苧麻對鎘吸收累積特征、生理響應及土壤修復的研究進展

劉婕儀,王繼龍,李林林,蘇小惠,崔丹丹,王昕慧,劉皖慧,楊瑞芳,佘瑋,崔國賢

(湖南農業(yè)大學苧麻研究所，湖南 長沙 410128)

苧麻(BoehmerianiveaL.)是蕁麻科苧麻屬多年生宿根性草本植物，其特點為根系龐大，生長速度快，生物產量高[1]。苧麻是中國特有的纖維作物，在國際上被稱為“中國草”[2]。

鎘是環(huán)境遷移性、中毒性最強的重金屬元素之一[3]，土壤中過量的鎘易被植物吸收和積累，不僅造成農作物產量和品質下降，還會影響植物的細胞分裂、生長及代謝活動[4]。鎘被植株的根系和葉片吸收，而后在各組織上長時間積累，并通過食物鏈進入人體內，經(jīng)過長期積累后通常會加快人的衰老，甚至引發(fā)各類疾病，因此鎘污染對人體健康造成很大的威脅。

近年來有研究[5]指出，苧麻對重金屬具有較強的耐受力，是一種較理想的中、輕度重金屬污染土壤修復作物，因此利用苧麻防治重金屬鎘污染方面的研究具有重大意義。目前的研究主要集中在鎘的吸收與富集、苧麻對鎘污染土壤的修復作用及鎘對苧麻生長發(fā)育和生理生化影響等方面。本文主要對近十年苧麻在重金屬鎘污染土壤修復及苧麻對鎘脅迫響應研究方面進行綜述，旨在為今后苧麻修復鎘污染土壤及鎘污染防治提供科學依據(jù)。

1 苧麻對重金屬鎘的吸收累積特征

1.1 苧麻對鎘的耐受性和累積效應

植物的耐受力可以用Ti(耐受指數(shù))來表示，Ti通常被用來反映植物對不利生長發(fā)育環(huán)境條件的忍受程度，一般用各處理植物各農藝性狀與對照的比值來表示。曹德菊等[6]采用盆栽試驗研究苧麻對鎘的耐受力和累積效應時發(fā)現(xiàn)，在鎘濃度為200 mg/kg時苧麻長勢情況較好，并在一定程度上有促進作用；當鎘濃度增大至900 mg/kg時，植株會產生致命的毒害作用，苧麻地下部會發(fā)生腐爛現(xiàn)象；當鎘濃度≥1200 mg/kg時，則導致苧麻植株全部死亡。佘瑋等[7]通過盆栽試驗探索了不同鎘濃度對9個苧麻品種吸收累積鎘的影響，發(fā)現(xiàn)當鎘濃度為23～46 mg/L時，石阡竹根麻、宜春紅心麻和川苧1號3個品種的地上部生物量均高于對照，在鎘污染土壤上種植苧麻，能起到一定的土壤凈化作用。付慧琴[8]研究鎘脅迫下苧麻不同細度種質的耐受能力，發(fā)現(xiàn)苧麻種質的耐鎘性與纖維細度存在一定關系，中、高細度苧麻種質的耐鎘性大于低細度苧麻種質。有研究[9]表明，重金屬鎘在不同基因型苧麻植株中分布的部位不同，不同基因型苧麻根、莖、葉3部分的鎘含量均存在差異，差異較大的是湘苧二號，其莖部平均含鎘量高達11.98 mg/kg，是其根部的4倍多、葉的3倍，而差異較小的是寧都白麻，其莖部的平均含鎘量只有葉部的兩倍左右，并且略低于根部含鎘量；此外，通過比較麻殼、原麻和麻骨含鎘量可知，重金屬鎘主要分布在麻殼中，其鎘含量遠高于原麻和麻骨，其中麻殼含鎘量最高的品種為石阡竹根麻，其鎘含量高達74.56 mg/kg，遠超出其原麻和麻骨的含鎘量。孟桂元等[10]通過分析不同濃度Cd/Sb/Pb復合作用下苧麻的生長響應，及重金屬吸收、富集和遷移特征變化的盆栽試驗，表明高濃度明顯抑制了苧麻的生長，其植株變矮、莖變細及生物量明顯減少；而低濃度Cd/Sb/Pb復合處理對苧麻生長及生物量沒有明顯影響，說明苧麻是目前修復重金屬Cd/Sb/Pb 復合污染的理想植物。研究[11]表明，在低濃度鎘處理條件下，能夠較明顯地促進苧麻的生長，在鎘濃度達到100 mg/kg時苧麻仍能正常生長發(fā)育，說明苧麻對重金屬鎘有較強的耐受力和吸收富集力。林匡飛等[12]結合盆栽、田間和大田定位試驗研究了苧麻吸鎘特性及對含鎘土壤的改良作用，與眾多研究結果一致，在土壤鎘含量在100 mg/kg以下時，苧麻農藝性狀均有所提升，并且原麻產量有增加趨勢；當土壤鎘含量達到400 mg/kg時，明顯影響苧麻正常的生長發(fā)育，使得苧麻生長緩慢，各農藝性狀出現(xiàn)急劇下降的現(xiàn)象，原麻減產14.5%。鎘在苧麻品種湖北細葉綠各部位含量為根>莖葉>籽實，在莖葉中含量為皮屑>鮮皮>麻骨>原麻。不同麻齡湖北細葉綠的根和莖葉鎘含量表現(xiàn)為三齡麻>二齡麻>一齡麻，同齡麻湖北細葉綠三季差異為頭麻>三麻>二麻。

1.2 苧麻對鎘的富集及轉運能力

植物從土壤中吸收、富集重金屬，可用富集系數(shù)(Bioaccumulation factor，BCF)來反映植物對重金屬富集能力的強弱，BCF是指植物地上部分重金屬含量與土壤重金屬含量的比值，一般來說系數(shù)越大，表明植物對該重金屬的富集能力越強[13]。林欣等[14]研究表明，鎘處理對苧麻的生長產生了明顯的抑制作用，4種苧麻品種的株高、莖粗、皮厚和地上部生物量均較CK有明顯的降低，并且隨處理鎘濃度的增加各指標的降低程度增大；各苧麻品種的地上部器官和根部Cd富集量與處理濃度呈正相關，苧麻各器官或部位對鎘的BCF大小為莖皮>麻骨>根部>葉片，即苧麻莖皮部的富集能力最強，葉片的富集能力最弱，苧麻根部直接接觸土壤中重金屬鎘，而根部富集鎘的能力僅強于葉片，這也說明了苧麻向上轉運鎘的能力強。戴曉燕[15]研究飼纖兼用苧麻的鎘富集性差異與上述研究結果基本一致，不同的是根部的富集系數(shù)要強于麻骨，并得出同一飼纖兼用苧麻種質資源纖維部分的鎘富集系數(shù)僅大于葉片。相比其他重金屬，苧麻體內重金屬鎘含量最高，富集能力和轉運能力都較強[16]。苧麻本身具備良好轉運能力的條件，因苧麻地上部生物量大，遠超出其根量，可以將大量的地下部重金屬轉移至地上部。轉運能力通常用轉運系數(shù)(Transfer factor,TF)來表示，TF為植物地上部重金屬含量與其地下部重金屬含量的比值，系數(shù)大小與轉運能力呈正比，轉運能力越強對重金屬的修復能力就越強。由圖1可知，Cd處理濃度100 mg/kg為臨界點，當Cd處理濃度小于100 mg/kg時，苧麻地上部轉運系數(shù)較CK整體呈增加趨勢，表明低Cd濃度處理條件下苧麻對重金屬鎘轉運有一定的促進作用；當Cd處理濃度大于100 mg/kg時，隨著濃度的增加苧麻地上部轉運系數(shù)越來越小，均小于0.8，表明高Cd濃度處理條件下苧麻對重金屬鎘轉運有一定的抑制作用。

圖1 不同Cd濃度處理下植株地上部富集系數(shù)和轉運系數(shù)[17]Fig.1 The bioaccumulation factor and transfer factor of ramie under exposure of Cd[17]

1.3 苧麻對重金屬鎘污染土壤的修復效果

苧麻多功能開發(fā)的一個熱點是修復重金屬鎘污染土壤，苧麻地上部生物量大，根部能有效吸收土壤中的重金屬鎘，經(jīng)根部傳輸?shù)狡r麻各部位，在一定程度上能夠減少土壤鎘污染。苧麻耐鎘性強，在低濃度鎘污染的土壤能正常生長，結合現(xiàn)代苧麻栽培方式扦插育苗能夠大幅度提升苧麻成活率，以及苧麻多年生、一年收獲3～4次的特點，故苧麻在改善和修復土壤方面存在明顯優(yōu)勢[18]。雖然我國苧麻種質資源較為豐富，但不同地區(qū)的不同品種在生長情況上也存在著較大差異，對重金屬鎘污染土壤的修復效果也有明顯差異，因此針對不同的鎘污染區(qū)，應篩選適宜的品種推廣種植，以及運用現(xiàn)代作物育種的方法，如雜交育種、人工誘變育種、多倍體育種、基因工程育種、細胞工程育種等育種方法培育在當?shù)匦迯玩k污染土壤最佳的苧麻新品種[19]。利用苧麻修復重金屬鎘污染的土壤，一方面能很好地修復土壤，而且作為經(jīng)濟作物種植既有一定的收入，也不像糧食、蔬菜等作物通過食物鏈進入人體，所以苧麻在修復重金屬鎘污染土壤方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。

2 鎘對苧麻生理生化的影響

2.1 鎘對苧麻光合作用的影響

作物生長最基礎、最重要的生理活動就是光合作用，而Cd會破壞細胞膜的結構和功能，導致葉綠素及蛋白質的合成受阻，從而使植物的部分氣體交換參數(shù)值[20]和光合色素含量[21]下降，進而影響作物的正常生長。大量研究表明，鎘脅迫下會使苧麻葉片的凈光合速率、蒸騰速率等光合指標下降[22]，導致苧麻光合作用強度明顯減弱[23]。有研究[24]表明，不同苧麻品種葉片凈光合速率的光強反應不盡相同，隨光合有效輻射的增強其凈光合速率整體呈“S”型趨勢，即為“慢-快-慢”的光強反應表現(xiàn)。隨著鎘處理濃度的增加，苧麻葉片凈光合速率逐漸降低。李雪玲等[25]研究發(fā)現(xiàn)，苧麻葉片葉綠素含量的下降程度與鎘濃度水平呈正相關，在長時間鎘脅迫下苧麻葉片胞間CO2濃度顯著降低，并明顯抑制了苧麻葉片的氣孔導度，是降低苧麻光合作用的主要限制因子。研究[26]發(fā)現(xiàn)，苧麻贛苧5號在鎘脅迫條件下，旺長期其葉片除了胞間CO2濃度呈下降趨勢以外，其余的光合指標均呈上升趨勢，而在成熟期各光合指標與旺長期恰好相反，兩時期下各光合指標與對照相比均達到極顯著差異。一齡麻贛苧5號在6個鎘脅迫濃度(0、20、60、120、180、240 mg/L)處理下，脅迫21 d時鎘濃度為中度處理(60、120 mg/L)下，苧麻葉片的凈光合速率較大，鎘脅迫49 d時各處理濃度下其凈光合速率均有所減小，處理濃度為120 mg/L及以上時，隨著濃度的增加凈光合速率逐漸減小[27]。

2.2 鎘對苧麻抗氧化酶的影響

酶是生物體內由活細胞產生的一種生物催化劑，而抗氧化酶一旦在體內形成氧化物會即刻發(fā)揮作用，利用氧化還原作用將過氧化物轉換為毒害較低或無害的物質，所以抗氧化酶的存在對降低重金屬鎘的毒害有重要意義。楊葉萍[28]研究表明，苧麻在鎘脅迫條件下，超氧化物歧化酶(SOD)活性和過氧化氫酶(POD)活性表現(xiàn)為根系明顯高于葉片，其中POD活性最為明顯，高出100倍以上；根系和葉片的SOD活性與受鎘脅迫時間呈負相關，且根系SOD活性隨鎘濃度的增加而整體呈增強趨勢，葉片SOD活性隨鎘濃度的增加而整體呈減弱趨勢。長時間(49 d)鎘脅迫下，根系和葉片的POD活性隨Cd2+濃度增加而逐漸增強，當Cd2+濃度為120 mg/L時，POD活性急劇上升；短時間(21 d)鎘脅迫下，根系POD活性在不同梯度鎘脅迫下急劇變化，而葉片的POD活性隨鎘濃度的增加呈穩(wěn)定緩慢上升趨勢。葉片過氧化氫酶(CAT)活性要高于根系，21 d鎘脅迫下，根系CAT活性隨鎘濃度的增加逐漸增強，49 d鎘脅迫下，根系CAT活性隨鎘濃度的增加明顯減弱，脅迫時間長短對葉片CAT活性影響不明顯。苧麻根系和葉片丙二醛(MDA)含量受鎘脅迫時間的影響不大，21 d鎘脅迫下，Cd2+濃度分別為60、180 mg/L時，根系和葉片的MDA含量下降幅度巨大。王凱榮等[29]研究發(fā)現(xiàn)，苧麻葉片MDA含量與土壤Cd濃度及受冷害程度等逆境的傷害呈正相關，其中鎘脅迫下相關系數(shù)達到0.96，表明苧麻對鎘的毒害反應與其他逆境因子的響應有相似的生理反應基礎，可見重金屬鎘對苧麻抗氧化酶活性及其MDA含量有較大的影響。

2.3 鎘對苧麻螯合作用的影響

重金屬鎘對作物的正常生長發(fā)育造成很大的威脅，并且農作物對重金屬鎘有較敏感的生理反應，故作物在長期受到鎘脅迫的環(huán)境中會自發(fā)的產生相應的抵制機制，來應對逆境造成的不良影響，而螯合作用是作物解除鎘毒害最有效的反應機制。

鎘對苧麻的螯合作用相關研究較少，與其他作物的螯合作用原理相同，植物體內的螯合素(PC)能與金屬離子螯合成較穩(wěn)定的硫肽復合物，硫肽復合物等在轉運蛋白的運輸下可以轉移到細胞液或者細胞外，形成良好的耐鎘性保護反應機制[30]。苧麻對重金屬鎘的耐受性實質是螯合作用的表現(xiàn)，苧麻的螯合作用使得其具備了成為修復重金屬污染土壤的優(yōu)良材料[31]。苧麻作為纖維經(jīng)濟作物，具有不進入食物鏈等的特點，故在鎘污染土壤修復中存在較大的優(yōu)勢。佘瑋等[32]對營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下苧麻耐鎘性指數(shù)及對應的隸屬函數(shù)值進行聚類分析，將苧麻耐受性分為高耐性、中耐性、低耐性3種，3種耐受性下的苧麻螯合作用也可分為3個等級。有研究[33]報道，鎘處理下依靠苧麻的螯合作用進行調控，PCs在將鎘從根轉運到莖的長距離運輸中發(fā)揮作用，使鎘在根中保持低濃度。Howden等[34]分離了擬南芥cad1突變體，由于這些突變體缺乏PC合成系統(tǒng)而表現(xiàn)出PC合成酶的活性水平降低，使擬南芥對鎘的敏感性增加，因此設想將PC合成酶轉入苧麻體內，會更大限度提高苧麻對鎘的耐受性，鑒于此有相關研究[35]表明，植物本身對重金屬有排斥性，可以通過一定排斥反應將其排除體外，從而與體外分泌物結合形成較為穩(wěn)定的重金屬絡合物，重金屬也可在植物體內與細胞壁結合。

2.4 鎘對苧麻區(qū)域化作用的影響

區(qū)域化作用是通過運輸把重金屬轉移至一些生理代謝緩慢的植物器官或亞細胞區(qū)域，能夠有效降低重金屬鎘等的毒害。為了減少鎘脅迫對自身生長發(fā)育的影響，苧麻體內存在多種途徑可增強對鎘的耐性，而區(qū)域化作用是其保護體系之一[36]。細胞是生物體基本的結構和功能單位，在重金屬鎘入侵植物細胞的過程中細胞壁擔起了第一道防線，使部分重金屬鎘與細胞壁處的果膠等結合累積而不再進入細胞內，減少了對苧麻的直接傷害[37]；另外直接通過細胞壁的重金屬鎘進入細胞內，而鎘在細胞內能刺激螯合肽的合成，并與之結合形成絡合物，在轉運蛋白的運輸下最終達到植物細胞最大的細胞器液泡[38]，由細胞壁和液泡將重金屬鎘劃分在兩個主要的區(qū)域，有效降低了重金屬鎘對細胞其他部分正常生命代謝活動的影響。轉運蛋白在重金屬進入植物細胞以及對重金屬毒害的防御中起重要作用，重金屬鋅轉運調節(jié)系統(tǒng)又稱鋅轉運蛋白，重金屬鎘轉運調節(jié)系統(tǒng)又稱為鎘轉運蛋白。轉運蛋白主要是吸收蛋白和排除蛋白兩大類，屬于轉運金屬離子螯合物的跨膜載體，兩者在相輔相成的配合下完成對重金屬鎘的運輸，在細胞質膜和液泡膜等形成局部區(qū)域化作用[39]。

3 苧麻種植減鎘毒害防治措施

3.1 物理防治

種植苧麻的田間鎘遷移性差，因此可以采用深耕的方法，減少表層土壤的含鎘量，或采用排土客地的方法，把未污染的土壤移至已受污染的土地，覆蓋在土地表面或者與土地充分混合，達到降低土壤含鎘量、盡可能減少苧麻對鎘吸收的目的。消除重金屬鎘污染還可以采用去除表土的措施來防治，此種消除方式比較徹底，能夠很好地防治土壤的鎘污染。此外還有清洗法，通常用水把被重金屬鎘污染的土壤沖離至苧麻根部外層等[40]。

3.2 化學防治

化學防治是指向受重金屬鎘污染的土壤加入化學試劑，通過化學反應來減少鎘含量的措施。有研究[41]報道，酸堿度能夠明顯影響重金屬鎘的活性，土壤堿性越強鎘活性越弱，最普遍的是施用石灰，提高土壤pH值，每667 m2施25 kg石灰，兩年左右可有效降低土壤中重金屬鎘的活性。添加磷酸鹽類、硅酸鹽類物質與重金屬Cd形成難溶性的磷酸鹽、硅酸鹽，從而降低土壤中重金屬鎘的溶解性，減少其在苧麻體內的積累，研究還發(fā)現(xiàn)海泡石可以作為重金屬鎘污染的改良劑，能顯著降低鎘的有效性[42]?；瘜W防治時效快，操作簡單，但是不夠徹底，只能在污染程度低的區(qū)域小面積采用，否則會造成土壤理化性質的不平衡和土壤板結等問題。

3.3 生物防治

生物防治一般有動物、植物、微生物防治3種途徑[43]，結合苧麻多年生生長特性和收獲方式，在溫度和水分等適宜的條件下，苧麻地里麻骨等殘渣一般會滋生出蚯蚓、蠐螬等軟體動物，使得種植苧麻的土地通常有豐富的生物活動。苧麻地種植蕨類、莧類、黑麥草等富集植物，也可采用間作的栽培方式，能夠有效降低土壤中重金屬鎘含量。在重金屬鎘污染的土壤種植苧麻，在一定程度上可提高有機質含量[44]，而有機質可以為微生物提供活動場所，微生物的生命活動可以逐漸改善土壤結構，增強土壤膠體對重金屬鎘的吸附能力，從而在一定程度上達到對鎘污染的防治。生物防治是利用生物對重金屬鎘的減弱、凈化及固定作用降低鎘的毒害性[45]，該措施具有無附加污染、生態(tài)環(huán)保、發(fā)揮作用持續(xù)的優(yōu)點。

3.4 肥水防治

苧麻地肥水耦合的田間管理一方面能使苧麻生長旺盛，另一方面對土壤理化性有所改善，降低重金屬鎘的活性，防治鎘毒害的重要方法之一是降低土壤中鎘的活性[46]。種植苧麻前可以將土壤進行淹水，Cd在淹水的土壤中會形成難溶性的化合物，控制好土壤水分狀況能降低Cd2+的轉移，施用有機肥能改良土壤，提供苧麻生長的優(yōu)質環(huán)境，大幅度降低鎘污染的程度[47]。施用有機肥后，土壤中活性較高的游離態(tài)和交換態(tài)Cd能轉化為活性較低的有機結合態(tài)Cd，同時增加活性氧化物的含量，提高酸性土壤的pH值，進而顯著降低苧麻對鎘的吸收[48]。

4 討論與展望

對于重金屬鎘對苧麻的生理生化研究目前已經(jīng)取得了一定的進展，但仍存在尚未解決的問題以及待改進之處，在今后的研究工作中，將在苧麻對鎘的分子機制方面作更深入的研究，通過現(xiàn)代生物技術手段，降低苧麻對鎘的吸收和富集，實現(xiàn)鎘污染土壤的無害化苧麻種植[49]。朱守晶[50]研究表明，鎘脅迫響應的主要代謝途徑是苧麻BnAPX1、BnGR1以及BnPCS1基因的全長cDNA序列，3種基因的表達特征分析是受重金屬鎘的脅迫，而功能鑒定證明其具有提高苧麻耐鎘性的能力。在研究苧麻鎘脅迫響應基因的克隆與表達分析中發(fā)現(xiàn)，BnMYB1是一個鎘應答基因，可能在苧麻對鎘脅迫的適應中發(fā)揮重要作用[51]；BnMYB3基因能夠響應鎘脅迫，且表達量隨鎘脅迫處理時間和處理濃度的增加而顯著上升[52]。

苧麻吸附重金屬鎘的研究中，有大量關于超富集植物的報道。Brooks[53]對超富集植物的定義應符合3個標準：(1)植物地上部分富集的重金屬鎘含量臨界含量標準為100 mg/kg；(2)植株地上部重金屬含量要大于地下根部；(3)植株應具有生育期短、地上部生物量大和抗性強等特點。雖然苧麻在高濃度鎘脅迫(鎘濃度≥100mg/kg)下未達到超富集植物的標準，但苧麻具有每季生育期短、地上部生物量大、根系發(fā)達和水土保持能力強等特點，故山坡地種植苧麻來修復土壤重金屬污染是較好的選擇[54]。綜合來看，其在重金屬污染土壤修復中的作用不亞于生物量少、生長緩慢的超富集植物，表明苧麻是理想的修復植物。

苧麻修復土壤鎘污染的研究處于起步階段，基礎研究欠缺，加之技術瓶頸使之難以取得實質上的突破。針對目前的研究現(xiàn)狀，筆者結合前人研究提出以下建議：(1)加快苧麻耐受性品種的篩選與選育，一方面可以從現(xiàn)有的苧麻種質資源中廣泛篩選，種植出適合本地區(qū)培育的苧麻品種；另一方面還可以應用現(xiàn)代育種技術，培育耐鎘能力強的新品種；(2)進一步探索苧麻耐鎘的宏觀規(guī)律和微觀機理，特別是分子生物學機理，同時借助轉基因技術克隆耐鎘基因，并進行相關的轉基因研究；(3)進行重金屬污染修復利用途徑的整體創(chuàng)新，利用苧麻修復鎘污染與其他物理、化學、生物和生態(tài)方法相結合，從而達到土壤環(huán)境治理的目的，進一步延長苧麻的修復期限，從而取得更好的效果。