[發(fā)明專利]一種重金屬鎘脅迫對七里香特性影響的研究

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• 申請日: 2018-09-28
• 公開（公告）號: CN109121988A
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 公維昌;劉艷紅;陳亞青
• 申請（專利權(quán)）人: 紅河學(xué)院
• 主分類號: A01G17/00
• 分類號: A01G17/00
• 代理公司: 西安匯恩知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61244
• 代理人: 邢立立

1.一種重金屬鎘脅迫對七里香特性影響的研究，其特征在于：它的研究方法如下：

(1)、實(shí)驗(yàn)材料的準(zhǔn)備

(1.1)、植物材料為一年生的七里香實(shí)生苗；

(1.2)、供試土壤為未栽培過作物的紅壤；

(1.3)、所用試劑為硝酸鎘、分析純；

(2)、試驗(yàn)方法

(2.1)、土壤盆栽實(shí)驗(yàn)：取適量土壤，經(jīng)過自然風(fēng)干、錘碎后，與Cd²⁺溶液混合均勻并分別裝入袋中，每份10kg，設(shè)置Cd²⁺濃度梯度為0(CK)、25、50、100、200、400mg/kg，以不加Cd作為對照，每個(gè)處理5個(gè)重復(fù)，栽培袋底部用塑料袋套住，平衡14天，平衡期過后，選取株高相近、莖粗相近、葉片大小和數(shù)量相近的七里香苗并移栽到實(shí)驗(yàn)盆中，種植三個(gè)月后，進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測定，土壤平衡與種植期間，要保證土壤的含水量在60％左右；

(2.2)、生理指標(biāo)的測定：超氧化歧化酶的活力測定采用氮藍(lán)四唑比色法、過氧化氫酶活力的測定采用紫外吸收法進(jìn)行測定、過氧化物酶活力的測定采用愈創(chuàng)木酚法進(jìn)行測定、丙二醛含量的測定采用硫代巴比妥酸法測定；

(2.3)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)的測定：采用Li-6400便攜式光合儀進(jìn)行光合參數(shù)的測定；在晴天的晚上21:00-22:00，測定時(shí)采用葉室大小為3×2cm²，所用光源、溫度、濕度、二氧化碳濃度均為自然狀態(tài)下，測定參數(shù)為初始熒光、最大熒光、恒態(tài)熒光、熒光上升到能化類囊體最大熒光，并計(jì)算PSⅡ最大光化學(xué)效率、非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)、PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率，計(jì)算公式如下：

PSⅡ最大光化學(xué)效率：Fv/Fm＝(Fm-Fo)/Fm

非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)：NPQ＝(Fm-Fm')/Fm'

PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率：ΦPSII＝(Fm'-Fs)/Fm'，其中F0為初始熒光、Fm為最大熒光、Fs為恒態(tài)熒光、Fm’為熒光上升到能化類囊體最大熒光、Fv/Fm為PSⅡ最大光化學(xué)效率、NPQ為非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)、ΦPSII為PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)效率；

(2.4)、重金屬鎘含量的測定：種植三個(gè)月后，分別稱取0.2g烘干后的根、莖、葉樣品后，粉碎，100目過篩，加入8ml消解液，消解液的濃度為HNO₃∶H₂O₂＝6∶2，置于微波消解儀中進(jìn)行消解；待材料完全消解并冷卻至室溫，加入稀HNO₃定容后，采用火焰原子吸收光譜法測定植物材料中Cd含量，重復(fù)測定3次，并計(jì)算出TF，即，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)以及與BCF，即，富集系數(shù)：

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)＝地上部分平均鎘含量/根部平均鎘含量

根生物富集系數(shù)＝根部平均鎘含量/土壤中鎘的含量

地上部分生物富集系數(shù)＝地上部分平均鎘含量/土壤中鎘的含量；

(3)、數(shù)據(jù)處理

采用Origin 8.5和Past 2.08進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

(4)、結(jié)果分析

(4.1)、不同濃度Cd處理對七里香抗氧化酶的活力及丙二醛含量的影響：

在Cd的脅迫下，七里香體內(nèi)的SOD活力在100mg/kg土壤Cd脅迫下時(shí)出現(xiàn)最高值為425.15±2.41U/g，其余Cd脅迫下均無顯著性差異，且顯著低于對照組；POD的活力值在25mg/kg土壤Cd脅迫時(shí)出現(xiàn)最大值為137.24±1.37U/(g·min)，同比對照組增加了38.96％，土壤Cd水平為400mg/kg時(shí)出現(xiàn)最小值為43.91±1.61U/(g·min)，同比對照組降低55.54％；CAT的活力土壤Cd為100mg/kg時(shí)出現(xiàn)最大值0.87±0.03U/(g·min)，同比對照組增加了19.18％，其余Cd脅迫下均無顯著性差異；SOD、POD、CAT在400mg/kg土壤Cd脅迫下，活力均低于對照組，同比對照組分別下降了16.75％、55.54％、5.48％，七里香在Cd脅迫處理中，其體內(nèi)各抗氧化酶的活力能正常調(diào)節(jié)其活性氧代謝平衡，保護(hù)植物不受傷害，對Cd具有較強(qiáng)的耐受性；

MDA的含量隨土壤Cd濃度的增加逐漸降低，且整體水平低于對照組；MDA含量在Cd處理濃度為100mg/kg時(shí)出現(xiàn)最小值0.33±0.005μmol/g，同比對照組降低了32.65％；在Cd處理濃度為400mg/kg時(shí)，其含量為0.42±0.005μmol/,仍比對照組低18.37％，七里香葉片內(nèi)的膜脂過氧化程度較低，葉片內(nèi)的膜脂未受到傷害，七里香對Cd具有較強(qiáng)的耐受性；

(4.2)、不同濃度的鎘處理對七里香熒光特性的影響：

在土壤Cd濃度為25mg/kg時(shí)，七里香出現(xiàn)最大Fv/Fm值，0.87±0.02，比對照組高1.16％；最小值出現(xiàn)在Cd濃度為400mg/kg時(shí)，比對照組低4.65％；七里香的Fv/Fm值介于0.82-0.87之間，符合一般植物的正常范圍，這說明，七里香在Cd脅迫下其光合器官內(nèi)的PSII未受到損傷；

七里香的NPQ值隨土壤Cd濃度的升高而逐漸上升，最大值出現(xiàn)在Cd處理濃度為400mg/kg時(shí)，0.45±0.07，比對照組高80.00％，最小值則出現(xiàn)在對照組中,0.25±0.02，七里香光合機(jī)構(gòu)中的光保護(hù)能力，會隨土壤Cd濃度的升高而增強(qiáng)，且光合器官未受到損傷，植物可正常進(jìn)行光合作用；

七里香的ΦPSII值在25mg/kg的Cd脅迫下出現(xiàn)最大值，比對照組高1.0％，其余脅迫下均無顯著性差異，七里香在Cd脅迫下，其體內(nèi)的光保護(hù)能力增強(qiáng)，光合器官沒有受到光脅迫，各光合過程未受到影響，光合作用可以正常進(jìn)行，對碳的固定和同化能力也未受到影響；

(4.3)、重金屬Cd在七里香體內(nèi)的分布及富集特征：

隨重金屬Cd濃度的升高，七里香的根、莖、葉內(nèi)富集的Cd含量也隨之顯著性上升，其不同部位對Cd的積累特征不同，土壤Cd水平介于0-50mg/kg時(shí)，其地上部分富集的Cd能力高于地下根；當(dāng)土壤Cd水平高于100mg/kg時(shí)，其地下根富集Cd速度高于地上部分，隨土壤Cd濃度的增加，七里香地上部分以及地下部分富集的Cd含量不斷增加；七里香的地上部分和根部富集的Cd含量在400mg/kg的Cd脅迫時(shí)具有最大值分別為77.92±1.20mg/kg和111.63±6.94mg/kg，七里香能將環(huán)境中的Cd不斷吸收到植物的體內(nèi)，且隨土壤Cd濃度的增加不斷提高；

土壤Cd濃度在0-50mg/kg時(shí)，七里香對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為1.19±0.18–1.91±0.25；隨著土壤Cd濃度的增加，尤其是當(dāng)土壤Cd水平高于100mg/kg時(shí)，七里香對Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.7±0.14–0.74±0.08，且不同濃度處理間無顯著性差異；這說明七里香可有效的轉(zhuǎn)移根部富集的重金屬Cd，地上部分生物富集系數(shù)和根生物富集系數(shù)在25mg/kg土壤Cd時(shí)分別具有最大值1.58±0.04和1.38±0.21，但隨著重金屬Cd處理濃度的升高而顯著降低，說明七里香在Cd脅迫下，能不斷的抽提土壤中的重金屬Cd，但其抽提能力隨土壤Cd水平的提高不斷降低，且在土壤Cd濃度為25mg/kg時(shí)具有最大抽提能力；

(5)、結(jié)果討論

(5.1)、重金屬Cd的脅迫下七里香葉的抗氧化酶響應(yīng)及保護(hù)機(jī)制：

植物受到干旱、高溫、低溫以及重金屬等脅迫時(shí)，大量的活性氧會在體內(nèi)產(chǎn)生，不斷積累后對植物產(chǎn)生次級脅迫，使細(xì)胞膜的膜脂過氧化，損傷植物的細(xì)胞膜；抗氧化酶系統(tǒng)，是植物防御系統(tǒng)之一，其中SOD酶是抗氧化酶系統(tǒng)的第一道屏障，它通過催化超氧陰離子自由基O₂^－轉(zhuǎn)化為H₂0₂和基態(tài)氧的反應(yīng)，清除大量的超氧陰離子，避免細(xì)胞受到傷害，超氧陰離子轉(zhuǎn)化為H₂0₂和基態(tài)氧后，產(chǎn)生的H₂0₂也會對細(xì)胞造成傷害；POD酶和CAT酶可將H₂0₂催化分解為水和氧氣，保護(hù)植物細(xì)胞，植物處于脅迫或器官衰老、細(xì)胞死亡時(shí)，抗氧化酶清除活性氧的速率會低于其產(chǎn)生的速率，導(dǎo)致細(xì)胞膜的膜脂過氧化程度增強(qiáng)，其終產(chǎn)物丙二醛的含量也隨之上升，因此，MDA含量的高低可反映細(xì)胞的膜脂過氧化程度，在該研究中，七里香體內(nèi)SOD酶活力和CAT酶活力隨Cd濃度的增加并未出現(xiàn)顯著的提高，POD酶活力則隨Cd濃度增加先上升后下降，這與目前在任豆種子上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似；而且，七里香葉內(nèi)MDA的含量整體低于對照組，說明在鎘脅迫下，細(xì)胞膜未受到傷害，其抗氧化酶可以有效的保護(hù)七里香葉片免受膜脂過氧化傷害，七里香對重金屬Cd有很強(qiáng)的耐受性；

(5.2)、重金屬Cd的脅迫下七里香葉綠素?zé)晒獾淖兓?/p>

植物葉綠素?zé)晒鈩恿W(xué)中，各項(xiàng)葉綠素?zé)晒鈪?shù)指標(biāo)的變化情況，可以反映出任何逆境對植物體內(nèi)光合作用的影響，F(xiàn)v/Fm值反映了植物PSⅡ的損傷情況，在非脅迫的情況下，該值不會受到物種和生長條件的影響，通常穩(wěn)定在0.80-0.85之間，因此，該值也可以反映出植物是否受到脅迫，NPQ值是非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)，其值的大小反映了PSII反應(yīng)中心的天線色素，在吸收了過量的光能后通過提高非輻射性熱耗散，消耗過量的能量，保護(hù)光合機(jī)構(gòu)免受破壞的能力強(qiáng)弱，屬于植物的一種自我保護(hù)機(jī)制，當(dāng)植物受到脅迫時(shí)，非光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)NPQ即植物的光保護(hù)能力會出現(xiàn)變化，其值越大表示植物的光保護(hù)能力越強(qiáng)，相應(yīng)的PSII實(shí)際光化學(xué)效率ΦPSII值也會有所變化，ΦPSII表示PSII實(shí)際光化學(xué)效率，其值的大小代表植物同化力的強(qiáng)弱，值越大，植物的同化力越大，對碳的固定和同化能力也越強(qiáng)，在該研究中，F(xiàn)v/Fm和ΦPSII的值隨鎘濃度的上升而先上升后下降，NPQ的值則不斷上升，這與目前在研究一年蓬在不同濃度Cd脅迫下的葉綠素?zé)晒馓匦缘慕Y(jié)果相似，說明七里香在鎘脅迫下，體內(nèi)的光保護(hù)機(jī)制對光合器官進(jìn)行較好的保護(hù)，使其能進(jìn)行正常的光合作用，未受到鎘的脅迫；

(5.3)、重金屬Cd脅迫下七里香的富集及轉(zhuǎn)移特征：

植物對重金屬的耐性是指在高濃度的重金屬污染環(huán)境中，植物仍能正常生長，并未受到明顯的損傷，且體內(nèi)有一定量的重金屬；超富集植物是指植物可利用自身各類機(jī)制，將環(huán)境中的重金屬超量吸收并轉(zhuǎn)運(yùn)到植物地上部分，而不同的重金屬，其對超富集植物的定義也不同，鎘富集植物是指植物的地上部分含鎘量必須大于100mg/kg，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)反映了某種元素從植物根部向植物地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)難易程度，生物富集系數(shù)則反映了其對重金屬的富集能力的強(qiáng)弱，在該研究中，七里香在各個(gè)鎘濃度處理下，均能正常生長，且與對照組無明顯形態(tài)差異；經(jīng)測定，其體內(nèi)的鎘含量未達(dá)到鎘超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，不屬于鎘超富集植物，但對鎘表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性及富集轉(zhuǎn)移能力；

(6)、研究結(jié)論

在該研究中，鎘脅迫下的七里香未出現(xiàn)死亡及受毒害現(xiàn)象，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生命力，體內(nèi)的抗氧化酶被誘導(dǎo)以消除產(chǎn)生的活性氧對細(xì)胞膜的破壞，保護(hù)植物細(xì)胞不受脅迫；各項(xiàng)葉綠素?zé)晒鈪?shù)也反映出七里香并未受到鎘的較大脅迫，能正常進(jìn)行光合作用；在對七里香體內(nèi)的鎘含量進(jìn)行測定時(shí)，根莖葉內(nèi)均有一定的的鎘積累量，但未到達(dá)鎘超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)，不屬于鎘超富集植物，以上說明七里香在鎘的脅迫下，能正常生長，其體內(nèi)抗氧化酶能正常清除活性氧，光合作用未受到影響，對鎘具有一定的富集作用且有較強(qiáng)的耐受性。