苦楝（Melia azedarach L.）又名苦苓、楝树、森树等，为楝科（Meliaceae）楝属（Melia）的落叶乔木，其材质坚韧，纹理美丽^[1]，且根、皮、花、果均可入药^[2]，抗病虫害能力强，可作为植物源农药^[3]，是一种综合利用价值较高的乡土树种，广泛分布于我国南方地区^[4]。苦楝生长迅速，树形优美，具有耐烟尘，耐瘠薄，可吸收二氧化硫等特点，是城市及矿区优良的绿化和造林树种^[5]，宜配植于池边、园路两侧，可孤植、列植和丛植。前人对苦楝的抗盐性^[6]、抗旱性^[7]和抗寒性^[8]进行了探究，近年来对苦楝的研究主要集中在遗传多样性分析方面^[9-11]，而对其重金属胁迫下的响应机制则鲜有报道。廖源林等^[12]探讨了苦楝叶片抗氧化系统对镉（Cd）胁迫的响应，但Cd 胁迫下苦楝的Cd 积累特征、光合特性以及渗透调节相关物质含量变化情况尚未明确。

随着城市化和工业化的不断推进，城市土壤Cd污染问题日益加剧。四川内江城市表层和下层土壤中Cd含量超标样点比例为94.6%和88.2%，且城市土壤Cd含量具有显著积累趋势^[13]；付娟林等^[14]对杭州市区50 个居民区Cd 污染状况进行评价，结果显示96%的土壤处于中度或重度污染。因此，耐Cd 性应作为筛选园林绿化植物的重要参考指标。选择对Cd具有耐性的植物进行城市绿化，在增加绿量、美化环境的同时，还能缓解土壤Cd 污染，甚至还能在一定程度上起到重金属污染修复的作用^[15]。苦楝作为一种生长迅速、生物量大、观赏性强的多功能园林树种，具有极高的实际应用价值和重金属污染修复潜力，而其对Cd是否具有一定的抗性，尚待进一步明确。探究Cd 胁迫下苦楝的生理响应机制，对城市及矿区Cd 污染区域绿化和造林树种的选择具有重要意义。本研究通过盆栽试验，探究Cd 胁迫下苦楝的生物量、Cd 积累、光合特性、质膜透性以及渗透调节物质含量变化，以期为揭示苦楝的耐Cd 性及其在城市土壤Cd 污染区域的综合应用提供参考依据。

1 材料与方法 1.1 材料和处理

2014 年年底于四川温江7~8 年生苦楝母株上采集树种，净种后筛选出饱满籽粒，2015 年3 月上旬播种至上口径15 cm、高15 cm的塑料盆中，播种基质由园土、草炭和河沙混合而成（体积比为5:3:2），于四川农业大学科研基地内培养。

种植土配比为园土：草炭土：河沙=5:1:1，将园土风干、碾碎、剔除杂物，研磨，与草炭土和河沙按比例混合均匀后过5 mm 钢筛，再用800 倍多菌灵消毒，堆积静置45 d后，按照每盆7 kg 的标准装入带托盘的花盆（口径25 cm，高20 cm）中，用不含Cd 等干扰物质的清水控制其土壤含水量为田间持水量的60%。种植土中有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为43.05、0.47、0.69、3.72 g·kg^-1，Cd 含量为1.8 mg·kg^-1。参照国家土壤环境质量标准和四川盆地重金属污染概况^[16]，试验以不添加Cd 为对照（0 mg·kg^-1；CK），设置Cd 处理（不包括种植土中Cd 背景值）浓度梯度为30、60、90、120、150、180 mg·kg^-1，用分析纯CdCl₂·2.5H₂O 配制而成的约500 mL溶液均匀浇灌盆土，渗出液需反复回浇，直到Cd²⁺与盆土混合均匀，在室内稳定15 d后用于试验。

8月初选取生长旺盛、长势相近的苦楝幼苗，移栽至含Cd 处理土壤的塑料盆中，每盆3 株，每个处理10 盆，共计210 株。移栽后第1 周保证叶片不失水，1 周后正常管理，试验期间每隔3 d浇400 mL 清水至田间持水量，胁迫处理60 d。该试验大棚中透光率为80%，棚内温度为（25±3）益，室内外温度接近，相对湿度为70%。分别于移栽后20、40、60 d上午9：00取植物第3~5 片叶鲜样进行各项生理指标测定，60 d时观察记录叶片颜色及形态特征，测定生物量、Cd 含量和光合作用相关指标。

1.2 测定指标与方法 1.2.1 株高与生物量的测定

处理60 d后，拍照记录苦楝幼苗叶形和叶色；每个处理选取3株长势一致的植株，用卷尺从植株基部测量，其平均值作为该处理的株高；收获所有的根、茎、叶，用自来水洗净后，再用蒸馏水冲洗3 遍，105益杀青30 min，80℃恒温烘干至恒重，电子天平称重。

1.2.2 Cd 含量

处理60 d后，将苦楝根、茎、叶样品烘干、粉碎，称取0.5 g，采用混合酸（硝酸：高氯酸=4:1）于电炉上消解，过滤，定容至50 mL，用原子吸收分光光度计（上海精密科学仪器有限公司，AA320N 型）测定根、茎、叶中Cd 含量。

1.2.3 质膜透性和渗透调节物质含量

各项生理指标于处理20、40、60 d测定，质膜透性采用相对电导率法（REC）测定；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法；可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝法；游离脯氨酸含量测定采用酸性茚三酮法。以上指标均参照熊庆娥^[17]的方法测定。

1.2.4 光合作用相关指标

处理60 d后，利用丙酮-乙醇浸提法测定叶绿素含量^[17]；由便携式光合仪（Li-6400XT，美国）测定气体交换参数，测定过程中保证光合有效辐射为1000μmol·m^-2·s^-1，大气CO₂ 浓度为400 μmol·mol^-1，叶室温度为25℃。

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007 进行数据处理和图表分析，并用SPSS 20.0 统计软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）、新复极差法（Duncan's）多重比较。显著性水平设定α=0.05。

2 结果与分析 2.1 Cd²⁺对苦楝幼苗生长的影响

形态特征观测发现，Cd 处理对叶片形态无显著影响，随Cd 浓度的增加，叶片颜色逐渐变浅（图 1）。Cd²⁺浓度≤60 mg·kg^-1 时，叶片呈墨绿色；浓度为90~120 mg·kg^-1时，叶片呈绿色；浓度为150~180 mg·kg^-1时，叶片开始泛黄，失绿症状由叶基沿叶脉逐渐向上蔓延。

由表 1 可见，Cd 胁迫后幼苗的生长受到一定影响。浓度低于60 mg·kg^-1的Cd 处理，对根、茎干重有一定促进效果，与CK 相比分别提高了2.58%~16.01%和4.78%~11.85%；株高在Cd²⁺浓度≤120 mg·kg^-1处理下与CK 差异不显著（P＞0.05）。株高、根部干重和茎部干重在Cd²⁺浓度为180 mg·kg^-1时，依次较CK 降低了19.83%、17.04%和18.50%。

2.2 Cd²⁺在苦楝幼苗根、茎中的分布特征

表 2 显示，根、茎、叶中的Cd 含量均随Cd 处理浓度的增加而增加，Cd²⁺分布特征为根>茎>叶。Cd²⁺浓度≤30 mg·kg^-1 时，根、茎间Cd 含量差异较小，根、茎、叶Cd 含量均显著高于CK（P＜0.05）；Cd²⁺浓度为60~180 mg·kg^-1时，根Cd 含量上升幅度明显大于茎和叶，为茎的1.80~3.45 倍、叶的2.26~4.51 倍。根、茎、叶Cd 含量的最大值出现在180 mg·kg^-1 Cd 处理，分别为181.94 μg·g^-1、52.65 μg·g^-1和40.36 μg·g^-1。

2.3 Cd²⁺对苦楝幼苗光合作用的影响

随着Cd 胁迫浓度增大，叶片叶绿素a（Chla）、叶绿素b（Chlb）和总叶绿素（Chla+b）含量略有下降，叶绿素a/b（Chla/b）无明显变化（表 3）。当Cd²⁺浓度≤120 mg·kg^-1 时，Chla 和Chlb 与CK 差异不显著（P＞0.05）。Chla+b 在Cd²⁺浓度≤150 mg·kg^-1时，各浓度之间差异不显著（P＞0.05），但在Cd²⁺浓度≥90 mg·kg^-1时，显著低于CK（P＞0.05）；各浓度处理下Chla/b 之间差异不显著（P＞0.05），但均略高于CK。180 mg·kg^-1 Cd处理的Chla、Chlb 和Chla+b 含量最低，较CK 分别下降了37.00%、47.62%和39.16%。

由表 4 可知，各项光合参数均随Cd 处理浓度的增加而下降。Cd²⁺浓度≤60 mg·kg^-1 时，净光合速率（Pn）、胞间CO₂ 浓度（C_i）和蒸腾速率（T_r）与CK 差异不显著（P＞0.05），而各处理下气孔导度（G_s）均显著低于CK（P＜0.05）。180 mg·kg^-1 Cd 处理下，P_n、G_s、C_i和T_r 较CK 依次下降了34.59%、37.50%、20.39%和40.00%。

2.4 Cd²⁺对苦楝幼苗质膜透性和丙二醛含量的影响

表 5 显示，Cd 处理后，幼苗叶片的细胞膜透性逐渐增大。胁迫20 d，各浓度的相对电导率均显著高于CK（P＜0.05），说明叶片细胞膜受到Cd²⁺伤害。胁迫40d 和60 d，Cd²⁺浓度≤60 mg·kg^-1时，相对电导率与CK相比差异不显著（P＞0.05），说明胁迫处理一段时间后，苦楝幼苗产生了一定的适应性；150 mg·kg^-1 和180 mg·kg^-1 Cd 处理下差异不显著，说明Cd²⁺浓度达到一定高度后，对苦楝细胞膜透性的影响逐渐减弱。MDA 含量随Cd 浓度增加呈缓慢上升趋势，Cd 胁迫20 d、Cd²⁺浓度≥60 mg·kg^-1 以及胁迫处理40 d和60d、Cd²⁺浓度≥90 mg·kg^-1 时，MDA 含量显著高于对照（P＜0.05）；三个处理时间节点下，Cd²⁺浓度为180 mg·kg^-1 时，MDA 含量分别是CK 的6.38、2.19 倍和1.90倍，而且胁迫20 d，与150 mg·kg^-1 Cd 处理相比，180mg·kg^-1处理的MDA 含量上升幅度较大。

2.5 Cd²⁺对苦楝幼苗渗透调节物质含量的影响

如表 6 所示，可溶性糖含量随Cd 胁迫浓度增加而降低，180 mg·kg^-1 Cd 处理下有最小值，20、40、60 d时，较CK 分别下降27.21%，20.36%和24.23%，而30mg·kg^-1 Cd 处理与CK 差异不显著（P＞0.05）。

可溶性蛋白含量随Cd 处理浓度的增加先升后降，20 d和40 d的峰值出现在Cd²⁺浓度60 mg·kg^-1时，分别较CK 上升15.65%和35.48%；处理60 d，峰值出现在Cd2 +浓度30 mg·kg^-1 时，较CK 上升18.06%；且Cd²⁺浓度≤120 mg·kg^-1 时，可溶性蛋白含量均不低于CK。

游离性脯氨酸含量也随Cd²⁺浓度的增加先升后降，20、40、60 d其峰值分别出现在Cd²⁺浓度为150、90、60 mg·kg^-1时，分别较CK 上升193.38%、214.32%和123.03%，且各处理下游离脯氨酸含量均显著高于对照（P＜0.05）。

3 讨论

Cd 是植物生长发育的非必需元素，但其在土壤中有高度移动性，易被植物吸收，从而影响植物蒸腾作用、光合作用和呼吸作用等正常生理代谢过程^[18]。Cd 对植物的毒害首先反映在生物量的变化上^[15]，实验结果显示，随着Cd²⁺浓度的增大，苦楝幼苗根、茎干重呈“低促高抑”效应。这与具有耐Cd性的园林植物海桐^[19]的研究结果一致，且苦楝比海桐的耐性更强。随着Cd 处理浓度的升高，苦楝幼苗根、茎、叶中的Cd含量上升，Cd在苦楝体内的分布特征为根＞茎＞叶，且根中Cd 含量远高于茎和叶，说明根是苦楝积累Cd的主要部位。这与超富集植物龙葵^[20]的研究结果不同，但与同为楝科的香椿和红椿^[21]的研究结果一致，可能与不同植物独特的解毒机制有关。苦楝通过根系固定的方式限制Cd²⁺转移，既能维持地上部的观赏特性，又能达到修复土壤污染的目的。

叶绿素是植物进行光合作用的重要色素，其含量变化与光合作用密切相关^[16]。本研究中，低于90 mg·kg^-1 Cd 处理，苦楝幼苗叶片Chla+b 与CK 无显著差异（P＜0.05），而当Cd²⁺浓度超过120 mg·kg^-1，Chla 和Chlb 含量下降，叶片颜色变浅发黄，品质变差。究其原因，可能是高浓度Cd²⁺与叶绿体中蛋白质的巯基（-SH-）结合，破坏叶绿体的结构和功能，最终导致叶绿素的降解^[22]。此外，Cd²⁺还可以通过抑制卡尔文循环相关的酶活性和使气孔部分关闭等途径，直接或间接影响植物的光合作用^[23]。低于60 mg·kg^-1 Cd 处理的Pn 与CK差异不显著（P＞0.05），表明苦楝对低浓度Cd²⁺具有较强的光合耐受性。随Cd 处理浓度增加，叶片的Pn、Gs和Ci均呈下降趋势，说明气孔的部分关闭是苦楝叶片光合速率降低的主要原因^[24]。120 mg·kg^-1Cd处理的P_n、G_s、C_i和T_r明显低于CK，此时苦楝幼苗的有机物合成能力显著下降，其原因与气孔限制引起的C_i 降低以及Chla+b含量下降有关。而T_r下降导致的叶片蒸腾拉力降低，是否与苦楝养分的吸收受阻相关，有待进一步研究。

细胞膜是保障植物细胞内外物质交换运输的重要结构，Cd 胁迫诱导产生活性氧自由基（ROS），引发膜脂过氧化，导致细胞膜结构和功能损伤^[25]。MDA是膜脂过氧化的产物，其含量的高低和细胞质膜透性的变化可以反映细胞膜受伤害的程度^[26]。本研究中，高浓度Cd胁迫下，苦楝幼苗叶片相对电导率增大，MDA含量上升。Cd²⁺诱导产生的ROS 积累到一定程度，可以促进Cd²⁺与含N、S 基团或蛋白质结合，形成二硫键（-S-S-），导致膜离子通道结构破坏^[16]。而低浓度处理，REC 和MDA 含量变化不显著（P＞0.05），说明此时膜系统能够正常运行，可能与其启动了抗氧化酶保护机制^[12]和渗透调节机制有关。

植物在遭遇干旱、高盐、低温以及重金属胁迫等逆境时，会迅速积累脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖、甜菜碱以及有机酸等一系列渗透调节物质，从而增强植物的防御能力^[27]。可溶性糖可以有效地提高细胞渗透浓度，降低水势，同时也是构成生物大分子的碳架和重要的能量来源^[28]。本研究发现，Cd²⁺浓度高于60mg·kg^-1 时，苦楝幼苗可溶性糖含量显著低于CK（P＜0.05）。这与刺槐幼苗^[29]的研究结果不同，可能是因为Cd²⁺干扰了苦楝对营养物质的吸收和分配，使得氧化和光合过程受阻，从而导致可溶性糖含量下降^[30]。此外，研究发现脯氨酸等有机渗透调节物质的合成，需要可溶性糖提供碳源和能量^[31]，也是可溶性糖含量下降的原因。Cd²⁺胁迫下可溶性蛋白含量先升后降，可能是因为低浓度Cd²⁺能诱导植物形成Cd 结合蛋白（Cd-Bp），如金属硫蛋白和类金属螯合蛋白等^[32]，从而降低Cd 毒害，提高苦楝的抗逆性；另一方面增加的可溶性蛋白有助于维持细胞渗透压，保障植物进行正常的生理代谢。当Cd²⁺浓度高于90 mg·kg^-1，可溶性蛋白含量下降并低于对照，表明此时Cd²⁺浓度已经超过了可溶性蛋白调节的阈值，高浓度的Cd²⁺抑制了DNA 的合成，加速了蛋白质的分解，导致其含量下降。脯氨酸是植物蛋白的组成之一，是维持细胞渗透平衡的重要调节物质，因其具有偶极性，在稳定细胞膜结构方面也起着重要作用^[31]，其含量变化是植物受到逆境胁迫的一种信号。本研究中苦楝幼苗游离脯氨酸含量随Cd²⁺浓度的增加呈先升后降的趋势，但各处理下均显著高于CK（P＜0.05），低浓度下游离脯氨酸迅速积累，最高可达对照组的2~3 倍。脯氨酸含量的增加在一定程度上维持了细胞渗透压，保持了细胞膜结构和功能的完整性，还有利于清除过量积累的ROS，调节细胞氧化还原电势^[33]，对提高植物对Cd 的耐受性具有重要意义。

4 结论

（1）苦楝对Cd 有一定的积累能力，且Cd 的分布特征为根＞茎＞叶，根系是积累Cd的主要部位。

（2）低于60 mg·kg^-1 Cd 处理，对苦楝幼苗的根、茎部干重有显著促进作用，对Chla+b 含量、Pn、相对电导率以及MDA 含量无显著影响，植株能较好地生长；120 mg·kg^-1 Cd 处理下，株高、Chla 和Chlb 含量与CK 无显著差异（P＞0.05），植株能正常生长且保持较大的生物量，说明苦楝对Cd有一定的耐受能力。

（3）苦楝幼苗可溶性蛋白和游离脯氨酸含量均随Cd²⁺浓度的增大呈先升后降的趋势，低Cd²⁺浓度处理下的渗透调节以可溶性蛋白为主，游离脯氨酸调节为辅，高Cd²⁺浓度下则以游离脯氨酸调节为主。综上所述，苦楝耐Cd 胁迫的阈值浓度大约是120 mg·kg^-1，即苦楝可以作为绿化和造林树种应用于Cd污染低于此浓度的城市和矿区，且其在土壤Cd 污染的修复中具有较大的应用潜力。