Cd2+胁迫对白皮松针叶电阻抗参数的影响
【类型】期刊
【作者】刘晓红，张钢，黄廷林（延安大学化学与化工学院；河北农业大学园艺学院；西安建筑科技大学环境与市政工程学院）
【作者单位】延安大学化学与化工学院；河北农业大学园艺学院；西安建筑科技大学环境与市政工程学院
【刊名】陕西农业科学
【关键词】 Cd2+；白皮松；电阻抗
【资助项】国家自然科学基金项目
【ISSN号】0488-5368
【页码】P20-23
【年份】2019
【期号】第6期
【期刊卷】7
【摘要】采用盆栽试验,测定了白皮松针叶在Cd2+胁迫下的胞外电阻、胞内电阻、细胞膜时间恒量和β系数,得到了在Cd2胁迫下,白皮松针叶电阻抗参数的变化规律,结果表明,白皮松叶的胞外电阻、胞内电阻、细胞膜时间恒量以及β系数在设计Cd处理浓度范围,多数表现为倒U型曲线,即在低剂量时表现为诱导,在高剂量时表现为抑制,说明用电阻抗参数指示重金属毒性的潜在优越性.
【全文】 文献传递
Cd2+胁迫对白皮松针叶电阻抗参数的影响
摘 要：采用盆栽试验，测定了白皮松针叶在Cd2+胁迫下的胞外电阻、胞内电阻、细胞膜时间恒量和β系数，得到了在Cd2+胁迫下，白皮松针叶电阻抗参数的变化规律，结果表明，白皮松叶的胞外电阻、胞内电阻、细胞膜时间恒量以及β系数在设计Cd处理浓度范围，多数表现为倒U型曲线，即在低剂量时表现为诱导，在高剂量时表现为抑制，说明用电阻抗参数指示重金属毒性的潜在优越性。
关键词：Cd2+，白皮松，电阻抗
环境中的Cd元素是植物生长的一种逆境因素，当这种因素超过植物自身的忍耐限度就会对其产生伤害［1～2］，电阻抗图谱法是研究电阻抗参数对生物组织生理变化的各种响应［3］。研究表明［4～5］电阻抗参数可反映生物组织细胞膜的变化，在受到重金属胁迫时，这种变化可以通过电阻抗参数记录下来。
白皮松是松科常绿乔木，也是一种优良的造林树种。本论文通过研究重金属镉离子对白皮针叶电阻抗参数的影响，试图寻找Cd2+浓度与电阻抗参数的剂量效应关系。
1 材料与方法
1.1 材料
材料:白皮松六年生实生苗。
1.2 方法
1.2.1 白皮松的基质培养及重金属胁迫方法
采用盆栽方法，培养基质为沙子和蛭石，沙子:蛭石=2:1，挑选大小相近的白皮松实生苗移栽入上述盆中，每盆六颗，并移入大棚缓苗50 d，期间每2周浇1次营养液，营养液配方为园式配方，1周浇一次去离子水。
重金属处理，镉的设计含量为0(对照)、50 mg·L－1、100 mg·L－1、200 mg·L－1、500 mg·L－1、1 000 mg·L－1(以纯Cd2+计算)，共11个处理，每处理3盆，以不加重金属的处理为对照。分别在处理后的7 d、14 d、21 d和28 d采样，每次从每盆中取1颗苗的针叶进行电阻抗测定。
1.2.2 白皮松针叶的电阻、电抗的测定及电阻抗参数的拟合方法 电阻、电抗测定及电阻抗参数的拟合方法参考文献［5］。
2 结果与分析
2.1 胞外电阻的变化
胞外电阻在时间效应表现为不显著，在浓度效应以及浓度×时间的交互效应上表现极显著(表1)。
从图1可见，时间为7 d时，胞外电阻随胁迫浓度的增加，在50 mg·L－1减小外，在其余浓度都较对照增加。在其余胁迫时间，胞外电阻的增加并不明显。分析表明，Cd2+浓度为 200 mg·L－1，500 mg·L－1处理的白皮松叶的胞外电阻与对照差异显著，并且高于对照，Cd2+浓度为1 000 mg·L－1的白皮松叶的胞外电阻与对照差异极显著，在此浓度的值也高于对照(表1～表4和图1)。
可见，高浓度的Cd2+处理能显著的增大白皮松针叶的胞外电阻。
由表1～表4可见，处理7 d时，叶的胞外电阻在Cd2+浓度为50 mg·L－1时与对照差异极显著，低于对照，处理14 d时，胞外电阻在Cd2+浓度为50 mg·L－1，100 mg·L－1，500mg·L－1时与对照差异显著，并且均高于对照，处理21 d时，各浓度的胞外电阻与对照无显著性差异，处理28 d时，在Cd2+浓度为50 mg·L－1，200 mg·L－1时与对照差异显著，在1 000 mg·L－1时与对照差异极显著，并且在这3个浓度点的胞外电阻均高于对照。
表1 Cd2+胁迫下白皮松叶的4种电阻抗参数的方差分析
电阻抗参数 变异来源 平方和 自由度 均 方 F 5 520.132 3 1 840.044 1.815 0.1475浓度 18 005.4 5 3 601.081 3.552 0.0048胞外电阻 时间x浓度 55 559.98 15 3 703.999 3.654 0误差 133 805.6 132 1 013.678总变异 212 891.1 155时间 753.6132 3 251.2044 5.752 0.001浓度 673.0552 5 134.611 3.083 0.0115胞内电阻 时间x浓度 651.3917 15 43.4261 0.994 0.4648误差 5 764.342 132 43.6693总变异 7 842.402 155时间 79 277.82 3 26 425.94 11.49 0浓度 29 307.05 5 5 861.41 2.549 0.0309细胞膜 时间x浓度 182 164.8 15 12 144.32 5.28 0时间恒量 误差 303 584.8 132 2 299.885总变异 594 334.5 155时间 0.6121 3 0.204 12.461 0浓度 0.4995 5 0.0999 6.102 0β系数 时间x浓度 0.657 15 0.0438 2.675 0.0014误差 2.1611 132 0.0164总变异值 显著水平时间3.9297 155
表2 Cd2+胁迫下浓度和时间主效应对白皮松叶的电阻抗参数的影响
系数0 mg·L－156.50 c，B 6.63 b，B 93.16 ab，AB 0.7066 c，因素 胞外电阻/Ωm 胞内电阻/Ωm 细胞膜时间恒量 β B 50 mg·L－160.95 bc，B 7.95 b，AB 73.49 b，B 0.7151 c，B 100 mg·L－164.50 bc，AB 7.74 b，AB 90.98 ab，AB 0.7536 bc，B 200 mg·L－176.76 ab，AB 10.25 ab，AB 114.42 a，A 0.7960 b，AB 500 mg·L－176.56 ab，AB 9.85 ab，AB 106.01 a，AB 0.7984 b，AB 1 000 mg·L－188.25 a，A 13.09 a，A 85.62 ab，AB 0.8750 a，A 7d 77.54 a，A 9.91 ab，AB 130.65 a，A 0.7189 b，B 14d 67.28 a，A 6.51 c，B 86.06 bc，BC 0.7298 b，B 21d 64.95 a，A 8.94 bc，AB 100.15 b，B 0.7772 b，B 28d 78.21 a，A 12.71 a，A 64.80 c，C 0.8836 a，A
表3 Cd2+浓度主效应对白皮松叶的电阻抗参数的多重对比
胞外电阻 50 100 200*500*1 000＊＊胞内电阻 50 100 200 500 1 000＊＊细胞膜时间恒量 50 100 200 500 1 000β系数 50 100 200*500*1 000＊＊
表4 时间×Cd2+浓度交互效应对白皮松叶的电阻抗参数的多重对比
电阻抗参数 时间/d Cd2+浓度/(mg·L－1) 100 200 500 1 000 14 50* 100* 200 500* 1 000 21 50 100 200 500 1 000 28 50* 100 200* 500 1 000＊＊胞内电阻 7 50 100 200 500 1 000 14 50 100 200 500 1 000 21 50 100 200 500 1 000 28 50 100 200 500 1 000＊＊细胞膜时间恒量 7 50＊＊100＊＊200＊＊500 1 000*14 50 100 200 500 1 000 21 50 100 200 500 1 000 28 50 100 200 500 1 000β系数 7 50＊＊ 100* 200 500 1 000 14 50 100 200 500 1 000*21 50 100 200 500 1 000*28 50 100 200 500 1 000胞外电阻 7 50＊＊＊＊
图1 时间Cd2+浓度交互效应对白皮松叶胞外电阻的影响
图2 时间Cd2+浓度交互效应对白皮松叶胞内电阻的影响
图3 时间Cd2+浓度交互效应对白皮松叶细胞膜时间恒量的影响
图4 时间Cd2+浓度交互效应对白皮松叶系数的影响
2.2 胞内电阻的变化
对不同浓度Cd2+胁迫下的胞内电阻的方差分析表明，在时间主效应，胞内电阻表现为极显著，在浓度主效应表现为显著，在浓度×时间的交互效应，胞内电阻表现为不显著(表1～表4和图2)。从图2可见，在胁迫时间为7 d和28 d时，胞内电阻表现为明显增加，而在其余两个胁迫时间，胞内电阻的变化却并不明显。胞内电阻在浓度为100 mg·L－1时随时间变化不明显，在其余浓度，胞内电阻表现为随时间增加先减小后增加的趋势。并且均在14 d时，胞内电阻达到最低值。胁迫时间为28 d的胞内电阻显著的高于时间为14 d、21 d的值。当浓度为1 000 mg·L－1时。胞内电阻极显著的高于对照的值，而在其余胁迫浓度，胞内电阻与对照的差异均不显著。可见，高浓度的Cd2+处理能显著的提高白皮松针叶的胞内电阻。
可见，在上述时间范围，在试验设计浓度内，只有当处理28 d，Cd2+为1 000 mg·L－1的胞内电阻与对照差异极显著，其值高于对照，其余浓度与对照差异均不显著。说明长时间高浓度的Cd2+处理显著的增大了白皮松针叶的胞内电阻。
2.3 细胞膜时间恒量的变化
对不同浓度Cd2+胁迫下白皮松叶的细胞膜时间恒量的方差分析表明(表1～表4)，在时间主效应以及浓度×时间的交互效应上细胞膜时间恒量表现为差异极显著，在浓度主效应，细胞膜时间恒量表现为差异显著。
处理时间为7 d的细胞膜时间恒量显著的高于其余胁迫时间的值。随着Cd2+浓度的增加，除了处理为7d的细胞膜时间恒量表现为明显的先减小后增加的变化趋势外，其余时间的细胞膜时间恒量随着Cd2+浓度的变化并不显著(表1～表4和图3)。
由表4可见，除了处理7 d，Cd2+浓度为50 mg·L－1、100 mg·L－1、200 mg·L－1时，细胞膜时间恒量与对照差异极显著，在 Cd2+浓度为1 000 mg·L－1时，时间恒量与对照差异显著，并且在上述浓度值，细胞膜时间恒量均低于对照值，其他时间处理的细胞膜时间恒量与对照无显著差异。
说明短时间的Cd2+处理可以显著降低白皮松针叶的细胞膜时间恒量。
2.4 β系数的变化
对不同浓度Cd2+胁迫下白皮松针叶的β系数，在浓度效应、时间效应以及浓度×时间的交互效应上，β系数差异极显著(表1～表4和图4)。
在同一处理时间，随着Cd2+浓度的增加，β系数表现为持续增长或先减小后增加的变化趋势。时间为28 d的β系数显著的高于其他胁迫时间的值。处理7 d、14 d、21 d的β系数之间差异不显著(表1～表4和图4)。
Cd2+浓度为200 mg·L－1、500 mg·L－1的β系数显著的高于对照浓度的值，Cd2+浓度为1 000 mg·L－1时的β系数极显著的高于对照值，说明高浓度的Cd2+处理可以显著的增大白皮松针叶的β系数。
除了Cd2+浓度为100 mg·L－1的β系数随着时间的增加，β系数稍有减小之外，其余浓度的β系数均随着胁迫时间的增加表现为缓慢增加或者先减小后增加(在处理14 d时β系数达到最小值)的趋势。
处理7 d时，Cd2+浓度为50 mg·L－1和100 mg·L－1的白皮松叶的β系数与对照分别表现为差异极显著和显著，前者低于对照，后者高于对照;处理14 d时，β系数只在Cd2+浓度为1 000 mg·L－1时显著的高于对照;处理21 d时，同样为Cd2+浓度为1 000 mg·L－1时显著的高于对照;处理28 d时，Cd2+浓度为1 000 mg·L－1时的β系数极显著的高于对照。
总之，高浓度的Cd2+处理能显著的增大白皮松针叶的胞外电阻，长时间高浓度的Cd2+处理显著的增大了白皮松针叶的胞内电阻。短时间的Cd2+处理可以显著降低白皮松针叶的细胞膜时间恒量。短期、低浓度或者长时间、高浓度的Cd2+处理可以显著改变白皮松针叶的β系数，尤其经过长时间高浓度的Cd2+处理可以显著增大叶的β系数。
白皮松叶的胞外电阻、胞内电阻、细胞膜时间恒量以及β系数在设计Cd处理浓度范围，多数表现为倒U型曲线［6～7］，即在低剂量时表现为诱导，在高剂量时表现为抑制，这也说明用电阻抗参数指示重金属毒性的潜在优越性。
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收稿日期：2015-07-06
修回日期: 2015-12-10
基金项目：国家自然科学基金项目(21377107)。