镉胁迫下杂交狼尾草微量元素...n、Mn、Cu的吸收和转运_吴娟子.pdf

DOI:10.11829/j.issn.1001-0629.2022-0548吴娟子，钱晨，刘智微，钟小仙.镉胁迫下杂交狼尾草微量元素 Fe、Zn、Mn、Cu 的吸收和转运.草业科学,2023,40(1):133-143.WUJZ,QIANC,LIUZW,ZHONGXX.EffectofcadmiumstressontheabsorptionandtransportationofmetalmicronutrientelementsinHybridPennisetum.PrataculturalScience,2023,40(1):133-143.镉胁迫下杂交狼尾草微量元素 Fe、Zn、Mn、Cu 的吸收和转运吴娟子1,2,3，钱晨1,2,3，刘智微1,2,3，钟小仙1,2,3（1.江苏省农业科学院国家牧草育种创新基地，江苏南京210014；2.农业农村部种养结合重点实验室，江苏南京210014；3.江苏省农业科学院畜牧研究所，江苏南京210014）摘要：为探究杂交狼尾草(Pennisetum americanumP.purpureum)对镉(Cd)胁迫的响应机制，采用盆栽试验，研究了不同浓度 Cd 胁迫下必需微量金属元素铁(Fe)、锌(Zn)、锰(Mn)、铜(Cu)的吸收、转运。结果表明：Cd 处理下杂交狼尾草株高、分蘖数和生物产量均显著降低(P0.05)，60mgkg1Cd 处理下根中 Fe、Zn 含量显著增加、Mn 含量略有增加，70mgkg1Cd 处理下根中 Fe、Zn、Mn 含量均显著增加，增幅分别高达97.69%、45.14%和 13.00%。Cd 处理显著降低地上部分 Mn 含量，对地上部分 Fe、Zn、Cu 含量无显著影响。Cd 胁迫增大了根部 Fe 和 Zn 吸收系数、减小了地上部分 Zn 和 Mn 吸收系数，降低了 Fe、Zn、Mn 向上运输的能力。6070mgkg1Cd 胁迫下杂交狼尾草根中 Cu 含量略有增加、地上部 Cu 含量略有下降(P0.05)，Cu 向上转运能力被显著抑制(P0.05)。Cd 处理下叶片硝酸还原酶活性显著下降(P0.05)，谷胱甘肽过氧化物酶活性显著升高(P0.05)。研究结果表明，杂交狼尾草对 Cd 具有一定的耐受性，地上部分 Fe、Zn、Cu 水平无显著变化、Mn 水平被抑制，Mn 相关酶活性变化大；这为开发缓解 Cd 毒害的生理阻控材料提供了科学依据。关键词：杂交狼尾草；镉胁迫；微量元素；金属元素；锰；硝酸还原酶；谷胱甘肽过氧化物酶文献标志码：A文章编号：1001-0629(2023)01-0133-11Effect of cadmium stress on the absorption and transportation ofmetal micronutrient elements in Hybrid PennisetumWUJuanzi1,2,3,QIANChen1,2,3,LIUZhiwei1,2,3,ZHONGXiaoxian1,2,3(1.NationalForageBreedingInnovationBase(JAAS),Nanjing210014,Jiangsu,China;2.KeyLaboratoryforCropandAnimalIntegratedFarming,MinistryofAgricultureandRuralAffairs,Nanjing210014,Jiangsu,China;3.InstituteoflivestockScience,JiangsuAcademyofAgriculturalScience,Nanjing210014,Jiangsu,China)Abstract:ToexploretheresponsemechanismofPennisetum americanumP.purpureumtocadmium(Cd)stress,potexperimentswereconductedtostudytheeffectsofdifferentconcentrationsofCdontheaccumulationofmicronutrientelementsincludingiron(Fe),zinc(Zn),manganese(Mn),andcopper(Cu).Theresultsshowedthat1)CdsignificantlyinhibitedthegrowthofP.americanumP.purpureumanddecreasedtheplantheight,tillernumber,anddrymatteryield(P收稿日期：2022-07-05接受日期：2022-09-14基金项目：国家自然科学基金项目(31901384)；江苏省农业科学院探索性颠覆性创新计划项目(ZX(17)2017)；江苏省林业发展专项资金“江苏省农业科学院牧草种质资源库”(苏财资环 202218 号)第一作者：吴娟子(1977-)，女，湖北京山人，研究员，博士，研究方向为草遗传育种与生态应用。E-mail:通信作者：钟小仙(1968-)，女，浙江慈溪人，研究员，博士，研究方向为草遗传育种与生态应用。E-mail:第40卷第1期草业科学133-143Vol.40,No.1PRATACULTURALSCIENCE1/2023http:/0.05);2)comparedtothecontrol,26mgkg1CdhadnosignificanteffectonthecontentofFe,Zn,Mn,andCuintheroots,whereas70mgkg1CdsignificantlyincreasedthecontentofFe,Zn,andMnintherootsby97.69%,45.14%,and13.00%respectively;3)CdstresssignificantlyreducedthecontentofMnby29.30%32.23%buthadnosignificanteffectonthecontentofFe,Zn,andCuinaerialparts;4)Cdstressincreasedthebioconcentrationfactor(BCF)valueofFeandZnintheroot,decreasedtheBCFvalueofZnandMnintheaerialpart,andinhibitedthetransportofFe,Zn,andMnfromtherootstoaerialparts;6070mgkg1CdsignificantlyinhibitedtheupwardtransportofCuinP.americanumP.purpureum;and5)theactivityofnitratereductasedecreased,however,theactivityofglutathioneperoxidaseincreasedsignificantly.TheresultsshowedthatP.americanumP.purpureumhadgoodtoleranceforCdstressanddidnotsignificantlychangethelevelsofFe,Zn,andCu;inhibitedthelevelsofMn,andchangedtheactivitiesofMn-relatedenzymesgreatly.TheseresultsprovideascientificbasisfordevelopingphysiologicalcontrolmaterialswiththefunctionofalleviatingCdtoxicity.Keywords:Pennisetum americanum P.purpureum;cadmium stress;micronutrient elements;metallic elements;manganese;nitratereductase;glutathioneperoxidaseCorresponding author:ZHONGXiaoxianE-mail:镉(Cadmium，Cd)被联合国环境规划署(UnitedNationsEnvironmentProgramme，UNEP)列为 12 种全球性危险物质之首，极微量的 Cd 即可对人体造成伤害，Cd 可通过食物链在植物体、动物体、人体内大量富集，危害人和动物健康，甚至造成死亡1-2。Cd 是我国耕地土壤中污染物点位超标率最高的重金属元素，因此移除污染土壤中的 Cd 至关重要且十分紧迫3。植物提取修复是一种经济、高效且环境友好的去除土壤 Cd 污染的方法，应用前景广阔4-5。杂交狼尾草(Pennisetum americanumP.purpureum)是一种优良的禾本科牧草，具有抗逆性强、适应性广、生物产量高的特点，近年来研究者发现其 Cd 耐受性强，具有中等积累 Cd 的能力，由于其产量高，杂交狼尾草从土壤中提取的 Cd 总量相当可观6-8。而且杂交狼尾草不仅可作为优质青饲料、理想的水土保持作物，还是优质纸浆、绿色环保型复合人造板、木质纤维素类能源的优质原料，其收获物规模化利用时可避免进入食物链，是一种非常具有前途的 Cd污染修复植物8-9。铁(Fe)、锌(Zn)、锰(Mn)、铜(Cu)是植物必需的微量金属元素，是多种酶的组分和活化剂，参与植物光合、呼吸、激素合成、氮代谢等多种生理过程，对植物生长发育具有重要意义10-13。研究表明，植物中 Cd 与其他金属阳离子竞争吸附结合位点，改变 Cd 与阳离子在根际微环境中的平衡关系，进而影响植物对这些元素的吸收，外施 Fe、Zn、Mn 能够缓解 Cd 对植物的毒害作用14-16。但 Cd 与金属营养元素的互作非常复杂，在水稻(Oryza sativa)、小麦(Triticum aestivum)、玉米(Zea mays)、大豆(Phaseolusvulgaris)等多种作物中，Cd 与这些元素相互作用研究结果报道不一致甚至相反16-22。江苏省农业科学院牧草育种与生态应用创新团队利用杂交狼尾草在湖南 Cd 污染农田开展了多年大规模示范展示试验，结果表明其是一种非常具有潜力的替代植物。本研究拟通过盆栽试验，探究 Cd 胁迫对杂交狼尾草中几种必需微量金属元素吸收的影响，旨在探究杂交狼尾草对土壤 Cd 污染的耐性机制，为杂交狼尾草应用于 Cd 污染土壤修复提供科学依据，以期为开发具有缓解 Cd 毒害功能的生理阻控材料奠定基础。1 材料与方法 1.1 试验材料和试验设计杂交狼尾草幼苗由江苏省农业科学院畜牧研究所提供。将杂交狼尾草茎节扦插成苗，生长约 30d后选取长势一致、生长健壮的幼苗开展土壤 Cd 胁迫盆栽试验，土壤为田间表层土壤，土壤类型为粘土，有机质含量为33.20gkg1，总氮含量为1.91gkg1，有效磷含量为 11.50mgkg1，有效钾含量为 78.00mgkg1，总铁含量为 20434.00mgkg1，总锰含量为425.33mgkg1，总锌含量为 54.97mgkg1，总铜含量为 18.67mgkg1，总镉含量为 0.35mgkg1。试验设置 1 个对照组(CK，不添加外源 Cd)和134草业科学第40卷http:/3 个 Cd 处理组(T1、T2和 T3，添加外源 Cd)。将 Cd以 CdCl22.5H2O 的形态加入到处理组土壤中，连续7d 混拌均匀，静置 3 周后将土壤分别装入相应的塑料桶中，每桶装 25kg。将杂交狼尾草幼苗移栽至桶中，每桶栽植 2 株，定根存活后，每桶仅保留 1 株，每一处理 6 个重复。植株置于江苏省农业科学院玻璃温室中，保持养分和水分管理一致。Cd 胁迫处理85d 后进行取样，每个处理重复取样 3 次。1.2 样品采集、处理和生长指标测定将 CdCl22.5H