EGTA 對Cd脅迫下蓖麻Cd積累和營養(yǎng)元素吸收的影響

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(jì)的快速增長，中國土壤Cd等重金屬污染也日趨嚴(yán)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(jī)物污染。Cd是生物毒性極強(qiáng)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)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(yán)重的負(fù)面作用，從而會影響修復(fù)植物的經(jīng)濟(jì)價值［5］。Cd能損傷植物細(xì)胞質(zhì)膜的透性，影響營養(yǎng)元素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，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(jìn)龍葵葉片吸收Ca、葉片和根系吸收K，也促進(jìn)根系吸收Mg，但抑制其向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)；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(yùn)不同營養(yǎng)元素有著不同的影響，但外源EGTA 強(qiáng)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(shí)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(yùn)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(shí)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗設(shè)計

盆栽試驗在常州大學(xué)溫室大棚內(nèi)進(jìn)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(jī)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(jìn)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(jìn)而計算出植株Cd積累量。

1．4 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗數(shù)據(jù)采用SPSS19統(tǒng)計軟件進(jìn)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(dá)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(dá)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(dá)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(yuǎn)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(qiáng)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(jìn)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(dá)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(dá)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(dá)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(jìn)其向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，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(dá)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(dá)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(qiáng)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(yùn)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(xì)胞對Fe的吸收，從而增強(qiáng)了植物對重金屬的耐性，進(jìn)而促進(jìn)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(jìn)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(jī)制之一。

再次，本實(shí)驗中EGTA 也促進(jìn)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(jìn)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(xì)胞壁膠層的組成成分，主要以果膠酸鈣形式存在，可增強(qiáng)細(xì)胞壁的強(qiáng)度，并能調(diào)節(jié)細(xì)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(xì)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)。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M(fèi)n含量也顯著增加（P＜0．05）。這可為外源EGTA 強(qiáng)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(jìn)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(jìn)一步的深入研究。

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