圆叶锦葵对Cd胁迫的生理响应及其根细胞壁的固持作用

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圆叶锦葵(Malva pusilla)作为锦葵科锦葵属多年生草本植物,具有分布范围广、繁殖能力强等特点,且具有较强的耐镉(Cd)特性,可作为土壤Cd修复的潜力植物。本研究以圆叶锦葵为供试材料,在水培条件下,设置不同Cd浓度(0,50,100,200μM)处理,通过测定Cd胁迫下圆叶锦葵的生长、光合色素含量、抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性、丙二醛(MDA)含量、渗透调节物质(可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸)含量、矿质元素吸收等指标,探讨了Cd的亚细胞分布及其根细胞壁组分含量的变化,为圆叶锦葵在修复土壤Cd污染领域的应用提供相应理论和实践依据。主要研究结果如下:(1)不同Cd浓度对圆叶锦葵的根长、茎粗、株高、鲜重、光合色素含量的影响均呈现出低促高抑的现象。当Cd处理浓度为50μM的时候植物根长的生长量达到最大值,与对照处理相比有显著性差异,升高了16.60%,在200μM处理浓度下植物根长的生长受到抑制。植物的茎粗变化量在Cd处理浓度为50-200μM的时候均显著高于对照处理,且在Cd处理浓度为100μM时达到最大值。植物株高的生长在Cd处理浓度为200μM时受到抑制,与对照相比有显著性差异,降低了10.46%。对于圆叶锦葵器官鲜生物量的影响为根>叶>茎,且在Cd处理浓度为200μM时植物鲜生物总量受到明显抑制,与对照相比有显著性差异,降低了36.71%。植物光合色素含量变化为类胡萝卜素含量>叶绿素b含量>叶绿素总含量>叶绿素a含量,且均在Cd处理浓度为100μM时达到最大值,与对照组相比无显著性差异。(2)随着Cd处理浓度升高,圆叶锦葵植株体内细胞受损,引起明显的膜脂过氧化。根部的MDA含量与对照处理相比均显著升高,且Cd处理浓度为100μM的时候达到最大值。茎部的MDA含量在Cd处理浓度为50-200μM时与对照处理相比均有显著性变化,且在200μM处理浓度下合成受到抑制。叶片MDA含量随Cd处理浓度升高而降低。Cd胁迫下圆叶锦葵体内抗氧化系统被激活,根、茎、叶三部位的抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性均随着Cd处理浓度增加而升高,当Cd处理浓度超过100μM时均有所下降。渗透调节系统在圆叶锦葵受胁迫后也做出相应反应,根、茎、叶三部位的脯氨酸含量随Cd处理浓度增加而升高,且与对照处理相比均有显著性变化,起到保护细胞膜系统的作用。可溶性糖作为光合作用的产物,其变化规律与植株光合色素含量变化相同,随着Cd处理浓度增加而升高,且与对照处理相比有显著性变化。可溶性蛋白含量随着Cd处理浓度升高而增加,与对照相比均有显著性变化,当Cd处理浓度超过100μM的时候,可溶性蛋白含量相应下降。(3)不同Cd浓度处理下,圆叶锦葵不同器官对于矿质元素的吸收表现出不同差异,主要表现为随着Cd处理浓度的增加促进了其根、茎、叶部对于Ca、Mg元素的吸收,且茎、叶部位的吸收含量大于根部。Cd胁迫下,圆叶锦葵根、茎、叶部对于Fe元素的吸收受到抑制,且与对照处理间相比有显著性降低。圆叶锦葵根、茎部位对于Cu元素的吸收呈现出随着Cd处理浓度的增加先升高后降低的现象,且均显著高于对照处理。圆叶锦葵根、茎、叶部对于Mn元素的吸收与Cd处理浓度均呈极显著正相关关系。圆叶锦葵各器官对于Zn元素的吸收在Cd胁迫下无明显规律性变化。(4)圆叶锦葵在Cd胁迫下,随着处理浓度的升高,其植株体内Cd富集含量相继升高,且积累量表现为根>茎>叶。在根系亚细胞中主要分布在细胞壁和可溶性组分中,约占总Cd含量的94.56%-96.94%。圆叶锦葵根系细胞壁中Cd的主要结合位点是果胶和半纤维素Ⅰ,约占细胞壁总Cd含量的75.39%-80.77%。根系细胞壁多糖组分的糖醛酸含量和总糖含量变化趋势相同,均随Cd处理浓度增加先升高后降低。通过对圆叶锦葵根细胞壁各组分Cd吸附量进行动力学方程拟合,结果显示果胶在细胞壁吸附Cd的过程中占有较大比例,进一步说明果胶为细胞壁结合Cd过程中的主要结合位点。
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