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柳树无性系镉积累和生理变化规律研究

【摘要】: 近年来,由于镉污染的严重性已危及到人们的日常生活,植物修复方法改善镉污染土壤以其独特的优点日趋受到人们的青睐,木本植物生物量大、根系发达、不与食物链相连,不会对环境产生二次污染,在植物修复镉污染土壤中起着不可代替的作用。 柳树(Salix)种类多,生长快,易繁殖,适应性强。它耐盐碱、抗旱、抗寒、耐涝,具有美化环境及改造自然的作用。柳树发达的根系是一个很好的生物过滤器,能有效地净化工业和生活废水。因此,选择镉吸收量较大、耐性较强的柳树无性系对修复镉污染土壤具有实际意义;而研究柳树镉耐性机理又具有其理论意义。 本文采用溶液培养和土壤培养相结合的方法,以杂交柳(7个无性系)和旱柳(10个无性系)幼苗为研究对象,对两种柳树镉吸收积累能力,镉胁迫对柳树生长发育及生理生化的影响作了系统研究,阐明了柳树对镉的吸收积累特征,揭示了柳树镉耐性的生理生化基础,弄清了镉胁迫条件下,柳树吸收积累随时间变化的规律,柳树形态、叶绿素、脯氨酸和可溶性蛋白及对清除氧离子自由基伤害系统中抗氧化剂和抗氧化酶的变化,丰富和发展了木本植物修复重金属污染环境的理论研究,为利用生态工程措施治理重金属污染环境提供了新的培育材料和理论科学依据,对改善生态环境,提高人们生活质量具有实际意义。 1柳树镉的吸收积累和分配规律 较低镉浓度(5~20 mg·L~(-1))胁迫下,柳树叶片镉吸收积累量随时间延长而增加,前15d增加较慢,15d后较快。在较高浓度(20~100 mg·L~(-1))镉胁迫下,前10d内增加较慢,10d后增加较快。镉胁迫时间与叶片镉积累量之间关系符合c=0.005153 t~(2.8629)(较低浓度时)和c=0.482934 t~(2.0394)(较高浓度时)两个方程,较高浓度镉胁迫时叶片镉积累速度较快。叶片镉积累量与浓度的关系杂交柳最符合多项式模型,方程为Y1=27.42+16.79X+0.23X~2,旱柳符合幂函数模型,方程为Y2=295.17X~(-0.188)。 不同器官镉含量,杂交柳表现为根大于叶片和茎,叶片略大于茎,旱柳表现为根大于茎和叶片,茎略大于叶片,茎和叶片的差别不大。根系中镉积累速度大于茎和叶片,根系中镉积累量与茎中镉积累量的相关性大于叶片。根系镉积累量与茎和叶片中镉积累量的关系均符合Michaelis menten模型。 溶液培养中镉胁迫浓度在20~100 mg·L~(-1)范围内,杂交柳镉含量范围分别为:新根4193~7888mg·kg~(-1),老根3077~8228mg·kg~(-1),茎517~777mg·kg~(-1),叶片752~972mg·kg~(-1),Cd的迁移率为10%~17%。旱柳各器官镉含量分别为:新根1991~4581mg·kg~(-1),老根3571~8644mg·kg~(-1),茎367~551mg·kg~(-1),叶片330~492mg·kg~(-1),Cd的迁移率为7.4%~17%。随胁迫时间和胁迫浓度的增加,根系向茎叶转移运输镉的量增加。 土培条件下柳树镉积累量较水培条件低。土壤中镉胁迫浓度为10~150 mg·kg~(-1)时,杂交柳地上部和地下部镉含量分别为60.47 mg·kg~(-1),163.30 mg·kg~(-1),而迁移率可达到38%。土壤中镉含量为100~300 mg·kg~(-1)时,旱柳叶片中镉含量可达到47.28 mg·kg~(-1)。 2镉胁迫对柳树生长的影响 溶液中镉浓度相对较低(0~20 mg·L~(-1))时,柳树生长虽然受到抑制,叶片失绿,但柳树幼苗还能正常存活,且镉对生长的抑制作用也不显著。随着溶液中镉浓度的升高(20~100 mg·L~(-1)),柳树对镉的耐性减弱,植株生长明显受到抑制,生物量显著下降。 水培条件下,镉胁迫浓度相对较高(20~100mg·L~(-1))时,镉胁迫浓度与苗高生长的关系符合Michaelis Mentent模型,与地径生长的关系符合指数模型,生长速度随镉胁迫浓度的增加而减小。 柳树Cd的毒害症状首先表现在植株根部,随后发展至地上部分。在较高浓度Cd溶液中培养一周后,柳树新生根系根尖颜色变褐,随时间延长逐渐发展至整条根;培养15天后,Cd处理的柳树植株生长明显比对照矮小,新根生长量比对照少,根尖发黑,新生叶片比对照黄而薄,老叶少量落叶,随处理浓度越大,受害症状越明显。在高浓度镉胁迫下,柳树叶片首先出现褐色斑块,随着时间的延长,褐色扩展至整个叶片,并逐渐干枯,到最后脱落,以致整株死亡。镉胁迫浓度与植株生长的关系符合指数方程,镉胁迫对杂交柳生长的影响小于旱柳。 镉胁迫15d时,柳树溶液中镉致死浓度在100 mg·L~(-1)~200 mg·L~(-1)之间。 3镉胁迫对柳树叶片叶绿素的影响 叶绿素的变化受镉胁迫时间和胁迫浓度的双重作用,在浓度较低且胁迫时间较短的情况下,镉促进叶绿素的合成,而随着时间的延长和浓度的增加,叶绿素的合成受阻。溶液中p(Cd)为20 mg·L~(-1),胁迫时间不超过10d时,柳树叶片叶绿素含量升高,而当时间延长或浓度增加时,叶绿素含量下降。叶绿素a变化幅度大于叶绿素b。 4镉胁迫下柳树无性系镉耐性差异及生理性状变化 镉胁迫下,柳树地上和地下部分镉含量、镉积累量、生物量、叶绿素含量等具有较高的可遗传性,利用这7个性状的耐性指数对10个旱柳无性系进行分析,10个旱柳无性系的镉耐性强弱顺序为13号>8号>16号≈18号≈9号>2号≈4号>10号>3号>5号。 土壤培养条件下,镉胁迫浓度10~150 mg·kg~(-1)时,杂交柳苗高生长、叶绿素、电导率、脯氨酸、可溶性蛋白无性系间重复力较高,本试验利用这5个性状的耐性指数,对杂交柳5个无性系进行了综合耐性分析,结果表明盆栽杂交柳5个无性系镉耐性强弱为5号>6号≈2号>7号>4号。 镉胁迫下,柳树生长受抑制,生物量降低,叶绿素总量和可溶性蛋白减少、膜透性减小,MDA含量增加,脯氨酸变化无一致规律。各指标之间的关系随镉胁迫浓度的变化而变化。 5镉胁迫下柳树叶片抗氧化剂和抗氧化酶的变化 镉胁迫下,旱柳各无性系ASA含量、POD、CAT、APX和GR活性均随着胁迫时间延长和胁迫浓度的增加而升高,GSH含量和SOD活性有降低和升高两种趋势,镉胁迫下叶片NPT含量下降。 镉胁迫15d时,柳树叶片ASA含量与APX活性正相关性极显著,GR与CAT负相关性极显著。在镉胁迫30d时,SOD与ASA、GR与CAT、GR与APX呈显著正相关,GSH与CAT、GSH与APX呈显著负相关;APX与CAT呈极显著正相关。 6镉胁迫下柳树叶片同功酶和蛋白电泳图谱的变化 镉胁迫下耐性较弱的4号和5号无性系在迁移率为0.49处的SOD酶带消失,迁移率为0.63处的酶带4号无性系加强,5号无性系减弱;耐性较强的16号无性系在迁移率为0.49处的SOD酶带加强,迁移率为0.63处的酶带减弱。 镉胁迫下,16号无性系在迁移率为0.84时的POD酶谱表达量增加,4号无性系在迁移率为0.84时POD同功酶增加一条弱带,5号无性系酶活性在迁移率为0.84和0.74时谱带减弱。 旱柳蛋白质主要的谱带有七条,分子量在14.2~116KD范围内,镉胁迫下,4号无性系分子量为14.2KD的表达量减少,16号无性系分子量为36.2KD和14.2的蛋白表达加强,5号无性系基本无变化。

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