[发明专利]一种重金属镉胁迫对七里香特性影响的研究

权利要求书

1.一种重金属镉胁迫对七里香特性影响的研究，其特征在于：它的研究方法如下：

(1)、实验材料的准备

(1.1)、植物材料为一年生的七里香实生苗；

(1.2)、供试土壤为未栽培过作物的红壤；

(1.3)、所用试剂为硝酸镉、分析纯；

(2)、试验方法

(2.1)、土壤盆栽实验：取适量土壤，经过自然风干、锤碎后，与Cd²⁺溶液混合均匀并分别装入袋中，每份10kg，设置Cd²⁺浓度梯度为0(CK)、25、50、100、200、400mg/kg，以不加Cd作为对照，每个处理5个重复，栽培袋底部用塑料袋套住，平衡14天，平衡期过后，选取株高相近、茎粗相近、叶片大小和数量相近的七里香苗并移栽到实验盆中，种植三个月后，进行相关指标的测定，土壤平衡与种植期间，要保证土壤的含水量在60％左右；

(2.2)、生理指标的测定：超氧化歧化酶的活力测定采用氮蓝四唑比色法、过氧化氢酶活力的测定采用紫外吸收法进行测定、过氧化物酶活力的测定采用愈创木酚法进行测定、丙二醛含量的测定采用硫代巴比妥酸法测定；

(2.3)、叶绿素荧光参数的测定：采用Li-6400便携式光合仪进行光合参数的测定；在晴天的晚上21:00-22:00，测定时采用叶室大小为3×2cm²，所用光源、温度、湿度、二氧化碳浓度均为自然状态下，测定参数为初始荧光、最大荧光、恒态荧光、荧光上升到能化类囊体最大荧光，并计算PSⅡ最大光化学效率、非光化学荧光淬灭系数、PSⅡ实际光化学效率，计算公式如下：

PSⅡ最大光化学效率：Fv/Fm＝(Fm-Fo)/Fm

非光化学荧光淬灭系数：NPQ＝(Fm-Fm')/Fm'

PSⅡ实际光化学效率：ΦPSII＝(Fm'-Fs)/Fm'，其中F0为初始荧光、Fm为最大荧光、Fs为恒态荧光、Fm’为荧光上升到能化类囊体最大荧光、Fv/Fm为PSⅡ最大光化学效率、NPQ为非光化学荧光淬灭系数、ΦPSII为PSⅡ实际光化学效率；

(2.4)、重金属镉含量的测定：种植三个月后，分别称取0.2g烘干后的根、茎、叶样品后，粉碎，100目过筛，加入8ml消解液，消解液的浓度为HNO₃∶H₂O₂＝6∶2，置于微波消解仪中进行消解；待材料完全消解并冷却至室温，加入稀HNO₃定容后，采用火焰原子吸收光谱法测定植物材料中Cd含量，重复测定3次，并计算出TF，即，转运系数以及与BCF，即，富集系数：

转运系数＝地上部分平均镉含量/根部平均镉含量

根生物富集系数＝根部平均镉含量/土壤中镉的含量

地上部分生物富集系数＝地上部分平均镉含量/土壤中镉的含量；

(3)、数据处理

采用Origin 8.5和Past 2.08进行数据处理；

(4)、结果分析

(4.1)、不同浓度Cd处理对七里香抗氧化酶的活力及丙二醛含量的影响：

在Cd的胁迫下，七里香体内的SOD活力在100mg/kg土壤Cd胁迫下时出现最高值为425.15±2.41U/g，其余Cd胁迫下均无显著性差异，且显著低于对照组；POD的活力值在25mg/kg土壤Cd胁迫时出现最大值为137.24±1.37U/(g·min)，同比对照组增加了38.96％，土壤Cd水平为400mg/kg时出现最小值为43.91±1.61U/(g·min)，同比对照组降低55.54％；CAT的活力土壤Cd为100mg/kg时出现最大值0.87±0.03U/(g·min)，同比对照组增加了19.18％，其余Cd胁迫下均无显著性差异；SOD、POD、CAT在400mg/kg土壤Cd胁迫下，活力均低于对照组，同比对照组分别下降了16.75％、55.54％、5.48％，七里香在Cd胁迫处理中，其体内各抗氧化酶的活力能正常调节其活性氧代谢平衡，保护植物不受伤害，对Cd具有较强的耐受性；

MDA的含量随土壤Cd浓度的增加逐渐降低，且整体水平低于对照组；MDA含量在Cd处理浓度为100mg/kg时出现最小值0.33±0.005μmol/g，同比对照组降低了32.65％；在Cd处理浓度为400mg/kg时，其含量为0.42±0.005μmol/,仍比对照组低18.37％，七里香叶片内的膜脂过氧化程度较低，叶片内的膜脂未受到伤害，七里香对Cd具有较强的耐受性；

(4.2)、不同浓度的镉处理对七里香荧光特性的影响：

在土壤Cd浓度为25mg/kg时，七里香出现最大Fv/Fm值，0.87±0.02，比对照组高1.16％；最小值出现在Cd浓度为400mg/kg时，比对照组低4.65％；七里香的Fv/Fm值介于0.82-0.87之间，符合一般植物的正常范围，这说明，七里香在Cd胁迫下其光合器官内的PSII未受到损伤；

七里香的NPQ值随土壤Cd浓度的升高而逐渐上升，最大值出现在Cd处理浓度为400mg/kg时，0.45±0.07，比对照组高80.00％，最小值则出现在对照组中,0.25±0.02，七里香光合机构中的光保护能力，会随土壤Cd浓度的升高而增强，且光合器官未受到损伤，植物可正常进行光合作用；

七里香的ΦPSII值在25mg/kg的Cd胁迫下出现最大值，比对照组高1.0％，其余胁迫下均无显著性差异，七里香在Cd胁迫下，其体内的光保护能力增强，光合器官没有受到光胁迫，各光合过程未受到影响，光合作用可以正常进行，对碳的固定和同化能力也未受到影响；

(4.3)、重金属Cd在七里香体内的分布及富集特征：

随重金属Cd浓度的升高，七里香的根、茎、叶内富集的Cd含量也随之显著性上升，其不同部位对Cd的积累特征不同，土壤Cd水平介于0-50mg/kg时，其地上部分富集的Cd能力高于地下根；当土壤Cd水平高于100mg/kg时，其地下根富集Cd速度高于地上部分，随土壤Cd浓度的增加，七里香地上部分以及地下部分富集的Cd含量不断增加；七里香的地上部分和根部富集的Cd含量在400mg/kg的Cd胁迫时具有最大值分别为77.92±1.20mg/kg和111.63±6.94mg/kg，七里香能将环境中的Cd不断吸收到植物的体内，且随土壤Cd浓度的增加不断提高；

土壤Cd浓度在0-50mg/kg时，七里香对Cd的转运系数为1.19±0.18–1.91±0.25；随着土壤Cd浓度的增加，尤其是当土壤Cd水平高于100mg/kg时，七里香对Cd的转运系数为0.7±0.14–0.74±0.08，且不同浓度处理间无显著性差异；这说明七里香可有效的转移根部富集的重金属Cd，地上部分生物富集系数和根生物富集系数在25mg/kg土壤Cd时分别具有最大值1.58±0.04和1.38±0.21，但随着重金属Cd处理浓度的升高而显著降低，说明七里香在Cd胁迫下，能不断的抽提土壤中的重金属Cd，但其抽提能力随土壤Cd水平的提高不断降低，且在土壤Cd浓度为25mg/kg时具有最大抽提能力；

(5)、结果讨论

(5.1)、重金属Cd的胁迫下七里香叶的抗氧化酶响应及保护机制：

植物受到干旱、高温、低温以及重金属等胁迫时，大量的活性氧会在体内产生，不断积累后对植物产生次级胁迫，使细胞膜的膜脂过氧化，损伤植物的细胞膜；抗氧化酶系统，是植物防御系统之一，其中SOD酶是抗氧化酶系统的第一道屏障，它通过催化超氧阴离子自由基O₂^－转化为H₂0₂和基态氧的反应，清除大量的超氧阴离子，避免细胞受到伤害，超氧阴离子转化为H₂0₂和基态氧后，产生的H₂0₂也会对细胞造成伤害；POD酶和CAT酶可将H₂0₂催化分解为水和氧气，保护植物细胞，植物处于胁迫或器官衰老、细胞死亡时，抗氧化酶清除活性氧的速率会低于其产生的速率，导致细胞膜的膜脂过氧化程度增强，其终产物丙二醛的含量也随之上升，因此，MDA含量的高低可反映细胞的膜脂过氧化程度，在该研究中，七里香体内SOD酶活力和CAT酶活力随Cd浓度的增加并未出现显著的提高，POD酶活力则随Cd浓度增加先上升后下降，这与目前在任豆种子上的实验结果相似；而且，七里香叶内MDA的含量整体低于对照组，说明在镉胁迫下，细胞膜未受到伤害，其抗氧化酶可以有效的保护七里香叶片免受膜脂过氧化伤害，七里香对重金属Cd有很强的耐受性；

(5.2)、重金属Cd的胁迫下七里香叶绿素荧光的变化：

植物叶绿素荧光动力学中，各项叶绿素荧光参数指标的变化情况，可以反映出任何逆境对植物体内光合作用的影响，Fv/Fm值反映了植物PSⅡ的损伤情况，在非胁迫的情况下，该值不会受到物种和生长条件的影响，通常稳定在0.80-0.85之间，因此，该值也可以反映出植物是否受到胁迫，NPQ值是非光化学荧光淬灭系数，其值的大小反映了PSII反应中心的天线色素，在吸收了过量的光能后通过提高非辐射性热耗散，消耗过量的能量，保护光合机构免受破坏的能力强弱，属于植物的一种自我保护机制，当植物受到胁迫时，非光化学荧光淬灭系数NPQ即植物的光保护能力会出现变化，其值越大表示植物的光保护能力越强，相应的PSII实际光化学效率ΦPSII值也会有所变化，ΦPSII表示PSII实际光化学效率，其值的大小代表植物同化力的强弱，值越大，植物的同化力越大，对碳的固定和同化能力也越强，在该研究中，Fv/Fm和ΦPSII的值随镉浓度的上升而先上升后下降，NPQ的值则不断上升，这与目前在研究一年蓬在不同浓度Cd胁迫下的叶绿素荧光特性的结果相似，说明七里香在镉胁迫下，体内的光保护机制对光合器官进行较好的保护，使其能进行正常的光合作用，未受到镉的胁迫；

(5.3)、重金属Cd胁迫下七里香的富集及转移特征：

植物对重金属的耐性是指在高浓度的重金属污染环境中，植物仍能正常生长，并未受到明显的损伤，且体内有一定量的重金属；超富集植物是指植物可利用自身各类机制，将环境中的重金属超量吸收并转运到植物地上部分，而不同的重金属，其对超富集植物的定义也不同，镉富集植物是指植物的地上部分含镉量必须大于100mg/kg，转运系数反映了某种元素从植物根部向植物地上部分的转运难易程度，生物富集系数则反映了其对重金属的富集能力的强弱，在该研究中，七里香在各个镉浓度处理下，均能正常生长，且与对照组无明显形态差异；经测定，其体内的镉含量未达到镉超富集植物的标准，不属于镉超富集植物，但对镉表现出较强的耐受性及富集转移能力；

(6)、研究结论

在该研究中，镉胁迫下的七里香未出现死亡及受毒害现象，表现出较强的生命力，体内的抗氧化酶被诱导以消除产生的活性氧对细胞膜的破坏，保护植物细胞不受胁迫；各项叶绿素荧光参数也反映出七里香并未受到镉的较大胁迫，能正常进行光合作用；在对七里香体内的镉含量进行测定时，根茎叶内均有一定的的镉积累量，但未到达镉超富集植物的标准，不属于镉超富集植物，以上说明七里香在镉的胁迫下，能正常生长，其体内抗氧化酶能正常清除活性氧，光合作用未受到影响，对镉具有一定的富集作用且有较强的耐受性。