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    EGTA 對Cd脅迫下蓖麻Cd積累和營養(yǎng)元素吸收的影響

    2015-07-05 07:03:44王明新孫向武劉建國
    西北植物學(xué)報 2015年9期
    關(guān)鍵詞:植物

    李 君,葛 躍,王明新,孫向武,劉建國

    (常州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院,江蘇常州213164)

    隨著工業(yè)化、城市化和經(jīng)濟的快速增長,中國土壤Cd等重金屬污染也日趨嚴重[1-2]。據(jù)環(huán)保部調(diào)查,目前受污染的耕地約有0.1億hm2,耕地質(zhì)量堪憂,主要是重金屬和有機物污染。Cd是生物毒性極強的一種重金屬,土壤中過量的Cd被植物吸收后積累在體內(nèi),會對植物產(chǎn)生一系列毒害作用,還會通過食物鏈傳遞進入人體,直接威脅人類健康。因此,在減少或禁止污染排放的同時,Cd污染土壤的生物、非生物修復(fù)已經(jīng)成為生態(tài)學(xué)研究熱點問題。

    蓖麻作為世界十大油料作物之一,其生物量大,適應(yīng)性廣,是理想的油料作物和環(huán)保植物。蓖麻雖然生物量大,但也存在地上部重金屬積累量較低的問題,這限制了其對土壤重金屬的修復(fù)能力。因此,提高地上部重金屬含量是提高蓖麻對重金屬積累量的關(guān)鍵問題。有研究表明,向土壤中施加螯合劑(如EDTA、EGTA、DTPA、檸檬酸等)能夠活化土壤中的重金屬,提高重金屬的生物有效性,促進植物吸收[3]。其 中,螯 合 劑EGTA 對Cd 選 擇 性 高、Cd-EGTA 絡(luò)合物穩(wěn)定,可優(yōu)先用于活化土壤中的Cd[4]。但過量施用往往對植物生長造成嚴重的負面作用,從而會影響修復(fù)植物的經(jīng)濟價值[5]。Cd能損傷植物細胞質(zhì)膜的透性,影響營養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)運,導(dǎo)致植株中元素含量的改變。有研究表明,隨著Cd濃度的增加,花生籽粒中P元素不斷下降,而K、Mg、Ca、Fe、Zn 元素呈現(xiàn)先升后降的趨勢[6]。Cd促進龍葵葉片吸收Ca、葉片和根系吸收K,也促進根系吸收Mg,但抑制其向地上部轉(zhuǎn)運;龍葵根、莖、葉Zn含量隨Cd處理濃度的提高均表現(xiàn)為低促高抑;隨Cd濃度提高,其根系Cu吸收增加,葉片Cu吸收先增后降;各器官Fe含量隨Cd濃度提高逐漸降低,而根系Mn含量受Cd抑制[7]??梢?,Cd脅迫對植株吸收和轉(zhuǎn)運不同營養(yǎng)元素有著不同的影響,但外源EGTA 強化Cd萃取修復(fù)條件下植株對礦質(zhì)元素的吸收還鮮有報道。

    因此,本研究選擇‘淄蓖麻5號’品種為供試材料,通過盆栽實驗分析了Cd脅迫下EGTA 對蓖麻生長情況、Cd吸收積累以及植株各部分器官中K、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn 等營養(yǎng)元素含量的影響,旨在揭示外源EGTA 對Cd脅迫條件下蓖麻生長、Cd積累與轉(zhuǎn)運以及礦質(zhì)營養(yǎng)元素吸收的效應(yīng),為通過外源螯合劑調(diào)控Cd污染土壤上植物修復(fù)效應(yīng)提供科學(xué)依據(jù)。

    1 材料和方法

    1.1 實驗材料

    供試土壤采自江蘇省常州科教城周邊菜地,將采集的表層0~20cm 土壤樣品經(jīng)風(fēng)干后過2 mm篩,混勻后備用。土樣速效氮、速效磷和速效鉀含量分別為35.51、54.73和121.32mg·kg-1,土壤有機質(zhì)含量為26.37g·kg-1,pH 為6.8,土壤全Cd含量為0.37 mg·kg-1。重金屬Cd 以分析純CdCl2·2.5H2O 溶液形式噴施入土壤,充分混勻,將經(jīng)過Cd處理的過篩風(fēng)干土裝入塑料盆內(nèi)(直徑20cm,高15cm),每盆裝人工污染土2.5kg,靜置平衡4個月,模擬Cd重度污染土壤(Cd含量為100 mg·kg-1)。

    供試蓖麻品種為“淄蓖麻5號”,種子由山東淄博農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。選擇飽滿種子經(jīng)日曬后直接播種于潮濕的石英砂中,置于全封閉光照培養(yǎng)箱中進行育苗,光周期為12h∶12h(光∶暗),晝/夜溫度為25 ℃/18 ℃,培養(yǎng)1周后挑選大小一致、長勢良好的蓖麻幼苗移栽入盆,每盆“品”字型栽植3株,10d后進行間苗,每盆留下1株長勢最好的蓖麻定株。培養(yǎng)期間土壤濕度保持在60%田間持水量。

    1.2 實驗設(shè)計

    盆栽試驗在常州大學(xué)溫室大棚內(nèi)進行。移栽前1d每盆施入氮素(尿素)200mg·kg-1、磷素(磷酸二氫鈣)40mg·kg-1、鉀素(氯化鉀)160mg·kg-1作為基肥,充分混勻。根據(jù)天氣情況和土壤持水量情況,移栽后澆適量去離子水,每2d澆1次水,使土壤濕度保持在60%田間持水量左右;塑料花盆編號并隨機排列,置于溫室大棚內(nèi)(上覆陽光板)。試驗土壤Cd 含量為100 mg·kg-1,試驗共設(shè)對照(CK)、E0、E1、E2、E35個處理,每個處理6次重復(fù)。其中,CK 為不施入任何外源添加劑,土壤Cd含量為0.37mg·kg-1;E0~E3的土壤Cd含量為100 mg·kg-1,再分別加入0、0.5、1.0 和2 mmol·kg-1外源EGTA。以移栽日為盆栽第0 天開始計時,盆栽第30天時以溶液滴灌形式加入不同濃度的EGTA 處理試劑,處理20d后即盆栽第50天時收獲植株。

    1.3 樣品處理與分析

    用自來水將植株沖洗干凈后用20mmol·L-1Na2-EDTA 浸 泡20 min,去 除 根 系 表 面 吸 附 的Cd[8],再用自來水沖洗3~4次,最后用去離子水潤洗,吸干表面水分,分成根、莖、葉3部分,用電子天平稱取植株各部分鮮重后,于105 ℃下殺青0.5h,75 ℃烘干至恒重,用電子天平稱取各部分干質(zhì)量。測定Cd含量時,取450mg植株葉片的粉碎烘干樣品(植株莖部和根系各取150mg和100mg粉碎烘干樣品,其余同葉片操作)加入65%HNO38mL 和30%H2O21mL,采用微波消解儀(上海新儀MDS-8G)進行消解,消解液中的Fe、Mn、Cu、Zn、K、Ca、Mg及Cd含量采用火焰原子吸收分光光度計(德國耶拿novAA300)測定并換算成植物各組織干重單位重量的Cd含量。進而計算出植株Cd積累量。

    1.4 數(shù)據(jù)分析

    實驗數(shù)據(jù)采用SPSS19統(tǒng)計軟件進行方差分析和LSD 差異顯著性檢驗,采用Microsoft Excel 2010制表。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 外源EGTA對鎘脅迫條件下蓖麻生長的影響

    由表1可以看出,Cd脅迫條件下蓖麻根、莖、葉生物量(干重和鮮重)與CK 相比均顯著降低。與E0相比,加入不同濃度的EGTA 后,蓖麻植株葉片和莖部鮮重及葉片和單株干重沒有顯著變化;根系鮮重和莖干重僅在EGTA 投加量達到2 mmol·kg-1時比E0處理分別顯著降低37.75%和31.82%(P<0.05),其余添加量處理也無顯著變化;單株鮮重和根系干重在加入不同量EGTA 后均較E0處理顯著下降(P<0.05),但不同濃度EGTA 處理間差異不顯著。以上結(jié)果說明Cd脅迫抑制了蓖麻植株的生長,外源添加適宜濃度的EGTA 對Cd脅迫下蓖麻植株生長受到的抑制有顯著的緩解作用。

    2.2 外源EGTA 對Cd脅迫條件下蓖麻植株Cd含量及積累量的影響

    由表2可見,在E0處理中,蓖麻根系和莖部Cd含量、Cd積累量及植株總Cd積累量均比CK 顯著上升,而葉片Cd含量及Cd積累量雖呈上升趨勢,但與CK 的差異未達到顯著水平,表明蓖麻對Cd的積累主要集中在根系,地上部對Cd的富集能力較弱。在Cd脅迫條件下,EGTA 的加入明顯增加了植株各器官對Cd的富集,并有隨EGTA 添加量增加而上升的趨勢(表2)。其中,蓖麻莖部Cd含量在E1、E2、E3處理下分別是E0的1.51、2.16 和2.62倍,葉 片Cd 含 量 分 別 是E0的20.26、33.22 和41.34倍;根系Cd含量在E3處理條件下達到最大值(463.88 mg·kg),分 別 是E0、E1和E2的1.57、1.69和1.33倍;在Cd脅迫條件下,蓖麻各組織中Cd含量分布特征表現(xiàn)為根>莖>葉。同時,隨著投加EGTA 濃度的增加,E1、E2和E3處理蓖麻葉片中Cd積累量也逐漸顯著大幅度增加(P<0.05),分別是E0處理的15.0、25.3和46.6倍,分別占相應(yīng)植株總積累量的36.89%、48.25%和58.63%;莖中Cd積累量在E1處理下比E0處理稍低,其在E2和E3處理下雖比E0處理顯著提高,但其增幅遠低于葉片;而根系Cd 積累量在加入EGTA 后與E0相比則顯著降低(P<0.05),但其占植株總積累量比例仍明顯高于莖部??梢?,外源EGTA 處理改變了Cd在蓖麻根、莖、葉中的積累分布情況,提高了Cd從根系向地上部,尤其是向葉片的轉(zhuǎn)移能力,從而強化了蓖麻對Cd污染土壤的修復(fù)效率。

    2.3 外源EGTA 對Cd脅迫條件下蓖麻各器官營養(yǎng)元素含量的影響

    Cd脅迫下,外源EGTA 對蓖麻植株營養(yǎng)元素的吸收有著顯著影響(表3)。與CK 相比,Cd脅迫顯著降低了根系Fe、Mn、Cu、Zn、Mg 含量(P<0.05),同時也明顯抑制了植株對K 的吸收,但促進了蓖麻根系對Ca 的吸收。E3處理下,根系Fe、Mn、Cu含量分別是E0的1.33、4.23 和6.86 倍(P<0.05);EGTA 處理使根系Zn含量呈先升后降的趨勢,根系K 吸收無明顯變化,植株Ca吸收表現(xiàn)為低促高抑;根系Mg 含量在E3處顯著增加,較E0、E1和E2分 別 增 加 了28.66%、62.50% 和36.37%(P<0.05)。

    同時,與CK 相比,Cd脅迫對蓖麻莖部Fe、Mn含量無顯著影響,而使莖部Cu、Zn含量均顯著降低(P<0.05);Cd 脅迫抑制莖部對Ca的吸收,莖部Mg含量顯著增加(P<0.05)。添加EGTA 對蓖麻莖部Fe吸收無顯著影響;而莖部Mn和Cu含量均在E3處理下達到最大,E3處理莖部Mn含量是E0的4.22倍,而E0和E1處理莖部Cu含量未檢測出;莖部Zn含量呈先升后降的趨勢;EGTA 使蓖麻地上部K含量呈上升趨勢,E3處理莖部K 含量較E0增加了38%;莖部Mg含量在E2處達到峰值,之后又下降,E3莖部Mg吸收已經(jīng)下降到與E0相近水平。

    表2 不同處理下蓖麻各組織Cd含量及Cd積累量的變化Table 2 The cadmium content and cadmium accumulation in the tissues of R.communis under different treatments

    表3 不同處理下蓖麻各組織營養(yǎng)元素含量的變化Table 3 The concentrations of nutrient elements in the tissues of R.communis under different treatments

    另外,與CK 相比,Cd 脅迫增加了蓖麻葉片F(xiàn)e、Mn吸收量,但均未達到顯著差異水平;但使葉片Cu、Zn含量均顯著降低(P<0.05);Cd脅迫增加了蓖麻葉片Ca和Mg含量。E3處理蓖麻葉片F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn含量分別是E0的2.04、1.91、2.58 和2.25倍,其K 含量較E0顯著增加了89.58%,但葉片Mg含量較E0顯著下降了17.90%(P<0.05)。

    總之,Cd脅迫明顯抑制了蓖麻植株對Cu和Zn的吸收,使根系Fe、Mn含量顯著降低,而其地上部Fe、Mn含量無顯著變化,說明Cd脅迫不影響Fe和Mn向地上部的轉(zhuǎn)移;同時,Cd脅迫明顯抑制了植株對K 的吸收,也抑制了根系對Mg的吸收,促進其向地上部轉(zhuǎn)運,增加了蓖麻根系和葉片Ca含量。Cd脅迫條件下,EGTA 使根系Fe、Mn、Cu、Mg含量均在E3處理下達到最大,同時使根系Zn含量先升后降,而根系K 吸收無明顯變化;植株Ca吸收表現(xiàn)為低促高抑;葉片F(xiàn)e、Mn、Cu、Zn、K 含量均在E3處達到最大,其Mg含量在E3處明顯下降。由此可見,在Cd污染的土壤介質(zhì)中添加EGTA 對蓖麻礦質(zhì)元素含量的影響隨著不同元素、不同植株部位及EGTA 在介質(zhì)中的濃度不同而有所差異。

    3 討 論

    螯合劑通常會顯著增加植株對重金屬的吸收,因此廣泛用于重金屬污染土壤植物修復(fù)的外源調(diào)控[9]。本研究表明,投加不同濃度的EGTA 均提高了蓖麻植株的Cd 積累總量,且對于不同濃度的EGTA 處理,蓖麻葉片Cd積累量顯著高于不添加處理(E0),其中的高EGTA 處理(E3)使蓖麻葉片Cd積累量比E0增加了41.34倍,這與雒煥章等[5]對EGTA 強化楊樹富集土壤Cd的研究結(jié)果一致。這可能是由于EGTA 對于Cd的高活化能力增大了蓖麻根部EGAT-Cd絡(luò)合物的濃度,致使Cd通過植物蒸騰作用向地上部的遷移量也隨之增多。

    Cd影響植物對礦質(zhì)元素的吸收和運輸,導(dǎo)致營養(yǎng)元素不足或營養(yǎng)元素間失去平衡,擾亂了植物正常的生理代謝,從而影響植物生長[7]。首先,F(xiàn)e是一種需量較多的植物必需微量營養(yǎng)元素,在植物的許多生理生化過程中都起作用。本研究中,蓖麻葉片和根系Fe含量在高EGTA(E3)條件下顯著增加,莖部Fe含量基本不受影響。劉建國等的研究結(jié)果也表明,水稻根系和葉片F(xiàn)e含量在Cd脅迫下均與Cd含量存在正相關(guān)關(guān)系[10]。根系Fe含量的增加很可能是因為根表面有鐵氧化物膠膜的形成,鐵膠膜可以作為Fe的儲存庫,增加細胞對Fe的吸收,從而增強了植物對重金屬的耐性,進而促進Fe以及其它化學(xué)結(jié)構(gòu)類似的重金屬吸收的增加,這也是其它微量營養(yǎng)元素根系含量增加的原因之一[11]。

    其次,隨著EGTA 濃度的提高,本研究中蓖麻植株Mn吸收量顯著增加,同時Mg含量則表現(xiàn)為根系中先降后升,葉片中先升后降,這可能是由于EGTA 處理同時提高了土壤中有效態(tài)Cd和Mg的含量,有助于促進植株根系對它們的吸收,但也可能是植株根系對兩者的吸收存在競爭關(guān)系,使得EGTA 低濃度時以抑制為主,高濃度時又逐漸恢復(fù)了對Mg的吸收。有研究表明,Mg含量增加能夠防止Cd阻礙葉綠體合成葉綠素,并且能夠減緩Cd毒害作用[12]。因此,Mg吸收量的增加可能是蓖麻防御Cd毒害的重要生理機制之一。

    再次,本實驗中EGTA 也促進了蓖麻地上部對K 的吸收,對根部K 的吸收無顯著影響,表明EGTA 處理顯著提高了土壤中Cd的有效性,顯著提高蓖麻對Cd的吸收,進而產(chǎn)生逆境脅迫。蓖麻遇到逆境脅迫后,通過增加體內(nèi)的K 含量來抵御逆境[13]。Ca是植物細胞壁膠層的組成成分,主要以果膠酸鈣形式存在,可增強細胞壁的強度,并能調(diào)節(jié)細胞的充水度、粘性、彈性及滲透性等使其維持在正常的生理狀態(tài)。此外,Ca也參與植物蛋白質(zhì)的合成、酶的代謝等過程,對植物生長發(fā)育具有重要的意義。蓖麻植株Ca含量在高EGTA 處理條件下顯著降低,這可能是因為高濃度EGTA 處理使Cd脅迫程度加劇,引起蓖麻植株的膜脂過氧化,從而導(dǎo)致細胞質(zhì)膜的透性增加,導(dǎo)致小分子物質(zhì)外流[14]。

    另外,微量元素Cu和Zn營養(yǎng)與植物蒸騰作用有關(guān),同時Cu、Zn濃度也會影響植物的枯萎過程。Zn還參與植物生長素的形成,促進光合作用和蛋白質(zhì)合成,因此它是植物生長發(fā)育過程中必需的微量元素之一[15]。Cu是植物所必須的微量元素,是多種酶的組成成分,參與碳素同化、氮素代謝以及多條生理代謝途徑,對植物的生長發(fā)育具有重要影響[16]。本研究中,蓖麻葉片Zn含量隨EGTA 濃度的增加呈現(xiàn)上升趨勢,而莖部和根系Zn 含量隨EGTA 濃度的提高呈現(xiàn)先升后降的趨勢。說明EGTA 處理有助于提高植株根系對Zn的吸收,但高濃度處理可能由于傷害了植株的正常生長而又降低了根系對Zn的吸收能力;EGTA 處理也顯著提高了Zn從根系到葉片的遷移能力,因而提高了地上部對Zn的積累量。同時,隨著EGTA 濃度的提高,也促進了蓖麻植株對Cu的吸收。

    綜上所述,EGTA 可以提高蓖麻植株體內(nèi)重金屬的含量,對植株不同營養(yǎng)元素的吸收則有著不同的影響。外源EGTA 能促進蓖麻地上部對K 的吸收,對根部K 的吸收無顯著影響(P>0.05),同時抑制Mg向植株地上部轉(zhuǎn)運。隨外源EGTA 濃度的提高,蓖麻植株對Ca吸收表現(xiàn)為低促高抑,其葉片Zn含量和植株Cu含量增加,其葉片和根系Fe含量及植株各器官Mn含量也顯著增加(P<0.05)。這可為外源EGTA 強化蓖麻修復(fù)Cd污染土壤的營養(yǎng)調(diào)控提供參考。EGTA 對Cd脅迫下植物營養(yǎng)元素吸收呈抑制或促進作用可能受植物的種類、品種、EGTA 投加濃度及元素種類有關(guān)[17],也可能與非必需重金屬離子與不同微量營養(yǎng)元素之間的相互作用關(guān)系有關(guān),這些都有待于進一步的深入研究。

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