鉛脅迫對(duì)紫藤幼苗生長(zhǎng)、生理指標(biāo)及Pb2+富集的影響

周 敏，袁菊紅，陳小嬌，江灶發(fā)

(江西財(cái)經(jīng)大學(xué) 園林系，南昌 330032)

當(dāng)下土壤重金屬污染是一個(gè)非常嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，過(guò)去50年里，全球排放到環(huán)境中的Pb、Zn和Cu分別達(dá)783 000 t、135 000 t和93 900 t[1]，鉛是土壤污染的主要元素之一。可通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，嚴(yán)重危害到人的身體健康。重金屬鉛土壤污染修復(fù)是環(huán)境界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。當(dāng)前的修復(fù)技術(shù)主要有穩(wěn)定固化法、物理法和生物法，近年來(lái)，植物修復(fù)技術(shù)因其環(huán)保、高效和成本低廉的特點(diǎn)備受青睞，該技術(shù)主要注重于超富集植物的篩選。自然界中很多植物無(wú)法抵御鉛的毒害及吸收鉛的能力低下，因大量的鉛在植物組織中的累積會(huì)引起細(xì)胞膜脂過(guò)氧化，最終影響植物的生長(zhǎng)[2-3]，所以已發(fā)現(xiàn)的鉛超富集植物很少。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)豆科植物-根瘤菌共生固氮體系的研究和將豆科植物作為先鋒植物來(lái)對(duì)重金屬尾礦進(jìn)行土壤改良及植被恢復(fù)非常重視[4]。豆科植物利用與根瘤菌形成的共生固氮體系，具有高固氮能力，可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)[5]。紫藤是豆科木質(zhì)大藤本植物，具有生物量大、生長(zhǎng)快、壽命長(zhǎng)、固氮、耐粗放管理及對(duì)氣候土壤適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，針對(duì)紫藤的相關(guān)研究主要集中于栽培、化學(xué)成分提取、病理及園林應(yīng)用方面，在重金屬抗性方面鮮見(jiàn)相關(guān)研究。因此，本試驗(yàn)以優(yōu)良的觀賞植物紫藤為試驗(yàn)材料，探究不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤的生長(zhǎng)、生理及Pb富集的影響，以期為紫藤在Pb污染土壤修復(fù)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為紫藤。采用當(dāng)年生成熟種子，播種及幼苗的培育采用Han等[6]的方法，培育于江西財(cái)經(jīng)大學(xué)苗圃地。

試驗(yàn)栽培的基質(zhì)采自江西財(cái)經(jīng)大學(xué)苗圃地?zé)o污染園土。風(fēng)干過(guò)篩，除去石礫及林草根系。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Pb污染土壤處理，Pb以Pb(NO3)2形式加入，Pb濃度設(shè)定為0(CK)、100、200、400、800和1000 mg/kg(Pb濃度配制以每千克土壤中Pb含量為標(biāo)準(zhǔn))，將配制好的Pb溶液均勻倒入等量的土壤基質(zhì)中，CK以等量的蒸餾水倒入，攪拌均勻，密閉1周，自然風(fēng)干后備用。試驗(yàn)設(shè)計(jì)共6個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。

試驗(yàn)在江西財(cái)經(jīng)大學(xué)植物生理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)用盆為12 cm×12 cm的塑料盆，盆內(nèi)套入雙層塑料袋以避免澆水時(shí)土壤及Pb液流出。選取生長(zhǎng)一致的幼苗(10 cm左右)，栽植于盆中，每盆4株。栽后放置在同一自然環(huán)境下培養(yǎng)。處理30 d后，對(duì)紫藤幼苗進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)

將試驗(yàn)苗剪成地上部分(莖葉)和地下部分(根系)，分別稱重，干重測(cè)定：植物材料于105℃殺青2 h，后于85℃烘干至恒重，稱量。

1.3.2 幼苗生理生化指標(biāo)

葉綠素含量的測(cè)定用丙酮提取法，超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑法，過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性的測(cè)定采用紫外吸收法測(cè)定[7]，按Jiang 和Zhang的方法制備粗酶液以測(cè)定丙二酮(MDA)、谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(AsA)的含量[8]，且均在4℃下進(jìn)行測(cè)量；重金屬含量采用HNO3-HClO4消煮法，用火焰原子分光光度計(jì)(型號(hào)：AAS990)測(cè)定。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)=地上部某重金屬含量/地下部某重金屬含量

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析采用Excel和SPSS13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行，并運(yùn)用鄧肯氏新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性分析。

表1 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤干鮮重的影響Table 1 Effects of Pb stress on the dry and fresh weights of Wisteria sinensis

注：數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；表中不同小寫(xiě)字母表示0.05水平上差異顯著(P<0.05)。下同

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

從表1可以看出，紫藤幼苗干、鮮重均隨Pb濃度的升高呈先增后降趨勢(shì)，差異不顯著(P>0.05)，地上部干、鮮重在200 mg/kg Pb處理時(shí)達(dá)最大值，分別是CK的1.37倍、1.33倍。地下部鮮重在100 mg/kg Pb達(dá)最大值，為CK的1.35倍，地下部干重在200 mg/kg Pb濃度含量最高，是CK的1.35倍。不同Pb濃度處理下，紫藤幼苗地上部干、鮮重均大于CK，1000 mg/kg Pb處理下，紫藤幼苗地下部干、鮮重均低于CK，分別比CK降低了10.65%、12.01%。說(shuō)明，高濃度Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗的根系有一定的抑制作用。

2.2 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗生理指標(biāo)的影響

2.2.1 不同濃度 Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗葉綠素的影響

由圖1顯示，隨著Pb處理濃度的升高紫藤幼苗Chla、Chlb和Cxc含量整體呈先升后降趨勢(shì)，在100 mg/kg Pb處理下紫藤幼苗Chla、Chlb和Cxc含量達(dá)最大值，分別比CK增加了29.70%、14.48%和31.56%，其中Cxc差異顯著(P<0.05)。1000 mg/kg Pb處理下，Chlb含量比CK顯著降低34.36%(P<0.05)，其他處理均高于CK。說(shuō)明高濃度Pb脅迫對(duì)紫藤葉綠素b的合成有顯著的負(fù)面影響。

圖1 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤葉綠素含量的影響Figure 1 Effects of Pb stress on chlorophyll contents of Wisteria sinensis

2.2.2 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗MDA含量的影響

MDA是反應(yīng)脂質(zhì)過(guò)氧化程度重要指標(biāo)。如圖2所示，紫藤幼苗地上部MDA含量隨Pb處理濃度的升高呈先升高后降低趨勢(shì)，差異不顯著(P>0.05)，在200 mg/kg Pb處理時(shí)達(dá)最大值，較CK增加8.66%；地下部則呈逐漸升高趨勢(shì)，在1000 mg/kg Pb處理時(shí)達(dá)最大值，較CK顯著增加36.06%(P<0.05)。說(shuō)明，隨Pb濃度的升高，紫藤根部的膜脂化程度逐漸升高。

圖2 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤M(fèi)DA含量的影響Figure 2 Effects of Pb stress on MDA of Wisteria sinensis

2.2.3 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗抗氧化酶活性的影響

由圖3顯示，不同濃度Pb脅迫下，紫藤幼苗SOD活性均高于CK，地上部SOD活性隨Pb濃度的升高而逐漸升高，在1000 mg/kg Pb脅迫下達(dá)最大值，較CK增加17.86%(P<0.05)，地下部在400 mg/kg Pb處理時(shí)SOD活性最高，較CK顯著增加99.75%。說(shuō)明，Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗SOD活性有誘導(dǎo)作用。

紫藤幼苗POD活性隨Pb處理濃度的升高整體呈先升高后下降趨勢(shì)，且活性均高于CK。地上部在800 mg/kg Pb脅迫下POD活性最高，較CK顯著升高91.78%(P<0.05)；地下部在400 mg/kg Pb脅迫下POD活性最高，較CK顯著升高64.85%。說(shuō)明，Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗POD活性有誘導(dǎo)作用。

紫藤幼苗CAT活性隨Pb濃度升高呈先升高后下降趨勢(shì)，地上部CAT活性在800 mg/kg Pb處理下達(dá)最大值，是CK的1.79倍，差異顯著(P<0.05)，地下部CAT活性在100 mg/kg Pb處理下達(dá)最大值，是CK的2.20倍，差異顯著(P<0.05)，1000 mg/kg Pb處理時(shí)達(dá)最小值，比CK降低10.94%，差異不顯著。說(shuō)明，高濃度Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗CAT活性有一定的抑制作用。

圖3 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤SOD、POD 和CAT活性的影響Figure 3 Effects of Pb stress on the activities of SOD,POD and CAT of Wisteria sinensis

2.2.4 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗AsA、GSH含量的影響

從圖4可知，紫藤幼苗地上部AsA含量隨Pb處理濃度升高呈先增加后減少趨勢(shì)，在400 mg/kg Pb處理時(shí)含量最大，比CK顯著增加7.25%(P<0.05)；地下部AsA含量?jī)H100 mg/kg Pb處理下大于CK，比CK增加0.30%，差異不顯著(P>0.05)，800 mg/kg Pb處理時(shí)達(dá)最小值，較CK顯著降低5.00%(P<0.05)。

表2 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗Pb富集轉(zhuǎn)運(yùn)的影響Table 2 Effects of Pb stress on the Pb contents in Wisteria sinensis

圖4不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤幼苗AsA、GSH含量的影響
Figure 4 Effects of Pb stress on the contents of ascorbic acid and glutathione inWisteriasinensis

不同Pb濃度處理下，紫藤幼苗地上部GSH含量顯著低于CK，且顯著高于地下部，地下部GSH隨Pb處理濃度的升高呈先增加后減少趨勢(shì)，在400 mg/kg Pb處理時(shí)含量最大，比CK增加15.44%，差異不顯著(P>0.05)。說(shuō)明，外源Pb脅迫顯著抑制了紫藤葉片GSH的合成。

2.3 不同濃度Pb脅迫對(duì)紫藤Pb富集轉(zhuǎn)運(yùn)的影響

由表2可知，隨Pb處理濃度升高紫藤地上部Pb2+含量呈先升高后降低趨勢(shì)，在800 mg/kg Pb脅迫下達(dá)最大值，是CK的28.50倍，差異顯著(P<0.05)。地下部Pb2+含量隨Pb濃度升高而逐漸升高，1000 mg/kg Pb處理時(shí)達(dá)最大值，是CK的256.15倍，差異顯著(P<0.05)。紫藤對(duì)Pb離子的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨Pb濃度升高而逐漸降低，1000 mg/kg Pb處理下，紫藤的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)僅為CK的6.00%。表明Pb2+大量富集于紫藤幼苗地下部,僅少量運(yùn)轉(zhuǎn)到地上部。

3 討論與結(jié)論

植物體內(nèi)的Pb含量超過(guò)一定閾值，可影響植物的正常代謝和生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致死亡。侯曉龍等人研究表明，百喜草能在土壤2500 mg/kg Pb濃度條件下生長(zhǎng)[9]。本試驗(yàn)設(shè)定的Pb濃度并未對(duì)紫藤幼苗正常生長(zhǎng)造成明顯的影響。Pb濃度低于800 mg/kg對(duì)紫藤的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，在1000 mg/kg Pb處理時(shí)，對(duì)地下部分的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，但不顯著。表明紫藤對(duì)Pb脅迫有一定的抗性。

葉綠素作為植物進(jìn)行光合作用的主要色素，其含量的多少是反映植物葉片光合能力的一個(gè)重要指標(biāo)。夏建國(guó)等研究發(fā)現(xiàn)，100 mg/kg Pb處理時(shí)茶樹(shù)葉綠素含量有所增加，但在高濃度時(shí)顯著降低，外觀上表現(xiàn)為葉片變黃[10]。俞珊等人研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Pb脅迫對(duì)苦草葉綠素含量有所促進(jìn)，高濃度Pb脅迫時(shí)則呈下降趨勢(shì)[11]。本試驗(yàn)中，紫藤僅1000 mg/kg Pb處理時(shí)，Chlb含量顯著低于CK，在100 mg/kg Pb處理下葉綠素含量達(dá)最大值。說(shuō)明，外源Pb濃度低于800 mg/kg對(duì)紫藤幼苗葉綠素的合成有一定的促進(jìn)作用，Pb濃度大于800 mg/kg時(shí)顯著抑制Chlb的合成。

MDA含量是評(píng)價(jià)植物在逆境脅迫時(shí)受傷害程度的指標(biāo)。本試驗(yàn)中，紫藤幼苗地上部MDA含量變化不顯著，表明本試驗(yàn)設(shè)定的Pb濃度并未導(dǎo)致紫藤幼苗葉片細(xì)胞發(fā)生明顯的膜脂過(guò)氧化反應(yīng)，細(xì)胞未受到明顯傷害，地下部MDA含量隨Pb濃度升高而逐漸增加，Pb濃低于800 mg/kg時(shí)差異不顯著，Pb濃度達(dá)1000 mg/kg時(shí)，比CK顯著增加36.06%。說(shuō)明，紫藤對(duì)Pb的脅迫有較強(qiáng)的抗性，但Pb濃度在達(dá)1000 mg/kg時(shí)紫藤幼苗根部細(xì)胞膜脂化加劇。

生物體自身的保護(hù)酶系統(tǒng)能清除自由基、維持細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的功能和完整性，進(jìn)而減輕危害[12]。SOD、POD 和CAT是植物體內(nèi)生物防御活性氧傷害的重要保護(hù)酶類(lèi)，其活性直接影響活性氧的新陳代謝[13]。高活性抗氧化酶有利于植物受外界脅迫的耐受性提高[14]。本研究中，紫藤地上部CAT和POD活性均隨Pb濃度的升高呈先升后降趨勢(shì)，在800 mg/kg Pb活性最高，地上部SOD活性隨Pb濃度的升高而升高，不同濃度Pb處理，紫藤幼苗SOD、POD活性均高于CK，僅地下部CAT活性在1000 mg/kg Pb處理時(shí)低于CK。說(shuō)明，外源Pb脅迫可激發(fā)紫藤幼苗SOD、POD、CAT活性，減輕紫藤幼苗受Pb的毒害。

AsA和GSH屬于非酶性自由基清除劑，在植物體內(nèi)代謝過(guò)程中起著重要作用，尤其是能抵御活性氧的傷害[15]。本試驗(yàn)中，地上部AsA含量隨Pb處理濃度升高呈先增加后減少趨勢(shì)，且均大于CK，地下部?jī)H100 mg/kg Pb處理時(shí)大于CK；地上部GSH含量均顯著小于CK，地下部隨Pb濃度的升高呈先增加后降低趨勢(shì)，400 mg/kg Pb處理時(shí)達(dá)最大值。Pb脅迫下地上部AsA和GSH在變化趨勢(shì)不同，其原因可能是AsA-GSH循環(huán)系統(tǒng)作用的結(jié)果。

Han等人研究表明：植物體內(nèi)重金屬大部分都滯留在地下部根中，僅少量運(yùn)輸?shù)降厣喜?，為降低地上部重金屬毒害提供良好的屏障[16]。沙文沛等人對(duì)香樟幼苗的研究表明，香樟幼苗對(duì)Pb的吸收大量累積在根部，只有少量Pb被運(yùn)轉(zhuǎn)到地上部[17]。本試驗(yàn)結(jié)果與之相符，隨Pb處理濃度升高紫藤葉片中Pb2+含量先增加后減少，最高達(dá)57.38 mg/kg，是CK的28.50倍,地下部Pb2+含量隨Pb濃度升高而增加，最高達(dá)1131.42 mg/kg，是CK的256.15倍。紫藤幼苗對(duì)Pb2+的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在0.03～0.50之間，且隨Pb處理濃度升高而逐漸降低。試驗(yàn)表明，紫藤對(duì)Pb有一定的富集能力，且大量積累在根部，僅少量運(yùn)轉(zhuǎn)到地上部。

綜合而言，紫藤能在Pb污染濃度達(dá)1000 mg/kg的土壤環(huán)境中正常生長(zhǎng)，且對(duì)Pb有較強(qiáng)的耐性和一定的富集能力，因此，紫藤在Pb污染土壤區(qū)的實(shí)地生態(tài)修復(fù)值得進(jìn)一步研究。