鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗生長及生理特性的影響

黃忠權(quán)，莫熙宏，覃 奎，李妍澆，王凌暉

（1.崇左市江州區(qū)那達(dá)林場，廣西崇左 532200；2.廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西南寧 530004）

隨著人類生活范圍擴(kuò)大及經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展速度加快，土壤重金屬污染現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，已成為生態(tài)環(huán)境中不容忽視的問題[1]。金屬礦石的大量開采使廣西水源和土壤受重金屬污染的現(xiàn)象不斷出現(xiàn)。鉛、鎘和鋅等重金屬元素在百色鋁礦復(fù)墾區(qū)已造成嚴(yán)重污染，達(dá)到重度污染水平[2]。研究表明，鉛為植物非必需金屬元素，低濃度鉛對植物生長有輕微促進(jìn)作用，高濃度鉛則顯著抑制植物根系生長及芽萌發(fā)[3]。高濃度鉛除嚴(yán)重毒害植物體外，還會被植物吸收，隨食物鏈富集逐漸進(jìn)入人體，危害人類健康[4]。不同植物對鉛脅迫的抗性不同，篩選對鉛有較強(qiáng)抗性的植物，并研究其耐受程度及對鉛的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)已成為鉛污染地區(qū)植物種植推廣中的重要環(huán)節(jié)。

澳洲堅(jiān)果（Macadamia integrifolia）俗稱夏威夷果，為山龍眼科（Proteaceae）澳洲堅(jiān)果屬喬木，原產(chǎn)于澳洲東南部，是我國華南、西南地區(qū)廣泛引種栽培的重要經(jīng)濟(jì)林油料樹種。其種子營養(yǎng)成分豐富，是一種著名的干果，兼具食用、油用價(jià)值；其成年植株可作材用。目前，關(guān)于澳洲堅(jiān)果的研究主要集中在開花生物學(xué)特性探究[5]、基因表達(dá)與生物信息學(xué)分析[6]、遺傳多樣性分析[7]和果實(shí)品質(zhì)評價(jià)[8]等方面，對其抗性生理的研究主要有水分脅迫[9-10]、鹽脅迫[11]、低溫脅迫[12]和耐旱性評價(jià)[13]等。關(guān)于澳洲堅(jiān)果對鉛脅迫耐受性的研究尚未見報(bào)道。本研究對不同濃度外源鉛處理下澳洲堅(jiān)果幼苗的生長及生理特性進(jìn)行研究，探索其對鉛的耐受規(guī)律，為廣西鉛污染地區(qū)植物選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在廣西壯族自治區(qū)廣西大學(xué)林學(xué)院苗圃實(shí)驗(yàn)基地（108°22′E，22°48′N）進(jìn)行。該地屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫21.6 ℃，年均降水量1 304 mm，適宜澳洲堅(jiān)果幼苗的生長。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為3年生澳洲堅(jiān)果實(shí)生幼苗，由崇左市江州區(qū)那達(dá)林場提供。株高為（44.72 ± 10.72）cm，地徑為（7.92 ± 1.31）mm；栽培基質(zhì)為微酸性沙壤土。2020年5月，將澳洲堅(jiān)果幼苗移栽至黃色無紡布袋（15 cm × 20 cm）中，每袋1 株，每袋裝土3 kg。移栽后緩苗3個月，并進(jìn)行常規(guī)管理。

1.3 試驗(yàn)方法

采用單因素完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，隨機(jī)抽取澳洲堅(jiān)果幼苗進(jìn)行編號。參考土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及胡倩[14]研究中設(shè)置的鉛濃度，采用乙酸鉛（成都金山化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)）分析純試劑為鉛源，設(shè)置7個鉛濃度水平（T1：0 mg/kg、T2：200 mg/kg、T3：400 mg/kg、T4：800 mg/kg、T5：1 200 mg/kg、T6：1 600 mg/kg 和T7：2 000 mg/kg），其中T1 為對照。每處理10 個重復(fù)，每重復(fù)1株，共70株澳洲堅(jiān)果幼苗。2020年8月開始處理；每10 天處理1 次，每次每株幼苗添加100 mL 對應(yīng)濃度水溶液，對照添加同體積的清水，共6次處理。所有處理完成后30天測定指標(biāo)。

1.4 指標(biāo)測定

2020年11月，測定幼苗各項(xiàng)生長及生理指標(biāo)。采用鋼卷尺（精確至0.1 cm）測定植株基部至頂芽的垂直高度（株高）；采用電子游標(biāo)卡尺（精確至0.01 mm）測定土痕處苗木直徑（地徑）。每處理隨機(jī)選取3 株健康幼苗，采集其上部第3 ～5 片成熟功能葉，去離子水洗凈后放入冰盒，帶回實(shí)驗(yàn)室并儲存于-20 ℃冰箱。采用乙醇-丙酮混合提取法測定葉綠素含量[15]。采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用考馬斯亮藍(lán)G-250 染色法測定可溶性蛋白含量；采用酸性茚三酮法測定游離脯氨酸含量；采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量；采用氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法和愈創(chuàng)木酚比色法分別測定超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性[16]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用WPS 2016 軟件對各類指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并制圖；采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行方差分析（置信區(qū)間為95%），采用Duncan 新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗生長的影響

鉛濃度對株高增量影響極顯著（P＜0.01），對地徑增量影響不顯著（表1）。隨鉛濃度升高，株高和地徑增量均呈先升后降的趨勢；T3 處理的株高和地徑增量均最大，分別為5.28 cm 和1.29 mm；T7 處理均最小，分別為2.70 cm 和0.66 mm。株高增量表現(xiàn)為T3 ＞T4 ＞T2 ＞T5 ＞T1 ＞T6 ＞T7，地徑增量表現(xiàn)為T3 ＞T5 ＞T2 ＞T4 ＞T1 ＞T6 ＞T7。

表1 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗生長的影響Tab.1 Effects of plumbum stress on growth of M.integrifolia seedlings

2.2 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗生理特性的影響

2.2.1 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗葉綠素含量的影響

鉛濃度對各葉綠素含量均影響極顯著（P＜0.01）（圖1）。隨鉛濃度升高，各葉綠素含量均呈先升后降的趨勢；T3 處理的葉綠素a、葉綠素b 和葉綠素a+b 含量均最高，分別為1.41、0.81 和2.22 mg/g；T7 處理均最小，分別為0.77、0.42 和1.19 mg/g；均表現(xiàn)為T3 ＞T4 ＞T5 ＞T6 ＞T2 ＞T1 ＞T7。

圖1 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of plumbum stress on chlorophyll contents of M.integrifolia seedlings

2.2.2 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

鉛濃度對可溶性蛋白和游離脯氨酸含量影響極顯著（P＜0.01），對可溶性糖含量影響不顯著（表2）。隨鉛濃度升高，可溶性糖含量呈先降后升的趨勢，T1 處理的可溶性糖含量最高（0.59%），T4 和T5處理最低（0.47%）；可溶性蛋白和游離脯氨酸含量均呈先升后降的趨勢；T6 處理的可溶性蛋白含量最高（0.44 mg/g），T1 處理最低（0.37 mg/g）；T3 處理的游離脯氨酸含量最高（2 119.36 μg/g），T7 處理最低（1 216.19 μg/g）。

表2 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量Tab.2 Effects of plumbum stress on contents of osmotic regulatory substances of M.integrifolia seedlings

2.2.3 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影響

鉛濃度對SOD 和POD 活性及MDA 含量均影響極顯著（P＜0.01）（圖2 ～4）。隨鉛濃度升高，SOD和POD活性均呈先升后降的趨勢；T4處理的SOD活性最高（869.09 U·g-1·min-1），T3 處理的POD 活性最高（808.00 U·g-1·min-1）；T7 處理的SOD 和POD 活性均最低，分別為851.76 和433.79 U·g-1·min-1。隨鉛濃度升高，MDA 含量逐漸升高；T7處理的MDA 含量最高（3.13 μmol/g），T1處理最低（1.56 μmol/g）。

圖2 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗SOD活性的影響Fig.2 Effects of plumbum stress on SOD activities of M.integrifolia seedlings

圖3 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗POD活性的影響Fig.3 Effects of plumbum stress on POD activities of M.integrifolia seedlings

圖4 鉛脅迫對澳洲堅(jiān)果幼苗MDA含量的影響Fig.4 Effects of plumbum stress on MDA contents of M.integrifolia seedlings

3 討論與結(jié)論

植物在低濃度鉛作用下，生長會有一定程度的提升；當(dāng)濃度升高，超出植物耐受范圍時(shí)，植物會因受到毒害而出現(xiàn)生長受抑制的情況[17]。本研究中，隨鉛濃度升高，澳洲堅(jiān)果幼苗的株高和地徑增量均呈先升后降的趨勢；在胡倩[14]和李泊玉[17]的研究中，鉛濃度對海南風(fēng)吹楠（Horsfieldia hainanensis）和紅花風(fēng)鈴木（Tabebuia impetiginosa）株高和地徑的影響趨勢與本研究結(jié)果一致，均呈先升后降的趨勢。T2 ～T5 處理的株高和地徑增量均高于T1 處理，表明中、低濃度鉛（200 ～1 200 mg/kg）處理下，澳洲堅(jiān)果幼苗的生長得到促進(jìn)；T6 ～T7處理的株高和地徑增量均低于T1 處理，表明高濃度鉛（1 600 ～2 000 mg/kg）處理對澳洲堅(jiān)果幼苗造成毒害，抑制其生長。澳洲堅(jiān)果對中、低濃度鉛（1 200 mg/kg 以下）脅迫有一定耐受性。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要原料。研究表明，Pb2+可增強(qiáng)葉綠素酶活性，促使其降解[18]。本研究中，各葉綠素含量均隨鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，均在T3 處理時(shí)最大。張博宇等[19]、蔣嚴(yán)波等[20]和蔣霞[21]研究表明，黃花風(fēng)鈴木（Handroan?thus chrysanthu）、楓香（Liquidambar formosana）和金花茶（Camellia petelotii）的葉綠素含量均在不同濃度鉛處理下下降，這可能是由于不同植物對鉛脅迫的耐受性不同。低濃度鉛（200 ～400 mg/kg）處理下，澳洲堅(jiān)果幼苗葉綠素含量出現(xiàn)積累；中、高濃度鉛（800 ～2 000 mg/kg）處理下，葉綠素含量開始下降；濃度達(dá)到2 000 mg/kg 時(shí)，葉綠素含量低于對照。說明澳洲堅(jiān)果幼苗對低濃度鉛（400 mg/kg 以下）脅迫有較強(qiáng)的抗性；在中、高濃度鉛（800 ～1600 mg/kg）脅迫下，其葉綠素含量降低，但仍有一定抗性；在2 000 mg/kg處理下，其光合作用受阻。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可通過調(diào)節(jié)植物體內(nèi)滲透壓維持滲透平衡，保護(hù)植物體[22]?？扇苄蕴?、可溶性蛋白和游離脯氨酸為常見的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，此3 項(xiàng)指標(biāo)可從滲透調(diào)節(jié)層面反映植物的生理狀況[23-24]。本研究結(jié)果顯示，隨鉛濃度升高，可溶性糖含量呈先降后升的趨勢，與李珊等[25]對栝樓（Trichosanthes kirilowii）的研究結(jié)果一致；可溶性蛋白和游離脯氨酸含量均呈先升后降的趨勢，與楊藝寧等[26]、張博宇等[19]、蔣嚴(yán)波等[20]和胡倩[14]對洋常春藤（Hedera he?lix）、黃花風(fēng)鈴木、楓香和海南風(fēng)吹楠等植物的研究結(jié)果相同。低濃度鉛（200 ～400 mg/kg）處理下，澳洲堅(jiān)果幼苗通過積累可溶性蛋白和游離脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來應(yīng)對脅迫；中、高濃度鉛（800 ～1 600 mg/kg）處理下，游離脯氨酸含量逐漸降低，通過積累可溶性糖和可溶性蛋白含量來應(yīng)對脅迫；鉛濃度為2 000 mg/kg 時(shí)，可溶性蛋白和游離脯氨酸含量均下降，通過積累可溶性糖含量來應(yīng)對脅迫。

抗氧化酶是評價(jià)植物在逆境環(huán)境中適宜性及耐受性的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中，SOD 和POD 活性均隨鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，與張博宇等[19]和蔣嚴(yán)波等[20]等的研究結(jié)果一致；MDA 含量隨鉛濃度升高逐漸上升。中、低濃度鉛（200 ～800 mg/kg）處理下，澳洲堅(jiān)果幼苗體內(nèi)的活性氧含量增加，自身防御機(jī)制被激活，抗氧化酶活性上升，清除體內(nèi)過多的活性氧；隨鉛濃度繼續(xù)上升（1 200 ～1 600 mg/kg），MDA 含量持續(xù)增加，相關(guān)酶合成速度下降，但POD和SOD 活性仍高于對照，說明仍有一定抗性；鉛濃度為2 000 mg/kg 時(shí)，POD 和SOD 活性均低于對照，細(xì)胞受損較嚴(yán)重，影響活性氧的清除，植株受損。

綜合各個指標(biāo)，澳洲堅(jiān)果幼苗對鉛脅迫有一定的耐受性，200 ～1 200 mg/kg 處理下，植株生長狀況較好；400 mg/kg 處理下，植株生長狀況最好。說明澳洲堅(jiān)果幼苗對1 200 mg/kg 以下的鉛脅迫有一定抗性；1 200 mg/kg 以上的鉛脅迫會對其造成毒害，抑制其生長。廣西區(qū)土壤鉛含量范圍為18.80 ～6 350 mg/kg，幾何均值為147.9 mg/kg[27]。澳洲堅(jiān)果在廣西鉛污染地區(qū)有較好的推廣潛力，本研究結(jié)果可為廣西乃至華南鉛污染地區(qū)經(jīng)濟(jì)林油料植物選擇提供參考。