普通白菜高Zn脅迫耐性及Zn積累特性研究

陳秀靈 徐艷如 崔秀敏 吳小賓

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018）

Zn是兼具營養(yǎng)與毒害的重金屬之一，作為營養(yǎng)元素，它是植物體內(nèi)碳酸酐酶、堿性磷酸酶等多種酶的必需組分，促進植物的蛋白質(zhì)代謝，參與光合作用，提高植物抗逆性（陸景陵，2003）。植物體內(nèi)正常Zn含量為20～100mg·kg-1，一般植物體內(nèi)Zn含量達到100mg·kg-1時就表現(xiàn)過量，含量為400mg·kg-1時則會造成嚴重毒害（汪洪和金繼運，2009），大量Zn在根部積累，使根系伸長受到抑制，造成生長不良，甚至死亡（Godbold et al.，1983；保瓊莉 等，2007）。Zn的毒害表現(xiàn)為抑制光合作用、減少CO2固定、影響韌皮部運輸、改變細胞膜滲透性，導(dǎo)致生長減緩、受阻和失綠（保瓊莉 等，2007）。但是，也有相關(guān)報道某些植物可在嚴重Zn污染地區(qū)生長，其體內(nèi)Zn含量可達1000mg·kg-1，具有超富集Zn的能力，它們大多是十字花科類植物，遏藍菜（Thlaspi caerulescens）中Zn含量可達51600mg·kg-1，是普通草本植物的100倍以上（韓文軒 等，2009）。

鋅礦開采、冶煉、鍍鋅加工等含鋅工業(yè)三廢的不合理排放，使土壤中 Zn超常積累，污染土壤中的 Zn易被植物吸收而造成毒害，并可通過食物鏈污染農(nóng)產(chǎn)品，威脅人類健康。因此，近年來有關(guān)如何消除重金屬對蔬菜等危害的研究頗受關(guān)注（王曉芳和羅立強，2009）。普通白菜〔Brassica campestris L.ssp.chinensis（L.）Makino var.communis Tsen et Lee〕又稱青菜、小白菜，屬十字花科蕓薹屬類蔬菜，原產(chǎn)中國，是南北方普遍種植的葉菜，具有奢侈吸收 Zn的特性。本試驗將對其富集鋅的機制及食用安全性作初步探討。

1 材料與方法

1.1 供試材料與方法

試驗于2009年4～5月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室內(nèi)進行。供試普通白菜品種為蘇州青、黃心烏、瓢兒菜、抗熱 605、南農(nóng)矮腳黃，由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)普通白菜課題組提供。采用砂培法，盆缽上口徑19 cm，下口徑12 cm，盆高17 cm。1 mol·L-1HCl浸泡石英砂24 h，蒸餾水沖洗數(shù)次后晾干裝盆，每盆2 kg。Zn（以ZnSO4·7H2O為Zn源）設(shè)5個水平：0.43（CK）、100、200、400和800mg·L-1，3次重復(fù)。澆灌霍格蘭-阿農(nóng)營養(yǎng)液。

種子先用50g·L-1次氯酸鈉消毒20min，蒸餾水反復(fù)沖洗，浸種12 h，置于培養(yǎng)箱中25 ℃下催芽，露白后播于盆缽中。營養(yǎng)液用蒸餾水配制，pH用1 mol·L-1KOH或HCl調(diào)至6.0±0.1。出苗后澆灌1/4濃度的營養(yǎng)液，7 d后改為1/2營養(yǎng)液，4 d后換為全營養(yǎng)液。4月3日定株，每盆10株，14 d后幼苗3～4片真葉時，每兩天澆灌1次150mL Zn處理液，共澆灌10次，最后各處理澆灌的Zn用量分別為0.615、75.29、150.29、300.29、600.29 mg·kg-1，處理20d后收獲。

1.2 項目測定

植株收獲后按處理將單株混合后測定。將其分為根系、葉柄和葉片3部分。

植株生長量的測定：先用直尺測量根系長度，然后將根系、葉柄和葉片分裝于信封中，105 ℃下殺青30min，并在80℃下烘干至恒質(zhì)量，稱其干質(zhì)量，測定生物量，計算根系耐性指數(shù)（嚴明理 等，2009）

Zn含量測定：干樣磨碎后過篩，HNO3-HClO4消煮后采用原子吸收分光光度法測定Zn含量（魯如坤，2000）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用DPS軟件進行統(tǒng)計分析，采用Microsoft Office Excel軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 供Zn水平對普通白菜生長的影響

從表1可以看出，5個普通白菜品種地上部均沒有明顯的Zn中毒癥狀，各供Zn濃度對葉柄和葉片生物量的影響均較小。根系生物量均隨供Zn濃度的提高先升后降，抗熱605在供Zn濃度為100mg·L-1時最高，南農(nóng)矮腳黃和蘇州青在200mg·L-1時最高，而瓢兒菜和黃心烏在400mg·L-1時才達最大值。黃心烏、瓢兒菜、南農(nóng)矮腳黃根系生物量在供Zn濃度為100～800mg·L-1之間增幅范圍分別為25.00%～42.18 %、12.77 %～53.19 %、0～46.51 %。與對照相比，供Zn濃度為800mg·L-1時，蘇州青和抗熱605根系生物量降幅分別為11.21 %、29.17 %，抗熱605降幅較大；黃心烏和瓢兒菜增幅分別為26.56 %、12.77 %，黃心烏增幅較大；而對南農(nóng)矮腳黃無影響。同一供Zn水平下瓢兒菜的根系生物量最低。

表1 不同供Zn水平下普通白菜各器官的生物量 g·盆-1

2.2 供Zn水平對普通白菜根系耐性指數(shù)的影響

根系耐性指數(shù)（RTI）是指重金屬處理的根長與對照根長的比值（嚴明理 等，2009）。植物與重金屬作用時，根系細胞壁中的大量交換位點能將重金屬離子吸收或固定，從而促進或阻止重金屬離子進一步向地上部轉(zhuǎn)運。因此，根系耐性指數(shù)能夠反映植物對重金屬的耐性（Monni et al.，2001）。從表2可知，除抗熱605外，不同供Zn水平下4個普通白菜品種的根系耐性指數(shù)均先升高后降低，且均大于 0.5。黃心烏、瓢兒菜和南農(nóng)矮腳黃均＞1，說明澆灌 100～800mg·L-1的 Zn處理液對根系無明顯的抑制作用；蘇州青僅在高濃度（800mg·L-1）Zn處理下略小于1，抗熱605在200mg·L-1Zn處理下小于1，且與100mg·L-1Zn處理差異顯著，由此可見，抗熱605根系對高濃度的Zn較敏感。

表2 不同供Zn水平下普通白菜的根系耐性指數(shù)

2.3 供Zn水平對普通白菜Zn吸收及積累的影響

從表3可以看出，5個普通白菜品種根系、葉柄、葉片中的Zn含量均隨著供Zn濃度的升高而大幅增加。除南農(nóng)矮腳黃外，其他品種根系中Zn含量均可達1000mg·kg-1左右。100mg·L-1Zn處理下根系Zn含量與對照相比，最大極差為瓢兒菜（393.28 mg·kg-1），最小極差為南農(nóng)矮腳黃（2.97 mg·kg-1）。

從表3還可以看出，南農(nóng)矮腳黃各器官Zn含量明顯低于其他品種。不同器官中，同一供Zn水平下南農(nóng)矮腳黃葉柄Zn含量最低，在較低供Zn水平（0.43～200mg·L-1）下南農(nóng)矮腳黃根系Zn含量最高，而在較高供Zn水平（400～800mg·L-1）下則是葉片Zn含量最高。其他品種同一供Zn水平下不同器官中Zn含量均是根系最高，葉柄和葉片相差不大。

表3 不同供Zn水平下普通白菜根系、葉柄、葉片中Zn含量 mg·kg-1

從表4可以看出，普通白菜各器官Zn積累量與供Zn濃度的變化趨勢相同，處理之間差異較大。800mg·L-1Zn處理下，南農(nóng)矮腳黃根系Zn積累量最低，蘇州青最高，其次為抗熱605、黃心烏、瓢兒菜，可見不同品種之間存在一定的差異。普通白菜地上部Zn積累量在32～410μg·株-1之間，顯著高于根系Zn積累量。

2.4 供Zn水平對普通白菜Zn分配的影響

從表5看出，隨供Zn濃度的提高，蘇州青、黃心烏、瓢兒菜、抗熱605的根系Zn分配比例先升高后降低；南農(nóng)矮腳黃根系 Zn分配比例急劇下降，葉柄則相反，葉片中變化不明顯。各品種葉片Zn分配比例明顯高于葉柄，均在40%以上。Zn在普通白菜地上部的分布存在品種間差異，南農(nóng)矮腳黃、抗熱 605、蘇州青、黃心烏葉柄 Zn分配比例逐漸增加，最高增幅比例分別是20.65 %、12.50%、11.74 %、10.21 %。瓢兒菜葉柄Zn分配比例隨供Zn濃度提高則呈下降的趨勢，葉片的分配比例有所增加。說明南農(nóng)矮腳黃、蘇州青、黃心烏、抗熱 605地上部富集的 Zn主要貯存在葉柄中，而瓢兒菜富集的 Zn更多貯存在葉片中；南農(nóng)矮腳黃地上部較其他品種更易富集大量的Zn。供試的5個普通白菜中，南農(nóng)矮腳黃轉(zhuǎn)運Zn的能力最強。

表4 不同供Zn水平下普通白菜的Zn積累量 μg·株-1

蘇州青和黃心烏根系 Zn分配比例在供Zn濃度為200mg·L-1時達最大值，瓢兒菜和抗熱 605在供 Zn濃度為 100mg·L-1時就達到最大值，這可能與根系對 Zn的容納存在某個飽和點有關(guān)（湯葉濤等，2009），且飽和點的高低與基因型有關(guān)。除南農(nóng)矮腳黃外，其他品種地上部的 Zn分配比例變化趨勢與根系相反，呈U型變化。地上部Zn分配比例在60%以上，根系Zn分配比例在40%以下?？梢?，在較高濃度（400～800mg·L-1）Zn處理下，當(dāng)根系吸收的Zn超過飽和點后，無法再承受大量吸收的Zn，則通過將 Zn不斷向地上部轉(zhuǎn)運來避免對根系的傷害。

表5 不同供Zn水平下普通白菜Zn的分配比例 %

3 結(jié)論與討論

3.1 普通白菜Zn耐性評價

據(jù)有關(guān)研究報道（Bert et al.，2000；Escarre et al.，2000；Wu et al.，2007），根系和地上部的相對生長狀況可以很好地被用來評價蕓薹屬類植物對過量Zn的耐性。敏感植物在中毒濃度下，根系生長被抑制，植物生長緩慢，生物量減少，而耐性植物則沒有影響或影響較小。本試驗5個普通白菜品種在供試 Zn水平下均未出現(xiàn)毒害癥狀，對地上部的生物量影響較少，甚至有一定的促進作用。從耐性指數(shù)指標(biāo)來看，指數(shù)越大表示植物對重金屬的耐性越大，耐性指數(shù)大于0.5時，表明這種植物對此重金屬有較強的耐受性，生長得較好。當(dāng)耐性指數(shù)小于0.5時，則說明重金屬對這種植物的毒害作用明顯，這種植物基本難以或不能生長在這種濃度的重金屬環(huán)境中（徐衛(wèi)紅等，2005）。本試驗中5個供Zn水平處理下，5個普通白菜品種的根系耐性指數(shù)在0.82～1.90之間，可見高Zn脅迫對根系伸長的抑制效應(yīng)較小，這可能與過量Zn對蕓薹屬植物根系生長的影響更多體現(xiàn)在對側(cè)根密度的抑制上，而不是對最大根長的抑制有關(guān)（Ebbs & Kochian，1997）。因此，綜合生物量和根系耐性指數(shù)推斷：普通白菜對Zn存在較高的耐性。

在800mg·L-1供Zn水平下，5個普通白菜品種中抗熱605的根系生物量降幅最大，同時根系耐性指數(shù)較其他基因型低，因此，抗熱605耐性相對較弱。

3.2 普通白菜的Zn積累與分布

重金屬超富集植物這一概念最初是由 Brooks等（1977）提出的，當(dāng)時用以定義地上部富集Ni超過1000mg·kg-1的植物。一般認為超富集植物應(yīng)同時滿足以下3個標(biāo)準(zhǔn)（Brooks et al.，1998，Reeves & Baker，2000）：① 植物地上部富集的某種元素含量達到生長在同一介質(zhì)非超富集植物地上部含量的100倍以上，其臨界含量標(biāo)準(zhǔn)（以干質(zhì)量計）是Zn 10000mg·kg-1；② 地上部重金屬含量大于根部含量；③ 植物的生長沒有受到明顯的傷害。理想的超富集植物還應(yīng)具有生長期短、抗病蟲能力強、地上部生物量大、能同時富集兩種或兩種以上重金屬的特點。雖然本試驗中5個普通白菜品種在供Zn濃度為800mg·L-1時，根系Zn含量比對照提高近20倍，達1000mg·kg-1，遠遠超過了植物體內(nèi)正常Zn含量25～100mg·kg-1的范圍（陸景陵，2003）。但Zn含量均未達到超富集植物的臨界標(biāo)準(zhǔn)，且地上部小于根系，因此，不具有超富集植物的基本特征。

植物對重金屬的吸收對策主要有兩種：一種是植物排斥對策，另一種是富集耐受對策。在富集耐受對策中，一種為限制吸收運輸對策，即根部富集截留而限制重金屬向地上部運輸，另一種為富集或超富集對策，即能將大部分重金屬運送到地上部（柯文山 等，2004）。本試驗5個普通白菜品種地上部的Zn積累分配比例均在60%以上，而根中分配比例不足40%?？梢?，普通白菜吸收的Zn大部分轉(zhuǎn)移到地上部，葉柄和葉片可被認為是植株體內(nèi)Zn的臨時貯備庫，屬于富集耐受對策。普通白菜Zn積累及其分布存在品種間差異，南農(nóng)矮腳黃根系Zn積累量最低，但其轉(zhuǎn)運能力最強，蘇州青根系 Zn積累量最高，轉(zhuǎn)運能力也較高。徐衛(wèi)紅等（2006）研究表明，大白菜在Zn脅迫下分泌的有機酸和氨基酸種類和含量不同是造成品種間Zn吸收差異的重要原因。普通白菜對Zn的富集耐受機制可能與根系分泌物、Zn的賦存形態(tài)以及Zn在細胞、亞細胞結(jié)構(gòu)上的區(qū)室化分布有關(guān)，這正在進一步研究中。

保瓊莉，田霄鴻，楊習(xí)文，李生秀.2007.不同供Zn量對三種小麥基因型幼苗生長和養(yǎng)分吸收的影響.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，13（5）：816-823.

韓文軒，徐一鳴，杜威，唐傲寒，江榮風(fēng).2009.ICP-AES分析不同鋅濃度培養(yǎng)下鋅鎘超累積植物遏藍菜的元素計量變化.光譜學(xué)與光譜分析，29（9）：2565-2567.

柯文山，陳建軍，黃邦全，戴靈鵬，王萬賢.2004.十字花科蕓薹屬 5種植物對 Pb的吸收和富集.湖北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，26（3）：236-269.

陸景陵.2003.植物營養(yǎng)學(xué)·上冊.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社：95-98.

魯如坤.2000.土壤農(nóng)化分析方法.北京：中國農(nóng)業(yè)科技出版社：325-336.

湯葉濤，吳妤都，仇榮亮，曾曉雯，胡鵬杰.2009.滇苦菜（Picris divaricata Vant.）對Zn的吸收和富集特性.生態(tài)學(xué)報，29（4）：1823-1831.

汪洪，金繼運.2009.植物對鋅吸收運輸及積累的生理與分子機制.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，15（1）：225-235.

王曉芳，羅立強.2009.鉛鋅銀礦區(qū)蔬菜中重金屬吸收特征及分布規(guī)律.生態(tài)環(huán)境學(xué)報，18（1）：143-148.

徐衛(wèi)紅，熊治庭，王宏信，李仰銳，劉吉振，李文一.2005.Zn脅迫對重金屬富集植物黑麥草養(yǎng)分吸收和Zn積累的影響.水土保持學(xué)報，19（4）：32-43.

徐衛(wèi)紅，劉吉振，黃河，熊治庭.2006.高Zn脅迫下不同大普通白菜品種生長、Zn吸收及根系分泌物的研究.中國農(nóng)學(xué)通報，22（8）：458-463.

嚴明理，劉麗莉，王海華，向言詞，馮濤.2009.3種植物對紅壤中鎘的富集特性研究.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，28（1）：72-77.

Bert V，Macnair M R，de Laguerie P，Saumitou-Laprade P，Petit D.2000.Zinc tolerance and accumulation in metallicolous and nonmetallicolous populations of Arabidopsis halleri（Brassicaceae）.New Phytol，146：225-233.

Brooks R R，Lee J，Reeves R D，Jaffre T.1977.Detection of nickeliferous rocks by analysis of herbarium specimens of indicator plants.J Geochem Explor，7：49-57.

Brooks R R，Chambers M F，Nicks L J，Robinson B H.1998.Phytomining.T Plant Sci，3（9）：359-362.

Ebbs S D，Kochian L V.1997.Toxicity of zinc and copper to Brassica species：implications for phytoremediation.J Environ Qual，26：776-781

Escarre J，Lefebvre C，Gruber W，Leblanc M，Lepart J，Riviere Y，Delay B.2000.Zinc and cadmium hyperaccumulation by Thlaspi caerulescens from metalliferous and nonmetalliferous sites in the Mediterranean area：implications for phytoremediation.New Phytol，145：429-437.

Godbold D L，Horst W J，Marschner H，Collins J C，Thurman D A.1983.Root growth and Zn uptake by two ecotypes of Deschampsia caespitosa as affected by high Zn concentrations.Plant Physiol，112：315-334.

Monni S，Uhlig C，Hansen E，Magel E.2001.Ecophysiological responses of Empetrum nigrumto heavy metal pollution.Environmental Pollution，112：121-129.

Reeves R D，Baker A J M.2000.Metal accumulating plants//Raskin I，Ensley B D.Phytoremediation of toxicmetals：using plant to clean up the environment.New York：John Wiley Press.

Wu J，Schat H，Sun R，Koornneef M，Wang X W，Aarts M G M.2007.Characterization of natural variation for zinc，iron and manganese accumulation and zinc exposure response in Brassica rapa L.Plant Soil，291：167-180.