类,也是中国广泛栽培的重要树种,具有显著的经济、生态和社会效益[11]。张春燕等[12]通过利用杨树修复被镉污染的土壤,得出在一个生长期内能够使土壤中Cd含量减少16 ~ 112 mg/L结论;何佳丽探索了不同杨树品种对Cd积累、转运和耐受性上的差异,随后深入研究了杨树对Cd吸收、转运和积累的分子生理调控机制[13];郑慧芳[14]以欧美杨97号为研究对象进行沙培试验,通过对相关生理指标的测定,对Cd胁迫杨树耐受性的生理响应及对生长影响规律进行总结。杨传宝等研究白杨派无性系在NaCl及NaHCO3胁迫下的生长生理响应时发现,白杨派无性系具有一定的耐盐碱能力,并初步选育出3个耐盐碱较强的无性系[15-16];在对白杨派无性系进行干旱胁迫时研究发现,白杨派无性系也具有一定的抗旱能力,并选育出2个抗旱性较强的无性系[17]。以上研究仅局限在杨树对不同重金属离子的积累、转运、分子生理调控、耐盐碱、抗干旱等方面,而对不同重金属离子浓度胁迫黑杨派不同无性系生理生化特性和生长量的研究未见报道。本研究通过不同质量浓度Cd2+对黑杨派5个无性系进行胁迫,测定其生理生化特性和生长量,探讨杨树不同无性系对Cd胁迫的响应差异,筛选出对重金属Cd耐受性强的无性系,从而为杨树修复重金属污染土壤提供技术支撑。

    • 2018年3月上旬于山东省长清区育苗基地采集试验材料,包括黑杨派5个无性系:I-107(P. × euramericana ‘Neva’)、L35(P. × euramericana ‘L35’)、中菏1号(P. deltoides ‘Zhonghe 1’)、鲁林9号(P. deltoides ‘Lulin 9’)和鲁林16号(P. deltoides ‘Lulin 16’)。

    • 采用盆栽试验方法。先在具有透水孔的塑料盆底部铺设一层无纺布,然后装入消毒后的细沙,将6个塑料盆放入同一塑料箱中;配制0.44%的MS营养液(不含琼脂和蔗糖),用该营养液和Cd(NO32·4H2O配制6种质量浓度的Cd2+溶液[18]:0 mg/L、5 mg/L、10 mg/L、15 mg/L、20 mg/L 和25 mg/L,其中0 mg/L Cd2+溶液为对照(CK),将这6种质量浓度的溶液(pH值为7.0)分别倒入6个塑料箱中。

      2018年4月26日选取上述杨树无性系的粗度一致的1年生苗干,剪成长度15 cm左右的插穗,每个塑料盆中插入1个插穗,每个无性系重复6次。扦插完毕后,随即在温室内进行胁迫试验,做好标记,置于温室,同时采用称质量法定期补充塑料箱内的MS营养液。温室内的温度夜间在25 ℃左右,白天在30 ℃左右;相对湿度60%左右;光合有效辐射强度150 μmol/(m2·s)左右。

    • 苗木落叶后,选取3盆生长势较一致的植株,测量每株苗高(cm)和地径(mm),采用米尺测量苗高,用游标卡尺测量地径。

    • 在8月上旬,每个无性系选取3盆生长势较一致的植株,采样时每株苗木均剪取从顶端数第6、7、8这3个功能叶片,将每株样品分别放入密封袋,置于冰壶中带回实验室,立即将每个单株的3个叶片剪碎混合均匀后进行生理生化指标测定。试验设3次重复。过氧化氢酶(CAT)的活性运用高锰酸钾滴定法检测,MDA含量利用硫代巴比妥酸与丙二醛(MDA)反应法的方式测定,过氧化物酶(POD)活性通过比色法对比测定,超氧化物岐化酶(SOD)活性采取氮蓝四唑(NBT)染色剂测定[19],通过美国2265FS型电导率仪来测定电导率,同时细胞膜透性使用DDS-12A型电导仪测定,可溶性糖含量通过蒽酮光度法进行测定,脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮反应显色法进行检测[20],叶绿素的含量则采取丙酮乙醇混合液萃取法对其进行测定[20 -21]

    • 本试验的数据使用Microsoft Excel进行运算处理,并进行柱状图的绘制,用SPSS 21.0软件进行单因素方差分析及主成分分析,运用主成分分析对5个黑杨派无性系对重金属Cd的抗性能力进行综合评价。

    • 经不同质量浓度Cd2+ 胁迫,不同无性系的地径生长量见图1。无性系I-107在Cd2+ 质量浓度为10 mg/L时,地径均值最大,为7.9 mm;中菏1号与鲁林16号均在Cd2+ 质量浓度为0 mg/L时,地径均值最大,分别为8.18 mm、8.02 mm;L35与鲁林9号均在Cd2+ 质量浓度为20 mg/L时,地径均值最大,分别为7.31 mm、8.56 mm。与CK相比,在Cd2+ 质量浓度达到25 mg/L时,各无性系地径均值均有不同程度变化,其中无性系鲁林16号较CK下降最多,较CK下降33.44%;其次为无性系中菏1号与I-107,较CK分别下降26.63%、5.63%;而L35与鲁林9号较CK分别上升23.58%、4.3%。研究表明,黑杨派各无性系间的平均地径在Cd2+ 质量浓度20 mg/L胁迫下存在差异,鲁林9号和中菏1号的差异达显著水平,而在其他质量浓度处理下,无性系间的平均地径差异均未达到显著水平。

      图  1  不同Cd2+质量浓度对不同无性系地径的影响

      Figure 1.  Effects of Cd2+ with different mass concentrations on ground diameter of different clones

      经不同Cd2+ 质量浓度胁迫,不同无性系的苗高生长量见图2。无性系中菏1号与鲁林16号均在Cd2+ 质量浓度为0 mg/L时,苗高均值最大,分别为60.68 cm、89.40 cm;I-107在Cd2+ 质量浓度为15 mg/L时,苗高均值最大,为102.76 cm;L35在Cd2+ 质量浓度为20 mg/L时,苗高均值最大,为103.52 cm;而鲁林9号在Cd2+ 质量浓度为25 mg/L时,苗高均值最大,为96.22 cm。与CK相比,在Cd2+ 质量浓度达到25 mg/L时,各无性系苗高均值均有不同程度变化,其中无性系鲁林16号较CK下降最多,较CK下降23.96%;其次为无性系I-107与中菏1号,较CK分别下降7.82%、1.04%;而L35与鲁林9号较CK分别上升11.14%、16.24%;这与各无性系在Cd2+ 胁迫下平均地径变化趋势是一致的。研究表明,与CK相比,黑杨派各无性系间的平均苗高在相同质量浓度Cd2+ 胁迫下存在差异,且差异达到显著水平,表明参试无性系苗高性状较地径对Cd2+ 的胁迫更为敏感。

      图  2  不同Cd2+质量浓度对不同无性系苗高的影响

      Figure 2.  Effects of Cd2+ with different mass concentrations on seedling height of different clones

    • 随着Cd2+ 质量浓度的升高,中菏1号和鲁林9号的CAT活性呈逐渐增加的趋势,其他3个无性系表现出先增加后减少的趋势,而且均在Cd2+ 质量浓度为15 mg/L时达到最大值(图3)。其中鲁林16号的CAT活性明显而且始终高于其他4个无性系。由图3可知在Cd2+ 质量浓度达25 mg/L时,各无性系CAT活性均高于CK,其中无性系中菏1号较CK上升3.43倍,其次为L35、鲁林9号、I-107、鲁林16号,分别上升102.0%、79.1%、35.88%、21.51%;说明黑杨派无性系在不同Cd2+ 胁迫下,其CAT活性均有增加。

      图  3  Cd胁迫对5个黑杨无性系CAT活性的影响

      Figure 3.  Effects of Cd stress on CAT activity of five Aigeiros clones

    • 随着Cd2+ 质量浓度的升高,5个无性系的MDA含量均呈现出先增加后减少的趋势,并且都在Cd2+ 质量浓度为20 mg/L时含量达到最高,与CK相比明显增加(图4)。在整个试验期间,鲁林16号的MDA含量一直呈现较低水平,在质量浓度为25 mg/L处理时明显低于其他4个无性系,鲁林9号、I-107、中菏1号在20 mg/L处理时MDA含量增加显著,并明显高于另外2个无性系。在Cd2+ 质量浓度达到25 mg/L时,与CK相比,各无性系MDA含量均有明显上升趋势,其中无性系中菏1号上升最明显,较CK上升16.14倍;其次为无性系L35、鲁林9号、I-107、鲁林16号,较CK分别上升12.24倍、11.3倍、3.91倍、2.19倍,并且无性系间的差异达到显著水平。

      图  4  Cd胁迫对5个黑杨派无性系MDA含量的影响

      Figure 4.  Effects of Cd stress on MDA content of five Aigeiros clones

    • 随着Cd2+ 质量浓度的升高,L35、鲁林16号和鲁林9号3个无性系的POD活性呈现先增加后减少的趋势,而I-107和中菏1号的POD活性一直处在较低状态,明显低于其他3个无性系,而且随着Cd2+ 质量浓度升高POD活性没有明显变化(图5)。除了I-107以外,其余4个无性系POD活性均在10 mg/L处理下达到最大值,其中鲁林16号的活性最高。从10 mg/L处理之后直到Cd胁迫末期,4个无性系的POD活性均表现了降低的趋势。在Cd2+ 质量浓度达到25 mg/L时,与CK相比,除中菏1号有上升趋势外,其余无性系均有下降趋势,其中无性系I-107较CK下降最明显,较CK下降52.43%;其次为鲁林16号、鲁林9号、L35,较CK分别下降35.3%、26.06%、17.34%。在相同质量浓度处理下,黑杨派无性系间的POD含量差异达显著水平。

      图  5  Cd胁迫对5个黑杨派无性系POD活性的影响

      Figure 5.  Effects of Cd stress on POD activity of five Aigeiros clones

    • 随着Cd2+ 质量浓度的升高,5个无性系的SOD活性均呈现出先增加后减少的趋势(图6)。其中,鲁林16号SOD活性最大值处于20 mg/L处理中,鲁林9号的最大值位于10 mg/L处理中,其余3个无性系的最大值均在15 mg/L处理下。在各个质量浓度的Cd处理下,5个无性系SOD活性相差不大,均没有达到显著水平。在Cd2+ 质量浓度达到25 mg/L时,与CK相比,除无性系I-107有下降趋势外,其他无性系均有上升趋势,其中无性系鲁林9号较CK上升最明显,上升24.94%;其次为中菏1号、鲁林16号、L35,较CK分别上升18.64%、14.07%、3.22%。

      图  6  Cd胁迫对5个黑杨派无性系SOD活性的影响

      Figure 6.  Effects of Cd stress on SOD activity of five Aigeiros clones

    • 随着Cd2+ 质量浓度的升高,I-107、中菏1号、L35和鲁林9号4个无性系的电导率均呈现出逐渐升高的趋势(图7)。鲁林16号在5个Cd2+ 质量浓度处理下,电导率整体变化不大,在Cd2+ 质量浓度变化范围内呈先增加后减少趋势,且在质量浓度为25 mg/L时电导率略低于CK。其余4个无性系的电导率随着Cd2+ 质量浓度的增加不仅表现出升高的趋势,而且增幅明显,其中L35在25 mg/L处理下电导率较CK上升了11.97倍,增幅与其他无性系相比最为显著。在相同质量浓度处理下,黑杨派无性系间的电导率差异均达显著水平。

      图  7  Cd胁迫对5个黑杨派无性系电导率的影响

      Figure 7.  Effects of Cd stress on conductivityof five Aigeiros clones

    • 随着Cd2+ 质量浓度的升高,中菏1号和L35的可溶性糖含量呈现出持续增加的趋势,I-107、鲁林16号和鲁林9号所表现出来的趋势是先增加后减少(图8)。在Cd2+ 质量浓度为15 mg/L处理下,I-107和鲁林16号可溶性糖含量达最大值。在Cd2+ 质量浓度达到25 mg/L时,与CK相比,各无性系均有上升趋势,其中无性系L35较CK上升最明显,上升82.45%;其次为I-107、中菏1号、鲁林16号、鲁林9号,较CK分别上升31.29%、30.62%、18.21%、11.57%;在该质量浓度处理下,中菏1号和L35的可溶性糖含量与其他3个无性系的差异达显著水平。

      图  8  Cd胁迫对5个黑杨派无性系可溶性糖含量的影响

      Figure 8.  Effects of Cd stress on soluble sugarcontent of five Aigeiros clones

    • 随着Cd2+ 质量浓度的升高,I-107、中菏1号和L35的脯氨酸含量呈现出持续增加的趋势,鲁林16号和鲁林9号所表现出来的趋势是先增加后减少(图9)。I-107、中菏1号和L35在较低的Cd2+ 质量浓度下,脯氨酸含量虽然有所增加,但增幅不明显;在25 mg/L处理下,I-107的脯氨酸含量最高,其次为L35;在最高质量浓度处理下,各无性系均有上升趋势,其中无性系I-107较CK上升最明显,较CK上升1.87倍,其次为L35、中菏1号、鲁林16号、鲁林9号,较CK分别上升76.91%、58.79%、55.79%、8.66%。在相同质量浓度处理下,黑杨派无性系间的脯氨酸含量差异均达显著水平。

      图  9  Cd胁迫对5个黑杨派无性系脯氨酸含量的影响

      Figure 9.  Effects of Cd stress on proline content of five Aigeiros clones

    • 随着Cd2+ 质量浓度的升高,5个无性系的叶绿素含量均呈现出先增加后减少的趋势(图10)。叶绿素含量最大值位于10 mg/L处理,其中以L35的变化最为显著,增幅明显,说明在较低的Cd质量浓度下有利于叶绿素的积累。但若Cd2+ 质量浓度继续升高,则会抑制叶绿素的积累,导致含量下降,在25 mg/L处理下,5个无性系的叶绿素含量都下降到最低,且都低于CK组,其中无性系鲁林9号较CK下降最明显,下降70.8%;其次为I-107、鲁林16号、中菏1号、L35,较CK分别下降37.41%、31.12%、14.37%、7.86%。在相同质量浓度处理下,黑杨派无性系间的叶绿素含量差异均达显著水平。

      图  10  Cd胁迫对5个黑杨派无性系叶绿素含量的影响

      Figure 10.  Effects of Cd stress on chlorophyll content of five Aigeiros clones

    • 在Cd2+ 质量浓度为25 mg/L时,用5个无性系的苗高和地径生长量以及8个生理生化指标进行主成分分析,对各个无性系的抗Cd胁迫能力进行综合评价。表1列出了前4个主成分的分析结果,前3个主成分的累计贡献率为86.63%,其中第一主成分的贡献率为46.22%;根据各个性状对应的特征向量值大小可知,对第一主成分影响较大的性状有超氧化物歧化酶、可溶性糖、脯氨酸、叶绿素等性状,这些性状的向量值均为正值,说明第一主成分值越大,无性系的这些性状值就越大。根据第一主成分值的大小对5个无性系进行综合评价,5个无性系的抗性由强到弱依次为L35、中菏1号、I-107、鲁林9号、鲁林16号(表2)。

      表 1  黑杨派无性系Cd胁迫下的主成分分析

      Table 1.  Principal component analysis on Aigeiros clones under Cd stress

      测定指标 Testing index第一主成分 Prin1第二主成分 Prin2第三主成分 Prin3第四主成分 Prin4
      特征根 Characteristic root 4.622 4 2.583 4 1.457 2 1.336 9
      累计贡献 Cumulative contribution rate/% 46.224 8 72.059 2 86.631 5 100.000 0
      苗高 Seedling height 0.076 6 0.536 2 0.381 8 −0.115 6
      地径 Ground diameter −0.462 7 0.046 6 0.053 4 −0.022 2
      过氧化氢酶 CAT −0.348 5 −0.281 2 −0.009 1 0.418 7
      丙二醛 MDA 0.177 7 0.000 1 −0.710 0 −0.299 0
      过氧化物酶 POD −0.085 6 0.490 2 −0.024 2 0.507 6
      超氧化物歧化酶 SOD 0.246 7 −0.401 6 0.387 6 0.249 3
      电导率 Electrical conductivity 0.354 3 0.305 5 −0.197 6 0.301 8
      可溶性糖 Soluble sugar 0.414 4 0.059 1 −0.108 2 0.367 3
      脯氨酸 Proline 0.352 2 0.067 4 0.381 7 −0.389 4
      叶绿素 Chlorophyll 0.371 0 −0.358 2 0.003 1 0.155 2

      表 2  5个无性系的主成分值及其排序

      Table 2.  Principal component values and ranking of 5 Aigeiros clones

      项目
      Item
      I-107
      P. × euramericana ‘Neva’
      中菏1号
      P. deltoides‘Zhonghe 1’
      L35
      P. × euramericana ‘L35’
      鲁林16号
      P. deltoides‘Lulin 16’
      鲁林9号
      P. deltoides‘Lulin 9’
      主成分值
      Principal component value
      0.225 61.783 02.363 4−2.427 6−1.944 4
      排序 Order32154
    • Cd胁迫对不同杨树无性系均具有一定的影响,但是其影响程度受不同无性系和处理浓度的影响。李子芳等[22]提出Cd胁迫下无性系地径、苗高等指标的变化是判断苗木抗胁迫能力最直接最有效的鉴定方法。本研究表明,黑杨派无性系间地径和苗高在相同质量浓度Cd2+ 胁迫下存在差异,苗高变化达到显著水平,随着Cd2+ 质量浓度增加,各个无性系的地径和苗高变化不大,表明黑杨派无性系对Cd2+ 的胁迫均有一定的抗性。这与Rom等[23]研究Cd对杨树幼苗生长影响的结论不一致:低浓度Cd对杨树幼苗生长有明显的促进作用;与顾颉刚[24]研究Cd胁迫对杨树无性系植株生长发育影响的结论也不一致:低浓度Cd对杨树生长影响不大,而高浓度Cd对无性系生长产生毒害作用;当然,不同研究所采用不同杨树品种、树龄及土壤类型的差异均会对Cd胁迫造成一定的影响。

      丙二醛(MDA)作为膜脂过氧化作用后产生的最终产物,可破坏细胞质膜,致使大量胞内电解质外渗,其含量的多少可来表示植物在受到逆境时的细胞膜系统受到损害的程度[25]。黄玉敏等研究Cd胁迫对大麻幼苗生长及生理生化影响发现,20 μmol /L、50 μmol /L Cd2+ 处理大麻幼根组织和叶片,其MDA含量升高均达显著和极显著水平,可能是由于高浓度Cd胁迫下过氧化产物在植物体内过量积累导致膜结构损伤所致[26]。本研究表明,随着Cd2+ 质量浓度不断增加,各无性系MDA含量均有大幅度增加,在20 mg/L时达到最高值,说明各无性系过氧化较明显,苗木受害较重。

      已有研究发现,在胁迫环境下植物体内的过氧化氢酶(CAT)活性变化幅度能够作为衡量抗性强弱的指标[27]。本研究表明,随着Cd2+ 质量浓度的升高,无性系I-107、L35、鲁林16号的CAT活性表现出先增加后减少的趋势,说明在Cd2+ 在较低质量浓度时(5 ~ 15 mg/L)时,3个无性系并未受到明显伤害,说明植物自身开启CAT系统用于抵御Cd胁迫带来的损害,表明这些无性系对Cd2+ 有一定的抗性,这与尹大川等[28]对Cd2+ 胁迫下外生菌根菌对樟子松生理指标和根际土壤酶的影响结果类似。当Cd2+ 在较高质量浓度时(20 ~ 25 mg/L)时,CAT活性出现下降趋势,表明此时Cd2+ 质量浓度高于该无性系的承受阈值,已对无性系造成了一定的伤害,说明当Cd2+ 浓度超过了CAT的抗性调节程度时,将影响植株正常发育;而无性系中菏1号和鲁林9号的CAT含量随Cd2+ 质量浓度增加呈逐渐增加趋势,说明在本研究中Cd2+ 质量浓度并未超出这2个无性系的承受阈值,也反应出了这2个无性系对Cd2+ 胁迫具有较强抗性。

      过氧化物酶(POD)具有清除自身体内由于环境胁迫所产生的自由基,对细胞进行保护和降低细胞损伤等方面发挥了重要作用[29]。本研究表明,在不同Cd2+ 质量浓度胁迫下,5个无性系的POD活性整体来看均呈现先增加后减少的趋势,其中无性系L35在20 mg/L与25 mg/L的Cd胁迫下POD活性均达到最高,说明无性系L35在高质量浓度Cd胁迫下具有较强抗性。Cd胁迫对黑杨派无性系造成了不同程度的氧化损伤,造成POD活性升高,通过清除自由基等来保护无性系免受伤害。超氧化物歧化酶(SOD)作为生物体内存在的一种抗氧化金属酶,在机体氧化与抗氧化平衡中起到至关重要的作用,其主要通过清除O2− 来降低膜脂的过氧化作用以保护细胞免受侵害[30]。本研究结果表明: 随着Cd2+ 质量浓度不断增大,各无性系SOD活性均表现为先升后降趋势,但总体变化不大,表明在Cd2+ 质量浓度变化范围内各无性系通过增加SOD活性清除了过量O2− ,有效的抵御了Cd的毒害。这与孙永娣等对Cd胁迫对茅苍术(Atractylodes lancea)生理生化特征的影响研究有一致的结论[31]

      在植物抵抗环境胁迫中渗透调节起到了至关重要的作用,其中可溶性糖和脯氨酸二者在维持植物细胞渗透压平衡方面充当着重要的角色[32]。本研究表明,随着Cd2+ 质量浓度的升高,5个无性系的脯氨酸和可溶性糖含量均有所增加,这表明植物会在受到渗透胁迫时利用脯氨酸和可溶性糖来增强其自身的渗透调节功能,因此,脯氨酸和可溶性糖的积累在黑杨派无性系抵抗Cd胁迫中起到了重要作用。叶绿素具有吸收、传递和转化光能的作用。在Cd胁迫下,叶绿素a、叶绿素b含量降低,最终破坏植物的光合作用从而抑制植物生长发育[33]。本试验中,5个无性系的叶绿素含量均呈现出先增加后减少的趋势,在较低的Cd2+ 质量浓度下有利于叶绿素的积累,而如果Cd2+质量浓度继续升高,则会抑制叶绿素的积累,导致含量下降;这与马晓华等对Cd与Cu胁迫下无柄小叶榕(Ficus concinna var. subsessilis)的生理响应研究有相似的结论[34]

      主成分分析是把多个指标化为少数几个综合指标的一种统计分析方法,常常用第一主成分值对无性系进行综合评价。本研究利用上述10个指标对黑杨派5个无性系进行主成分分析和综合评价,发现对第一主成分影响较大的性状有超氧化物歧化酶、可溶性糖、脯氨酸、叶绿素等性状,无性系L35、中菏1号和I-107的第一主成分值排在前三位,表现出较好的抗Cd胁迫能力。其中L35和I-107属于欧美杨无性系,中菏1号是美洲黑杨无性系,这3个无性系均是目前生产中推广应用的杨树优良品种,因此在其适生区域可以用于修复重金属Cd污染的土壤。

参考文献 (34)

目录

    /

    返回文章
    返回