龍聰穎 鄧輝茗 蘇明潔 廖源林 蔡仕珍

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院,四川成都 611130)

工業(yè)化生產(chǎn)和人類活動(dòng)引起的土壤重金屬污染和酸雨問題日益嚴(yán)重。環(huán)保部和國(guó)土部調(diào)查公告顯示,目前我國(guó)無機(jī)型污染土壤占全部超標(biāo)點(diǎn)位的82.8%,其中鎘(Cd)為首要污染物,點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)到7.0%[1]。Cd具有較強(qiáng)的毒性,是植物非必需元素,具有致癌變、致畸變、易富集遷移到生物體等特性[2]。酸雨是pH值小于5.6的酸化雨、雪、霧和露等酸沉降的統(tǒng)稱,是當(dāng)今全球三大環(huán)境問題之一。中國(guó)是世界上繼歐洲和北美之后出現(xiàn)的第三大酸雨覆蓋區(qū)域,40%的國(guó)土面積受到了酸雨污染[3],形成了西南、華中、華南沿海三大污染區(qū)[4],且污染面積正逐年擴(kuò)大,危害程度亦日益嚴(yán)重。城市中受到重金屬Cd和酸雨雙重污染的地區(qū)較多,重金屬Cd和酸沉降會(huì)干擾植物的光合作用和呼吸作用,影響營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)等[5-6],使植物受到毒害,嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致其死亡。植物修復(fù)技術(shù)是利用綠色植物固定、降解、提取和揮發(fā)等作用來治理土壤重金屬污染,因其具有綠色、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注,因此,篩選利用具有較強(qiáng)抵御Cd和酸雨雙重脅迫能力的植物,對(duì)重金屬Cd和酸雨雙重污染地區(qū)的植被選擇具有重要意義。

苦楝(Melia azedarachL.)為楝科(Meliaceae)楝屬(Melia)落葉喬木,分布于熱帶、亞熱帶和溫帶地區(qū),是我國(guó)西南地區(qū)常見的鄉(xiāng)土樹種,生長(zhǎng)于海拔2 100 m以下的常綠闊葉林[7],其根、皮、花、果有均可入藥,具有清熱解毒、去肝火、止痛、驅(qū)蟲的功效[8]。研究表明,苦楝對(duì)重金屬Cd脅迫具有較強(qiáng)的耐受能力[9],且苦楝具有生長(zhǎng)速度快,材質(zhì)優(yōu)良,耐干旱、瘠薄等特性,可作農(nóng)林間作和鹽堿土植被恢復(fù)樹種[10],其冠形美觀、干形筆直,花淡紫色,病蟲害少,是理想的園林綠化樹種,宜作庭蔭樹及行道樹。目前,前人對(duì)苦楝的研究主要集中在抗性研究[11-12]、種源鑒定[7,13]、遺傳多樣性分析[7]和化學(xué)藥用成分分析[14-15]等方面,而關(guān)于其在重金屬和酸雨雙重脅迫下響應(yīng)機(jī)制的研究尚鮮見報(bào)道。本研究采用盆栽試驗(yàn),探究Cd和酸雨脅迫下苦楝Cd含量及葉片抗氧化系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn),以期揭示苦楝抗氧化系統(tǒng)對(duì)酸雨和重金屬脅迫的生理機(jī)制,為土壤鎘污染的酸雨區(qū)域的修復(fù)植物的篩選提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試種子于2014年末在四川溫江7～8年生苦楝母株上采集,凈種后篩選顆粒飽滿、大小一致的種子。試驗(yàn)園土為四川農(nóng)業(yè)大學(xué)旁園林苗圃內(nèi)紫色土,采樣深度為土壤表層0～20 cm。草炭土、河沙由成都市溫江區(qū)花木交易中心提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2015年年初,選取飽滿的苦楝種子播種至盛有基質(zhì)(園土∶草炭∶河沙=5∶3∶2)的塑料盆(上口徑15 cm,高15 cm)內(nèi),在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基地溫室大棚(大棚透光率80%,棚內(nèi)溫度25±3℃,相對(duì)濕度70%±5%)內(nèi)常規(guī)管理。同時(shí)將采集于溫江苗圃的園土風(fēng)干、搗碎、剔除雜物、研磨,按照?qǐng)@土∶草炭土∶河沙=5∶1∶1(體積比)的比例混勻后過鋼篩(孔徑5 mm),用800倍多菌靈消毒,靜置堆放3 d。將備好的土壤裝入帶托盤的花盆(口徑25 cm,高20 cm)中,每盆7 kg,用去離子水澆灌至土壤含水量約為田間持水量的60%。根據(jù)國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[16]和四川盆地重金屬污染概況[17],本試驗(yàn)設(shè) Cd濃度梯度為 0、30、60、90、120、150、180 mg·kg-1(采用分析純 CdCl2·2.5H2O 和去離子水配置,約500 mL),將配好的溶液均勻澆灌至盆土中,反復(fù)回澆,直至不再流出,以確保Cd與土壤充分混合均勻,在室內(nèi)放置穩(wěn)定15 d后用于試驗(yàn)。

根據(jù)我國(guó)西南地區(qū)自然酸雨類型(硫酸型酸雨)及酸雨的主要離子成分[18],參照鄭有飛等[19]的方法配置模擬酸雨,分別采用 0.15 mol·L-1NaCl、0.55 mol·L-1NH4Cl、 0.12 mol·L-1MgCl2、 0.15 mol·L-1CaCl2、0.21 mol·L-1KCl、0.1 mol·L-1NaF 配制各離子濃度的稀釋液,然后用 0.5 mol·L-1H2SO4和 0.1 mol·L-1HNO3等體積混合液調(diào)節(jié)pH值,利用S20K型酸度計(jì)(上海瑞儀儀器有限公司)分別調(diào)節(jié)pH值至3.5、4.5和5.6,代表強(qiáng)酸雨、典型酸雨和臨界酸雨。

本試驗(yàn)采用兩因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì),模擬酸雨3個(gè)濃度水平,Cd2+劑量7個(gè)水平,以pH值5.6的模擬酸雨和不添加Cd(0 mg·kg-1)為對(duì)照(A1B1,CK),共21個(gè)處理(表1)。

表1 Cd與酸雨復(fù)合處理因素水平表Table 1 Factor level table of cadmium and acid rain combination treatment

于2015年8月初,將長(zhǎng)勢(shì)相近的健康一年生苦楝幼苗移栽到上述經(jīng)Cd處理土壤的塑料盆中(移栽時(shí)注意不要傷及根系),每盆1株,每處理5個(gè)重復(fù),共105株。將植株置于溫室大棚內(nèi)管理(1周內(nèi)保證葉片不失水,1周后常規(guī)管理),模擬酸雨采用噴霧法,在移栽后第3天,于早上8:00根據(jù)表1對(duì)相應(yīng)植株進(jìn)行葉面噴施,每次噴施量以成都市8-11月平均降雨量[20]為參照標(biāo)準(zhǔn),確定每月噴施量后平均分配至每周,每隔2 d噴施一次。酸雨噴施期間植株不澆水,且噴施時(shí)注意用塑料薄膜將不同處理的植株隔開,以避免干擾。處理60 d后測(cè)定植株的生長(zhǎng)及生理指標(biāo)(生理指標(biāo)取植株從上到下第3～第5片葉)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定 地上部、地下部干重測(cè)定:采用破壞性收獲法采集植株,用蒸餾水將收獲的植株洗凈,按照地上部(莖、葉)和地下部(根)分開,105℃殺青30 min,75℃烘干至恒重后稱重。

1.3.2 Cd含量的測(cè)定 每個(gè)處理隨機(jī)選擇3株植物,用去離子水將其葉片、莖桿和根部洗凈,105℃殺青30 min,80℃烘干至恒重后粉碎,稱取0.5 g粉末,采用混合酸(硝酸∶高氯酸=4∶1)于電爐上消解,過濾,定容至50 mL,利用AA320N型原子吸收分光光度計(jì)(上海精密科學(xué)儀器有限公司)測(cè)定葉片、莖桿和根部樣品中的Cd含量。

1.3.3 生理指標(biāo)的測(cè)定 抗壞血酸(ascorbic acid,AsA)含量采用鉬藍(lán)比色法[21]測(cè)定；谷胱甘肽(glutathione,GSH)含量參照郝建軍等[21]的方法測(cè)定；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性采用氮藍(lán)四唑(nitroblue tetrazolium,NBT)法[21]測(cè)定；過氧化物酶(peroxidase,POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[22]測(cè)定；過氧化氫酶(catalase,CAT)活性采用紫外分光光度法[22]測(cè)定；抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase,APX)活性和谷胱甘肽還原酶(gluathione reductase,GR)活性參照Nakano等[23]的方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表分析,所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值；SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件建立一般線性模型,并進(jìn)行單變量方差分析和新復(fù)極差法多重比較,顯著性水平設(shè)定α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝幼苗干重的影響

由表2可知,單一Cd脅迫下,苦楝幼苗地上、地下部干重均隨著Cd濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì),且峰值均出現(xiàn)在30 mg·kg-1Cd處理下,分別為CK的1.12、1.16倍,180 mg·kg-1Cd處理下,較 CK 分別下降54.76%、17.04%；單一酸雨處理時(shí),苦楝幼苗地上、地下部干重均隨著pH值降低逐漸減少,pH值3.5處理下分別較CK下降9.18%、16.87%；Cd和酸雨復(fù)合處理時(shí),Cd濃度和酸雨pH值越大,地上、地下部干重降低越明顯。其中,除30 mg·kg-1Cd、pH值4.5處理的地上干重高于CK外,其他處理均低于CK,且地上、地下部干重均在180 mg·kg-1Cd、pH值3.5處理下達(dá)到最低值,分別較CK降低了60.16%、44.23%,且降幅高于單一180 mg·kg-1Cd和單一pH值3.5處理。結(jié)果表明,單一Cd處理對(duì)苦楝幼苗生長(zhǎng)表現(xiàn)為“低促高抑”,單一酸雨處理及Cd和酸雨復(fù)合處理均表現(xiàn)為抑制作用。

表2 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝幼苗干重的影響Table 2 Effects of Cd and acid rain combined stresses on growth of M.azedarach seedlings /(g·pot-1)

2.2 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝幼苗Cd含量的影響

由圖1可知,單一Cd脅迫下,植物莖桿、葉片和根部的Cd含量均隨著Cd濃度的增加而逐漸升高,表現(xiàn)為根部＞莖桿＞葉片。180 mg·kg-1Cd處理時(shí),莖桿、葉片和根部的Cd含量分別為CK的4.82、6.13和16.55倍,表明苦楝吸收的Cd主要積累于地下部。Cd和酸雨復(fù)合處理下,當(dāng)酸雨pH值為4.5時(shí),植物莖桿、葉片和根部的Cd含量均隨著Cd處理濃度的升高呈上升趨勢(shì),其中180 mg·kg-1Cd處理下3個(gè)部位的Cd含量分別為CK的4.09、5.13和15.09倍；酸雨pH值為3.5時(shí),莖桿和根部的Cd含量均隨著Cd處理濃度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì),其峰值分別出現(xiàn)在Cd處理濃度為 120、150 mg·kg-1時(shí),為 CK 的 4.00、14.64倍,而葉片中的Cd含量則逐漸升高,且在180 mg·kg-1Cd處理時(shí)達(dá)到最大,為CK的3.38倍。同一Cd處理濃度下,隨著酸雨pH值的降低,莖桿Cd含量在Cd濃度≤120 mg·kg-1時(shí)整體呈先下降后上升趨勢(shì),Cd處理濃度≥150 mg·kg-1則呈降低趨勢(shì),葉片中的Cd含量也逐漸減少；根部 Cd含量在 Cd處理濃度為 150 mg·kg-1時(shí)呈上升趨勢(shì),Cd處理濃度為180 mg·kg-1時(shí)則顯著降低。酸雨和Cd復(fù)合脅迫抑制了莖桿、葉片和根部對(duì)Cd的積累,其中對(duì)葉片的抑制效果最為明顯。

圖1 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝莖桿(A)、葉片(B)和根部(C)中Cd含量的影響Fig.1 Effects of compound stresses of Cd and acid rain on the Cd contents in the stems(A),leaves(B)and roots(C)of M.azedarach

2.3 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝葉片抗氧化酶系統(tǒng)及非酶促抗氧化劑的影響

2.3.1 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝葉片三大保護(hù)性酶的影響 SOD、POD和CAT是植物抗氧化系統(tǒng)中酶促清除自由基體系的主要酶。其中,SOD是清除活性氧(reactive oxygen species,ROS)系統(tǒng)第一道防線,能催化超氧陰離子自由基()發(fā)生歧化作用,轉(zhuǎn)化為H2O2和 O2；POD、CAT 是將 H2O2變?yōu)?H2O 和 O2,三者協(xié)調(diào)作用使ROS維持在較低水平,以減輕ROS對(duì)植物體的毒害作用。由圖2可知,單一Cd處理下,SOD、POD和CAT活性均隨者Cd處理濃度的增加呈先上升后下降的趨勢(shì),其中SOD和CAT活性均在60 mg·kg-1Cd處理時(shí)達(dá)到峰值,分別為CK的1.16、4.11倍；POD在90 mg·kg-1Cd處理時(shí)達(dá)到峰值,為CK的2.10倍。單一酸雨處理時(shí),SOD活性略有上升,但未達(dá)到顯著水平(P＞0.05),而CAT活性顯著升高(P＜0.05),pH值3.5處理時(shí)SOD、CAT活性分別為對(duì)照的1.03、2.37倍；POD活性呈先上升后下降的趨勢(shì),在pH值4.5時(shí)達(dá)到最高,為CK的1.27倍。

Cd和酸雨復(fù)合處理下,酸雨pH值相同時(shí),SOD、CAT和POD活性均隨著Cd處理濃度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì),pH值4.5時(shí),分別在Cd處理濃度為60、60和 90 mg·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,分別較 CK增加15.28%、321.05%和133.18%,而pH值3.5下,三者均在60 mg·kg-1Cd時(shí)達(dá)到峰值,分別較 CK增加10.11%、289.47%和99.05%。同一Cd處理濃度下,隨著酸雨pH值的降低,SOD活性逐漸下降,CAT活性在30 mg·kg-1Cd處理時(shí)逐漸升高,60和90 mg·kg-1Cd處理時(shí)均呈先上升后下降趨勢(shì),而在Cd濃度≥120 mg·kg-1時(shí)逐漸下降,POD活性則無明顯變化趨勢(shì)；SOD和CAT活性均在60 mg·kg-1Cd、pH值4.5時(shí)達(dá)到最大,分別較CK增加15.28%、321.05%,POD活性則在90 mg·kg-1Cd、pH值4.5時(shí)達(dá)到最大值,較 CK增加133.18%。結(jié)果表明,SOD、CAT和POD三者的協(xié)同作用能有效清除苦楝體內(nèi)自由基,但僅在酸雨pH值4.5、Cd濃度低于 120 mg·kg-1,以及酸雨 pH值3.5、Cd濃度低于60 mg·kg-1時(shí),三者才能有效的發(fā)揮作用。

圖2 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝葉片SOD(A)、CAT(B)、POD(C)活性的影響Fig.2 Effects of compound stresses of Cd and acid rain on the SOD(A),CAT(B)and POD(C)activity in M.azedarach leaves

2.3.2 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝葉片抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)的影響 AsA、GSH是植物抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)(AsA-GSH)中2個(gè)重要的非酶促抗氧化劑,APX和GR是AsA-GSH循環(huán)中2種重要的酶類。其中AsA廣泛存在于植物光合組織中,可在APX的催化作用下直接與單線態(tài)氧、、H2O2等活性氧基團(tuán)反應(yīng),還原ROS[24]；GSH是植物細(xì)胞中含量最豐富的含巰基低分子肽,對(duì)保持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)完整性和防御自由基積累起到保護(hù)性作用；GR可將氧化型谷胱甘肽(glutathione oxidized,GSSG)還原為還原型谷胱甘肽(GSH),從而提高GSH含量,四者協(xié)調(diào)一致,在抵抗環(huán)境脅迫、清除逆境活性氧積累等方面發(fā)揮重要的作用[25]。由圖3可知,單一Cd處理下,苦楝葉片中AsA和GSH含量均隨著Cd處理濃度的增加而呈先增加后減少變化,分別在Cd處理濃度為60、120 mg·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,較 CK分別增加111.76%、27.27%。除180 mg·kg-1Cd時(shí)的AsA含量降低為CK的0.65倍外,其他處理下ASA和GSH的含量均高于CK。單一酸雨處理時(shí),AsA含量隨著pH值的降低而增加,但未達(dá)到差異水平(P＞0.05),而GSH含量呈先上升后下降的趨勢(shì),二者分別在pH值3.5、4.5時(shí)達(dá)到最大,分別較CK增加23.53%、9.10%。Cd和酸雨復(fù)合處理下,除酸雨pH值3.5時(shí),AsA含量隨Cd處理濃度呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)外,其余處理pH值相同時(shí),AsA、GSH含量均隨著Cd處理濃度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì),pH值4.5時(shí),AsA、GSH含量分別在Cd濃度為60、90 mg·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,較 CK分別增加135.29%、33.33%；pH值 3.5時(shí),分別在 Cd濃度為30、90 mg·kg-1時(shí)達(dá)到峰值,較 CK 分別增加 94.12%、30.30%；同一Cd處理濃度下,隨著酸雨pH值的降低,除30 mg·kg-1Cd處理外,其他各處理下AsA含量均呈先上升后下降的趨勢(shì),而GSH含量在Cd濃度≤90 mg·kg-1時(shí)呈先上升后下降的趨勢(shì),Cd濃度≥120 mg·kg-1時(shí)則逐漸降低。結(jié)果表明,在pH值4.5、Cd濃度低于90 mg·kg-1和pH 值3.5、Cd濃度低于60 mg·kg-1條件下,AsA和GSH能夠協(xié)同清除苦楝幼苗內(nèi)的活性氧自由基,在高濃度Cd和較低pH值酸雨脅迫下,AsA-GSH循環(huán)中主要由GSH參與活性氧的清除。

圖3 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝葉片抗壞血酸(A)、谷胱甘肽(B)含量的影響Fig.3 Effects of compound stresses of Cd and acid rain on the ASA(A)and GSH(B)content in M.azedarach leaves

由圖4可知,單一Cd處理下,APX和GR活性均隨著Cd處理濃度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì),兩者活性峰值分別出現(xiàn)在 Cd處理濃度為 120、90 mg·kg-1時(shí),分別是 CK 的1.83、1.39 倍；單一酸雨處理下,隨著pH值的降低APX活性顯著升高(P＜0.05),而GR活性則先上升后下降,兩者最大值分別出現(xiàn)在酸雨pH值為3.5、4.5時(shí),分別較CK增加25%、20%；Cd和酸雨復(fù)合處理時(shí),同一酸雨pH值處理下,APX和GR活性均隨著Cd處理濃度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì),當(dāng)Cd濃度相同時(shí),隨著酸雨pH值的降低,APX活性在Cd濃度≤90 mg·kg-1時(shí)逐漸升高,在Cd濃度≥120 mg·kg-1時(shí)則先上升后下降,而GR活性在Cd濃度≤60 mg·kg-1時(shí)先升高后降低,Cd濃度≥90 mg·kg-1時(shí)逐漸降低,復(fù)合處理中,兩者活性最大值分別出現(xiàn)在Cd濃度90 mg·kg-1、pH值3.5和 Cd濃度60 mg·kg-1、pH 值 4.5 時(shí),分別為 CK 的 2.00、1.44倍。結(jié)果表明,Cd濃度小于90 mg·kg-1、酸雨pH值大于3.5時(shí),APX和GR均能保持較高活性。

3 討論

圖4 Cd與酸雨復(fù)合脅迫對(duì)苦楝葉片抗壞血酸過氧化物酶(A)、谷胱甘肽還原酶(B)活性的影響Fig.4 Effects of compound stresses of Cd and acid rain on the APX(A)and GR(B)activity in M.azedarach leaves

Cd是植物的非必需元素,具有較高的活性,易被植物吸收。研究發(fā)現(xiàn)植物吸收過量的Cd會(huì)影響其對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn),抑制其生長(zhǎng)和光合作用,改變生物量分配等[26]。酸雨中過多的H+與植物葉片表面及內(nèi)部的陽(yáng)離子進(jìn)行交換會(huì)破壞葉組織結(jié)構(gòu)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)[4],從而導(dǎo)致植物葉片失綠、出現(xiàn)壞死斑,甚至脫落。研究表明,酸雨會(huì)降低土壤pH值,加速土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的流失,增強(qiáng)重金屬活性,改變微生物群落結(jié)構(gòu)[27],從而加劇對(duì)植物的傷害。本研究中,單一Cd處理時(shí),Cd對(duì)苦楝生長(zhǎng)有低濃度(≤30 mg·kg-1)促進(jìn),高濃度(≥60 mg·kg-1)抑制的現(xiàn)象,這與劉柿良等[28]的研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)單一酸雨處理抑制了植物地上、地下部的生長(zhǎng),而pH值4.5的酸雨與30 mg·kg-1Cd復(fù)合處理下苦楝地上部干重仍高于 CK。這與王成聰?shù)萚29]的研究結(jié)果不一致,原因可能與酸雨中的硝酸根離子增加了土壤的含氮量,對(duì)植物產(chǎn)生了一定的施肥作用有關(guān)[30],而其他復(fù)合處理下的抑制作用較相應(yīng)單一Cd和單一酸雨處理時(shí)更強(qiáng),表明Cd和酸雨對(duì)苦楝幼苗的毒害作用具有疊加效應(yīng)。本研究中,Cd處理下的苦楝幼苗根部Cd含量均顯著高于莖桿和葉片。這與譚長(zhǎng)強(qiáng)等[26]的研究結(jié)果一致,可能是由于植物根系截留并富集了Cd2+,緩解了Cd2+對(duì)地上部光合、呼吸作用等生理代謝的傷害。此外,酸雨和Cd復(fù)合處理下,苦楝根部、莖桿和葉片的Cd積累量均低于相應(yīng)濃度的單一Cd處理,這可能是由于酸雨淋溶使土壤釋放出大量的二價(jià)陽(yáng)離子(如 Ca2+、Mg2+等)[2],競(jìng)爭(zhēng)了植物根系吸收點(diǎn)位,從而使植物減少了Cd2+的吸收量。

三大保護(hù)性酶(SOD、CAT和POD)和抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)是植物抗氧化保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分,能有效清除活性氧,保證細(xì)胞正常的生理功能。本研究中,SOD、CAT和POD活性的最大值分別出現(xiàn)在60 mg·kg-1Cd、pH 值 5.6,60 mg·kg-1Cd、pH 值 4.5 和90 mg·kg-1Cd、pH值4.5時(shí),表明在脅迫程度較低情況下,SOD在活性氧清除中扮演主要角色,證實(shí)了SOD是活性氧清除的第一道防線的論證[25],可以將過量的超氧自由基歧化,形成毒性較弱的H2O2和分子態(tài)氧[31],而在強(qiáng)酸雨和高濃度Cd雙重脅迫時(shí)則由CAT承擔(dān)活性氧清除任務(wù),證實(shí)了3種酶協(xié)同清除活性氧的機(jī)制。

在AsA-GSH循環(huán)中,APX以AsA為底物將H2O2還原為H2O,GR是生成GSH的重要酶。本研究中,單一Cd脅迫下,AsA、GSH含量和APX、GR活性均隨著Cd處理濃度的升高呈先上升后下降的趨勢(shì),這與丁繼軍等[24]的研究結(jié)果一致。當(dāng)Cd濃度≤60 mg·kg-1和pH值≥4.5時(shí),AsA含量急劇上升至峰值,APX活性也快速升高,加速了活性氧的清除速率。AsA和GSH含量峰值分別出現(xiàn)在Cd處理濃度為60、90 mg·kg-1,酸雨pH值4.5時(shí)；APX和GR活性則分別在Cd濃度為 90 mg·kg-1、pH 值3.5 和 Cd 濃度為60 mg·kg-1、pH值4.5時(shí)最大,表明在Cd濃度≤90 mg·kg-1和pH值≥4.5時(shí),AsA-GSH循環(huán)處于高效工作狀態(tài)。隨著脅迫程度的加深,GSH含量隨著GR活性升高而逐漸增加,證實(shí)了GR活性是影響植物體內(nèi)GSH含量的重要酶類；APX活性達(dá)到峰值時(shí)的脅迫濃度較AsA含量達(dá)到最大值時(shí)表現(xiàn)出一定的滯后性,這可能是由于APX活性的升高加速了對(duì)AsA的分解。而之后AsA含量和APX活性的降低可能與AsA-GSH循環(huán)受到抑制有關(guān)。本研究結(jié)果表明,除SOD活性在Cd濃度為180 mg·kg-1、pH值3.5時(shí)較 CK有所降低外,各處理的SOD、CAT和POD活性均高于CK；AsA-GSH循環(huán)中,除APX在高濃度Cd(180 mg·kg-1)處理下保持略高于CK的活性外,GR活性、AsA和GSH含量均顯著低于CK。表明一定濃度的Cd和酸雨處理激活了苦楝抗氧化系統(tǒng)的活性,提高了活性氧清除物質(zhì)的含量；在高濃度(180 mg·kg-1)Cd與酸雨復(fù)合脅迫下,AsA-GSH循環(huán)受到了嚴(yán)重的抑制,說明植物主要依靠其體內(nèi)的三大保護(hù)性酶參與清除體內(nèi)多余的活性氧。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,Cd脅迫下,苦楝幼苗的生物量變化表現(xiàn)出“低促高抑”現(xiàn)象,Cd處理濃度30 mg·kg-1和酸雨pH值4.5的復(fù)合處理對(duì)苦楝幼苗地上部生長(zhǎng)具有一定的促進(jìn)作用,但復(fù)合脅迫較單一Cd和單一酸雨處理對(duì)苦楝幼苗的傷害更大。酸雨和Cd復(fù)合處理下,苦楝體內(nèi)的Cd含量較單一Cd處理時(shí)更低,而在高劑量Cd(≥60 mg·kg-1)和強(qiáng)酸雨(pH值3.5)復(fù)合處理下則表現(xiàn)為較單一Cd和單一酸雨處理更強(qiáng)的抑制現(xiàn)象,其機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。