鎘污染來源對蘿卜鎘積累特性的影響

高子平+王龍+尹潔+崔冠男+王景安+劉仲齊

摘 ? ?要：以紅櫻桃蘿卜（Raphanus sativus L.var.radculus pers）為材料，對根際環(huán)境中和葉片中的鎘（Cd）濃度與Cd在蘿卜體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)積累的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：蘿卜根部組織中的Cd含量隨根際環(huán)境中Cd濃度的增加而增加，根部次生韌皮部對Cd的積累量明顯大于次生木質(zhì)部。在高Cd環(huán)境中次生木質(zhì)部中的Cd吸收量與次生韌皮部中的Cd含量呈極顯著正相關(guān)。蘿卜根系次生木質(zhì)部中Cd積累量與葉柄和葉片中的Cd含量高度正相關(guān)，根系中的Cd主要通過次生木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到葉柄和葉片中。葉片中的Cd主要通過次生木質(zhì)部向根系轉(zhuǎn)運(yùn)，到達(dá)根系向外擴(kuò)散到次生韌皮部，向內(nèi)擴(kuò)散到初生木質(zhì)部。

關(guān)鍵詞：蘿卜;鎘;木質(zhì)部;韌皮部;轉(zhuǎn)運(yùn)

中圖分類號(hào)：X53 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.11.010

Effects of Cadmium Pollutant Sources on the Accumulation Characteristics of Radish

GAO Zi-ping1，2， WANG Long2， YIN Jie1，2， CUI Guan-nan1，2， WANG Jing-an1， LIU Zhong-qi1，2

（1.Tianjin Key Laboratory of Animal and Plant Resistance， College of Life Science， Tianjin Normal University， Tianjin 300387， China; 2.Centre for Research in Eco-toxicology and Environmental Remediation， Agro-Environmental Protection Institute， Ministry of Agriculture， Tianjin 300191， China）

Abstract： Red Cherry Belle Radish（Raphanus sativus L.var.radculus pers）was used to study the relationship between the transport and accumulation of cadmium （Cd）inside radish and Cd content in the rhizosphere environment as well as in leaves. The results showed that the content of Cd in root tissue was increased with the increasing of Cd concentration in rhizosphere environment and Cd content in the secondary phloem was apparently higher than that in the secondary xylem. Cd accumulation in the secondary xylem was significantly and positively correlated with the Cd content in the secondary phloem when radish was planted in high Cd concentration environment. Cd accumulation in the secondary xylem of root tissues was significantly and positively correlated with the Cd content in lamina and petiole organs. Cd in lamina and petiole organs was transferred from root mainly by the secondary xylem. Cd in lamina can also be transferred to root by the secondary xylem， and then diffused to the secondary phloem and primary xylem.

Key words：radish; cadmium; xylem; phloem; transport

鎘（Cadmium，Cd）作為一種生物非必需的重金屬元素，在環(huán)境中的化學(xué)活性強(qiáng)，移動(dòng)性大，毒性持久，被認(rèn)為是最重要的重金屬污染物之一。近年來，工業(yè)生產(chǎn)、開礦、汽車排放尾氣等使水體、土壤、空氣受到嚴(yán)重污染，大量Cd進(jìn)入土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)，并通過食物鏈危及人類健康[1-2]。櫻桃蘿卜是中國四季蘿卜中的一種，是春夏之交廣受歡迎的新興蔬菜之一，具有營養(yǎng)價(jià)值高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。蘿卜的主要食用部位是肉質(zhì)根，而根作為全方位接觸土壤環(huán)境的器官，能優(yōu)先吸收并積累土壤中的各種重金屬元素和其它離子[3-4]。大氣沉降是土壤中Cd積累的重要途徑之一，大氣中的Cd經(jīng)自然沉降和雨淋沉降進(jìn)入土壤，并積累在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)[5]，也可以被植物吸收并向土壤中傳輸[6]。

蘿卜的根由種子的胚根發(fā)育而成，其幼根的初生結(jié)構(gòu)從外向內(nèi)由表皮、皮層、中柱組成。隨著根的生長發(fā)育，中柱中的維管形成層分裂產(chǎn)生的新細(xì)胞，一部分向內(nèi)形成新次生木質(zhì)部，一部分向外形成次生韌皮部，根也同時(shí)加粗。在次生木質(zhì)部形成過程中，一些細(xì)胞分生形成髓射線細(xì)胞[7]。因此，蘿卜根的次生結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依次為周皮、皮層、次生韌皮部、次生木質(zhì)部、初生本質(zhì)部。平常所看到的蘿卜皮包括了次生韌皮部、周皮及兩者之間的薄壁細(xì)胞[8]。土壤中的Cd通過質(zhì)外體和共質(zhì)體途徑進(jìn)入根系，首先進(jìn)入根表皮細(xì)胞，經(jīng)過皮層薄壁細(xì)胞運(yùn)輸?shù)街兄?，然后裝載到木質(zhì)部，隨蒸騰作用運(yùn)輸至地上部。蒸騰作用越強(qiáng)，向莖葉中的運(yùn)輸也就越快越多[9]。

顧燕青等[10]研究發(fā)現(xiàn)，櫻桃蘿卜對重金屬的富集能力相對較高，根系和葉片可以富集更多的鎘[11]，且在低濃度Cd脅迫下，Cd在根部主要分布在表皮，濃度加大后，逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，遍及整個(gè)木質(zhì)部[12]，但對Cd在蘿卜地上和地下之間的遷移轉(zhuǎn)運(yùn)方式還缺乏深入的了解。本研究以土培、水培和葉面噴施試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分別測定不同Cd脅迫環(huán)境中蘿卜不同部位的Cd含量，旨在探究Cd在櫻桃蘿卜體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)積累的基本規(guī)律，驗(yàn)證大氣Cd污染是否會(huì)影響蘿卜根部食用部分的安全性。

1 材料和方法

1.1 供試材料與處理

供試品種為極品紅櫻桃蘿卜（青縣鈺禾蔬菜育種中心），Cd處理試劑為氯化鎘（CdCl2·1/2 H2O）。試驗(yàn)于2014年7月11日至10月31日進(jìn)行。供試土壤為天津某地?zé)o污染土壤。

采用種子直播的方式種植作物于農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測所的日光溫室中。播種前3～4 d，先耕翻曬土1 d，然后澆足底水，待水分滲入土壤，表面稍干后開溝播種，播后覆土約1 cm。生長期間根據(jù)實(shí)際情況定量澆水，采取一致的管理[3，13]。

出苗60 d后，挑取均勻一致的健康蘿卜（肉質(zhì)根直徑2～3 cm，單根質(zhì)量15～20 g）進(jìn)行不同處理。一部分蘿卜去葉后，將根用去離子水洗凈，然后用含Cd 0，0.1，0.3，1.0 mg·L-1 CdCl2·1/2H2O溶液分別脅迫0，1，2，3，4，5 h，每個(gè)處理重復(fù)3次。然后把蘿卜根由周皮向中柱依次分為3部分：次生韌皮部（包括周皮和皮層）、次生木質(zhì)部（外沿木質(zhì)部3 mm）和初生木質(zhì)部（包括髓）。測定其次生韌皮部和次生木質(zhì)部部分的Cd含量。另一部分從大田拔出來的蘿卜，用去離子水洗凈后，先在去離子水中培養(yǎng)1 d，去除表面及質(zhì)外體中的Cd，然后分別將蘿卜根部放在含Cd 0，0.1，0.5，1.0 mg·L-1的CdCl2·1/2H2O溶液中脅迫3 d，每個(gè)處理重復(fù)3次，分別測其葉、葉柄、根次生韌皮部、次生木質(zhì)部和初生木質(zhì)部中的Cd含量。其它部分從大田拔出來的蘿卜，取6株，每株為一個(gè)處理，用去離子水洗凈后，移至蛭石中，將100 mL含Cd 0 mg·L-1和1.0 mg·L-1的CdCl2·1/2H2O溶液（加稀釋4 000倍的擴(kuò)展劑）分3次（間隔4 h）噴施到葉片上，為保證Cd溶液噴到植物葉面而不是落于培養(yǎng)基，移至蛭石前，在花盆表面鋪一層保鮮膜，每個(gè)處理重復(fù)3次，6 d后分別測其葉、葉柄、根次生韌皮部、次生木質(zhì)部和初生木質(zhì)部中的Cd含量。Cd脅迫試驗(yàn)的整個(gè)過程都在人工氣候室中進(jìn)行，晝夜時(shí)間為16 h/8 h，晝夜溫度為25 ℃/20 ℃，白天光照為105 mol·m-2·s-1，相對濕度為60%。

1.2 ?Cd含量測定

處理完的蘿卜植株先用自來水沖洗干凈，再用去離子水清洗，擦干表面水分，將葉、葉柄、根次生韌皮部、次生木質(zhì)部、初生木質(zhì)部分開，于烘箱中105 ℃殺青30 min，在80 ℃下烘至恒質(zhì)量。取烘干的葉、葉柄、次生韌皮部、次生木質(zhì)部和初生木質(zhì)部部分稱質(zhì)量，樣品加7 mL硝酸過夜，用多功能消煮爐110 ℃下加熱2.5 h，待冷卻后加入1 mL H2O2，繼續(xù)加熱1.5 h，然后170 ℃趕酸至1 mL，冷卻后定容至25 mL，用原子吸收光譜儀（AAS， ZEEnit 700， Analytikjena， Germany）測定其Cd含量，Cd含量表示成mg·kg-1干質(zhì)量[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007及Origin Pro 8.6進(jìn)行作圖，并用SPSS進(jìn)行分析。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 Cd濃度和脅迫時(shí)間對蘿卜根部各部位Cd積累量的影響

次生韌皮部的Cd含量比次生木質(zhì)部高10～47倍。各部分中的Cd含量隨Cd脅迫濃度的增加而增加（圖1）。劉傳娟等[15]的研究得出同樣結(jié)論。在含Cd 0.1 mg·L-1和0.3 mg·L-1的溶液中脅迫1～3 h時(shí)，次生韌皮部中Cd的積累量沒有明顯的增加，3～5 h內(nèi)吸收速率明顯增加。在含Cd 1.0 mg·L-1的溶液中脅迫時(shí)，1～2 h內(nèi)吸收速率很慢，2～3 h時(shí)，吸收速率急劇上升，3～5 h時(shí)，吸收速率相對下降，但仍有吸收。次生木質(zhì)部部分在含Cd 0.1 mg·L-1的溶液脅迫時(shí)，1～2 h內(nèi)吸收較快，2～5 h內(nèi)吸收較于平緩。在含Cd 0.3 mg·L-1和1.0 mg·L-1的溶液脅迫時(shí)，2～3 h吸收速率最快，3 h后趨于平緩。

在含Cd 0.3～1 mg·L-1的溶液中脅迫3 h后，蘿卜根系次生韌皮部的Cd含量分別達(dá)到了15.08，39.87，184.08 mg·kg-1，此后，隨著脅迫時(shí)間的延長，次生韌皮部的積累量增加，向木質(zhì)部的轉(zhuǎn)運(yùn)量也增加。在含Cd 1.0 mg·L-1的溶液中脅迫5 h后，次生韌皮部和次生木質(zhì)部中的Cd含量分別達(dá)到了257.39 mg·kg-1和5.42 mg·kg-1。由此表明，蘿卜根系次生韌皮部對鎘的吸收大于次生木質(zhì)部。

在含Cd 0.1 mg·L-1的溶液中脅迫時(shí)，根系次生木質(zhì)部中的Cd積累量與次生韌皮部中的Cd含量沒有明顯的線性相關(guān)，這是因?yàn)楫?dāng)Cd濃度較低時(shí)，次生韌皮部在1～3 h內(nèi)的Cd積累量較低，其中的Cd未能及時(shí)向次生木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)。在含Cd 0.3 mg·L-1和1.0 mg·L-1的溶液中脅迫時(shí)，根系次生木質(zhì)部中的Cd積累量與次生韌皮部中的Cd含量呈極顯著的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.981 7，0.935 1（圖2）。在含Cd 0.3 mg·L-1和1.0 mg·L-1的溶液脅迫時(shí)，次生韌皮部中的Cd積累量很快就超過了25 mg·kg-1，隨著次生韌皮部中Cd濃度的進(jìn)一步增加，根系中次生木質(zhì)部Cd吸收量與次生韌皮部Cd含量表現(xiàn)出高度的線性正相關(guān)。

2.2 蘿卜地下部分Cd含量對地上部分Cd含量的影響

在含Cd 0.1，0.5，1.0 mg·L-1的溶液中分別脅迫蘿卜根部1～5 h時(shí)，葉柄、葉片中的Cd含量與根系次生韌皮部和次生木質(zhì)部中的Cd吸收總量的相關(guān)系數(shù)分別為0.995 3，0.789 8，0.996 2， 0.994 8，相關(guān)性均為極顯著。且相關(guān)性分析時(shí)，斜率分別為0.064 1，0.219 5，0.226 0，0.883 9（圖3）。說明根系次生韌皮部和次生木質(zhì)部中Cd吸收總量與葉、葉柄吸收總量在一定程度上呈正相關(guān)，葉片和葉柄中Cd含量受次生木質(zhì)部中Cd含量影響較大，Cd是通過次生木質(zhì)部向地上部分運(yùn)輸?shù)摹?/p>

2.3 蘿卜地上部分Cd含量對地下部分Cd含量的影響

蘿卜葉面噴施Cd溶液，6 d后其地下各部分均含有Cd（圖4），說明Cd在蘿卜體內(nèi)可由地上部分向地下部分轉(zhuǎn)運(yùn)。且次生木質(zhì)部Cd含量大于次生韌皮部，差異顯著，由此推測，葉面噴施Cd溶液后，Cd在蘿卜內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑是葉、葉柄、次生木質(zhì)部，次生木質(zhì)部中的Cd向外擴(kuò)散到次生韌皮部，向內(nèi)擴(kuò)散到初生木質(zhì)部。

3 討 ?論

鎘是生物毒性最強(qiáng)的重金屬元素，且極易被農(nóng)作物吸收積累，通過食物鏈直接危害人類健康。植物根系是其吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的主要器官，也是重金屬進(jìn)入植物體的主要方式。蘿卜根系外圍的周皮和韌皮部組織作為鎘進(jìn)入根系的第一道屏障，能有效阻控Cd的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，次生韌皮部Cd含量一般是次生木質(zhì)部Cd含量的10～47倍。當(dāng)次生韌皮部中的Cd濃度超過25 mg·kg-1后，Cd才會(huì)向次生木質(zhì)部大量轉(zhuǎn)運(yùn)，此時(shí)，根系中次生木質(zhì)部Cd吸收量與次生韌皮部Cd含量表現(xiàn)出高度的線性正相關(guān)。而達(dá)到這個(gè)閾值的時(shí)間主要取決于環(huán)境中的Cd濃度。Cd脅迫濃度為0.1 mg·L-1時(shí)需3 h，Cd脅迫濃度為 0.3，1.0 mg·L-1時(shí)需2 h。這可能是因?yàn)轲B(yǎng)分物質(zhì)和重金屬離子由根際進(jìn)入木質(zhì)部進(jìn)行運(yùn)輸，首先進(jìn)入根細(xì)胞，由皮層薄壁細(xì)胞運(yùn)輸?shù)街兄?，最后裝載到木質(zhì)部[16-17]。已有研究結(jié)果證明，在低Cd濃度時(shí)，Cd主要分布在表皮和木質(zhì)部薄壁細(xì)胞中及木質(zhì)部的導(dǎo)管中，濃度增大后，Cd遍及整個(gè)木質(zhì)部[18]。

鎘通過共質(zhì)體途徑進(jìn)入根系，然后經(jīng)木質(zhì)部向地上部運(yùn)輸[17]。一般來說，大部分植物吸收的鎘主要積累在根部，地上部積累的鎘相對較少[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，蘿卜根部在含Cd0.1，0.5，1.0 mg·L-1 的溶液中脅迫時(shí)，根系韌皮部和木質(zhì)部Cd吸收總量與葉、葉柄吸收總量在一定程度上呈正相關(guān)。植物根系的Cd通過質(zhì)外體或共質(zhì)體途徑進(jìn)行短距離運(yùn)輸。由于內(nèi)皮層上存在凱氏帶，鎘不能經(jīng)過質(zhì)外體途徑直接達(dá)到木質(zhì)部導(dǎo)管，必須經(jīng)過共質(zhì)體上的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)和木質(zhì)部裝載，而后隨蒸騰作用運(yùn)輸至地上部，韌皮部可能參與了鎘向植物籽粒中的遷移和積累[21]。

氣孔是植物體內(nèi)外進(jìn)行氣體和水分交換的通道[22]，鎘還可以通過葉片吸收的方式進(jìn)入植物體內(nèi)[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，Cd在蘿卜體內(nèi)可由地上部分向地下部分轉(zhuǎn)運(yùn)，這與之前在黃瓜內(nèi)的研究結(jié)果一致[24]。由于植物的葉片表面都有大量的氣孔，各種大氣污染物除通過氣孔直接進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部外，還可以透過角質(zhì)層、蠟質(zhì)層被表面細(xì)胞吸收[25]，葉片吸收的Cd經(jīng)過氣孔及角質(zhì)縫隙滲入植物體內(nèi)，被植物吸收[26]。本研究初步證明，葉面噴施Cd溶液后，葉片中的Cd主要通過次生木質(zhì)部向根系轉(zhuǎn)運(yùn)，到達(dá)根系向外擴(kuò)散到次生韌皮部，向內(nèi)擴(kuò)散到初生木質(zhì)部，但Cd在蘿卜內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)途徑還需進(jìn)一步證實(shí)。

4 結(jié) ?論

（1）在含Cd溶液中，蘿卜根部次生韌皮部對鎘的積累量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于次生木質(zhì)部，在高Cd環(huán)境中次生木質(zhì)部中的Cd吸收量與次生韌皮部中的Cd含量呈極顯著正相關(guān)。

（2）蘿卜根系次生木質(zhì)部中Cd積累量與葉柄和葉片中的Cd含量高度正相關(guān)，根系中的Cd主要通過次生木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)到葉柄和葉片中。

（3）葉片中的Cd主要通過次生木質(zhì)部向根系轉(zhuǎn)運(yùn)，到達(dá)根系向外擴(kuò)散到次生韌皮部，向內(nèi)擴(kuò)散到初生木質(zhì)部。

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