鉛處理對(duì)茴香植株生長(zhǎng)及精油組分的影響

肖艷輝，何金明，潘春香，張振明，淡豫

韶關(guān)學(xué)院農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512005

茴香(Foeniculum vulgareL.)是傘形科茴香屬一二年生草本植物，原產(chǎn)地中海地區(qū)，現(xiàn)世界各地均有栽培。茴香不僅是一種用途廣泛的食用香料，還是一味重要的中草藥。茴香全株各器官均含有精油，其精油廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥學(xué)、化妝品和食品添加劑等方面（何金明，2005）。許多條件，如施肥量、施肥方式、氮源、礦質(zhì)離子濃度、不同產(chǎn)地等對(duì)茴香精油成分的相對(duì)含量均有一定影響（KHAN等，1999；Atta-Aly，2001；王羽梅等，2002；SINGH等，2002；任安祥等，2006；吳玫涵等，2001），這均由茴香生長(zhǎng)所處的綜合生態(tài)條件不同所引起的。

隨著工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)很多耕地受到重金屬不同程度的污染。鉛為污染重金屬元素之一，是植物的非必需元素。目前，關(guān)于鉛對(duì)植物影響的研究主要集中在植物的生理生化方面。鉛脅迫能顯著抑制玉米地上部分和地下部分的生長(zhǎng)，降低了葉片光合色素含量，通過抑制Rubisco活性限制了光合作用，通過抑制葉綠體中了超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶的活性，以及增加活性氧的產(chǎn)生導(dǎo)致PSI的活性下降，最終造成對(duì)整個(gè)光合機(jī)構(gòu)的傷害，嚴(yán)重地抑制玉米生長(zhǎng)（姚廣等，2009）。重金屬對(duì)植物揮發(fā)油的影響報(bào)道很少。求紅波等（2012）用0.01 mol·L-1鉛溶液噴施迷迭香植株后研究重金屬鉛對(duì)迷迭香揮發(fā)物的釋放中發(fā)現(xiàn)，鉛處理能抑制萜烯類、酯類揮發(fā)物的釋放，而使酮類、醇類揮發(fā)物的釋放增加。由于不同芳香植物的精油的化學(xué)組成不同，有的為萜烯類化合物，有的為含氧類化合物，還有的為酯類化合物等，因此，鉛處理對(duì)不同的芳香植物精油化學(xué)組成影響如何，鉛質(zhì)量濃度對(duì)芳香植物精油化學(xué)組成影響如何，需要更深一步的研究。本研究以茴香為試驗(yàn)材料，采用水培的方式，研究了鉛對(duì)茴香植株生長(zhǎng)、茴香植株對(duì)鉛的吸收累積及精油組分的影響，以期為茴香對(duì)鉛污染土壤進(jìn)行植物修復(fù)及其修復(fù)后植物的再利用提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

以內(nèi)蒙古小茴香(Foeniculum vulgareMill.)為試驗(yàn)材料。茴香種子來源為中國(guó)茴香產(chǎn)區(qū)之一的內(nèi)蒙古托克托縣，種子生產(chǎn)時(shí)間為2010年。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2011年9月13日于韶關(guān)學(xué)院塑料大棚中播種育苗。采用細(xì)沙作為育苗基質(zhì)，澆透水后，選取籽粒飽滿的茴香種子播于育苗盤中。育苗期間，育苗盤放于通風(fēng)透光處。10月10日，待茴香長(zhǎng)至兩葉一心時(shí)，選取生長(zhǎng)健壯、大小一致、無病蟲害的植株移栽于水培箱（霍格蘭配方，培養(yǎng)液19 L）中，每個(gè)水培箱培養(yǎng)24株茴香，確保茴香植株根系完全浸沒在營(yíng)養(yǎng)液中。培養(yǎng)茴香植株期間，不間斷供氧。供氧設(shè)備為空氣壓縮泵，功率為80 W，電壓220 V/50 HZ，排氧量為90 L·h-1。每箱均安裝2個(gè)通氣砂頭，以保證增氧均勻。整個(gè)栽培過程在塑料大棚中進(jìn)行。每隔1 d檢測(cè)營(yíng)養(yǎng)液的pH和EC，調(diào)整并保持pH在5.5～6.5，每15 d更換一次培養(yǎng)液，保證EC不低于營(yíng)養(yǎng)液全濃度的1/2。10月18日開始對(duì)茴香植株進(jìn)行不同質(zhì)量濃度鉛處理。鉛質(zhì)量濃度分別為 0（對(duì)照）、1 mg·L-1、5 mg·L-1、10 mg·L-1。11月29日開始進(jìn)行取樣分析。

1.2.2 形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)的測(cè)定

處理結(jié)束后，每個(gè)處理隨機(jī)取樣15株，測(cè)定株高、真葉數(shù)、最大葉長(zhǎng)和最大葉寬；隨機(jī)取5株，稱量地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量、地下部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量，并計(jì)算根冠比。

葉片中葉綠素和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)用比色法測(cè)定（郝再彬等，2004）；可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)用蒽酮比色法測(cè)定（李合生等，2000）；可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)用考馬斯亮藍(lán) G-250法測(cè)定（李合生等，2000）；全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)用凱氏消煮法測(cè)定（中國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究所，1999）；全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)用K2Cr2O7容量法法測(cè)定（中國(guó)土壤學(xué)會(huì)農(nóng)業(yè)專業(yè)委員會(huì)編，1983）。鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)用原子吸收分光光度計(jì)（型號(hào)：AA7000，島津）測(cè)定。

1.2.3 精油的提取與定量

茴香植株用水洗凈，吹干表面水跡，切成 0.5 cm左右的小段，準(zhǔn)確稱質(zhì)量150 g，置于1000 mL的圓底燒瓶中，加入600 mL水，用揮發(fā)油測(cè)定器進(jìn)行共水蒸餾，微沸蒸餾3 h。蒸餾時(shí)用2 mL正己烷（色譜純）萃取。蒸餾結(jié)束后，回收正己烷，用無水硫酸鈉干燥，過濾。每處理蒸餾3次，取平均值。精油的正己烷溶液用棕色瓶封裝，于-20 ℃下保存。

1.2.4 精油成分分析

在吳玫涵等（2001）方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)：取茴香精油的正己烷溶液稀釋 100倍，進(jìn)行氣質(zhì)聯(lián)用儀（Gas Chromatograph / Mass Spectrometer ，GC/MS）分析（Trace GC-2000/DSQ， Thermo Finnigan， USA）。GC條件為： DB5石英毛細(xì)管柱（30 m × 0.25 mm ×0.25 μm）；載氣為高純氦（99.999%）；柱流量為1 mL·min-1，不分流；柱前壓100 kPa；進(jìn)樣口溫度為220 ℃；進(jìn)樣量為1 μL；程序升溫為柱溫40 ℃，保持 1 min，從 10 ℃·min-1升高到 200 ℃·min-1，保持3 min。MS條件：電離方式為EI；電子能量為 70 eV；接口溫度為 210 ℃；離子源溫度為200 ℃；流量掃描范圍為 50～350m/z；溶劑延遲4.0 min；發(fā)射電流為100 μA。在參考前人工作（趙淑平等，1989；趙淑平等，1991；MIMICA-DUKIC等，2003）的基礎(chǔ)上，計(jì)算成分的保留系數(shù)，同時(shí)結(jié)合NIST（2002）標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)進(jìn)行精油成分鑒定。使用色譜峰面積歸一法確定精油成分的相對(duì)含量。每樣品重復(fù)3次。

所得數(shù)據(jù)采用SPSS軟件包進(jìn)行方差分析，用Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行平均數(shù)的顯著檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香植株形態(tài)指標(biāo)的影響

表1可以看出，隨鉛質(zhì)量濃度的增加，茴香株高呈降低趨勢(shì)，且均顯著低于對(duì)照；真葉數(shù)均低于對(duì)照，但僅5 mg·L-1鉛質(zhì)量濃度處理與對(duì)照差異顯著；最大葉長(zhǎng)僅5 mg·L-1鉛質(zhì)量濃度處理低于對(duì)照，但各處理之間及與各處理與對(duì)照之間差異均不顯著；最大葉寬均高于對(duì)照，但僅5 mg·L-1鉛質(zhì)量濃度處理與對(duì)照差異顯著。

表1 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香植株形態(tài)指標(biāo)的影響Table 1 Effect of different Pb concentrations on fennel’s shape index

2.2 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香植株生物量的影響

表2可以看出，隨鉛質(zhì)量濃度增加，茴香植株地上部鮮質(zhì)量和地上部干質(zhì)量呈降低趨勢(shì)，且均顯著低于對(duì)照；地下部鮮質(zhì)量和地下部干質(zhì)量均低于對(duì)照，但各處理之間及各處理與對(duì)照之間差異均不顯著；根冠比隨鉛質(zhì)量濃度增加呈升高趨勢(shì)，且均高于對(duì)照，但僅鉛質(zhì)量濃度為10 mg·L-1時(shí)顯著高于對(duì)照，其他處理與對(duì)照差異均不顯著。說明鉛處理茴香植株后，不利于茴香植株生物量的積累，但能提高茴香植株的根冠比。

2.3 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香葉綠素、類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

表3可以看出，隨鉛質(zhì)量濃度增加，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈降低趨勢(shì)，且均低于對(duì)照。1 mg·L-1鉛處理與 5 mg·L-1鉛處理之間的葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不顯著，而兩個(gè)處理的葉綠素a質(zhì)量分?jǐn)?shù)和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于 10 mg·L-1鉛處理，并顯著低于對(duì)照；1 mg·L-1鉛處理與對(duì)照及與5 mg·L-1鉛處理之間的葉綠素b質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異均不顯著，但與10 mg·L-1鉛處理則有顯著差異，且10 mg·L-1鉛處理顯著低于對(duì)照；各處理之間的總?cè)~綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有顯著差異；對(duì)葉綠素a/葉綠素 b而言，5 mg·L-1鉛處理最高，但與 10 mg·L-1鉛處理及對(duì)照之間差異不顯著，顯著高于1 mg·L-1鉛處理。

2.4 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香植株碳和氮的影響

表4可以看出，隨鉛處質(zhì)量濃度增加，茴香植株中的可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)大致呈下降趨勢(shì)，且1 mg·L-1鉛處理和 5 mg·L-1鉛處理均顯著高于對(duì)照，而10 mg·L-1鉛處理與對(duì)照差異不顯著；隨鉛質(zhì)量濃度增加，可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈下降趨勢(shì)，除了1 mg·L-1鉛處理顯著高于對(duì)照外，其余鉛處理均顯著低于對(duì)照，且5 mg·L-1鉛處理與10 mg·L-1鉛處理之間有顯著差異；對(duì)于全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)來說，各處理之間及與對(duì)照之間差異均不顯著；鉛處理后，各處理的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高于對(duì)照，但1 mg·L-1鉛處理與對(duì)照之間差異不顯著，其余處理與對(duì)照差異顯著；但各處理之間差異均不顯著?？扇苄缘鞍踪|(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)與全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)基本一致。

表2 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香植株生物量的影響Table 2 Effect of different Pb concentrations on biomass of fennel plant

表3 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香葉綠素、類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 3 Effect of different Pb concentrations on contents of Chl and CAR in fennel leaves mg·g-1

表4 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香植株碳和氮的影響Table 4 Effect of different Pb concentrations on contents of carbon and nitrogen in fennel plant

表5 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香植株體內(nèi)鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響Table 5 Effect of Pb concentrations on Pb content in fennel plant

2.5 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香植株鉛吸收累積的影響

隨鉛質(zhì)量濃度的增加，茴香植株體內(nèi)的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增加趨勢(shì)，但增加的幅度有降低趨勢(shì)。鉛處理后，各處理之間的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異均顯著。

2.6 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香精油成分組成比例的影響

表5可以看出，各處理茴香精油成分種類沒有差異，各處理均鑒定出18種成分，可鑒定成分的峰面積總和占總峰面積的98%以上，1%以上的主要成分為反式-茴香腦、檸檬烯、蒔蘿芹菜腦、愛草腦、水芹烯、γ-萜品烯，其中第一主要成分為反式-茴香腦，第二主要成分為檸檬烯。不同鉛質(zhì)量濃度處理后，茴香精油成分相對(duì)含量顯著高于對(duì)照的有月桂烯、檸檬烯、γ-萜品烯、萜品油烯、小茴香酮、愛草腦、蒔蘿芹菜腦，而成分相對(duì)含量顯著低于對(duì)照的有反式-茴香腦、金合歡烯；不同鉛質(zhì)量濃度處理下的反式-茴香腦的相對(duì)含量均顯著低于對(duì)照，且各處理之間差異均顯著，但以5 mg·L-1鉛處理最低，而檸檬烯的相對(duì)含量均顯著高于對(duì)照，但各處理之間差異不顯著，但以5 mg·L-1鉛處理最高。

按照分子結(jié)構(gòu)，茴香精油成分可分為3大類，即單萜類化合物、含氧化合物和倍半萜類化合物，其中單萜類化合物包括α-蒎烯、崁烯、月桂烯、水芹烯、檸檬烯、γ-萜品烯、萜品油烯和3, 4-二甲基-2, 4, 6-辛三烯；含氧化合物包括小茴香酮、愛草腦、葑醇乙酸酯、反式-葑酮乙酸酯、順式-茴香腦、反式-茴香腦、蒔蘿芹菜腦；倍半萜類化合物包括古巴烯、合金歡烯和吉瑪烯D。不同鉛質(zhì)量濃度處理后，茴香精油單萜類化合物含量均顯著高于對(duì)照，并以5 mg·L-1鉛處理最高，顯著高于其他鉛處理；含氧化合物含量均顯著低于對(duì)照，并以5 mg·L-1鉛處理最低，顯著低于其他鉛處理；單萜類化合物與含氧化合物的變化呈現(xiàn)相反趨勢(shì)；隨鉛質(zhì)量濃度的增加，倍半萜類化合物含量呈降低趨勢(shì)，且均低于對(duì)照，但僅5 mg·L-1和10 mg·L-1鉛濃度處理顯著低于對(duì)照，而1 mg·L-1鉛質(zhì)量濃度處理與對(duì)照差異不顯著。

表6 鉛質(zhì)量濃度對(duì)茴香精油成分組成比例的影響Table 6 Effect of different Pb concentrations on essential oil components and proportion in fennel essential oil %

3 討論

本文研究結(jié)果表明，不同鉛質(zhì)量濃度處理后，茴香植株的生長(zhǎng)及地上部和地下部生物量累積均受到抑制（表1、表2）。鉛能破壞葉綠素的合成，本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)，這可能與Pb2+取代了葉片中Fe2+、Zn2+、Mg2+等元素，抑制了葉綠素前體的合成，破壞了葉綠體微結(jié)構(gòu)有關(guān)（LIANG Peng和ARTHUR B PARDEE，1992）。鉛處理茴香植株后，茴香的最大葉長(zhǎng)和最大葉寬雖然有所增加，但由于茴香葉片中葉綠素含量減少，從而影響了光合作用，使合成的光合產(chǎn)物減少，從而引起了根系生長(zhǎng)量與對(duì)照相比有所下降。不同鉛濃度處理后，茴香植株的根冠比有所提高，這可能是在逆境條件下，茴香植株通過抑制高生長(zhǎng)，擴(kuò)大根冠比來適應(yīng)鉛脅迫的逆境，維持根系的正常生理活動(dòng)。

在低質(zhì)量濃度的鉛（1mg·L-1）脅迫下，促進(jìn)了茴香植株體內(nèi)可溶性糖的積累，表現(xiàn)出對(duì)鉛的積極響應(yīng)，但鉛質(zhì)量濃度增加后，可溶性糖含量有所下降，可能是植物受到鉛毒害后，植物表現(xiàn)為同化產(chǎn)物的合成速率小于轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸速率，碳水化合物的合成路徑相對(duì)受阻等（劉慧芹等，2012）。Cd能誘導(dǎo)可溶性蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，可能是植物抵抗Cd毒害的一種解毒機(jī)制（洪仁遠(yuǎn)等，1991）。吳桂容等也認(rèn)為，在質(zhì)量濃度0.5～50 mg·kg-1的Cd脅迫下，植物葉及根中的蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì)，但均高于對(duì)照，說明植物細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成代謝加強(qiáng)，Cd誘導(dǎo)合成更多蛋白質(zhì)，參與滲透調(diào)節(jié)，提高植物的抗逆性（吳桂容和嚴(yán)重玲，2006）。本實(shí)驗(yàn)也得出了類似結(jié)果，可能是由于Pb與Cd均為重金屬，對(duì)植物生理代謝的影響也相似。隨著Pb質(zhì)量濃度的增加，可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所下降，這可能是由于植物葉片中有70%的蛋白質(zhì)存在于葉綠體中（潘瑞熾，2004），而高質(zhì)量濃度鉛處理后，葉片內(nèi)積累過多的Pb破壞了葉綠體，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降。

茴香植株對(duì)鉛的吸收累積具有一定的潛力，在10 mg·L-1質(zhì)量濃度下達(dá)到了 465.01 mg·kg-1，可以應(yīng)用在鉛污染土壤植物修復(fù)方面。精油是一種植物次生代謝產(chǎn)物。植物初生代謝產(chǎn)物的合成和積累影響植物次生代謝。不同鉛質(zhì)量濃度處理后，茴香植株精油中檸檬烯的相對(duì)含量顯著高于對(duì)照，而反式-茴香腦的相對(duì)含量則顯著低于對(duì)照，從而使得不同鉛質(zhì)量濃度處理下的單萜類化合物顯著高于對(duì)照，而含氧化合物顯著低于對(duì)照。而求紅波等（2012）認(rèn)為在0.01 mol·L-1鉛溶液噴施迷迭香植株后能抑制迷迭香揮發(fā)物中萜烯類的釋放，這與本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果不同，這可能是由于鉛處理的質(zhì)量濃度不同造成的，本實(shí)驗(yàn)中鉛質(zhì)量濃度較高。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同鉛質(zhì)量濃度處理后，有利于茴香植株精油中單萜類化合物的累積，而不利于含氧化合物和倍半萜化合物的累積。

4 結(jié)論

（1）鉛處理能抑制茴香植株的生長(zhǎng)。鉛處理后，茴香植株株高顯著低于對(duì)照，且隨鉛質(zhì)量濃度的增加，株高呈顯著降低趨勢(shì)；真葉數(shù)均低于對(duì)照，但僅5 mg·L-1處理與對(duì)照差異顯著；各處理的最大葉長(zhǎng)與對(duì)照差異均不顯著；最大葉寬均高于對(duì)照，但僅5 mg·L-1處理與對(duì)照差異顯著。

（2）隨著鉛質(zhì)量濃度的增加，地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均呈逐漸降低趨勢(shì)，且鉛處理后的地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均顯著低于對(duì)照；地下部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量呈逐漸升高趨勢(shì)，但鉛處理后的地下部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量與對(duì)照差異均不顯著；根冠比呈逐漸增加趨勢(shì)，但僅 10 mg·L-1處理顯著高于對(duì)照。

（3）隨著鉛質(zhì)量濃度的增加，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均呈降低趨勢(shì)，且均低于對(duì)照，葉綠素a/葉綠素b以5 mg· L-1處理最高，但僅顯著高于1 mg· L-1處理。

（4）鉛處理后，全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)與可溶性蛋白質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)基本一致，均高于對(duì)照；隨鉛質(zhì)量濃度的增加，可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈降低趨勢(shì)，除1 mg·L-1處理顯著高于對(duì)照外，其余鉛處理均顯著低于對(duì)照；各處理的全碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與對(duì)照差異均不顯著。

（5）隨鉛質(zhì)量濃度的增加，茴香植株對(duì)鉛的吸收累積顯著增加。

（6）鉛處理能影響茴香精油組分，顯著降低反式-茴香腦和含氧化合物含量，而顯著提高檸檬烯和單萜類化合物含量；隨鉛質(zhì)量濃度的增加，倍半萜類化合物含量呈降低趨勢(shì)，且均低于對(duì)照。

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