鎘脅迫對兩種蔊菜生長的影響及其在植物體內(nèi)的積累和轉(zhuǎn)運特性

關(guān) 萍，金 愷，袁蘊寧，曲 波，邵美妮，許玉鳳

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)a.生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，b.林學(xué)院，沈陽110161；2.遼寧省高速公路運營管理有限責(zé)任公司，沈陽110000）

隨著社會工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，而重金屬鎘（Cd）污染在環(huán)境污染中最為突出，為“五毒”元素之一，其主要來源于化肥和農(nóng)藥的施用、工業(yè)廢水和污水的灌溉、礦山開采、大氣沉降等[1]。 Cd 能通過根系吸收而在植物中積累，然后通過食物鏈進入人體，危害人體健康[2]。

Cd 不是植物生長的必需元素，當(dāng)土壤中Cd 含量較低時，對植物生長影響較小，甚至有促進作用，但高濃度的鎘對植物生長具有抑制作用[3]。鎘脅迫能通過抑制根尖細胞的分裂和伸長而影響根系生長[4],阻礙葉片中葉綠素的合成，進而抑制光合作用[5],使酶的活性發(fā)生改變，造成膜損傷[6]。 鎘脅迫還能抑制根系對鉀、鈉、鎂、鋅、鐵、鈣等營養(yǎng)元素的吸收[7-8]。 鎘脅迫最終會造成植物葉片變黃，生長緩慢，植物體矮小，作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，嚴(yán)重時植物會死亡[9-10]。 植物對重金屬鎘的毒害作用具有一定的耐性，主要通過抑制根系對鎘的吸收和向地上部分轉(zhuǎn)移[11]、增強鎘在植物細胞內(nèi)外的絡(luò)合與螯合作用[12-13]、促進細胞壁的滯留固定作用[14]以及液泡的區(qū)隔化作用[15]等方式降低鎘的毒害作用。 不同的植物種類對Cd 的吸收和轉(zhuǎn)運能力不同，對其耐受性也具有一定差異。

植物修復(fù)技術(shù)是對重金屬污染土壤進行修復(fù)的重要措施，是一種綠色、安全、生態(tài)、環(huán)保的治理土壤技術(shù)。土壤中的重金屬經(jīng)過植物根系的吸收和轉(zhuǎn)運，儲存在根部以上的器官中，收獲后從污染地轉(zhuǎn)移出去，再集中處理，從而降低土壤中重金屬含量。 超富集植物最初由WITHER 和BOORKS[16]提出，是指對重金屬的吸收能力超強，但植物自身不受毒害的物種和基因型。 鎘的超富集植物通常具備：(1)地上部分鎘積累的臨界值為100mg·kg-1；(2)地上部分的轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）＞1；(3)地上部分的富集系數(shù)(BCF)＞1；(4)具有較強的耐鎘性，在鎘污染的土壤上生長，無明顯的毒害癥狀，地上生物量沒有顯著下降。 理想的超富集植物，應(yīng)該還具有根系發(fā)達、生長快、生物量大等特點[17]。 目前，有文獻報導(dǎo)的鎘超富集植物約有30 余種，以一年生草本植物居多，但能在實踐中應(yīng)用的種類卻很少。 主要是因為它們一般生長緩慢，生物量低，限制了其應(yīng)用。 因此，篩選具有實際應(yīng)用價值的鎘超富集植物具有非常重要的意義。

歐亞蔊菜（Rorippa sylvestris）和兩棲蔊菜（Rorippa amphilia）為十字花科多年生草本植物。 兩棲蔊菜原產(chǎn)歐洲，2006 年首次在大連綠化帶草坪中發(fā)現(xiàn)。 歐亞蔊菜原產(chǎn)歐洲和亞洲西南部，在我國新疆伊寧有分布，沈陽地區(qū)于2015 年首次在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)校園草坪中發(fā)現(xiàn)[18]。 兩棲蔊菜和歐亞蔊菜在草坪中形成優(yōu)勢群落，由于其橫走側(cè)根非常發(fā)達，根蘗繁殖能力極強，因此，具有很強的入侵性，分別被認定為外來入侵植物和區(qū)域性入侵植物。利用入侵植物生命力強的特點，若種植在重金屬污染土壤中，可以起到修復(fù)作用[19]。多年生草本植物具有一次性種植，多次收獲的特點，修復(fù)土壤成本低，見效快。 栽培試驗和野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兩種蔊菜形態(tài)解剖學(xué)上為總狀花序、小花數(shù)量多、黃色鮮艷，具有較高的觀賞價值。 同時，具有生長快、耐修剪、耐踐踏、生態(tài)幅寬、抗逆性強等特點，也是非常優(yōu)良的園林地被植物。因此，本試驗通過盆栽方法，研究鎘脅迫下兩種蔊菜在形態(tài)和生理上的響應(yīng)特點，分析鎘的吸收和轉(zhuǎn)移特性，評價兩種蔊菜的耐鎘性和富集鎘的能力，以期為鎘污染的農(nóng)田土壤和廢棄礦山等生態(tài)修復(fù)中提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗土壤

本試驗在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)植物培養(yǎng)室內(nèi)進行。 栽培土壤理化性質(zhì)如表1。

表1 土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of the soil

1.2 方法

于2018 年3 月中旬，分別稱取5kg 供試土壤，裝入花盆（直徑13cm×深10cm）中。 鎘處理濃度設(shè)為5 個梯度：0（CK），50，100，200，400mg·kg-1，10 個重復(fù)。 鎘（CdCl2·2.5H2O，分析純）以水溶液的形式加入到土壤中，放置1 個月后待用。 4 月末，于校園內(nèi)，挖取兩棲蔊菜與歐亞蔊菜生有1 個根蘗幼苗的根段，長3cm，直徑3mm，栽植于穴盤中緩苗生長。 10d 后，選取生長一致的幼苗，移植于事先裝好土的花盆中，每盆3 株，晝/夜溫度為:25℃/18℃，光周期為:12h 光照/12h 黑暗，人工澆水，使土壤含水量保持在85%。 處理10d 后，進行指標(biāo)測定。

1.3 指標(biāo)測定

采用直尺法測量株高；采用丙酮乙醇混合液浸提法測定葉綠素含量；利用葉綠素?zé)晒鈨x(Pam-2000)測定熒光參數(shù)。 上午8∶00～11∶00 測定光化學(xué)效率（Fv/Fm）、光合電子傳遞速率(ETR)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)（NPQ）等指標(biāo)[20]。

最大凈光合速率（Pn）的測定：選擇晴朗無風(fēng)天氣，利用Li-6800 光合儀測定。 每處理選擇3 株，每株選擇1片健康向陽葉片，測定3 次，取平均值。

生物量的測定：樣品收獲時，根系用蒸餾水洗凈，表面水分用吸水紙吸干，然后分成根、莖和葉3 部分，裝入信封，先殺青30min（105℃），然后烘干（75℃），記錄干重。

植株鎘含量的測定與富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)的計算[15,21]：取烘干后的樣品300mg，用HNO3-HClO4消化，體積比為5∶1。 采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀ICP-AES（IRIS IntrepidII）測定鎘含量。

采用軟件Excel 2017 進行處理數(shù)據(jù)，統(tǒng)計軟件SPSS 進行單因素方差分析和Duncan 多重比較分析顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對兩種蔊菜生長的影響

由表2 可知，鎘脅迫影響了兩種蔊菜的生長，隨著土壤中鎘脅迫濃度的升高，兩種蔊菜的株高呈逐漸下降趨勢，與對照比，各處理差異均顯著；生物量呈先上升后下降趨勢。 鎘濃度低于100mg·kg-1時，兩種蔊菜生物量與對照比差異不顯著。

表2 鎘脅迫對兩種蔊菜生長的影響Table 2 Effect of Cd stress on the growth of two species of Rorippa

2.2 鎘脅迫下兩種蔊菜葉片葉綠素含量的變化

由圖1 可知，隨著土壤中鎘濃度的增加，葉綠素含量呈逐漸減少的趨勢，各處理之間差異不顯著，但與對照比，各處理差異顯著（p＜0.05）。

2.3 鎘脅迫下兩種蔊菜凈光合速率的變化

兩種蔊菜的最大凈光合速率隨著土壤中鎘脅迫濃度的增加呈逐漸下降的趨勢 （圖2）。 在鎘濃度低于100mg·kg-1時兩棲蔊菜下降幅度較大，在鎘為400mg·kg-1時降至最低值，除100mg·kg-1和200mg·kg-1差異不顯著外，其他各處理間差異均顯著（p＜0.05）。 歐亞蔊菜在鎘濃度為50mg·kg-1時下降幅度較大，除50 mg·kg-1和100mg·kg-1外，差異均顯著（p＜0.05）。

圖1 鎘脅迫對兩種蔊菜的葉綠素含量的影響Figure 1 Effect of Cd stress on the chlorophyll content of two species of Rorippa

圖2 鎘脅迫對兩種蔊菜最大凈光合速率（Pn）的影響Figure 2 Effect of Cd stress on the Pn of two species of Rorippa

2.4 鎘脅迫對兩種蔊菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

由圖3 可知，隨著土壤中鎘濃度的增加，兩種蔊菜的最大光合效率（Fv/Fm）逐漸減少，當(dāng)鎘濃度低于100 mg·kg-1時，各處理與對照比差異不顯著，當(dāng)鎘濃度高于100mg·kg-1時各處理與對照比差異顯著（p＜0.05）；光合電子傳遞速率（ETR）隨著土壤中鎘濃度的增加而逐漸降低，當(dāng)土壤中鎘濃度高于100mg·kg-1時各處理與對照比差異顯著（p＜0.05）；相反，非光化學(xué)淬滅系數(shù)（NPQ）隨著鎘濃度的增加逐漸升高，當(dāng)鎘濃度高于100mg·kg-1時與對照比差異顯著（p＜0.05）。

圖3 鎘脅迫下兩種蔊菜葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化Figure 3 Effects on Chlorophyll fluorescence parameters of two species of Rorippa under Cd stress

2.5 鎘脅迫對兩種蔊菜富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響

由表3 可知，隨著鎘濃度的增加，兩種蔊菜的根、莖、葉及地上部分鎘含量逐漸增多，各處理間差異顯著；當(dāng)土壤中鎘濃度為50mg·kg-1時，1kg 的地上部分含鎘量為129.41mg（歐亞蔊菜）和119.66mg（兩棲蔊菜），都超過100mg；除對照外，兩種蔊菜地上富集系數(shù)和地下富集系數(shù)呈現(xiàn)增加的趨勢，且均大于1，兩棲蔊菜地上富集系數(shù)為1.64～2.90，地下富集系數(shù)為3.01～5.32；歐亞蔊菜地上富集系數(shù)為2.59～4.17，地下富集系數(shù)為1.78～2.88；歐亞蔊菜的地上轉(zhuǎn)運系數(shù)都大于1，為1.42～4.75，各處理間差異不顯著（p＞0.05）；而兩棲蔊菜在鎘濃度低于50mg·kg-1時，地上轉(zhuǎn)運系數(shù)大于1，為1.24，高于該濃度時，轉(zhuǎn)運系數(shù)都小于1。除對照外，歐亞蔊菜的轉(zhuǎn)運系數(shù)均高于兩棲蔊菜。

表3 鎘脅迫對兩種蔊菜富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù)的影響Table 3 Effect of different Cd treatments on BCFs and TFs of 2 species of Rorippa

2.6 鎘脅迫下兩種蔊菜不同器官鎘的分配系數(shù)

由圖4 可知，當(dāng)鎘濃度＜100mg·kg-1時，兩棲蔊菜根的分配系數(shù)逐漸增加，但根系的分配系數(shù)＜地上（莖、葉）的分配系數(shù)；當(dāng)鎘濃度為100mg·kg-1時，根的分配系數(shù)是51.85%，為最大值，高于地上（莖、葉）的分配系數(shù)；當(dāng)鎘濃度＞100mg·kg-1時，根的分配系數(shù)逐漸減小，且低于地上部分（莖和葉）的分配系數(shù)。 除對照外，歐亞蔊菜根系中的鎘分配系數(shù)隨著鎘濃度的增加逐漸增大，最高值出現(xiàn)在鎘濃度為400mg·kg-1時，此時分配系數(shù)為33.70%，地上（莖、葉）的分配系數(shù)最低，但地上部分（莖和葉）鎘的分配系數(shù)始終高于地下根系的分配系數(shù)。 與兩棲蔊菜相比，運轉(zhuǎn)到歐亞蔊菜地上部分的鎘更多，利于通過割除地上部分而將鎘清除。

圖4 兩種蔊菜不同器官中鎘的分配系數(shù)Figure 4 Cadmium distribution coefficients in different organs of 2 species of Rorippa

3 討論與結(jié)論

鎘是一種有毒重金屬，它不僅影響植物的生長，而且嚴(yán)重時還會造成植物死亡。 鎘脅迫能影響意大利蒼耳（Xanthium italicum）的生長，隨著Cd2+濃度的增加，其株高、葉面積和生物量等均呈下降的趨勢[22]。 當(dāng)鎘濃度＜10%時，黃麻（Corchorus capsularis）根長、株高和生物量降幅較小，當(dāng)鎘濃度＞20%時對生長具有明顯的抑制作用[23]。 本研究結(jié)果表明，土壤中鎘脅迫抑制了兩種蔊菜株高的生長，低鎘對其生物量影響較小，甚至有些微的促進作用，而高濃度的鎘降低了生物量的積累。

最大凈光合速率（Pn）可以有效反映植物的耐鎘性，葉綠素?zé)晒饪梢杂行У胤从持参飳饽芾玫闹匾畔24]。在該研究中，土壤中鎘脅迫使兩種蔊菜葉片的最大Pn下降，其原因可能是葉綠素含量減少導(dǎo)致。隨著土壤鎘脅迫濃度的升高，兩種蔊菜的Fv/Fm逐漸降低，說明鎘脅迫降低了PSII 對光能的利用效率，產(chǎn)生了光抑制；NPQ 呈現(xiàn)上升的趨勢，而ETR 呈現(xiàn)下降的趨勢，說明鎘脅迫使葉片的光合系統(tǒng)受到損傷，與甘龍等[25]研究鎘脅迫對一年蓬(Erigeron annuus)葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響結(jié)果一致。

植物根系對鎘的吸收、富集以及向地上部分的轉(zhuǎn)運能力可以用富集系數(shù)(BCF)與轉(zhuǎn)運系數(shù)(TF)來表示，該指標(biāo)可以評價植物應(yīng)用于生態(tài)修復(fù)的潛力[26]。植物的種類、生物量和發(fā)育階段等均會影響鎘在植物體內(nèi)的積累[27]。除對照外， 兩種蔊菜的根、 莖、 葉中含鎘量都很高， 均在88.79～2136.79mg·kg-1； 地上部分含鎘量為119.66～1666.01mg·kg-1，均大于100mg·kg-1；地上BCF 為1.64～4.17，地下BCF 為1.78～5.34，均大于1.0；歐亞蔊菜的地上TF 為1.62～3.31，均大于1.0，兩棲蔊菜則是當(dāng)鎘濃度為50mg·kg-1時大于1.0，其余的都小于1.0，歐亞蔊菜的TF 高于兩棲蔊菜。與兩棲蔊菜相比，歐亞蔊菜更適合作為清除土壤中鎘污染的植物，割除其地上部分即可去除大量鎘。

富集鎘的植物可以通過一些適應(yīng)機制以減輕鎘污染土壤對植物的毒害作用，但不同物種之間具有差異。作為鉛鋅礦區(qū)鎘污染土壤的修復(fù)植物-馬纓丹（Lantana camara），其根系BCF＞1.0；當(dāng)鎘含量＜150mg·kg-1時，地上部（莖、葉）BCF＞1.0，但TF＜1.0[28]。蓖麻（Ricinus communis）是我國重要的能源作物和油料作物，具有較高的鎘富集能力，但是鎘從根系向莖的轉(zhuǎn)移能力較弱。細胞液泡區(qū)隔化作用與細胞壁滯留固定作用是應(yīng)對重金屬鎘脅迫的重要機制，耐鎘機制類似的植物還有秋茄（Kandelia obovata）[15]。植物根系吸收的鎘也可以積累在細胞的可溶性組分中，以此方式對過量的鎘起到解毒的作用，如水燭（Typha angustifolia）與美洲商陸（Phytolacca americana）[29-30]。本研究中的兩種蔊菜對鎘的富集能力都很強，均為超富集植物，歐亞蔊菜比兩棲蔊菜富集能力更強。有關(guān)兩種蔊菜對鎘的耐受性和富集特性的機理有待于后續(xù)研究。