1、生态环境 2008, 17(4): 1462-1465 http:/Ecology and Environment E-mail: 基金项目：国家自然科学基金项目(30540056)；浙江省自然科学基金项目(303461)作者简介：唐秀梅（1983），女，硕士生，主要从事植物生理生 态研究。 E-mai: *通讯作者：刘鹏，教授，博士，从事植物 营养、 环境生态、植物区系和生物多样性保护研究。E-mail: 收稿日期：2008-04-25 镉对龙葵（Solanum nigrum L .）根系形态及部分生理指标的影响唐秀梅 1,2，龚春风 1，周主贵 3，刘鹏 1*，徐根娣 1，蔡妙珍 1，吴琼
2、鸯 11. 浙江师范大学植物学实验室，浙江 金华 321004；2. 广西大学农学院，广西 南宁 530004；3. 广西农科院，广西 南宁 530004摘要：以龙葵(Solanum nigrum L.)为材料，水培法 设置了 5 个镉质量浓度：0、10、 25、50、100 mgL-1进行试验。在 处理 17 d 和34 d 时，分别对其根系形 态和部分生理指 标进行测定。 结果表明：（1）中低质量浓度(1050 mgL-1)的镉促进龙葵根系生长，表现在处理 17 d 时其根长、体积均随 镉质量浓度升高而增加；高质量浓 度(100 mgL-1)的镉抑制根系生长，表 现在处理 34 d 时其根
3、长、体积、直径低于对照，根长达到显著水平。随着镉处理时间的延 长， 10 mgL-1 促进效果明显，表 现为处理 34 d 时其根长、体积、直径均达到最大值， 100 mg.L-1 抑制程度加剧，表现为其根长、体积、直径均急 剧下降；（2）050 mgL-1 的 Pro 含量和质膜透性与对照相比差异不显著，100 mgL-1 MDA 与 Pro 含量均显著高于对照，100 mgL-1 的质膜透性在处理 34 d 时比对照增加了 58.7%。说明高质量浓度镉使龙葵积累了大量的 MDA 和 Pro，对龙葵表现出毒害作用，而龙葵作为超积累植物对镉胁迫表现出一定的耐性与适应性。关键词：镉；龙葵；根系形
4、态；生理指标中图分类号：X171.5；Q945.78 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2008）04-1462-04由于农业生产中化肥施用量的增加，以及工业废物和城市垃圾的排放量的增大，土壤中镉含量呈不断上升的趋势。同时酸雨作用使土壤中 镉离子的可溶性增加，导致土壤镉毒性增 强 1。对于土壤重金属污染，植物修复技术（Phytoremedia- tion）以其潜在的高效、经济及生态协调 性等优势显示出光明的发展前景，已成为近年来学 术界研究的热点之一，而超积累植物（Hyperaccumu- lator）又是植物修复的热点研究对象 2，3。最近，魏树和等 4提出龙葵是具有镉超积累特征
5、的植物，在 Cd投加质量浓度为25 g.g-1条件下，其茎和叶中 Cd含量都超过了超积累植物应达到的临界含量标准100 gg-1。以往关于超积累植物对镉离子的解毒和转运的研究，多集中在模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)和镉超积累植物遏蓝菜(Thlaspi arvense L.) 5，6，而龙葵作为一种新发现的镉超积累植物，因其生 长条件要求低、生长快、生物量较大的优势，也需进一步开展龙葵对镉耐性与富集机理的研究。 本文从龙葵富集镉后根系形态响应和生理生化变化两方面进行研究， 为超积累植物镉耐性机制从生理生化上提供理论依据，同时对超积累植物应用和 污染土地植物修复技
6、术的系统性研究具有现实意义。1 材料和方法1.1 实验材料及处理龙葵种子采自金华北山。把种子撒在湿 润的土壤中，每两天浇一次水，待苗长到78 cm高时移栽至5 L塑料桶，每盆4株，三个重复， 营养液为1/2 Hoagland，加入Cd 2+（镉离子以 3CdSO48H2O形式加入），设5个Cd 2+质量浓度梯度，分别为0（对照）、10、25、50、100 mgL-1。每天用 0.1 mol/L NaOH或0.1 mol/L HCl调pH至4.5，以维持生长介质中较高的Cd 2+质量浓度，保持 连续通气，5d换一次营养液，平时每天补充蒸馏水以补偿由于吸收和蒸发所减少的营养液体积。1.2 取样和测
7、定分 别 在 镉 处 理 后 第 17d和 第 34d取 完 整 根 系 和 成熟 叶 片 进 行 测 定 。根 系 分 析 采 用 根 系 分 析 仪 （型 号 ：STD 1600+）测 定 。叶 片 用 于 分 析 各 生 理 指 标 ，丙 二 醛（MDA）采 用 硫 代 巴 比 妥 法 7，以 molg-1 FW表 示 ；游离 脯 氨 酸 （Pro）含 量 测 定 采 用 磺 基 水 杨 酸 提 取 ,茚 三 酮比 色 法 8测 定 ，用 gg-1FW表 示 ；质 膜 透 性 的 测 定 采用 外 渗 电 导 率 法 8，以 相 对 电 导 率 大 小 表 示 。1.3 数据分析各 实
8、验 重 复 3 次 ，根 据 3 次 实 验 所 得 数 据 计 算 平均 值 和 标 准 误 差 ，利 用 SAS 分 析 软 件 进 行 方 差 分 析 。2 结果与分析2.1 Cd对龙葵根系形态的影响如图1所示，在处理的第17 d，1050 mgL-1处唐秀梅等：镉对龙葵（Solanum nigrum L.）根系形态及部分生理指标的影响 1463理 的 根 长 、体 积 均 高 于 对 照 ，并 随 着 Cd质 量 浓 度 的升 高 而 增 加 ，当 质 量 浓 度 升 高 到 50 mgL-1时 达 到 最大 值 ；100 mgL-1根 长 、体 积 均 低 于 对 照 ，根 长 达
9、到 显著 水 平 。在 处 理 的 第 34 d，10 mgL-1的 根 长 、体 积 、直 径 达 到 最 大 值 ，并 随 着 Cd质 量 浓 度 的 升 高 而 开 始下 降 ，50 mgL-1的 根 体 积 低 于 对 照 ，但 差 异 不 显 著 ；100 mgL-1的 根 长 、体 积 、直 径 均 低 于 对 照 ，根 长 、体积 达 到 显 著 水 平 ，分 别 比 对 照 降 低 了 82.0%、90.5%。表 明 低 质 量 浓 度 的 Cd处 理 (1050 mgL-1)在 短 期 处理 时 促 进 龙 葵 根 伸 长 、体 积 变 大 ，高 质 量 浓 度 （100 m
10、gL-1）Cd处 理 则 抑 制 龙 葵 根 系 的 生 长 。随 着 镉 处 理 时 间 的 延 长 ，根 长 、体 积 都 有 所 增 加 ，其 在 处 理 34 d时 大 于 处 理 17 d；低 质 量 浓 度 10 mgL-1对 龙 葵 根 系 的 促 进 效 果 更 加 明 显 ，其 34 d时 的 根 长 、体 积 、直 径 分 别 是 17 d时 的 3.6倍 、13.2倍 、1.4倍 ；高 质量 浓 度 100 mgL-1对 龙 葵 根 系 的 抑 制 程 度 加 剧 ，表 现为 其 根 长 、体 积 、直 径 均 急 剧 下 降 ，34 d时 的 根 长 、体积 与 对 照
11、 的 下 降 率 分 别 是 17 d时 的 1.2倍 、7.9倍 。2.2 镉对龙葵叶片生理指标的影响2.2.1 镉对龙葵叶片丙二醛（MDA）的影响MAD是膜脂过氧化作用的主要产物之一，其含量可表示膜脂过氧化作用的程度。由 图2可知， 处理17 d时 ，10、25 mg.L-1 Cd处理与对照相比差异不显著，50、100 mgL -1 Cd处理下MDA显著高于对照。处理34 d时，25、100 mgL-1 MDA均显著高于对照，100 mgL-1表 现较突出，比对 照增加了289.5% 。另外，除50 mgL-1以外，处理34 d时的MDA均大于处理17 d时。表明MDA在低质量 浓度Cd
12、短期处理时受到Cd胁 迫的影响不大，但随着Cd 质量浓度的升高和处理时间的延长，龙葵受到 Cd胁迫加剧，导致龙葵出现严重膜脂过氧化，从而 产生大量的MDA。2.2.2 镉对龙葵游离脯氨酸（Pro）的影响Pro可以预测植物体的抗逆能力 7，反映叶片的衰老程度。由图3可知，10、25 、50 mgL-1的Pro在处理17 d时 和处理34 d时与对照相比呈现出相反的变化趋势，在处理17 d时比对照略有升高，在 处理34 d时又都稍有降低，但差异均不 显著。当 Cd质量浓度升高到100 mgL-1时，龙葵Pro则显著高于对照。 说明中低质量浓度（1050 mgL-1）Cd处理对龙葵Pro影响不大，高
13、质量浓度（100 mgL-1）Cd处理大大提高了龙葵体内Pro的积累量。因而 认为龙葵在受到高质量浓度（100 mgL-1）Cd胁迫时，导致Pro增加，可能是耐Cd植物龙葵适应Cd胁迫的机制之一。2.2.3 镉对龙葵质膜透性的影响当 植 物 受 到 逆 境 影 响 时 ，细 胞 膜 会 遭 到 破 坏 ，膜0204060801001201401600 10 25 50 100游离脯氨酸含量(ug / g. FW) 17d 34db bb bb bb baa镉质量浓度/(mgL -1)图3 镉对龙葵游离脯氨酸含量的影响Fig.3 Effect of Cd on the Pro contents
14、of Solanum nigrum L020040060080010000 10 25 50 100根长/ mm17d 34dabaaab aabc02468100 10 25 50 100根体积 /c m317d 34dbbcabaaaacbd0.50.81.11.41.70 10 25 50 100根直径/ mm17d 34dbab bababbab ab镉质量浓度/(mgL -1)图1 镉对龙葵根系形态的影响Fig.1 Effect of Cd on root shape of Solanum nigrum L.Duncans 多重比 较, 不同字母（a、b、c ）表示均值间差异显著 D
15、uncans parameters, The values showing the different letter（a、b、c）code are significantly different at P0.050123456780 10 25 50 100丙二醛含量 (umol / g FW） 17d 34db c b c bc a bc aa镉质量浓度/(mgL -1)图2 镉对龙葵叶片丙二醛含量的影响Fig.2 Effect of Cd on MDA contents in Solanum nigrum L leaves1464 生态环境 第 17 卷第 4 期（2008 年 7 月）透
16、 性 增 大 。质 膜 透 性 增 大 的 程 度 与 逆 境 胁 迫 强 度 有 关 ，因 此 根 据 质 膜 透 性 的 变 化 可 以 反 映 植 物 受 逆 境 的 状况 。由 图 4可 知 ，经 Cd处 理 后 的 龙 葵 质 膜 透 性 都 比 对照 高 ，处 理 17 d时 的 质 膜 透 性 与 对 照 差 异 不 显 著 ，而在 处 理 34 d时 ，100 mgL-1的 质 膜 透 性 显 著 高 于 对 照 ，比 对 照 增 加 了 58.7%。表 明 龙 葵 对 短 期 和 低 质 量 浓 度的 Cd处 理 有 一 定 的 耐 性 ，但 随 着 Cd处 理 时 间 的
17、延 长 ，在 高 质 量 浓 度 （100 mgL-1）Cd胁 迫 下 ，龙 葵 质 膜 透 性显 著 增 加 ，细 胞 膜 结 构 破 坏 严 重 ，这 与 长 期 高 质 量 浓度 Cd处 理 下 的 丙 二 醛 含 量 显 著 增 加 一 致 。3 讨论根长、体积、直径是反映根系生长发育状况的指标。以往超积累植物龙葵根系的研究主要集中在根对镉的富集作用及其生物量的变化， 镉对龙葵根系生长发育的影响还鲜见报道。本文从 龙葵根系形态对镉胁迫的响应出发进行研究， 实验结果表明，低质量浓度的镉可以促进龙葵根系的生长，而当 镉质量浓度升高到一定程度100 mgL-1时， 龙葵根系的生长受到抑制。这
18、与将先军 9等人研究的高镉质量浓度对富集植物印度芥菜（Brassica juncea L.）有抑制作用相同。说明龙葵是一种抗 镉胁迫植物， 对重金属镉污染表现出适应性，但 这种适应性是有一定限度的，当镉质量浓度超过 一定阀值时， 则对龙葵根系生长产生不利的影响，表 现出毒害现象。且随着处理时间的延长，低质量 浓度（10 mgL-1）促进效果明显，高质量浓度（100 mgL-1）抑制程度加剧。Patra等 10把这种现象解释为低 质量浓度重金属对植物有积极的刺激作用，但这 种刺激作用受到质量浓度的限制，当环境中存在过 多的镉时， 对植株的生长产生毒害作用。原因可能跟 龙葵根系中镉富集量有关，据巍
19、树和 4等人报道，0-200 mgkg-1质量浓度的镉在龙葵根部的积累随着质量浓度的升高而升高，从而对根产生不同的影响。植 物 器 官 在 逆 境 条 件 或 衰 老 时 ，往 往 发 生 膜 脂过 氧 化 作 用 ，MDA是 其 产 物 之 一 ，另 外 细 胞 膜 透 性亦 随 之 增 加 ，因 此 ，通 常 用 这 两 项 指 标 来 反 映 细 胞 膜过 氧 化 程 度 和 植 物 对 逆 境 条 件 反 应 的 强 弱 11。本 试验 中 ，MDA随 着 镉 质 量 浓 度 的 升 高 而 升 高 ，100 mgL-1与 对 照 相 比 达 到 显 著 水 平 ，与 此 相 对 应
20、，100 mgL-1的 质 膜 透 性 也 在 处 理 34 d时 显 著 高 于 对 照 ，说明 龙 葵 在 不 断 升 高 的 Cd2+质 量 浓 度 胁 迫 下 ，膜 质 过 氧化 程 度 加 剧 ，产 生 大 量 的 丙 二 醛 ，致 使 龙 葵 受 到 的 严重 伤 害 ，并 随 着 镉 处 理 时 间 的 延 长 ，高 质 量 浓 度 的 龙葵 细 胞 结 构 遭 到 破 坏 ，细 胞 质 膜 透 性 显 著 增 加 。这 与锰 超 积 累 植 物 商 陆 12和 锌 超 积 累 植 物 东 南 景 天 13有所 不 同 ，虽 然 后 两 者 的 丙 二 醛 和 质 膜 透 性 在
21、 金 属 胁迫 下 也 会 有 所 增 加 ，但 与 对 照 相 比 差 异 不 显 著 。这 可能 是 由 于 植 物 类 型 、金 属 胁 迫 及 胁 迫 程 度 和 胁 迫 时间 的 不 同 而 导 致 实 验 结 果 的 差 异 性 ，也 说 明 镉 超 积累 植 物 龙 葵 对 镉 胁 迫 表 现 出 特 异 性 生 理 反 应 ，Pro是一 种 重 要 的 渗 透 调 节 物 质 ，其 含 量 的 提 高 可 以 增 加细 胞 渗 透 势 和 功 能 蛋 白 的 数 量 ，有 助 于 维 持 细 胞 正常 代 谢 ，提 高 植 物 的 抗 逆 性 14, 15。Pro含 量 在 镉
22、 质 量浓 度 10、25、50 mgL-1时 与 对 照 相 比 差 异 不 显 著 ，当质 量 浓 度 达 到 100 mgL-1时 则 显 著 增 加 ，这 与 江 海 东16等 人 研 究 的 镉 对 油 菜 的 影 响 相 似 ，说 明 龙 葵 适 应镉 胁 迫 的 范 围 较 广 ，直 到 100 mgL-1时 才 明 显 表 现 出胁 迫 症 状 ，这 与 根 系 形 态 上 得 到 的 结 果 一 致 。4 结论（1）中低质量浓度(1050 mgL-1)的镉促进龙葵根系生长，高质量浓度(100 mgL-1)的镉抑制根系生长，并且随着镉处理时间的延 长， 10 mg.L-1促进效
23、果明显，100 mgL-1抑制程度加 剧。表明 龙葵作为一种镉超积累植物，对低质量浓 度短期的镉处理有一定的耐性和自我保护性，但随着 镉处理质量浓度的升高和处理时间的延长，龙葵受到了 严重的伤害，导致龙葵根系生长受到抑制。（2）050 mgL-1的Pro含量和质膜透性与对照相比差异不显著，100 mgL-1在处理34 d时的质膜透性、MDA 和Pro含量均显著高于对照。说明高质量浓度镉对龙葵有一定的生理毒害作用，表现为龙葵细胞质膜遭到破坏，膜脂过 氧化程度加剧，从而导致龙葵的质膜透性增加，并在植株体内 积累大量的MDA 。而Pro含量的增加可能是龙葵作为一种超积累植物对镉胁迫的一种抗逆性和适应
24、性表现。参考文献：1 TSCHUSCHKE S, SCHMITT-WREDE H P, GREVEN H, et al. Cadmium resistance conferred to yeast by a nonmetallothionein-encoding gene of the earthworm EnchytraeusJ. Journal of Biological Chemistry, 2002, 277 (7): 5120-5125.2 MYRNA E W. Phytoremeditaion on the brink of commercializationJ. Environm
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26、影响Fig. 4 Effect of Cd on the plasolemma permeability of Solanum nigrum L 唐秀梅等：镉对龙葵（Solanum nigrum L.）根系形态及部分生理指标的影响 1465(Solanum nigrum L.)J. 科学通报, 2004, 49(24): 2568-2573.Wei Shuhe, Zhou Qixing, Wang Xin, et al. A newly-discovered Cd-hyperaccumulator Solanum nigrum L. J. Chinese science bulletin, 2
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36、hysiological indexes of Solanum Nigrum L.Tang Xiumei1,2, Gong Chunfeng1, Zhou Zhugui3, Liu Peng1,Xu Gendi1, Cai Miaozheng1, Wu Qiongyang11. Key Laboratory of Botany, Zhejiang Normal University, Jinhua 321004, China; 2. College of Agronomy, Guangxi University, Nanning 530005, China; 3. Guangxi Academ
37、y of Agricultural Sciences, Nanning 530005, ChinaAbstract: Large areas of cultivated land in many countries have been contaminated by Cd due to agricultural and industrial practices such as application of pesticides and chemical fertilizers, waste water irrigation, precipitation from heavy coal comb
38、ustion, and smelter wastes and residues from metalliferous mining. As a newly diacovered Cd- hyperaccumulator, Solanum nigrum L. has enough advantages such as the low condition of growth, the fast growing and the high biomass. So it is necessary to further study the mechanism of cadmium tolerance an
39、d accumulation. In this research, the root morphology and the leaf physiology of S. nigrum were studied after 17 and 34 days exposure of Cd2+ (0, 10, 25, 50, and 100 mgL-1) in hydroponic culture. The results throughout the paper were summarized as follows: (1) The growth of root were facilitated at
40、low concentration of Cd2+ (1050 mgL-1) , and the root length and volume increased with the increasing of Cd2+ concentration. However, the length, volume and diameter of root were all lower than control at high concentration of Cd2+ (100 mgL-1), and the root length reached significant level. With the
41、 prolonging of treating time, after 34 days with Cd2+ treatment, the length, volume and diameter of root reached their maximum at concentration of Cd2+ 10 mg.L-1, but all of them decreased sharply at concentration of Cd2+ 100 mgL-1. (2) The proline content and plasolemma permeability did not show re
42、markable change under low Cd2+ concentration (050 mgL-1). On the contrary, MDA and Pro content of 100 mgL-1 were obviously higher than those of control, and plasolemma permeability increased by 58.7% compare with control. It indicated that much MDA and Pro were accumulated in Solanum nigrum L., and were poisonous for it. However, as a kind of cadmium-hyperaccumulator, S. nigrum showed resistance and adaptability to Cd stress to certain extent.Key words: Cd; Solanum nigrum L.; root morphology; physiological indexes
