据2014年《全国土壤污染状况调查公报》报道：我国11个省25个地区约有1.3×10⁴ hm²的耕地受到Cd污染，Cd污染物点位超标率达到7.0%，在所有无机污染物中超标率最高^[1]。工业排污、灌溉、大气沉降、农药化肥使用及生活垃圾是镉污染的重要来源，在河北、浙江、湖南、江西等省的部分地区，由于长时间受污水灌溉影响，土壤中的Cd含量高达200 mg · kg^{-1 [2]}。植物修复是一种花费低、适应性广、无二次污染物的重金属清除方法^[3]。前人研究发现，杨柳科树木生物量大、生长快、对重金属耐性较好，多个杨树品种对50~100 mg · kg^-1土壤Cd污染仍具有一定耐受性^[4]，可作为土壤重金属污染植物修复的材料。植物对环境胁迫的耐受性除了品种差异外，还存在性别差异，称为次级性别二态性^[5]。研究发现某些品种的杨树雄株对盐、干旱、酸雨等环境胁迫的耐受性要高于雌株，大部分人认为这是由于雌株的生殖投入大于雄株，使得其在抵御环境胁迫方面分配的能量较少导致^[6-7]，但是这些差异产生的机理并未完全明确。

南方四季杨(Populus deltoides × nigra cv. Chile)为雌雄异株植物，是杨柳科杨属常绿或半常绿高大乔木，由于具有较高的观赏价值和用材价值，以及杨树速生、抗性强等特性，在长江中下游的亚热带与热带地区广泛引种^[8-9]。南方四季杨能否作为土壤Cd污染的修复材料，以及南方四季杨雌雄植株间对Cd胁迫的响应是否存在差异是本研究要回答的问题。因此，本试验以南方四季杨为材料，通过比较雌雄植株幼苗的光合能力、气体交换特征和光系统Ⅱ (PSⅡ)受损情况随着Cd处理时间的变化，以及最终的生物量积累、膜脂过氧化程度、抗氧化酶活性差异，探索雌雄异株植物对Cd胁迫的响应和应对策略。

试验地位于浙江临安浙江农林大学东湖校区温室(119°44′E, 30°16′N)，属于中亚热带季风气候区，气候温暖湿润，光照充足。该地区年降水时间约158 d，多集中在春夏两季，年降水量达1 454.1 mm，年平均气温为16.6 ℃，年日照时间1 825.7 h，无霜期历年平均237 d，土壤为红黄壤。

试验土壤为当地红黄壤，土壤养分和Cd值约为：全氮7.12 g · kg^-1，速效氮57.3 mg · kg^-1，速效钾71.0 mg · kg^-1，速效磷2.88 mg · kg^-1，pH值5.18，Cd 0.004 mg · kg^-1。试验用花盆直径21 cm，高20 cm，每花盆装入土壤3 kg。南方四季杨雌雄枝条采自四川省林业科学研究院基地雌雄母树，2017年3月，选取大小长短均一的健康枝条，平均每根插条4个芽，长10 cm左右，进行扦插。扦插基质为泥炭︰珍珠岩︰蛭石=3 ︰ 1 ︰ 1 (体积比)。待枝条萌发两周后移栽至装有含镉或无镉土壤的花盆中，常规管理。

试验为双因素完全随机试验。因素1为性别，水平为雌或雄；因素2为土壤镉添加浓度，水平为0或100 mg · kg^-1干土，共4个处理，分别为未添加镉雌株(Cd0F)，添加镉雌株(Cd100F)，未添加镉雄株(Cd0M)，添加镉雄株(Cd100M)。采用CdCl₂ · 2.5H₂O配制成溶液处理土壤，搅拌均匀后，使土壤Cd²⁺浓度含量为100 mg · kg^-1。每个处理5个重复，每个重复包含4株苗，共20株。试验时间为2017年5月15日—8月23日，移栽45 d叶片完全展开后测定气体交换参数和叶绿素荧光参数，每隔15 d测定1次，共测定4次^[10]。移栽后第91天，每个处理随机选择5株植株，取第3和第4片完全展开的叶片用于丙二醛(malondialdehyde，MDA)、可溶性蛋白含量和超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性的测定。

使用便携式光合作用测定仪(LI-6800，LI-COR，美国)测定光合指标。在叶室温度26 ℃、光照强度1 200 μmol · m^-2 · s^-1、相对湿度60%、CO₂浓度(400±5) μmol · mol^-1下，于8:00—11:30，选择植株第4片完全展开的叶片，每个处理随机选择4株，测定净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、蒸腾速率(T_r)、胞间二氧化碳浓度(C_i)，并计算瞬时水分利用效率(water use efficiency，WUE) ^[11]。

使用便携式叶绿素荧光仪(PAM 2500，Walz，德国)测定叶绿素荧光参数。测定前叶片暗适应30 min，测定指标包括初始荧光(F₀)，PSII最大光化学量子产量(F_v/F_m)、非光化学猝灭系数(q_N)和相对电子传递速率(electron transfer rate，ETR)。

可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G250染色法^[12]测定。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定^[13]。丙二醛(MDA)含量参照HODGES et al ^[14]的方法测定。

试验结束后，收获整株植物，先用自来水缓慢冲洗根部，再用去离子水洗净，分成根茎叶3部分，经110 ℃杀青15 min后，于70 ℃下烘干至恒重，称其干重。

采用SPSS 22.0软件进行数据处理。采用单因素进行方差分析(One-Way ANOVA)，Duncan法进行多重比较分析(P < 0.05)，并用双因素方差分析比较Cd、性别以及两者交互作用，用Origin 9.1作图。

根据图 1可知，随着Cd处理时间的增加，南方四季杨雌株幼苗的P_n先下降后上升然后再下降，雄株的P_n则一直下降。雌株的P_n在Cd处理的第45天显著下降，但是在第60天又恢复正常，一直到第90天又显著下降，比对照下降了56.30%；雄株幼苗P_n在Cd处理的第45天并没有显著变化，但是第60天开始显著下降。雄株第60、75和90天的P_n分别比对照降低了29.84%、38.91%和82.60%。由此可见，雌株光合系统比雄株对镉作用更敏感，并能及时适应环境，提高对镉的耐受性。

	注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < 0.05)。 Note: different small letter means significant different among treatments, P < .05. 图 1 镉处理对南方四季杨幼苗气体交换特征的影响 Fig. 1 Effect of Cd treatment on gas exchange and water use efficiency in P. deltoide × nigra seedlings
图选项

虽然雌株P_n在Cd处理的第45天就受到了明显的抑制，但是其G_s并没有发生明显变化，一直到第90天才显著降低，比对照下降了60.63%。雄株幼苗的G_s变化与P_n的变化趋势一致，自Cd处理的第60天开始显著下降，下降程度随着处理时间的增加而增加，到第90天时，比对照下降了61.95%。

雌、雄幼苗的C_i均没有随着Cd处理时间的增加而发生改变，第60~90天，与各自对照差异不显著。WUE在Cd处理初期和末期表现出性别差异，总体趋势为雌株先降低后升高，雄株在处理末期降低。在Cd处理的第45天，雌株WUE降低，雄株无明显变化；第60~75天，雌、雄株幼苗的WUE均与对照差异不显著；第90天，雄株的WUE显著下降，仅为对照的39.80%，而雌株的WUE与对照没有显著差异。

根据图 2可知，南方四季杨雌雄幼苗的叶绿素荧光参数对Cd处理也存在性别响应差异。雌株的F₀随着Cd处理时间的增加先降低后升高再降低，第45、60、75和90天的F₀分别是对照的1.12、1.05、1.06和1.15倍；雄株则在Cd处理60天开始一直显著升高，第45，60，75和90天的F₀分别是对照的0.96、1.11、1.23和1.24倍。与此变化趋势基本一致的是F_v/F_m，雌株在Cd处理第45天显著低于对照，而后上升，最后又显著下降；雄株则在Cd处理第60天开始至第90天，一直显著降低。可见雄株在Cd处理后60天PSⅡ部分反应中心已失活，并且随着处理时间的增加失活比例增加，而雌株PSⅡ反应中心的响应早于雄株，所以受到的影响要小很多。

	注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < .05)。 Note: different small letter means significant different among treatments, P < .05. 图 2 镉处理对南方四季杨幼苗叶绿素荧光参数的影响 Fig. 2 Effect of Cd treatment on chlorophyll fluorescence parameters in P.deltoide × nigra seedlings
图选项

q_N和ETR的变化趋势与其它指标略有不同。雌株q_N自Cd处理第45天开始显著升高，而ETR自第60天开始显著降低，第45，60，75和90天的值分别是对照的84.33%、70.61%、79.38%和66.02%。雄株自Cd处理第60天开始q_N显著升高，ETR显著降低，第45，60，75和90天的值分别是对照的93.62%、78.65%、72.01%和56.14%，第90天ETR下降幅度显著雌株。q_N升高说明两种性别幼苗的PSⅡ反应中心均受到了镉胁迫，电子传递速率下降，导致PSⅡ天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递，只能以热的形式耗散掉，但是雌株比雄株更早利用热耗散的方式，以缓解镉对光合器官的损伤。

对照处理下，雄株的根生物量显著高于雌株(图 3)，茎叶生物量差异不大。Cd处理后，雌株和雄株的根、茎、叶生物量积累分别比对照降低了71.04%和83.11%、58.33%和72.72%、71.61%和80.31%，可见镉显著降低了幼苗的生物量积累，而且对雄株的抑制作用显著大于雌株。同时，镉对南方四季杨雌雄幼苗的根和叶片生物量的抑制作用最大，导致了幼苗生物量分配的变化，增加了地上部分生物量比例，减小了地下部分生物量比例。

	注：不同小写字母表示处理间差异显著(P < .05)。 Note: different small letter means significant difference, P < .05. 图 3 镉处理对南方四季杨生物量积累的影响 Fig. 3 Effect of Cd stress on biomass accumulation of P. deltoide × nigra seedlings
图选项

根据表 1可知，Cd处理后南方四季杨雌株和雄株的MDA含量分别比对照升高了54.22%和69.38%，可见镉对两者均造成了氧化胁迫，而且雄株的受胁迫程度高于雌株。雌株的SOD活性和可溶性蛋白含量与对照变化均不显著，而雄株的SOD活性和可溶性蛋白含量比对照分别降低了30.54%和20.50%。

根据表 2、表 3可知，交互作用也表明了从镉处理45天开始至第90天，镉处理对南方四季杨幼苗的P_n和F_v/F_m均产生了显著影响(除第45天的F_v/F_m以外)；性别影响一直不显著；镉和性别交互产生了一定影响，第45天的P_n、F_v/F_m和第90天的P_n差异显著。镉处理显著影响了南方四季杨幼苗的根、茎、叶生物量积累，MDA和可溶性蛋白含量；不同性别之间的根生物量积累、MDA含量和SOD活性存在显著差异；镉和性别交互对根生物量和SOD活性产生了显著影响。

雌雄异株植物在长期进化过程中，产生了次级性别二态性，以满足不同性别的资源要求^[15-16]，同时也导致了性别间的胁迫敏感性和耐受性差异。前人研究发现，在干旱、重金属、盐胁迫等环境下美洲黑杨(Populus deltoides Bartr. ex Marsh.)、滇杨(Poulus yunnanensis Dode)等植物的雌雄株的耐受性均存在一定差异^{[7, 17]}。本试验中，南方四季杨雌雄植株在镉处理90 d后根茎叶生物量积累虽然都受到了严重抑制，但是雄株生物量下降的幅度高于雌株，结合生理指标可以发现雄株对镉的耐受性低于雌株。首先，镉处理后雄株丙二醛含量显著高于雌株。丙二醛是植物膜脂过氧化产物，值越高说明植物细胞膜脂过氧化越严重，而镉对植物的毒害作用之一便是诱发氧化胁迫，产生氧自由基，直接或间接启动膜脂的过氧化作用，导致膜的损伤和破坏^[18]，可见南方四季杨幼苗雄株受到的氧化胁迫比雌株更严重。其次，雄株的超氧化物歧化酶活性显著低于雌株。超氧化物歧化酶是植物体内清除或减少自由基的重要保护酶之一，镉胁迫并没有明显影响雌株SOD活性，但是雄株SOD显著下降，这可能是雄株通过消耗大量SOD消除氧自由基^[19]，说明镉对雄株的胁迫更严重；第三，镉胁迫会导致植物可溶性蛋白降解^[20]，雄株可溶性蛋白含量相比对照显著下降，而雌株没有。综述所述，南方四季杨雌株对镉的耐受性要高于雄株。

关于雌雄异株植物对逆境胁迫的差异性响应，目前的主要推测是因为雌株具有更大的生殖投入，使得其在逆境中的耐受性要低于雄株^[6]。但是也有的研究发现雌株在逆境中的生长表现优于雄株，例如臧畅等^[21]发现桑树(Morus alba L.)雌株在镉胁迫下的耐受性高于雄株。本试验通过分析镉处理的时间效应，发现南方四季杨雌雄植株幼苗对镉耐受性的差异是因为它们采用了不用的生存策略。镉对植物体的另一个主要危害是破坏光合机构^[18]。南方四季杨幼苗雌株光合机构对镉的敏感性明显高于雄株，在镉处理的第45天其净光合速率、PSII最大光化学量子产量显著下降，最小荧光和非光化学淬灭系数显著上升，即PSII中心已经受到镉的危害，导致水分利用效率降低，但是在第60天之后，这些指标基本恢复正常。这很有可能是雌株的自我防御系统感受到镉胁迫后采取了措施，减轻了镉的伤害，提高了植株的抗性。植物在遭受镉胁迫后会产生一系列抵御机制，例如增加抗氧酶活性以消除镉产生的氧化胁迫^[22]，通过植物腺体将镉排出体外，或将Cd区隔化封存于液泡中等^[23]，还有的植物可以产生螯合蛋白质如金属硫蛋白、植物螯合肽、谷胱甘肽、及一些逆境蛋白等将有毒形态的镉转变为无毒形态^[24]。然而，雄株的光合机构损伤在镉处理的第60天才出现，并且一直持续到试验结束，期间并没有像雌株一样有一个恢复的过程。虽然在镉处理第90天，雌雄植株的光合能力均显著下降，但是雌株的光合机构受损程度，膜脂过氧化程度和可溶性蛋白的降解程度都要显著低于雄株。由此可见，雌株应对镉胁迫的策略是提高光合机构的镉敏感性并及时做出防御。

前人研究发现镉胁迫会导致植物气孔关闭，降低气孔导度。例如马引利等^[25]发现随着Cd²⁺浓度的升高和处理时间的延长，蚕豆(Vicia faba Linn.)气孔开度逐渐减小，当Cd²⁺浓度达到10 mg · L^-1时，气孔几乎完全关闭。董袁媛等^[26]的研究也发现，当土壤中的镉含量超过20 mg · kg^-1时，黄麻(Corchorus capsularis Linn.)的气孔导度显著下降。本试验中，在镉处理后的第60~90天，雄株的气孔导度显著下降，雌株也呈现下降趋势，但是水分利用效率均维持在正常水平(除了第90天的雄株以外)，这可能是由于镉胁迫导致植物脱水，植物为减少水分散失而采取的策略。干旱、黑暗、UV-B和伤害等环境条件下，气孔也会关闭，以保持植物体的水分平衡，维持正常的生长发育状态^[27]。不过镉诱导气孔运动效应的机理尚不明确，有研究者认为Cd²⁺抑制气孔开放可能由于其明显影响了K⁺、Ca²⁺ 及保卫细胞脱落酸代谢^[28]。

综上所述，南方四季杨幼苗雌株通过提高其光合机构对镉的敏感性，增强了对镉的耐受性，而雄株对镉的防御较雌株更弱。但是光合机构在感受到镉胁迫后采取了哪些防御措施，这些措施是否与雄株也存在差异，尚不明确。试验还发现在镉处理90 d后，虽然雌雄植株的光合能力和生物量积累都受到了显著抑制，雄株的水分利用效率显著下降，但是雌株保持正常，其原因亦不明确，所以还需要进一步地研究。