三峡水库运行后，采用“蓄清排浑”的运作模式，从而形成了最高30 m（水位145~175 m）落差的消落带。消落带是一种水陆生态交错带，水位涨落幅度及面积变化较大，水位涨落逆反自然洪枯规律，冬蓄夏排^[1]。这种特殊的水库调水节律改变了原有的生态系统结构，部分原生植被物种因不能适应消落带特殊生境而消亡，生态环境问题日益严重^[2]。另一方面，三峡成库后，悬浮物、水系沉积物在库区消落带及库底沉积，造成大量的重金属积累^[3]。已有研究表明，三峡库区消落带重金属污染已达警戒状态，主要污染物为镉^[4]，部分地区已达到中度污染（0.6~1 mg·kg^-1）^[5]，高镉异常地区土壤镉含量达到8.5 mg·kg^-1[4]。镉离子的高活性特征使其更易进入食物链，被人体摄取而危害健康^[6]。利用植物修复的方法治理土壤重金属污染是近年来重金属污染治理领域研究的热点^[7-8]。在对三峡库区消落带进行植被重建的同时，联合重金属植物修复将是库区消落带生态治理的有效途径。

植物遭受重金属胁迫时，最主要的应对机制之一为区室化解毒，即将重金属离子从细胞质转移至质外体（细胞壁、液泡）储存，以减少对植物体的直接毒害^[9]。细胞壁对重金属的富集能力与细胞壁的多糖物质密切相关^[10-12]。因此对重金属胁迫下植物细胞壁不同组分镉含量的研究，有助于进一步阐释植物对重金属的耐受解毒及积累机制。

秋华柳（Salix variegata Franch.）为杨柳科柳属多年生灌木，叶宽卵状披针形或矩圆形，生长迅速，具有较高的生物量^[13]。作为三峡库区消落带的乡土物种，其分布广泛，对河流自然汛期有较好的适应能力，可用于三峡库区消落带的植被修复^[14]。以往研究表明，秋华柳可耐受镉污染并有良好的镉富集和转移能力，具备修复镉污染土壤的潜力^[15-17]。曾成城等^[18]的研究表明在水淹生境下，秋华柳对镉污染土壤仍具有较好的修复能力。张雯^[19]在秋华柳的镉解毒机制一文中认为，细胞壁的镉积累在秋华柳的镉耐性解毒中起着重要作用，但水淹胁迫是否会改变秋华柳细胞壁中不同组分对镉的结合能力和结合特征，从而影响到细胞壁的镉富集能力还有待进一步研究。根据已有研究结果，秋华柳从土壤中吸收的镉主要富集于根和茎中，故本研究以秋华柳扦插苗为材料，通过盆栽试验，测定不同处理组下不同组分镉的含量以分析水淹胁迫下秋华柳根、茎细胞壁不同组分的镉积累特征，从而揭示秋华柳细胞壁的镉富集特征和解毒机制，同时阐明水淹对秋华柳细胞壁不同组分镉积累的影响，为秋华柳在消落带的植被构建与镉污染土壤修复工作提供理论依据。

试验所需秋华柳采集于嘉陵江同兴镇河岸（29°41′2″ N，106°26′56″ E）。受三峡水库的影响，嘉陵江水文规律相应出现3个阶段。第一阶段为水淹期（5月底—9月），属于河流型生态系统；第二阶段为蓄水期（10月—次年2月），属于湖泊型生态系统。在一、二阶段水位最高均可达到175 m。最后一个时期是泄洪期（2月底—5月初），水位降至145~165 m，属于过渡型生态系统^[20]。

2015年10月于采样地173 m海拔位处，剪取长15~20 cm，茎径0.8~1 cm的秋华柳扦插条，于实验室先后用自来水、超纯水冲洗干净，扦插于花盆（上径22 cm×下径15 cm×高18 cm）中培养。每盆1株，均装入自然风干过1 mm筛的2 kg紫色土壤（采自三峡库区消落带）。土壤基本理化性质见表 1。

表 1 土壤基本理化性质 Table 1 The basic physico-chemical characteristics of soils

表选项

2016年4月27日，挑选长势基本一致且状态良好无病虫害的秋华柳扦插苗（初始株高约35 cm，基径约0.7 cm，分枝数约12个）进行随机分组。试验以镉胁迫和水淹作为胁迫因子，采用双因素完全随机试验设计，设置8组处理。根据三峡库区消落带土壤镉污染现状^[3-4]，共设置0、0.5、2、10 mg·kg^-1（Cd²⁺/土壤）4个镉浓度处理水平，涉及消落带土壤轻度、中度、重度镉污染等级，分别定义为T0、T1、T2、T3。于苗木扦插前，将CdCl₂·2.5H₂O按浓度梯度配成水溶液后一次性浇灌于盆土中，并充分混匀土壤，保持潮湿平衡1个月。水分共设置两个处理组：对照组进行常规供水管理，水淹组将盆栽苗放入塑料盆（上径27 cm×下径20 cm×高18 cm）中实施水淹处理，试验期间水位始终维持在土壤表面以上5 cm处。

全部的盆栽苗均放置于西南大学生态园遮雨棚（四面敞开，棚顶透明）下培养，随机摆放花盆并按期交换花盆位置，花盆间保持一定的间距，避免植株间的相互干扰。试验过程中除进行常规的田间管理外，每日按时检查水淹组的水位情况并适时补充水分。培养60 d后，所有处理组秋华柳存活率为100%，叶片无明显的致病现象，苗木整体生长状况良好。取样测试时从每个处理的15株中随机抽取5株，测定的指标平均值作为1个重复，共设置3个重复。

采用分级梯度离心法提取细胞壁，分离细胞壁不同组分^[21]。分别取根、茎鲜样各0.5 g，进行液氮研磨，将所得粉末置于50 mL离心管中，经75%冰乙醇冲洗15 min后离心15 min（10 000 r·min^-1），依次用冰丙酮、冰甲醇/氯仿混合物（1：1，V/V）及冰甲醇冲洗后离心15 min（10 000 r·min^-1），所得沉淀即为细胞壁；向沉淀中加入0.5%的草酸铵缓冲液15 mL，在80 ℃水浴中振荡30 min后离心15 min（10 000 r·min^-1），上清液即为果胶；用去离子水冲洗沉淀，然后加入4%的NaOH溶液10 mL，在室温下振荡30 min后离心15 min（10 000 r·min^-1），上清液即为半纤维素。

所有组分经微波消解仪（Leeman SW-4，Germany）消解后用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES，Thermo Fisher Icap 6300，UK）测定不同处理下细胞壁不同组分中的镉含量。

利用SPSS 22.0统计分析软件进行数据统计分析，采用双因素方差分析（Two-way ANOVA）分析水淹和不同镉浓度对秋华柳根、茎细胞壁不同组分镉含量的影响。用Duncan多重比较（Duncan’s multiple range test）检验相同细胞壁组分在不同镉浓度下镉含量的差异显著性，以及不同细胞壁组分在相同镉浓度下镉含量的差异显著性。利用独立样本t检验分析相同镉浓度下不同水分处理间细胞壁组分镉含量的差异显著性。采用Origin 8.5软件作图。

所有处理组秋华柳存活良好，表现出水淹和镉的双重耐受性。双因素方差分析结果表明，秋华柳根、茎细胞壁不同组分镉含量均受到水分处理、镉浓度及其交互效应的影响（表 2），而且对根、茎完整细胞壁（CW）镉含量的影响相对于去果胶细胞壁（CW-P）和去果胶去半纤维素细胞壁（CW-P-HC）镉含量的影响更大，各因素均表现出对CW镉含量有极显著性影响（P＜0.01）。除水分处理对根CW-P及CW-P-HC镉含量无显著性影响外（P＞0.05），其他根、茎CW-P及CW-P-HC镉含量均受到水分处理和镉浓度的单因素及两者交互效应的极显著性影响（P＜0.01）。

表 2 水淹和不同镉浓度对秋华柳根、茎细胞壁不同组分镉含量的影响 Table 2 Effects of flooding and different Cd concentrations on Cd contents in different cell wall components of the root and stem of S. variegata

表选项

从图 1可以看出，随着镉浓度的增大，秋华柳根、茎CW、CW-P和CW-P-HC的镉含量均随之升高。在相同镉浓度下，秋华柳根、茎细胞壁镉含量均随着细胞壁组分的减少而逐渐减少，表明果胶和半纤维素在秋华柳细胞壁中均具有与镉离子结合的能力。根、茎细胞壁的镉含量在去除果胶后的下降幅度大于进一步去除半纤维素的降幅，可见果胶的镉离子结合能力大于半纤维素。

图中数值为平均值±标准误。不同大写字母表示相同细胞壁组分在不同镉浓度下镉含量差异显著（P＜0.05），不同小写字母表示不同细胞壁组分在相同镉浓度下镉含量差异显著（P＜0.05）。下同 Values in the figures are means±SE. Values with the different capital letters are significantly different at P < 0.05 among different Cd treatments at the same cell wall components; Values with the different small letters are significantly different at P < 0.05 among different cell wall components at the same Cd condition. The same below 图 1 正常供水条件下秋华柳不同细胞壁组分的镉含量 Figure 1 Cd contents in different cell wall components of S. Variegata under normal water condition

图选项

由图 1a可知，处理60 d后与CW镉含量相比，根CW-P镉含量在T2和T3镉浓度下显著下降（P＜0.05），分别下降了59.23%和37.05%；T0和T1镉浓度下无显著性差异（P＞0.05）。CW-P-HC镉含量与CW-P相比，虽镉含量有所下降但无显著性差异（P＞0.05）。图 1b结果显示，秋华柳茎CW-P镉含量在T3镉浓度下相比CW显著下降（P＜0.05），降幅为26.6%，与CW-P-HC镉含量间无显著性差异（P＞0.05）。而T1和T2镉处理组的CW-P和CW-P-HC镉含量与CW相比均无显著性差异（P＞0.05）。

与正常供水（图 1）相比，水淹胁迫下不同镉处理组的根茎CW、CW-P和CW-P-HC镉含量都有不同程度的降低（图 2），但各组分镉含量的变化趋势与正常供水下相同。随着处理镉浓度的增大，秋华柳根茎CW、CW-P和CW-P-HC的镉含量均随之升高。在相同镉浓度下，秋华柳根、茎细胞壁镉含量均随着细胞壁组分的减少而逐渐减少。根细胞壁中，除T3处理组CW和CW-P-HC间的镉含量有显著性差异（P＜0.05）外，在其他相同镉处理组中CW-P-HC、CW-P及CW的镉含量间均无显著性差异（P＞0.05）。茎细胞壁组分中，除T0、T1处理组中CW-P和CW-P-HC镉含量间存在显著性差异（P＜0.05）外，在其他相同镉处理组中CW-P-HC、CW-P及CW的镉含量间也无显著性差异（P＞0.05）。

图 2 水淹条件下秋华柳不同细胞壁组分的镉含量 Figure 2 Cd contents in different cell wall components of S. variegata under flooding

图选项

与正常供水（图 1）相比，水淹条件下CW、CW-P和CW-P-HC的镉含量都有不同程度的降低（图 2），茎器官相应组分的下降趋势更为明显，最高降幅高达74.49%（T3处理组CW-P-HC，图 3b）。处理60 d后，根细胞壁CW镉含量在T2、T3镉浓度组下存在正常供水和水淹间的差异显著性（P＜0.05），而CW-P和CW-P-HC的镉含量仅在镉高浓度组T3（10 mg·kg^-1 Cd²⁺）下存在正常供水和水淹间的差异显著性（P＜0.05），其他镉处理组下的细胞壁不同组分在正常供水和水淹间均无显著性差异（P＞0.05，图 3a）。而茎细胞壁不同组分除T1浓度下CW-P镉含量在不同水分处理间无显著性差异外（P＞0.05），其他镉处理组下细胞壁不同组分在不同水分处理下均存在显著性差异（P＜0.05，图 3b）。

不同小写字母表示相同镉浓度及细胞壁组分下不同水分处理间镉含量差异显著（P＜0.05） Values with the different small letters are significantly different at P < 0.05 among different water treatments at the same Cd condition and cell wall components 图 3 不同水分处理下秋华柳不同细胞壁组分的镉含量 Figure 3 Cd contents in different cell wall components of S. variegata in different water treatment

图选项

细胞壁作为重金属离子跨膜进入细胞原生质体的第一道屏障，在重金属离子的吸收、固定和转运中起着重要作用。同时，细胞壁也是植物响应重金属胁迫的功能信号分子和代谢所在位点，细胞壁与植物重金属耐性间具有重要的关联性^[22-23]。植物细胞壁是由果胶、纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质等多种组分构成的一种复杂结构^[24]。已有研究表明，在结合重金属离子时，细胞壁多糖物质起到主要作用，同时细胞壁结构蛋白、木质素等酚类物质也参与其中共同完成细胞壁对重金属的吸收和富集^[25-27]。本试验结果表明，在正常供水和水淹胁迫下，秋华柳根、茎细胞壁镉含量去除果胶后均有所下降；去除半纤维素后，镉含量进一步降低。由此可见，秋华柳根、茎细胞壁果胶和半纤维素均具有一定的镉离子结合能力。

细胞壁结合重金属离子能力的大小主要取决于细胞壁中不同组分提供的负电配位基团，如-COOH、-OH、-CHO、-NH₂、-CHO、-SH等的多少^[28-29]。这些负电配位基团通过与重金属阳离子发生反应而将其固定于细胞壁中，完成区室化，阻止重金属离子进入细胞原生质体对植物造成毒害^[30]，其中多糖中-COOH的多寡将直接决定细胞壁结合重金属离子能力的大小，而果胶是-COOH的主要来源^[31]。有些植物在重金属胁迫下可通过增加细胞壁中的果胶含量，提供众多的重金属离子结合位点，以富集更多的金属离子^[32]。此外，有研究发现果胶在普通条件下便能与Ca²⁺形成一种“egg-box”结构（俗称蛋盒结构），当植物生长在重金属污染区域时，Ca²⁺便可与Cd、Cu、Al、Zn、Pb等金属阳离子进行置换，从而在重金属区室化上扮演着重要角色^{[10, 33]}。本试验结果也发现，果胶在秋华柳根、茎细胞壁镉积累上同样起到重要作用。处理60 d后，T2（2 mg·kg^-1 Cd²⁺）和T3（10 mg·kg^-1 Cd²⁺）处理组中，去除果胶后的根细胞壁镉含量显著下降，降幅分别达到了59.23%和37.05%，茎细胞壁中，去除果胶后的细胞壁镉含量在T3处理组中也显著下降。由此可见，秋华柳根、茎细胞壁果胶结合了大量的镉离子且在中、高镉浓度（2 mg·kg^-1，10 mg·kg^-1 Cd²⁺）下发挥的作用更大，可能因为高浓度的镉离子可诱导细胞壁中果胶的合成，从而提供更多的负电配位基团。与茎相比，果胶在根细胞壁的镉富集中作用更显著，可能由于根部镉离子浓度较大，更容易被根吸收进入细胞，同时与根际酸碱度的变化及根部分泌的有机酸等因素有关^[34-35]，使根成为镉富集的最主要器官。除果胶外，组成细胞壁的另一主要多糖物质为半纤维素，因含有大量的-OH，在细胞壁的重金属富集中也发挥着一定的作用。陈世宝等^[36]研究发现芥菜、生菜、小白菜等多种植物根系在进一步去除半纤维素后，细胞壁中锌的含量显著下降。本研究得到了相似的结果，与只去除果胶组分的细胞壁镉含量相比，秋华柳根、茎细胞壁在去除果胶及半纤维后镉含量有所下降，但两者间无显著差异，由此可见秋华柳根、茎细胞壁半纤维素同样具有镉离子结合能力，但结合能力远小于果胶。这一结果证实了多糖中-COOH的多寡可直接决定细胞壁结合重金属离子能力大小的说法。

根、茎细胞壁在去除果胶及半纤维素后镉含量仍很高，说明一部分镉离子被细胞壁的残余组分固定，即纤维素、木质素和结构蛋白。纤维素主要存在于细胞壁的初生壁和次生壁中，构成细胞壁的骨架^[22]。木质素则存在于次生壁中，主要在矿物质的运输中起作用^[37]。已有研究表明，植物面临重金属胁迫时，体内木质素相关合成酶活性提高，组织中的木质素含量明显增加^[38]。细胞壁蛋白基因也会发生高表达，产生相关细胞壁蛋白，在重金属离子的固定中发挥重要作用^[39]。因此，秋华柳茎细胞壁纤维素、木质素、结构蛋白可能是结合镉离子的另一主要组分，有待进一步验证。

有研究表明，细胞壁对重金属的富集特征不是一成不变的，外源因素可通过影响细胞壁多糖的合成，从而改变细胞壁的镉富集能力^[40]以及重金属在细胞壁不同组分中的分布，甚至改变植物对重金属的耐受和富集能力。周丽珍等^[41]发现，外源添加NaCl造成苋菜根、茎、叶细胞壁中的镉含量总体显著下降。然而，也有相关研究表明其他外源因素可促进细胞壁对重金属的富集。高超等^[42]、Qiu等^[43]的研究发现，磷的添加提高了细胞壁对镉的富集能力，显著增加了水稻、卷心菜细胞壁中的镉含量。本试验中，水淹及水淹与镉处理间的交互效应对秋华柳根、茎细胞壁果胶和半纤维素的镉富集能力均造成了一定程度的影响。从独立样本t检验的结果来看，与正常供水相比，水淹条件下的秋华柳根茎完整细胞壁、去果胶细胞壁和去果胶去半纤维素细胞壁的镉含量都有不同程度的降低。可能是由于水淹改变了土壤中重金属的化学形态，生物有效性降低^{[18, 44-45]}，细胞壁中固定的重金属离子量减少，果胶对重金属的结合也相应减少，也有可能是水淹影响了细胞壁果胶和半纤维素等多糖组分的合成，从而减少了细胞壁对镉的固定能力。与根相比，水淹条件下茎细胞壁相应组分的镉含量下降趋势更为明显。这可能是因为水淹条件下秋华柳的形态和代谢途径都发生了变化^[14]，从而影响了植株地上部的镉含量以及根-枝镉转移能力，最终降低了茎细胞壁中的镉含量。本试验的处理时间处于植物春夏季生长旺季，研究结果证明秋华柳根、茎细胞壁组分在生长季水淹期间，表现出了良好的镉积累能力，水淹胁迫未对其造成明显的影响。但面对三峡库区消落带冬季植物非生长季水淹，秋华柳是否会表现出相同的镉积累特征？不同季节的水淹是否会影响秋华柳细胞壁的镉积累特征？这将是后续研究需要关注的问题，以期通过更全面的研究为秋华柳在消落带的植被构建与镉污染土壤修复工作提供更充足的理论依据。

(1) 果胶和半纤维素在秋华柳根、茎细胞壁中均具有一定的镉离子结合能力，果胶对镉的结合能力大于半纤维素。

(2) 水淹条件下，秋华柳根、茎细胞壁果胶和半纤维素中的镉含量虽有一定程度的降低，但仍为细胞壁镉离子的主要结合组分。

(3) 水淹未对秋华柳根、茎细胞壁组分中镉的分配策略造成明显影响，秋华柳可作为三峡库区消落带镉污染土壤修复的一个备选物种。