陳良,隆小華,鄭曉濤,劉兆普
(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 江蘇省海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210095)
近年來(lái),隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展,農(nóng)田土壤中重金屬污染日益嚴(yán)重。我國(guó)受重金屬污染的耕地面積近2 000萬(wàn)hm2,約占耕地面積的1/5,其中鎘(Cd)污染耕地占1 133萬(wàn)hm2[1]。鎘是一種毒性很強(qiáng)的重金屬,土壤中的鎘不僅會(huì)對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生毒害作用,如抑制植物光合作用和蒸騰作用、干擾植物的代謝過(guò)程、加速植物衰老、影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì),而且能通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體從而引發(fā)多種疾?。?]。對(duì)于大面積受中、低度重金屬污染的土壤,在中國(guó)的現(xiàn)實(shí)情況下要實(shí)行休耕是不現(xiàn)實(shí)的,并且仍有許多農(nóng)田的土壤污染情況不明,無(wú)法進(jìn)行有針對(duì)性的休耕[3]。如此大面積污染土壤采用傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法均因經(jīng)濟(jì)或技術(shù)等原因難以實(shí)施,目前基本處于未修復(fù)狀態(tài)。利用植物的超量富集作用以去除污染土壤中超標(biāo)重金屬的植物提取修復(fù)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單,經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上能夠大面積實(shí)施等優(yōu)點(diǎn),是一項(xiàng)十分有前途的修復(fù)技術(shù)[4]。
Cd脅迫下,不同植物反應(yīng)不同,近年來(lái)有關(guān)水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zea mays)、蔬菜等對(duì)Cd脅迫的反應(yīng)及生理生化方面的研究已有較多的報(bào)道[5-8],盡管利用植物作為Cd污染環(huán)境修復(fù)材料的研究很多,但關(guān)于利用植物修復(fù)Cd污染土壤的實(shí)例還極少報(bào)道。菊芋(Helianthustuberosus)適應(yīng)性強(qiáng),為耐寒、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿植物,根系發(fā)達(dá),生物量極大,在全球的熱帶、溫帶、寒帶以及干旱、半干旱地區(qū)都有菊芋的分布和栽培,在我國(guó)很多省區(qū)都可栽培[9]。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)菊芋植株中Cd含量較高,進(jìn)一步利用砂培盆栽濃度梯度試驗(yàn)就2種菊芋對(duì)不同濃度Cd脅迫下幼苗生物量、光合特征參數(shù)及對(duì)Cd富集效果進(jìn)行了比較和研究,為利用菊芋對(duì)Cd污染土壤生物修復(fù)提供理論依據(jù)。
供試菊芋為不同品系的南芋5號(hào)(NY5)和南芋2號(hào)(NY2),采于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江蘇大豐“863”中試基地。
本試驗(yàn)于2010年4月25日-2010年5月30日在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)牌樓溫室中進(jìn)行。菊芋塊莖用自來(lái)水及蒸餾水沖洗干凈后,經(jīng)0.05%殺真菌劑進(jìn)行表面滅菌。滅過(guò)菌的具有芽眼的菊芋塊莖切片播于周轉(zhuǎn)箱中裝有石英砂且下部有孔的塑料盆缽中,周轉(zhuǎn)箱存有一定深度的培養(yǎng)液,隔天換培養(yǎng)液,每次都充分淋洗石英砂,以保證培養(yǎng)條件的均一性,自然光照。待塊莖萌發(fā)后用1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液澆灌。至三葉期時(shí)進(jìn)行疏苗移栽,每盆保留1棵,每個(gè)處理3盆。待6葉期時(shí)進(jìn)行處理,設(shè)置0,5,25,50,100和200mg/L 6個(gè)Cd濃度,處理時(shí)直接將固體形態(tài)的CdCl2·2.5H2O溶于1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中,充分?jǐn)嚢杌靹?,進(jìn)行澆灌。處理期間隔天更換營(yíng)養(yǎng)液,更換時(shí)應(yīng)注意不讓營(yíng)養(yǎng)液沾到植株地上部分,處理3周后采樣進(jìn)行檢測(cè)。
1.3.1 生物量測(cè)定 將菊芋幼苗從塑料盆中取出,用去離子水沖去砂粒,再用吸水紙吸干后隨機(jī)選取3片倒5功能葉分別測(cè)定葉長(zhǎng)和葉寬,然后用直尺測(cè)定株高、根長(zhǎng)、直徑,用稱重法測(cè)總鮮重、根鮮重、地上鮮重,經(jīng)110℃殺青10min后于60℃烘干至恒重測(cè)定總干重、根干重、地上干重。根冠比=根干重/地上干重。
1.3.2 葉綠素a(Chl a)、葉綠素b(Chl b)、總?cè)~綠素(Chl)與類胡蘿卜素(Car)的測(cè)定 采用王學(xué)奎[10]的方法。每個(gè)處理選取3株,取第4片功能葉,將整個(gè)葉子剪碎,分別稱取0.1g,置于10mL容量瓶?jī)?nèi),加95%乙醇定容至10mL。將各個(gè)處理?yè)u勻置于避光處,過(guò)夜。待第2天殘?jiān)耆儼缀?,分別在665,649和470nm測(cè)定吸光值。按如下公式計(jì)算各色素含量:
式中,W為樣品鮮重(g)。
1.3.3 光合作用參數(shù)的測(cè)定 采用英國(guó)PP-System公司CIRAS-1型全自動(dòng)便攜式光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定凈光合速率(net photosynthetic,Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance,Gs)、蒸騰速率(transpiration rate,Tr)、細(xì)胞間隙CO2濃度(inter-celluar CO2concentration,Ci)等光合作用參數(shù),水分利用效率(water use efficiency,WUE)=Pn/Tr,氣孔限制值(stomatal limitation,Ls)為[1-(Ci/Ca)]計(jì)算所得(Ca為空氣中 CO2濃度)[11]。測(cè)定過(guò)程采用生物效應(yīng)燈為光源,光量子通量密度(photon flux density,PFD)為1 176~1 184μmol/(m2·s),葉面積2.5 cm2,大氣溫度17.3~18.2℃,Ca變化范圍為394.2~398.1μL/L。
1.3.4 Cd富集吸收量的測(cè)定 植物根、莖和葉干樣過(guò)20目篩(20孔/645.16mm2),采用HNO3-HClO4法進(jìn)行消化(二者體積比為87∶13),利用電感耦合等離子體光譜發(fā)生儀(inductive coupled plasma emission spectrometer,ICP)測(cè)定其中的Cd含量,每個(gè)樣品重復(fù)3次。
生物富集率(bioconcentration factor,BCF)和轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor,TF)按以下公式計(jì)算[12]:
利用Microsoft Excel軟件、SPSS 16.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì),采用Duncan檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析。
Cd對(duì)菊芋幼苗生長(zhǎng)具有顯著的抑制作用(表1)。在Cd的脅迫下,2種菊芋的葉長(zhǎng)都表現(xiàn)為下降趨勢(shì),不同的是NY5的葉長(zhǎng)總體下降趨勢(shì)較NY2平緩一些。NY5葉長(zhǎng)在25和50mg/L的Cd濃度下差異不大,分別為對(duì)照的65.53%和68.42%;NY2的葉長(zhǎng)在100和200mg/L Cd處理時(shí)顯著低于對(duì)照,僅為對(duì)照的53.84%和50.31%。葉寬與葉長(zhǎng)趨勢(shì)基本類似。在Cd脅迫下,株高和根長(zhǎng)顯著低于對(duì)照,但隨濃度增大,NY2減少量明顯大于NY5。NY5對(duì)照組直徑甚至低于NY2,僅為NY2的80%,但在5~200mg/L的Cd范圍內(nèi),NY5直徑的減少量為0.11cm,NY2則為0.22cm,是NY5直徑變化量的2倍。
2種菊芋根干重、地上干重以及全株干重與表1中5個(gè)指標(biāo)保持著高度相似性,但受到Cd脅迫以后,NY5變化量更小一些(表2)。在5mg/L時(shí),根冠比均達(dá)到最大,較對(duì)照分別增大了32.89%和65.42%。但隨著濃度的增大,根干重的降低幅度大于地上部干重,在最高濃度200mg/L時(shí)根冠比較對(duì)照分別下降了13.3%和32.3%。而NY5在Cd脅迫下,根冠比相對(duì)于NY2變化幅度小。
表1 不同濃度Cd對(duì)2種菊芋生物量的影響Table 1 Effects of different Cd concentrations on growth for two H.tuberosus varieties seedling
表2 不同濃度Cd對(duì)2種菊芋干重及根冠比的影響Table 2 Effects of different Cd concentration on dry weight and the root/shoot of two H.tuberosus varieties seedling
在Cd脅迫下,2種菊芋葉片中葉綠素含量變化趨勢(shì)都呈先降后升的趨勢(shì)(圖1)。NY5總?cè)~綠素含量在100 mg/L Cd濃度時(shí)達(dá)到最低值,僅為對(duì)照組含量的33.18%,而NY2總?cè)~綠素含量在25mg/L的Cd濃度下即達(dá)到最低點(diǎn),是對(duì)照的23.08%。NY5葉片的類胡蘿卜素含量處理組都高于對(duì)照,在5mg/L Cd處理時(shí)最高,為對(duì)照的1.70倍;而NY2總體呈下降趨勢(shì),除50mg/L以外,其他濃度時(shí)類胡蘿卜素含量都低于對(duì)照,分別是對(duì)照的73.11%,83.56%,59.00%和32.30%。
圖1 不同Cd濃度對(duì)2種菊芋葉綠素及類胡蘿卜素含量的影響Fig.1 Effects of different Cd concentrations on the Chl and Car content in two H.tuberosus varieties seedling
2種菊芋的Pn較對(duì)照組顯著下降(圖2),NY5在5,25,50,100和200mg/L時(shí)分別是對(duì)照的77.98%,49.33%,41.47%,36.30%和25.93%;而NY2除在25mg/L時(shí)與對(duì)照組差異不顯著外,其他Cd濃度下均顯著低于對(duì)照。Gs的變化趨勢(shì)與Pn類似,NY5在各個(gè)Cd處理濃度下均低于NY2;NY5的Gs隨Cd濃度增加而降低,NY2的Gs在25mg/L Cd處理時(shí)與對(duì)照差異不顯著。NY2的Ci在Cd脅迫下變化不大,而NY5的Ci在低濃度Cd(5~50mg/L)脅迫下與對(duì)照差異不顯著,在高濃度(100和200mg/L)Cd脅迫下顯著低于對(duì)照。Tr在100和200mg/L Cd脅迫時(shí)顯著下降,NY5和 NY2分別只有對(duì)照的45.42%,23.95%和30.77%,22.23%。
WUE和Ls的變化趨勢(shì)極其相似,NY5在50mg/L Cd處理下,WUE和Ls均達(dá)到最低值,分別是對(duì)照的25.00%和36.80%;NY2的WUE相對(duì)穩(wěn)定,除在5mg/L時(shí)顯著低于對(duì)照外,其他Cd濃度下與對(duì)照差異不顯著,而其Ls除在5mg/L Cd處理時(shí)略微低于對(duì)照外,之后隨著濃度的增加,不斷增大(圖2)。
圖2 不同Cd濃度對(duì)2種菊芋凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用效率及氣孔限制值的影響Fig.2 Effects of different Cd concentrations on the Pn,Gs,Ci,Tr,WUE and Ls in two H.tuberosus varieties seedling
2種菊芋體內(nèi)Cd含量隨著Cd濃度的升高而顯著增大,根部明顯高于葉片與莖部,說(shuō)明根部是Cd主要富集器官,對(duì)Cd的富集能力大于莖和葉。BCF隨著Cd濃度的升高而顯著下降,而TF因品種的不同而有所差異,NY5的TF隨著Cd濃度的增加呈先增后降的趨勢(shì),并在50mg/L Cd處理下,TF達(dá)到最大值,而NY2的TF則隨著Cd濃度的升高而不斷下降(表3)。
Cd作為一種植物非必需的元素,會(huì)嚴(yán)重阻礙植物生長(zhǎng)發(fā)育,2種菊芋的生物量都隨著Cd濃度的增加而減少,尤其在高濃度Cd處理下,葉長(zhǎng)、葉寬、株高、根長(zhǎng)、直徑以及各部分干重的減少量更大,表明Cd脅迫不但能抑制菊芋的生長(zhǎng),且隨著濃度的增加抑制作用增大。盡管菊芋受Cd脅迫的生物量顯著下降,但仍可以在高達(dá)200 mg/L的Cd濃度下存活,可見(jiàn),菊芋對(duì)Cd脅迫有良好的耐性。Cd對(duì)2種菊芋生物量的抑制作用為:株高>葉長(zhǎng)>根長(zhǎng);NY2>NY5。這說(shuō)明菊芋根部對(duì)Cd的耐受性最大,葉片次之,莖最小,而且NY5對(duì)Cd的耐性明顯強(qiáng)于NY2。
表3 不同Cd濃度下Cd在2種菊芋根、莖、葉中的富集量Table 3 Cd content in root,shoot and leaf of two H.tuberosus varieties seedling under different Cd concentration
Cd是毒性最強(qiáng)的重金屬元素之一,植物受到Cd脅迫時(shí),光合作用會(huì)受到抑制,葉綠體受到破壞,抑制光合酶的活性和葉綠素的合成,光合效率降低,葉綠素總量和光合作用都呈下降趨勢(shì)[13,14]。在Cd的脅迫下,NY5、NY2葉綠素a和b含量都明顯下降,不過(guò)NY2的下降速度明顯高于NY5,說(shuō)明NY5葉片較NY2對(duì)鎘的耐性更高一些。Car含量的下降在一定程度上影響活性氧的清除,如果產(chǎn)生的活性氧過(guò)多來(lái)不及清除,就會(huì)對(duì)光合機(jī)構(gòu)造成傷害,包括對(duì)作用中心D1蛋白的破壞和葉綠素的降解[15],而2種菊芋Car的變化趨勢(shì)恰恰驗(yàn)證了這一觀點(diǎn),所以在Cd的脅迫下,NY5能夠通過(guò)增加葉片中Car的含量來(lái)緩解Cd的抑制作用。
凈光合速率直接反映了單位葉面積的光合同化能力[11],是反映植物對(duì)Cd脅迫的響應(yīng)以及鑒定植物耐Cd能力的有效生理指標(biāo)。隨著Cd濃度的增大,2種菊芋光合作用參數(shù)如Pn、Gs、Tr顯著下降,NY2的Pn在高濃度(100和200mg/L)Cd脅迫下,顯著低于NY5,這進(jìn)一步說(shuō)明NY2對(duì)Cd的耐性不如NY5,Pn的下降與2種菊芋各生理參數(shù)有密切的聯(lián)系,尤其與光合作用場(chǎng)所(葉片)的生理狀況聯(lián)系緊密,葉片中各色素(Chl與Car)含量直接影響光合速率,在高濃度(100和200mg/L)Cd脅迫下,NY5可以通過(guò)諸如增加葉片中Car含量以及其他機(jī)制來(lái)提高對(duì)Cd的耐性,從而維持NY5的Pn在較高的水平。在大多數(shù)情況下,氣孔導(dǎo)度的下降將造成CO2供應(yīng)受阻進(jìn)而使植物的光合速率下降[16,17],而本試驗(yàn)中,胞間CO2濃度變化不大,而氣孔限制值隨著Cd濃度的不斷升高而增大。這說(shuō)明Cd脅迫并不能通過(guò)限制氣孔導(dǎo)度來(lái)降低胞間CO2濃度,而Gs的下降與Ls的升高應(yīng)該會(huì)減弱Tr,也間接說(shuō)明Pn減弱的主要原因是非氣孔限制,即由葉肉細(xì)胞光合活性下降引起的,這也與葉綠素含量下降相吻合。水分利用效率即水分生產(chǎn)率,是顯示作物水分吸收利用過(guò)程效率的一個(gè)指標(biāo)[18],Cd脅迫條件下,植株脫水嚴(yán)重,為適應(yīng)此逆境,植株水分利用效率及氣孔限制值增加,以達(dá)到減少水分散失的目的,在一定程度上有利于緩解水分失衡,從而提高植株的耐鎘性。
已有研究表明,大豆(Glycinemax)[19]、甘藍(lán)(Brassicaoleracea)[20]、小白菜(Brassicarapa)[21]、蘿卜(Raphanussativus)、豌豆(Pisumsativum)[22]與水葫蘆(Eichhorniacrassipes)[23]等品種對(duì) Cd吸收存在差異,不同品種植物的遺傳特性差異決定其對(duì)重金屬元素的吸收量,本試驗(yàn)也驗(yàn)證了前者的研究結(jié)果,雖然2種菊芋對(duì)Cd都有較強(qiáng)的富集作用,但NY5的Cd含量、生物富集系數(shù)以及轉(zhuǎn)移系數(shù)都高于NY2,隨著Cd濃度升高,BCF降低,表明Cd脅迫的加劇減弱了Cd的生物富集效率,而TF小于1說(shuō)明菊芋根部是主要的Cd富集器官,從根部向地上部運(yùn)輸轉(zhuǎn)移Cd的能力較小。一般來(lái)說(shuō),植物修復(fù)重金屬污染的效率取決于2個(gè)方面,即植物體對(duì)環(huán)境中重金屬的吸收富集能力以及該種植物生物量的大小[24]。雖然本試驗(yàn)中TF較小,但菊芋生物量巨大,具有其他植物無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),以25mg/L Cd濃度為標(biāo)準(zhǔn),NY5葉、莖、根中Cd含量分別達(dá)141.90,174.79和1 344.70 mg/kg,種植一季,NY5可從Cd污染土壤轉(zhuǎn)移1 000g以上的Cd。因此,應(yīng)用菊芋修復(fù)重金屬污染具有較大的潛力與可行性。
本研究通過(guò)對(duì)2種菊芋在不同濃度Cd脅迫下的光合特征和根、莖、葉三部分對(duì)Cd富集效果進(jìn)行研究和對(duì)比,證明菊芋對(duì)Cd具有較強(qiáng)的吸收和富集效果,而NY5比NY2富集Cd的能力更強(qiáng),但利用菊芋修復(fù)Cd污染環(huán)境還需根據(jù)污染環(huán)境的具體情況進(jìn)行進(jìn)一步研究。
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