烤煙品種對(duì)鎘吸收累積敏感性差異研究

王浩浩，劉海偉，石 屹，王 勇，王樹聲*，包自超，李 斌，張?zhí)N睿，鹿 瑩，張煥菊，王錫金，孫帥帥

（1.農(nóng)業(yè)部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，青島 266101；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院，北京 100081；3.山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250100；4.山東濰坊煙草公司，山東 濰坊 261000）

鎘（Cd）是對(duì)生態(tài)環(huán)境危害嚴(yán)重的重金屬之一，通過生物富集也容易對(duì)動(dòng)物和人類造成傷害[1]。近年來，煙草質(zhì)量安全狀況越來越為公眾和研究者所重視[2-3]，因此煙草重金屬相關(guān)研究也成為熱點(diǎn)[4]?？緹熓歉患疌d的經(jīng)濟(jì)作物之一，其吸收的Cd主要累積到葉片中[5]，會(huì)對(duì)煙葉的質(zhì)量安全產(chǎn)生危害。

關(guān)于不同煙草品種對(duì)Cd的吸收富集差異前人有過不少研究。其中，劉雙營等[6]通過水培試驗(yàn)對(duì)6個(gè)不同品種煙草 Cd吸收的動(dòng)力學(xué)特征的研究結(jié)果表明，煙草不同品種間對(duì)鎘吸收的最大速率不同。劉義新等[7]研究表明，K326和云煙 87對(duì) Cd的吸收與分布以及對(duì)Cd的耐受性存在明顯的差異。趙秀蘭等[8]研究結(jié)果表明，不同煙草品種對(duì)鎘的吸收累積差異顯著，煙草對(duì)鎘的耐性存在顯著的品種間差異。由于此前相關(guān)研究多數(shù)選擇在煙草生長的苗期，或選用的烤煙品種較少，無法明確成熟期不同品種烤煙對(duì)Cd的吸收累積差異情況。因此，本研究選用 10個(gè)全國主栽與地方代表性烤煙品種，通過外源Cd添加試驗(yàn)，分析比較不同烤煙品種在成熟期各器官的Cd含量、變化敏感性和積累量差異，篩選出低Cd吸收累積品種，為低Cd煙葉的大田生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 供試煙草 選取全國主栽與地方代表性烤煙品種共 10個(gè)，分別是中煙 100、K326、紅花大金元、云煙85、云煙87、NC89、翠碧1號(hào)、龍江851、湘煙三號(hào)、豫煙3號(hào)。

1.1.2 供試土壤 土壤為棕壤，基本理化性質(zhì)為pH 7.05，有機(jī)質(zhì)為 1.15%，土壤中 Cd含量為 0.21 mg/kg。土壤經(jīng)風(fēng)干過篩熏蒸后供盆栽試驗(yàn)用。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)方法 采用盆栽試驗(yàn)，于 2012年在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所即墨試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)溫室中進(jìn)行。試驗(yàn)用盆規(guī)格為直徑36 cm，高40 cm，每盆裝土15 kg，盆底放置接水盤。移栽苗齡60 d，移栽時(shí)間5月8日。試驗(yàn)采用常規(guī)管理，澆水量一致，并保證無水滲出。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)2個(gè)因素，分別為10個(gè)烤煙品種和3個(gè)土壤Cd添加水平，即0.0、0.6和3.0 mg/kg，分別以CK、C1（土壤Cd警戒水平）、C2（土壤Cd污染水平）表示。共30個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列。鎘以Cd（Ac）2水溶液形式均勻噴施入土壤中，保持80%土壤持水量，培養(yǎng)陳化60 d后裝盆。裝盆同時(shí)將肥料作為基肥一次性施入，氮施用量為6 g/盆，氮、磷、鉀的比例為m(N)∶m(P205)∶m(K2O)=1∶1.5∶3。

1.2.3 取樣及測(cè)定 在烤煙生長的成熟期采集煙株樣品，分根、莖和上、中、下部葉于105 ℃殺青30 min，65 ℃烘干至恒重，稱干重。粉碎過60目篩，HNO3-H2O2微波消解后用電感耦合等離子質(zhì)譜（ICP-MS，型號(hào)X SeriesⅡ，Thermo公司）測(cè)定樣品Cd含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

煙株Cd積累量（μg/株）=煙株生物量（g/株）×煙株Cd含量（mg/kg）；分配率（%）=100×不同部位 Cd積累量（g）/煙株 Cd積累總量（g）；Cd遷移系數(shù)=葉片 Cd含量（mg/kg）/根部 Cd含量（mg/kg）。

采用 DPS 13.0，Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié) 果

2.1 鎘對(duì)不同烤煙品種生長的影響

在供試的烤煙品種中，NC89、龍江851和翠碧1號(hào)的根系干物質(zhì)積累量在C1、C2處理時(shí)均比CK顯著降低，而云煙85和豫煙3號(hào)根系干物質(zhì)積累量在 C1、C2處理時(shí)均無顯著變化（圖 1），表明NC89、龍江851和翠碧1號(hào)的根系對(duì)Cd毒害反應(yīng)較敏感，云煙85和豫煙3號(hào)的根系對(duì)Cd耐性較強(qiáng)。

莖部干物質(zhì)積累量如圖2所示，C1處理時(shí)翠碧1號(hào)莖部干物質(zhì)積累量顯著高于CK，其余烤煙品種莖部干物質(zhì)積累量無顯著變化，C2處理時(shí)中煙100、K326、紅花大金元和豫煙3號(hào)莖部干物質(zhì)積累量顯著下降，其余烤煙品種莖部干物質(zhì)積累量無顯著變化，表明低Cd對(duì)烤煙莖部的生長無顯著影響，而高Cd會(huì)抑制部分烤煙品種莖部的生長。

從圖3看出，C1處理時(shí)除云煙85，其余烤煙品種葉片干物質(zhì)積累量均顯著增加，C2處理時(shí)大多數(shù)烤煙品種葉片干物質(zhì)積累量顯著上升，表明低、高Cd對(duì)烤煙葉片生長都有促進(jìn)作用。

2.2 不同烤煙品種中Cd含量差異與敏感性分布

圖1 不同烤煙品種根系干物質(zhì)積累量Fig.1 Root mass for each variety

圖2 不同烤煙品種莖部干物質(zhì)積累量Fig.2 Stem mass for each variety

所有烤煙品種不同器官Cd含量均表現(xiàn)為葉片＞莖＞根，且各器官對(duì)Cd的富集作用隨Cd添加量上升逐漸增強(qiáng)（表1），這與前人對(duì)單個(gè)或少數(shù)煙草品種的研究結(jié)果一致[13,17]。

圖3 不同烤煙品種葉片干物質(zhì)積累量Fig.3 Leaf mass for each variety

土壤Cd含量相同時(shí)，不同烤煙品種各器官Cd含量有所差異。以煙葉為例，CK處理葉片Cd含量紅花大金元、NC89和云煙85顯著高于其他品種；翠碧1號(hào)和豫煙3號(hào)顯著低于其他品種；C1處理葉片Cd含量紅花大金元和龍江851顯著高于其他品種，云煙87、中煙100顯著低于其他品種；C2處理葉片Cd含量K326、龍江851和云煙87顯著高于其他品種，中煙100、翠碧1號(hào)、豫煙3號(hào)和云煙85顯著低于其他品種（表1）?？梢?，土壤Cd含量變化，各烤煙品種之間Cd含量的差異也不同，而且隨著土壤Cd含量的提高，品種之間的差異性也變大，這與不同品種對(duì)土壤Cd變化的響應(yīng)敏感性差異有關(guān)。

采用添加Cd處理與CK處理Cd含量的比值表示烤煙各器官Cd含量對(duì)土壤Cd含量差異的響應(yīng)敏感性，如表2所示。

從表2看出，在低、高Cd添加量下中煙100和紅花大金元葉片Cd含量變化最小，說明Cd對(duì)這兩個(gè)烤煙品種葉片Cd含量的影響小于其他品種，即中煙100和紅花大金元對(duì)土壤Cd響應(yīng)敏感性差。對(duì)土壤Cd響應(yīng)敏感性較強(qiáng)的烤煙品種因土壤Cd添加量不同而異：低Cd添加時(shí)翠碧1號(hào)、豫煙3號(hào)和龍江851葉片Cd含量變化較其他品種大，對(duì)土壤Cd響應(yīng)敏感性較強(qiáng)；高Cd添加時(shí)云煙87、K326葉片Cd含量變化較其他品種大，對(duì)土壤Cd響應(yīng)敏感性較強(qiáng)。不同烤煙品種根和莖的響應(yīng)敏感性變化規(guī)律與葉片基本相同。正是由于各烤煙品種對(duì)土壤Cd響應(yīng)敏感性的差異，以致在不同土壤Cd含量時(shí)烤煙各器官Cd含量較高或較低的品種有所差異。

表1 不同烤煙品種根、莖、葉的Cd含量 mg/kgTable1 Cd content in the root, stem and leaf of each variety

表2 土壤添加Cd時(shí)不同烤煙品種根、莖、葉Cd含量變化敏感度Table2 Change sensitivity of the Cd content in the root, stem and leaf of each variety with Cd added

由表1還可看出，隨著土壤Cd含量的變化，烤煙不同品種根和莖的Cd含量差異變化與煙葉有所差異，這與不同烤煙品種根和莖對(duì)Cd的貯存能力與運(yùn)輸能力的差異有關(guān)。利用遷移系數(shù)，即葉片Cd含量/根Cd含量的比值，表征Cd從烤煙根系向葉片的遷移能力。10個(gè)烤煙品種對(duì)Cd的遷移系數(shù)均遠(yuǎn)大于1，大多數(shù)烤煙品種對(duì)Cd的遷移系數(shù)差異顯著。隨土壤Cd含量上升，中煙100、K326、紅花大金元、云煙87、NC89、翠碧1號(hào)、湘煙三號(hào)的遷移系數(shù)先上升后下降，表明這些品種對(duì)Cd的運(yùn)輸能力受土壤高Cd含量抑制；而云煙85、龍江851、豫煙3號(hào)逐漸下降，表明這3個(gè)品種對(duì)Cd的運(yùn)輸能力隨土壤Cd增加而降低，這與Cd對(duì)植株生長的影響有關(guān)。

2.3 不同烤煙品種各器官中Cd的累積與分布特征

如表3所示，烤煙根、莖、葉中的Cd積累量隨土壤Cd添加量升高逐漸增加，葉片中的Cd積累量最高。在CK和C1、C2處理時(shí)，葉片中Cd的積累量分配率分別為 80.41%～87.01%和 86.87%～88.70%、83.94%～88.85%，烤煙從環(huán)境中吸收的Cd 80%以上累積在卷煙原料葉片中。

從表3還看出，烤煙根、莖、葉中的Cd積累量存在顯著的品種間差異。C1處理時(shí)，紅花大金元、翠碧1號(hào)和龍江851葉片中Cd的積累量最高，云煙87、中煙100和湘煙三號(hào)葉片中的Cd積累量最低；C2處理時(shí)，云煙87葉片中Cd的積累量較高，中煙100葉片中的Cd積累量最低，這與葉片中Cd含量的品種間變化規(guī)律基本一致。

表3 不同烤煙品種Cd的累積及在葉片中的分布 μg/株Table3 Cd accumulation and distribution in the leaf of each variety

3 討 論

不同Cd添加水平對(duì)烤煙生長的影響不同，高濃度Cd對(duì)烤煙根系生長有抑制作用，這與吳玉萍等[17]對(duì)烤煙品種K326的研究結(jié)果相同；Cd抑制烤煙根系生長卻促進(jìn)葉片的生長，表明烤煙根系比葉片對(duì)Cd的毒害反應(yīng)更敏感，這與趙秀蘭等[10]在煙草幼苗上的研究結(jié)果一致。

本試驗(yàn)不同Cd處理下，Cd對(duì)烤煙根、莖、葉生長的影響因品種而異。有研究表明，植物可通過根部沉積、細(xì)胞壁固定和液泡分隔等作用來適應(yīng)Cd毒害環(huán)境[11]，煙草還可以通過表皮毛分泌含Cd結(jié)晶使其在Cd較高的環(huán)境中仍能正常生長[12]。因此，Cd對(duì)烤煙生長影響的品種間差異由什么生理機(jī)制造成，有待于進(jìn)一步研究和探索。

本試驗(yàn)供試烤煙品種對(duì)Cd遷移系數(shù)均遠(yuǎn)大于1，表明烤煙根部向上運(yùn)輸Cd的能力很強(qiáng)。植物對(duì)Cd的累積與根系對(duì)Cd的吸收、Cd從根系向莖和葉片的運(yùn)輸及再分配有關(guān)[18]。根據(jù)植物元素源庫理論，根從土壤中吸收Cd，向其他器官轉(zhuǎn)運(yùn)，可認(rèn)為是源；葉面接收莖運(yùn)輸?shù)腃d，可認(rèn)為是庫；而莖既從根部接收Cd，也能向葉片輸送Cd，所以莖既是源也是庫。因此，與此前諸多研究一樣[10]，本研究中的遷移系數(shù)只是相對(duì)的概念，不能代表絕對(duì)量的變化趨勢(shì)，所以此相對(duì)遷移能力不能完全解釋葉片與根、莖之間變化的差異。

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，烤煙吸收的Cd有80%以上累積在葉片中。土培試驗(yàn)[10,14-15]和水培試驗(yàn)[16]也表明，當(dāng)栽培基質(zhì)中的Cd濃度較高時(shí)，有些煙草品種的葉片中Cd含量可以達(dá)到100 mg/kg以上，煙株吸收的Cd有68%～88%分布于葉片，表明煙草向葉片運(yùn)輸Cd的能力很強(qiáng)，具有超富集植物的特征。大部分Cd都運(yùn)送到煙株葉片中，對(duì)于卷煙主要原料煙葉的生產(chǎn)是一種不利因素[17]。

4 結(jié) 論

烤煙不同品種間煙株Cd含量與Cd積累量存在差異，且因不同品種對(duì)土壤Cd變化的敏感性不同而變化。Cd正常水平土壤中翠碧1號(hào)和豫煙3號(hào)葉片Cd含量較低，Cd警戒水平土壤中煙100、云煙87葉片Cd含量較低，Cd污染土壤中煙100、翠碧1號(hào)、豫煙3號(hào)和云煙85葉片Cd含量較低。不同烤煙品種對(duì)土壤Cd變化的敏感響應(yīng)程度不同，中煙100、紅花大金元、NC89對(duì)Cd敏感性較低。烤煙從環(huán)境中吸收的Cd 80%以上積累在卷煙主要原料葉片中，因此，要盡量選擇在Cd含量較低的土壤中進(jìn)行煙葉生產(chǎn)，同時(shí)盡量選擇葉片Cd含量低且對(duì)Cd敏感性差的烤煙品種，以提高煙葉生產(chǎn)安全性。

[1]謝黎虹，許梓榮.重金屬鎘對(duì)動(dòng)物及人類的毒性研究進(jìn)展[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2003，15（6）：376-381.

[2]鄧文靖，鄭海龍，陳新庚.基因工程改良植物對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)[J].生態(tài)環(huán)境，2004，13（3）：403-405.

[3]郎明林，張玉秀，柴團(tuán)耀.植物重金屬超富集機(jī)理研究進(jìn)展[J].西北植物學(xué)報(bào)，2003，23（11）：2021-2030.

[4]張艷玲，周漢平.煙草重金屬研究概述[J].煙草科技，2004（9）：20-23.

[5]王曉敏.貴州植煙區(qū)土壤重金屬污染狀況及其對(duì)煙葉安全的影響評(píng)價(jià)[D].貴陽：貴州大學(xué)，2009.

[6]劉雙營，李彥娥，趙秀蘭.不同品種煙草鎘吸收的動(dòng)力學(xué)研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（5）：257-261.

[7]劉義新，陶涌，孟麗華，等.烤煙品種 K326和云煙87對(duì)鎘脅迫的生理響應(yīng)及抗性差異[J].中國煙草科學(xué)，2008，29（4）：1-5.

[8]趙秀蘭，劉曉.不同品種煙草生長和鎘及營養(yǎng)元素吸收對(duì)鎘脅迫響應(yīng)的差異[J].水土保持學(xué)報(bào)，2009，23（1）：117-121.

[9]Ashraf M, Vera I S, Andrei A.Genotypic Variation of the Response to Cadmium Toxicity in Pisum Sativum L.[J].Journal of Experimental Botany, 2005, 56(409)∶ 167-178.

[10]趙秀蘭，李彥斌.煙草積累與忍耐鎘的品種差異[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，29（3）：110-114.

[11]李兆君，馬國瑞，徐建民，等.植物適應(yīng)重金屬Cd脅迫的生理及分子生物學(xué)機(jī)理[J].土壤通報(bào)，2004，35（2）：234-238.

[12]Choi Y E, Harada E, Wada M, et al.Detoxification of Cadmium in Tobacco Plants∶ Formation and Active Excretion of Crystals Containing Cadmium and Calcium Through Trichomes [J].Planta, 2001, 213∶ 45-50.

[13]張曉海.不同施肥水平下烤煙對(duì)重金屬元素的吸收分配研究[J].農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)與產(chǎn)業(yè)化，2005（11）：144-146.

[14]Angelova V, Ivanov K, Ivanova R.Effect of chemical forms of lead, cadmium, and zinc in polluted soils on their uptake by tobacco [J].Journal of Plant Nutrition,2004, 27, 5∶ 757-773.

[15]Teresa D, Apoloniusz B.Variation for cadmium uptake among Nicotiana Species [J].Genetic Resources and Crop Evolution, 2004, 51∶ 323-333.

[16]Wagner G J, Yeargan R.Variation in Cadmium Accumulation Potential and Tissue Distribution of Cadmium in Tobacco [J].Plant Physiology, 1986, 82∶274-279.

[17]吳玉萍，楊虹琦，徐照麗，等.重金屬鎘在烤煙中的累積分配[J].中國煙草科學(xué)，2008，29（5）：37-39.

[18]Dunbar K, McLaughlin M J, Reid R J.The Update and Partitioning of Cadmium in Two Cultivars of Potato（Solanum Tuberosum L.）[J].Journal of Experimental Botany, 2003, 54(381)∶ 349-354.