旺盛期煙草對鎘富集敏感性研究

孔祥方,魏樹和,趙繼蓉,代惠萍**,賈根良

旺盛期煙草對鎘富集敏感性研究

孔祥方1,魏樹和2*,趙繼蓉1,代惠萍1**,賈根良3

(1.陜西理工大學生物科學與工程學院,陜西 漢中 723001；2.中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所污染生態(tài)與環(huán)境工程重點實驗室,遼寧 沈陽 110016；3.西北農(nóng)林科技大學理學院,陜西 楊凌 712100)

采用盆栽試驗方法,揭示了旺盛期煙草(云煙99)對鎘的富集特點以及光合等生理指標對鎘脅迫的響應.結果表明:當土壤鎘含量分別為4.43, 7.94, 17.33和49.79mg/kg時,煙草莖、葉及地上部鎘的富集系數(shù)(植物鎘含量與土壤鎘含量的比值)均大于1,轉移系數(shù)(地上部鎘含量與根鎘含量的比值)也大于1,但鎘含量未達到鎘超富集植物的臨界含量標準100mg/kg.當土壤鎘含量為4.43mg/kg時,煙草的耐性較強.當土壤鎘含量大于7.94mg/kg時,煙草的生物量、葉片光合色素含量、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和SOD活性均顯著下降(0.05),胞間CO2濃度和MDA含量顯著提高(0.05).旺盛期煙草對鎘富集比較敏感,建議煙草的種植要遠離鎘污染土壤或鎘背景值較高的土壤.

鎘；煙草；旺盛期；敏感性

土壤重金屬污染對人類健康和環(huán)境造成的危害越來越大,其中,鎘(Cd)因具有較高的轉移風險和較強的生物毒性而被認為是最重要的污染物之一[1-2].在農(nóng)田土壤中,過量的鎘主要是因人類活動造成的,如工業(yè)活動、運輸、肥料和廢物的不當處置[3-5].鎘的水溶性、流動性和毒性很強,很容易被植物吸收,從而改變植物的結構和功能特性, 如抑制種子萌發(fā)、根系伸長,導致黃萎病等[6].鎘對植物的脅迫也體現(xiàn)在代謝方面,如抑制葉綠素合成、光合作用[7]和抗氧化酶活性[8],從而減少生物量積累.

關于鎘污染農(nóng)田土壤的修復問題,普遍認為以超富集植物為核心的植物修復具有較廣闊的應用前景.但由于報道的超富集植物大多數(shù)生長緩慢且生物量較低,特別是氣候或地理條件也限制了其在植物修復中的應用[4,9].煙草(L.)是世界著名的經(jīng)濟作物,具有生長快、生物量大、環(huán)境適應性較強等突出的植物修復特性,對土壤中鎘的吸收積累能力也較強,具有較強的修復能力[8.10-11].研究表明[12],煙草對重金屬的富集程度相對較高,田間煙葉中鎘的含量通常在0.5～5mg/kg之間,有時會更高.此外,煙草是人們日常吸食量很大的作物,煙葉中積累的鎘可通過吸煙途徑進入人體,而對人類健康構成威脅[13].因此,煙草對鎘富集敏感性方面的研究具有一定的理論與實踐意義.

關于鎘在煙草中富集方面的研究已有報道,有的研究選擇在煙草的苗期[7],但多數(shù)選擇在成熟期,在旺盛期的研究較少[12-13].通常,煙草在苗期階段由種子向營養(yǎng)生長期生長的時間較短,適應能力相對較弱,對重金屬抵抗能力較差,對鎘敏感性反應可能不太真實.成熟期,煙草各項生理指標進入衰老階段,也很難反應出對鎘敏感的真實狀態(tài).而在旺盛期,煙草經(jīng)過了苗期階段對鎘逐漸適應,各項生理指標也基本達到最旺盛的狀態(tài),選擇這一時期能更恰當?shù)胤磻獰煵葜参飳︽k的敏感性.特別是在旺盛期,煙草葉片基本上與成熟期大小相當,而葉片是人們吸食煙草的主要部位,測定這一時期葉片中鎘含量也具有較重要的指標意義.本試驗在土壤不同鎘污染條件下,通過測定旺盛期煙草的生物量、光合特性、鎘含量和MDA含量以及SOD活性等指標來揭示其對鎘的敏感性.

1 材料與方法

1.1 土壤盆栽試驗

煙草品種為云煙99,由陜西省煙草研究所提供.試驗在陜西理工大學網(wǎng)室進行.供試土壤為黃褐土,采自陜西理工大學試驗地的耕層土壤(0～20cm).土壤pH值為6.5,全氮含量1.71g/kg,有機質含量26.8g/kg,有效鉀含量為17.3mg/kg,有效磷含量16.8mg/kg,土壤Cd含量為0.18mg/kg,與國家土壤環(huán)境質量標準農(nóng)用地土壤污染風險管控標準(試行)(GB15618-2018)相比是鎘的非污染土壤[14].將供試土壤風干后過2mm篩備用.

每盆裝2.5kg土壤.試驗共設置5個處理,每個處理重復3次.對照,即未投加鎘處理(CK).Cd污染處理,添加鎘后土壤鎘含量分別為4.43 (S1),7.94 (S2), 17.33 (S3)和49.79mg/kg (S4).加入鎘的形態(tài)為CdCl2×2.5H2O,為優(yōu)級純試劑.每盆加入3g(NH4)2SO4作為肥料,平衡2個月后進行試驗.選取飽滿、無病蟲害煙草種子,用0.1%的HgCl2消毒10min,用水清冼后,每盆播種10粒.在自然光照條件下培養(yǎng),出苗15d后間苗,每盆留6株長勢均勻的幼苗.根據(jù)盆栽土壤缺水情況,不定期澆自來水(水中未測出鎘),使土壤含水量為田間最大持水量的75%左右,未噴農(nóng)藥.在煙草的旺盛期,即生長60d后收獲.

1.2 測定項目及方法

1.2.1 生物量 收獲時用自來水將植株根系沖洗干凈,植株的根、莖和葉使用白紙分開包裝,105℃殺青15min,70℃烘干至恒重,用天秤稱取其根、莖和葉的干重[15].

1.2.2 鎘含量測定 鎘含量采用原子吸收分光光度計(Hitachi180-80)測定.將煙草根、莖和葉樣品,以及莖和葉混合樣品(用于測定地上部鎘含量)研磨成粉末,稱取1.000g,放入100mL燒杯中,分別加入濃硝酸和高氯酸(9mL:3mL)后,搖勻放置過夜.第2d在電熱板上加熱消煮,待樣品消煮至白色結晶,冷卻后加入5%的硝酸定容至25mL待測定.土壤樣品中Cd全量采用同樣的方法測定[16].標準物質GBW07405 (GSS-5)用于質量控制與評價[16].

1.2.3 葉綠素含量測定 采用紫外分光光度計法進行測定.取長勢一致的完全展開的第5葉,0.200g新鮮葉片研磨后加入80% (/)的丙酮定容, 3000r/ min離心5min后,以80%丙酮作為空白調零,于665,649和470nm處分別測定吸光度并計算葉綠素a (Chl),葉綠素b (Chl)和類胡蘿卜(Car)的含量[15].

1.2.4 光合參數(shù)測定 光合參數(shù)采用美國CID公司生產(chǎn)的CI-340便攜式光合儀進行測定.于早8:00～10:00測定煙草第6～8完全展開葉片的凈光合速率(P),蒸騰速率(),氣孔導度(),胞間CO2濃度(C).測定時,葉室配備LED光源,設定紅藍光源葉室,測定煙草葉片氣體交換參數(shù),每次測定重復3～4次,輻射強度設定為1000μmol/(m2×s),測定條件CO2濃度定為400μmol/mol,葉室溫度設為27℃,相對濕度設為65%[15].

1.2.5 超氧化物歧化酶(SOD)活性測定 取0.500ｇ剪碎的新鮮樣品,置預冷研缽中,加8mL含1% PVP 的50mmol/Ｌ, pH 7.8的冷磷酸緩沖液及少量石英砂,在冰浴中研磨成勻漿,于2℃ 20000×ｇ冷凍離心20min,上清液即為酶提取液.參照Dai等[17]方法測定此酶液SOD活性.

1.2.6 丙二醛(MDA)測定 以Wu等[18]的硫代巴比妥酸(TBA)法測定MDA含量,取酶液2.0mL,加入2.0mL 0.5%的硫代巴比妥酸(溶于20%的三氯乙酸)溶液.上清液即為酶提取液在532,600和450nm波長下測定吸光值.

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)用EXCEL2010計算3次重復的平均值和標準差,用統(tǒng)計軟件SPSS12.0通過LSD法進行方差分析和多重比較(<0.05).

2 結果與分析

2.1 煙草對不同濃度鎘的富集特征

表1表明,隨著土壤中鎘含量的增加,煙草根、莖、葉及地上部鎘含量也顯著提高(S1～S4).在土壤中鎘含量最高時(S4),煙草各部位鎘含量均達到最大值.但在所有鎘處理中,煙草莖或葉的鎘含量均未達到鎘超富集植物應達到的臨界含量標準100mg/kg[4].施加鎘的處理S1～S4中,煙草莖、葉及地上部鎘的富集系數(shù)均大于1,煙草對鎘的轉移系數(shù)也大于1,表現(xiàn)出鎘超富集植物的部分富集特征,如超富集植物龍葵對鎘的富集系數(shù)和轉移系數(shù)均大于1[4].

表1 煙草不同部位的鎘含量及富集系數(shù)和轉移系數(shù)

注:同行數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異顯著(<0.05),下同.“-”沒有意義.

圖1 鎘對煙草生物量的影響

不同大寫字母表示不同器官之間有顯著差異(<0.05),不同小寫字母表示不同濃度之間有顯著差異(<0.05),下同

在煙草生長的旺盛期,所有處理的煙草均能正常生長,植株未出現(xiàn)肉眼可見的中毒癥狀,表明煙草對鎘具有較強的耐受能力.如圖1所示,在S1處理下,根、莖和葉的生物量與對照相比均未顯著下降;在S2～S4處理中,煙草根、莖和葉片生物量出現(xiàn)顯著下降,較對照分別減少了67.4%、40.6%和49.6%.說明高濃度鎘污染對煙草生長有明顯的抑制作用,這與鎘超富集植物對鎘具有較強的耐性有較明顯的區(qū)別,如超富集植物龍葵積累的鎘含量超過100mg/kg時其生物量仍然沒有下降[4].

2.2 鎘對煙草生理生化指標的影響

2.2.1 鎘對煙草葉片光合色素含量的影響 表2可見,與CK相比,處理S1煙草葉片中葉綠素a、b和胡蘿卜素含量無顯著差異,處理S2～S4的葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量則逐漸降低(<0.05).這一結果與鎘對煙草生物量的影響相一致.

表2 煙草葉片光合色素含量(mg/kg FW)

2.2.2 鎘對煙草光合性能的影響 當土壤中鎘含量未超過4.43mg/kg (S1)時(表3),煙草葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度與對照(CK)相比,均未顯著下降.但當土壤中鎘含量大于7.94mg/kg (S2)時,煙草葉片凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導度分別比對照降低了43.4%～76.5%、67.7%～82.6%和50.6%～76.9%,而胞間CO2濃度則顯著增加84.8%～2.17倍(<0.05).

表3 煙草的光合參數(shù)

2.2.3 鎘對煙草SOD活性的影響 當土壤中鎘含量為4.43mg/kg (S1)時(圖2),煙草根、莖和葉的SOD活性與對照(CK)相比均未顯著下降;但當土壤中Cd含量大于7.94mg/kg (S2)時,煙草根、莖和葉的SOD活性比對照分別降低了43.2%～72.5%, 44.5%～ 62.5%和27.8%～45.2%.

圖2 煙草各部位SOD活性

圖3 煙草各部位MDA含量

2.2.4 鎘對煙草丙二醛(MDA)含量的影響 圖3表明,當土壤中鎘含量為4.43mg/kg (S1)時,煙草根、莖和葉MDA含量與對照(CK)相比均未顯著增加;但當土壤中鎘含量大于7.94mg/kg (S2)時,煙草根、莖和葉MDA含量分別比對照增加了1.44～3.14倍、1.25～2.54和1.55～2.88倍.

3　討論

通常認為,鎘超富集植物具有的4個基本特征是植物的莖或葉的鎘含量大于100mg/kg,富集系數(shù)和轉移系數(shù)大于1,且有較強的耐性,即與對照相比,生物量未顯著下降[4].當土壤中鎘含量為25mg/kg時,龍葵莖及葉的鎘含量大于100mg/kg,富集系數(shù)和轉移系數(shù)大于1,且生物量沒有下降,是鎘的超富集植物[4].本文中,煙草的富集系數(shù)和轉移系數(shù)雖都大于1,但莖及葉的鎘含量均小于100mg/kg,且當土壤鎘含量大于7.94mg/kg時,生物量顯著下降.說明煙草僅具有鎘超富集植物的部分特征,即對鎘的富集能力和轉移能力均較強.但煙草對鎘的耐性較弱.這些結果說明煙草對鎘的富集較為敏感.

葉綠素含量的高低可以在一定程度上反映光合作用水平.葉綠素含量降低,光合作用減弱,會導致植物生長受抑制,生物量下降[15-16,20].高濃度鎘污染使煙草葉片葉綠素含量顯著降低,可能是由于鎘抑制了相關酶的活性,進而抑制了葉綠素前體的合成,促進葉綠素分解,或直接破壞葉綠體結構,從而降低葉綠素含量[15].這與鎘脅迫下番茄[15]和三葉鬼針草[16]等植物的研究結果相一致.此外,煙草的光合參數(shù)凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間CO2濃度在鎘脅迫下也都發(fā)生顯著變化,與賴秋羽[15]報道番茄對大于8mg/kg的土壤鎘產(chǎn)生敏感相比,煙草是土壤鎘的敏感作物.其在17.33～49.79mg/kg鎘脅迫下,旺盛期煙草的生長受到了顯著抑制作用,原因可能是鎘抑制了煙草的正常生理代謝,產(chǎn)生光抑制現(xiàn)象,使旺盛期煙草生物量下降.相同處理中,SOD活性與MDA 含量的變化也從植物對鎘的抗氧化作用側面反應了這一影響機制[18-24].總的來看,鎘對煙草生理生化指標的影響與其對生物量的影響基本一致,這也從生理生化指標方面揭示了煙草對鎘富集的敏感性.本研究與番茄中研究結果相一致,可能與番茄和煙草同是茄科植物有關.

本研究的結果表明,旺盛期煙草對鎘的富集能力較強(富集系數(shù)大于1),對鎘的轉移能力也較強(轉移系數(shù)大于1),說明煙草可能較容易地從鎘污染土壤或鎘背景值較高的土壤吸收富集鎘,并將鎘由根轉移到地上部莖和葉.又由于煙草對鎘的耐性較低,土壤中鎘可能會對煙草的生長產(chǎn)生抑制作用.煙草對鎘富集的這種敏感性,除了可能會影響其煙葉產(chǎn)量,還可能因積累了過多的鎘而使吸煙的人的身體健康受到進一步的傷害.因此,在種植煙草時,應遠離鎘污染土壤或鎘背景值較高的土壤.

4 結論

煙草云煙99在旺盛期對鎘具有較強的富集能力,富集系數(shù)和轉移系數(shù)均大于1,但鎘含量未達到鎘超富集植物的臨界含量標準,其對鎘的去除率與龍葵相比仍然較低.說明這個煙草品種對鎘的敏感性較高.

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Sensitivity ofL. accumulating cadmium at its vigorous growth stage.

KONG Xiang-fang1, WEI Shu-he2*, ZHAO Ji-rong1, DAI Hui-ping1**, JIA Gen-liang3

(1.College of Biological Science & Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723001, China；2.Key Laboratory of Pollution Ecology and Environment Engineering, Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China；3.College of Science, Northwest A & F University, Yangling 712100, China)., 2021,41(10)：4872～4877

Pot experiments were conducted to reveal the characteristics of cadmium (Cd) accumulation inL. (Yunyan 99) at vigorous stage and the response of physiological indexes like photosynthesis to Cd stress. The results showed that the enrichment factor (ratio of Cd concentration in plant to soil) and translocation factor (ratio of Cd concentration in shoot to root) of Cd in tobacco stems, leaves and shoots were all greater than 1, but the Cd concentration of them did not reach the critical content standard of 100mg/kg in the treatments of 4.43mg/kg, 7.94mg/kg, 17.33mg/kg or 49.79mg/kg Cd in soils. When the Cd concentration in soil was 4.43mg/kg, the tolerance of tobacco was stronger. When soil Cd content was higher than 7.94mg/kg, tobacco biomass, photosynthetic pigment content, net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance and SOD activity were significantly decreased (<0.05), while intercellular CO2and MDA content was significantly increased (<0.05). It is suggested that tobaccois sensitive to Cd accumulation in vigorous period, and should be planted far away from Cd contaminated soil or soil with high Cd background value.

cadmium；L.；vigorous growth stage；sensitivity

X53

A

1000-6923(2021)10-4872-06

孔祥方(1998-),女,黑龍江哈爾濱人,陜西理工大學碩士研究生,研究方向為植物對重金屬的富集機理.

2021-02-22

國家自然科學基金資助項目(31870488,41571300);國家高端外國專家項目(G20200241015);秦巴生物資源與生態(tài)環(huán)境國培重點實驗室開放課題(SLGPT2019KF04-02)

* 責任作者, 研究員, shuhewei@iae.ac.cn; ** 教授,daihp72@snut.edu.cn