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2020 Volume 45 Issue 9
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Yao CHEN, Ling LI, Qiang-ying ZHOU, et al. On Physiological Responses and Accumulation Characteristics of Melia azedarachand Firmiana Platanifolia under Stress of Cd2+[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2020, 45(9): 66-70. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2020.09.011
Citation: Yao CHEN, Ling LI, Qiang-ying ZHOU, et al. On Physiological Responses and Accumulation Characteristics of Melia azedarachand Firmiana Platanifolia under Stress of Cd2+[J]. Journal of Southwest China Normal University(Natural Science Edition), 2020, 45(9): 66-70. doi: 10.13718/j.cnki.xsxb.2020.09.011
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On Physiological Responses and Accumulation Characteristics of Melia azedarachand Firmiana Platanifolia under Stress of Cd2+

  • School of Horticulture and Landscape Architecture, Southwest University, Chongqing 400715, China

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  • Corresponding author: Ling LI ; 
  • Received Date: 20/01/2020
    Available Online: 20/09/2020

  • MSC: S718.43

  • Taking Melia azedarach and Firmiana platanifolia as experimental materials, the growth physiological responses, absorption and accumulation characteristics of Cd of the two species under different Cd concentration (mild 1 mg/kg, moderate 10 mg/kg, severe 50 mg/kg) have been investigated by pot experiment. The results show that the leaves and roots of the two species showed obvious signs of persecution under severe Cd stress, which was spontaneous remission with time. The biomass, total chlorophyll of the two species first increased and then decreased under Cd2+ stress, with MDA content increasing, the SOD activity of Melia azedarachincreasing and the SOD activity of Firmiana platanifolia decreasing. Combined, Firmiana platanifolia was more tolerant in long term under Cd2+ stress. The Cd2+ accumulation was in an order of root > the overground parts in Melia azedarach and of the overground parts > root in Firmiana platanifolia. The Cd2+ average enrichment of single plants of Firmiana platanifolia was higher than that of Melia azedarach. The results show that Firmiana platanifolia has greater Cd2+ enrichment abilityand it is more suitabe for phytoextraction of heavy Cd contaminated soil. Taken together, Firmiana platanifolia has a greater potential for remediation of Cd contaminated soil than Melia azedarach.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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On Physiological Responses and Accumulation Characteristics of Melia azedarachand Firmiana Platanifolia under Stress of Cd2+

    Corresponding author: Ling LI ; 
  • Received Date: 20/01/2020
  • Available Online: 20/09/2020

Abstract: Taking Melia azedarach and Firmiana platanifolia as experimental materials, the growth physiological responses, absorption and accumulation characteristics of Cd of the two species under different Cd concentration (mild 1 mg/kg, moderate 10 mg/kg, severe 50 mg/kg) have been investigated by pot experiment. The results show that the leaves and roots of the two species showed obvious signs of persecution under severe Cd stress, which was spontaneous remission with time. The biomass, total chlorophyll of the two species first increased and then decreased under Cd2+ stress, with MDA content increasing, the SOD activity of Melia azedarachincreasing and the SOD activity of Firmiana platanifolia decreasing. Combined, Firmiana platanifolia was more tolerant in long term under Cd2+ stress. The Cd2+ accumulation was in an order of root > the overground parts in Melia azedarach and of the overground parts > root in Firmiana platanifolia. The Cd2+ average enrichment of single plants of Firmiana platanifolia was higher than that of Melia azedarach. The results show that Firmiana platanifolia has greater Cd2+ enrichment abilityand it is more suitabe for phytoextraction of heavy Cd contaminated soil. Taken together, Firmiana platanifolia has a greater potential for remediation of Cd contaminated soil than Melia azedarach.

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  • 近年来, 工业三废的大量排放、大气沉降、污水灌溉、农药和肥料的不合理使用造成了严重的土壤重金属污染[1]. 2014年国家发布的《全国土壤污染状况调查公报》[2]指出, 镉的点位超标率达到7.0%, 在8种无机污染物中居最高, 是目前污染最严重的重金属之一.镉具有很强的致癌致畸作用和生物累积效应, 能够引发骨痛病、肝脏损伤[3], 潜在威胁人体健康.植物修复是生物修复的一种, 它与传统的物理、化学修复相比具有成本低、不破坏土壤、不引起二次污染的优点.而木本植物与草本相比生物量大、寿命长, 具备良好的环境生态效应, 其可以将重金属累积在根、茎内, 收获的木材可用作家具、建材, 避免重金属再进入食物链.

    楝(Melia azedarach)为楝科、楝属落叶乔木, 其生长速度快, 对土壤要求不严, 木材易加工[4], 同时能大量吸收有毒有害气体, 是优良的城市及矿区绿化树种[5].梧桐(Firmiana platanifolia)是梧桐科、梧桐属落叶大乔木, 其树形优美、寿命长、生长速度快, 对多种有害气体有较强耐性, 是优良的矿区绿化[6]及农田防护林速生经济树种[7].康薇等[8]对矿区植物调研发现, 苦楝、梧桐对土壤镉的平均富集系数大于1, 具备优良的土壤镉修复潜力.

    本研究以苦楝、梧桐1年生幼苗为试验材料, 通过盆栽试验的方式, 从形态特征、生物量、生理响应、重金属累积分配等方面探究2个树种对不同程度土壤镉污染的耐性及富集能力差异, 以期为筛选具优良土壤镉修复潜力的树种用于植物修复提供参考.

1.   材料与方法

    1.1.   试验材料

  • 以1年生楝、梧桐幼苗为试验材料.种子于2017年10月采集于西南大学校园内, 干藏至来年3月[9], 50 ℃温水浸种催芽、播种. 5月挖取长势一致的幼苗(株高约15~20 cm), 移栽至底部带托盘的营养钵中(直径28 cm, 高20 cm), 每盆装紫色土5 kg(干质量), 移至西南大学农场遮阳网下培养1个月.

    • 1.2.   试验设计

  • 用CdCl2·2.5H2O(分析纯)配制不同浓度的CdCl2溶液各300 mL, 一次性浇入营养钵中, 渗出液反复回浇, 直到Cd2+与盆土均匀混合.施加重金属后2 d内不浇水, 在实生苗上方搭建雨棚以防止雨水的淋溶作用, 后期进行常规管理.参照《土壤环境质量标准GB15618—2018》设置1个对照组及3个镉处理组：轻度污染(1 mg/kg)、中度污染(10 mg/kg)和重度污染(50 mg/kg).每个处理3次重复(盆), 每盆3株.

    • 1.3.   指标测定与数据分析

  • 处理90 d后收获植株, 用自来水洗净后, 再用蒸馏水冲洗3遍, 于105 ℃杀青30 min, 80 ℃恒温烘干至恒重, 称量地上部、根部及总生物量.将烘干材料研磨过1 mm筛, 硝酸-高氯酸混合消化后用Z-5000原子吸收分光光度计测定植株地上部、根部Cd含量[10].处理10 d, 20 d, 30 d, 40 d和50 d分别摘取幼苗功能叶, 采用丙酮乙醇混合液提取法[10]测定叶绿素质量分数, 硫代巴比妥酸法[10]测定丙二醛(MDA)含量, 氮蓝四唑法[10]测定超氧化物歧化酶(SOD)活性, 考马斯亮蓝法[10]测定可溶性蛋白含量.

    采用Microsoft Excel 2007进行数据统计, SPSS.25进行方差分析及差异显著性分析, Duncan多重比较检验各处理间组与对照间是否具有显著差异性, 采用Orgin7.5进行图表制作.

2.   结果与分析

    2.1.   土壤Cd2+胁迫下楝和梧桐1年生幼苗的形态学及生长特性

    2.1.1.   形态学特征

  • 试验过程中, 轻、中度镉胁迫下, 楝、梧桐未出现明显的毒害症状.处理10 d后, 楝在重度镉胁迫下叶片褪绿发黄、叶脉扭曲, 随着时间的延长而逐渐缓解.梧桐在重度镉胁迫下叶片出现黑色病斑, 叶脉粗大呈红色, 叶柄发黑, 也随时间的延长而缓解.处理90 d后, 随镉浓度升高, 楝根长受到明显抑制, 根系变小, 梧桐全株未表现出毒害症状.

    • 2.1.2.   对各部位的生物量的影响

  • 试验结果看出, 随重金属浓度升高, 楝、梧桐各部位生物量均先增大后减小, 除了梧桐根部, 均在轻度处理组达到峰值, 地上部生物量分别比对照(CK)增加了32.44%, 101.6%, 差异有统计学意义(p＜0.01).重度镉胁迫下, 楝、梧桐各部分生物量小幅度降低. 90 d后, 梧桐各处理组总生物量增幅均大于楝, 体现出更强的镉耐性(表 1).

    • 2.2.   土壤Cd2+胁迫下楝、梧桐1年生幼苗的生理耐性

    2.2.1.   对叶绿素的影响

  • 试验结果看出, 镉胁迫10 d, 楝各处理组叶绿素质量分数激增, 分别比CK高120.6%, 82%, 64.4%, 差异有统计学意义(p＜0.05). 10 d以后, 重度处理组叶绿素质量分数均低于CK, 50 d降至最低.胁迫前40 d, 梧桐叶绿素质量分数随镉浓度升高而先增大后减小, 在中度(10 mg/kg)处理组升至峰值, 10 d比CK高21.74%(p＜0.05).处理50 d胁迫程度加重, 梧桐叶绿素含量随镉浓度升高而递减(图 1).

    • 2.2.2.   对MDA含量的影响

  • 由图 2可知, 镉胁迫下, 楝叶片MDA含量增加, 整体随镉浓度升高而递增.各处理组MDA含量在10 d达到最大, 分别比CK增加了51.32%, 164.5%, 178.3%, 差异有统计学意义(p＜0.05).随镉浓度升高, 梧桐MDA含量整体递增, 重度处理组在10 d时到达峰值, 为34.1 nmol/g, 为对照的2.13倍, 差异有统计学意义(p＜0.01).

    • 2.2.3.   对SOD活性的影响

  • 由图 3可知, 胁迫前20 d, 楝体内SOD活性随镉浓度升高而先升后降, 在轻度(1 mg/kg)胁迫下达到峰值, 20 d比CK高20.77%, 差异有统计学意义(p＜0.05).镉胁迫前20 d, 梧桐SOD活性随镉浓度升高而降低, 后30 d轻度胁迫组SOD活性激增, 第30 d比CK高18.11%(p＜0.05).

    • 2.3.   楝、梧桐对重金属镉的富集特性

  • 试验结果看出, 所有处理浓度下, 楝体内镉质量分数均表现为根部大于地上部；梧桐在重度处理组镉质量分数分布为根部大于地上部, 其他处理下为地上部大于根部.楝、梧桐各部位镉质量分数及单株富集量均随外源镉的升高而增大.楝、梧桐单株镉富集量分别在重度污染下达到162.590 mg和369.438 mg.除了轻度处理组, 梧桐单株镉富集量均大于楝, 说明梧桐在中、重度污染下对镉的富集能力强于楝.相同处理水平下, 梧桐的镉转移系数大于楝, 体现出更强的镉转运能力(表 2).

3.   讨论与结论

  • 研究发现, 当植物体内镉含量超过临界值便会引起植物生长迟缓、根系发育受阻[11]、生物量降低[12], 甚至死亡.本试验中, 楝、梧桐的胁迫症状体现出2个树种对轻、中度镉污染有较强的耐性, 对重度镉污染有短期的敏感性及长期的耐受能力.生物量变化则说明2个树种均在10 mg/kg至50 mg/kg之间存在一个耐镉临界值, 胁迫浓度高出这个值植物生长受到抑制.

    本试验中, 楝、梧桐在镉胁迫下叶绿素质量分数整体表现为先升后降, 与苹果幼苗[13]的研究结果一致.可能是低浓度镉的络合物促进了植物对于土壤中必需元素的吸收, 促进了卟啉环的合成, 增加了叶绿素质量分数[14], 而重度镉可能破坏了叶绿素生物合成途径相关酶结构[15], 导致叶绿素含量降低. MDA作为膜脂过氧化的产物, 其含量高低反应出细胞膜损伤程度.楝、梧桐在镉胁迫下质膜损伤加重, 与玉米[16]、洋甘菊[17]研究结果相似.

    研究发现大多数植物通过将镉固定在根部, 限制其长距离运输, 降低对重要生理过程的干扰[18].本研究发现楝将大部分的镉累积在根部, 而梧桐在轻、中度镉胁迫下将大部分镉累积在地上部分, 体现出2个树种不同的镉累积策略.根据超富集植物的定义[19], 楝、梧桐均不是超富集植物.木本植物相比草本具有生物量大的优点, 因此可从单株富集量来评价2个树种的镉富集能力.梧桐的镉富集能力强于楝, 且具备较强的镉转运能力, 适用于重度镉污染土壤的植物提取或植物固定修复.楝对镉的单株富集量较大, 可用于植物固定修复.

    综合来看, 楝、梧桐对土壤镉胁迫耐性较强, 轻、中度土壤镉污染对2个树种影响不大.梧桐对镉的长期耐性大于楝, 且具备更强的镉富集、转移能力, 适用于重度镉污染土壤的植物修复.

    本试验采取盆栽试验, 能更真实地反映幼苗在自然生长条件下对镉的耐受富集特性, 但田间试验不可控因素较多, 譬如土壤理化性质、根际微生物的差异等, 影响了试验的准确性.而盆栽培养一定程度上限制了幼苗根系的生长, 影响幼苗总生物量的增长, 这有待进一步优化.本试验采用的材料是1年生幼苗, 培养时间较短, 仅能反映2个树种在遗传特性上对镉的耐受富集特性, 具有一定局限性.下一步研究可以采用多年生树种, 探究植物在不同年龄阶段对镉的耐受富集能力.

Figure (3)  Table (2) Reference (19)

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