鎘脅迫對苗期曼陀羅生長及鎘富集的影響

楊海濤　張彪　楊素勤　位高生　師振亞

摘要：采用砂培試驗，研究了10 d的鎘脅迫對苗期曼陀羅生長、葉綠素SPAD值、鎘轉(zhuǎn)運富集的特征。結(jié)果表明，05 mg/L鎘處理下，株高、葉綠素SPAD值相比對照增加了7.47%、7.55%，生長沒有受到抑制。隨著介質(zhì)中的鎘濃度的提高，曼陀羅根和莖的鎘含量隨之增加，最高可達874.05、556.90 mg/kg，但葉片鎘含量在鎘處理 ≥ 2.5 mg/L后增加不明顯。在鎘脅迫下，曼陀羅根、莖、葉對鎘的富集系數(shù)均大于1，表現(xiàn)出較強的富集能力。在相同鎘水平下，曼陀羅鎘含量從高到低依次為：根>莖>葉，轉(zhuǎn)運系數(shù)（莖/根；葉/根）均小于1。表明曼陀羅對鎘有較強的耐性，根部對鎘有較強的滯留能力，進而限制過多的鎘向葉片轉(zhuǎn)運，減少鎘對葉片的毒害，可能是曼陀羅耐受鎘脅迫的生理機制之一。

關(guān)鍵詞：曼陀羅；鎘；富集系數(shù)；生長；葉綠素；土壤修復(fù)

中圖分類號： Q945.78；S567.21+9.01 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0309-03

目前，在對鎘污染土壤的各種修復(fù)方法中，植物修復(fù)被認為是一種安全、成本低且易被接受的方法，已被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用[1-3]。植物修復(fù)的關(guān)鍵是選取合適的修復(fù)物種，至2011年，已發(fā)現(xiàn)的鎘超富集植物僅5種[4]。相對于數(shù)量少、生物量小的鎘超富集植物，那些具有耐鎘性強、生物量大或富集轉(zhuǎn)運能力強、經(jīng)濟效益高等特點的植物，在修復(fù)鎘污染土壤過程中具有相對優(yōu)勢，日益被人們重視[5-8]。

曼陀羅（Datura stramonium L.）別名洋金花、山茄子、狗核桃等，為茄科曼陀羅屬一年生直立植物，高0.5～1.5 m，在中國各地均有分布[9]。同時，曼陀羅是一種草本藥用植物，其種子含油量約為28%，也是潛在能源植物[10-11]。研究表明，曼陀羅對鎘具有較強的富集能力[12]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，豫北某鉛鋅冶煉廠周圍野生曼陀羅的鎘含量高于同等生境條件下其他植物，且不產(chǎn)生毒害。由于曼陀羅適應(yīng)性強，生物量大，具有一定經(jīng)濟效益，可作為一種鎘污染土壤的修復(fù)植物。目前，曼陀羅的研究主要集中在醫(yī)學(xué)和園藝方面，而有關(guān)其對鎘富集轉(zhuǎn)運特性的研究較少，因此，本試驗研究曼陀羅在不同濃度鎘脅迫下生長適應(yīng)能力及其對鎘的富集轉(zhuǎn)運特性，為曼陀羅修復(fù)鎘污染土壤提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗所用種子采自豫北某鉛鋅冶煉廠周邊的野生曼陀羅。選擇大小均勻、飽滿的曼陀羅種子，經(jīng)消毒、沖洗、浸泡后播于蛭石基質(zhì)的穴盤中。出苗后，先以1/2濃度的Hoagland營養(yǎng)液澆灌2 d，再用全營養(yǎng)液澆灌，待長出7～8張真葉后，選擇長勢一致的幼苗，移入裝有石英砂的方口花盆中長 12 cm、寬12 cm、高12 cm，盆底有孔），以3CdSO4·8H2O作為鎘源進行脅迫處理，鎘濃度分別為：0（對照）、0.5、2.5、5、10、15 mg/L，共6個處理，每個處理設(shè)置4次重復(fù)，每天早晚澆灌鎘脅迫營養(yǎng)液，為防止鹽分累積，每隔2 d用去離子水沖洗介質(zhì)，再用相應(yīng)鎘脅迫營養(yǎng)液進行澆灌。

試驗在培養(yǎng)室中進行，溫度為28 ℃/20 ℃、光/暗周期為14 h/10 h ，光照強度為300～420 μmol/（m2·s），相對濕度為50%～60%。脅迫時間為10 d。

1.2 樣品測定

試驗期間對曼陀羅進行形態(tài)觀察，采樣時分別測定株高、莖基寬、葉長、葉寬、完全展開葉葉綠素SPAD值（SPAD-502葉綠素儀）。收獲后，先用水沖洗，再用去離子水沖洗4次，吸干植株表面水分，分離曼陀羅的根、莖、葉，分別稱其鮮質(zhì)量，再將根部浸泡于20 mmol/L的EDTA-2Na溶液中15 min，去掉根系表面的鎘[13]，并用水和去離子水分別沖洗4次，于105 ℃ 的烘箱內(nèi)殺青30 min，70 ℃下烘干至恒重，分別測定各器官干質(zhì)量。

鎘的測定：采用HNO3-HClO4消化法（體積比3 ∶ 1）制備待測液，用原子吸收光譜法測定鎘含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

生長指數(shù)：葉重比=葉片干質(zhì)量/植株總干質(zhì)量；莖重比=莖干質(zhì)量/植株總干質(zhì)量；根重比=根系干質(zhì)量/植株總干質(zhì)量；根冠比=地下部干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量[14]。

富集系數(shù)（BCF）=莖（葉、根）鎘含量/脅迫液鎘含量；轉(zhuǎn)運系數(shù)（TF）=莖（葉）鎘含量/根部鎘含量。

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 19.0 進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘對曼陀羅生長狀況的影響

2.1.1 干質(zhì)量和含水率 從表1可以看出，當鎘濃度為 0.5 mg/L 時曼陀羅各器官的含水率和干質(zhì)量與對照相比無顯著變化。當鎘處理濃度由 0.5 mg/L繼續(xù)增加后，曼陀羅各器官的干質(zhì)量和含水率均呈減小趨勢。需要指出的是，鎘對曼陀羅各器官干質(zhì)量的脅迫程度敏感于其含水率，當鎘濃度為15 mg/L時，曼陀羅根和葉的干質(zhì)量顯著低于10 mg/L 鎘處理。

2.1.2 生長指數(shù) 不同濃度鎘處理對苗期曼陀羅生長指數(shù)的影響見表2，不同濃度鎘處理對根重比和根冠比影響不大。當鎘處理≥10 mg/L時，與對照比較，曼陀羅葉重比顯著下降，莖重比顯著上升。

2.1.3 農(nóng)藝性狀 鎘脅迫10 d后，曼陀羅株高、莖基寬、葉長、葉寬變化見表3。與對照比較，當鎘濃度為0.5 mg/L處理時，莖基寬、葉長和葉寬顯著變化，株高顯著高于對照。當鎘處理 ≥ 2.5 mg/L時，其株高、莖基寬、葉長、葉寬相比對照均呈降低趨勢，且隨著鎘脅迫水平的升高趨于穩(wěn)定。

2.2 鎘對曼陀羅葉綠素SPAD值的影響

葉綠素SPAD值與葉片中葉綠素含量具有良好的相關(guān)性，可以方便快速確定植物葉綠素含量，用于衡量作物光合作用對環(huán)境的反應(yīng)，了解植物的生長狀況[15]。從圖1可以看出，當鎘濃度為0.5 mg/L處理時曼陀羅葉片SPAD值顯著高出對照7.55%。當鎘濃度≥ 2.5 mg/L處理時，各處理SPAD值均顯著低于對照，鎘濃度15 mg/L處理時SPAD低于對照1583%，隨著鎘脅迫水平的增加，曼陀羅葉片SPAD值趨于穩(wěn)定。表明0.5 mg/L 鎘濃度能提高曼陀羅葉綠素含量，提高光合效率，有利于曼陀羅干質(zhì)量、株高的增加。當鎘濃度處理≥2.5 mg/L 時，其葉綠素含量降低，光合效率受到抑制。endprint

2.3 曼陀羅各器官鎘含量和富集轉(zhuǎn)運系數(shù)

2.3.1 不同器官鎘含量 由圖2可以看出，曼陀羅根、莖、葉中鎘含量范圍分別為111.09～874.05、83.23～556.90、33.50～82.12 mg/kg。隨著鎘脅迫水平的增加，曼陀羅根、莖中鎘含量呈增加趨勢，當鎘處理≥2.5 mg/L時，葉片中鎘含量無明顯增加。相同鎘脅迫水平下，曼陀羅各器官鎘含量從高到低依次表現(xiàn)為根>莖>葉。

2.3.2 富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運系數(shù) 轉(zhuǎn)運系數(shù)反映了植物對體內(nèi)重金屬的轉(zhuǎn)運能力，轉(zhuǎn)運系數(shù)越低，重金屬從植物根部向地上部轉(zhuǎn)運能力越弱，根滯留重金屬能力越強[16]。從表4可以看出，不同濃度鎘處理下，曼陀羅根、莖、葉的富集系數(shù)均大于1，表明曼陀羅對鎘有較強的富集能力，隨著鎘脅迫水平的增加，曼陀羅各器官富集系數(shù)總體上呈減小趨勢。不同鎘濃度處理下，地上部的轉(zhuǎn)運系數(shù)均小于1，以苗期曼陀羅從根向葉片轉(zhuǎn)運鎘的能力較弱，當鎘處理濃度由 0.5 mg/L 繼續(xù)增加后，葉轉(zhuǎn)運系數(shù)趨于穩(wěn)定。

3 討論與結(jié)論

鎘是毒性最強、易被植物吸收的非必需元素，當鎘進入植物體內(nèi)并積累到一定程度，可以破壞葉綠體的發(fā)育和結(jié)構(gòu)、降解葉綠素、抑制光合速率、細胞分裂等[17-19]，對植物產(chǎn)生毒害作用。本試驗結(jié)果，在0.5 mg/L 鎘脅迫下，曼陀羅無明顯的毒害癥狀，各器官干質(zhì)量和含水率無明顯減少，而莖干質(zhì)量、株高、葉綠素SPAD值有所增加，表明0.5 mg/L 鎘對曼陀羅幼苗生長表現(xiàn)出一定的刺激作用。這一現(xiàn)象在其他植物研究中也有所體現(xiàn)，任艷芳等研究表明，水培條件下 1 μmol/L 鎘對萵苣幼苗株高、根長等產(chǎn)生一定的促進作用，10～100 μmol/L 鎘對萵苣幼苗生長具有明顯抑制作用，且隨著濃度的增加抑制程度加重[20]。本研究中的鎘處理濃 度≥2.5 mg/L 時，隨著鎘濃度的增加，曼陀羅受到鎘的毒害癥狀依次加重，干質(zhì)量、葉綠素SPAD值下降，生長明顯受到抑制。這可能是高濃度鎘脅迫下，曼陀羅體內(nèi)的鎘含量劇增，對體內(nèi)的生理生化反應(yīng)產(chǎn)生毒害作用，導(dǎo)致葉片中葉綠素的生物合成受阻，同時植物為了躲避鎘的毒害，需要消耗有效能量來保持細胞的正常功能，從而導(dǎo)致生長速率減慢、植株矮小、葉綠素含量降低等癥狀[21]。本研究葉片鎘含量遠低于根和莖，這可能與脅迫時間短有關(guān)，隨著脅迫時間的增加，葉片鎘含量是否有所增加，還需要進一步驗證。

葉片是植物進行光合作用的重要器官，外界鎘通過根部吸收、莖稈裝載運輸?shù)竭_葉片，產(chǎn)生毒害作用，直接影響植物生長。本研究中曼陀羅莖鎘含量最高可達556.90 mg/kg，對鎘有較強的富集能力，經(jīng)田間驗證后可作為修復(fù)土壤鎘污染的潛在植物。在相同鎘水平下，曼陀羅各器官鎘含量從高到低依次表現(xiàn)為根>莖>葉，且富集系數(shù)均大于1，轉(zhuǎn)運系數(shù)也均小于1。方繼宇等盆栽試驗表明，隨著盆栽土壤鎘濃度的增加，馬纓丹各器官中鎘的含量逐漸增加，表現(xiàn)為根>莖>葉，且其轉(zhuǎn)運系數(shù)小于1，馬纓丹的根部對鎘有較強滯留能力，限制過多的鎘向地上部器官的轉(zhuǎn)運，減少鎘對地上部的毒害[22]。隨著供鎘水平的增加，曼陀羅根莖中鎘含量逐漸增加，而曼陀羅葉片鎘含量與根莖不同，在 2.5 mg/L鎘處理時最高，隨著鎘脅迫水平的增加不再明顯增加，葉富集系數(shù)下降呈穩(wěn)定趨勢，葉轉(zhuǎn)運系數(shù)保持穩(wěn)定。表明在本試驗條件下曼陀羅通過根部滯留過多的鎘來限制鎘向地上部的運輸，從而減輕鎘對植物地上部器官的毒害，緩解鎘對植物生命活動的影響，這可能是曼陀羅耐受鎘脅迫的生理機制之一。

參考文獻：

[1]Arthur E L，Rice P J，Rice P J，et al. Phytoremediation-An overview[J]. Critical Reviews in Plant Sciences，2005，24（2）：109-122.

[2]Bovet L，Kammer P M，Meylan-Bettex M，et al. Cadmium accumulation capacities of Arabis alpina under environmental conditions[J]. Environmental and Experimental Botany，2006，57：80-88.

[3]Dickinson N M，Pulford I D. Cadmium phytoextraction using short-rotation coppice Salix：the evidence trail[J]. Environment International，2005，31（4）：609-613.

[4]Rascio N，Navari-Izzo F. Heavy metal hyperaccumulating plants：How and why do they do it？ And what makes them so interesting？[J]. Plant Science，2011，180（2）：169-181.

[5]聶發(fā)輝. 關(guān)于超富集植物的新理解[J]. 生態(tài)環(huán)境，2005，14（1）：136-138.

[6]熊愈輝. 鎘污染土壤植物修復(fù)研究進展[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（22）：6876-6878.

[7]史景允，于偉紅，梁秋生. 蓖麻對鎘污染土壤的修復(fù)潛力[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（11）：386-388.

[8]鮑 桐，廉梅花，孫麗娜，等. 重金屬污染土壤植物修復(fù)研究進展[J]. 生態(tài)環(huán)境，2008，17（2）：858-865.

[9]中國科學(xué)院中國植物志編輯委員會. 中國植物志：第67卷[M]. 北京：科學(xué)出版社，1978.

[10]鄧朝暉，羅 充，劉 彬，等. 曼陀羅藥用價值的開發(fā)和利用[J]. 現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進展，2011，11（7）：1394-1398.endprint

[11]邢維賀，阮成江，李 賀. 5種能源植物種子含油量與脂肪酸組成[J]. 可再生能源，2010，28（2）：62-66.

[12]董林林，趙先貴，韋良煥. 曼陀羅和蒼耳對污染土壤中鎘的吸收與富集[J]. 生物技術(shù)，2009，19（2）：29-32.

[13]He J Y，Zhu C，Ren Y F，et al. Uptake，subcellular distribution，and chemical forms of cadmium in wild-type and mutant rice[J]. Pedosphere，2008，18（3）：371-377.

[14]劉小文，齊成媚，歐陽燦斌，等. Pb、Cd及其復(fù)合污染對紫莖澤蘭生長及吸收富集特征的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2014，23（5）：876-883.

[15]于彩蓮，劉 波，徐 鑫. DA-6強化龍葵修復(fù)高鎘污染土壤的作用[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，44（16）：3485-3490.

[16]劉愛中，鄒冬生，劉 飛. 龍須草對鎘的耐受性和富集特征[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2011，22（2）：473-480.

[17]孫賽初，王煥校，李啟任. 水生維管束植物受鎘污染后的生理變化及受害機制初探[J]. 植物生理學(xué)報，1985，11（2）：113-121.

[18]徐勤松，施國新，周耀明，等. 鎘在黑藻葉細胞中的亞顯微定位分布及毒害效應(yīng)分析[J]. 試驗生物學(xué)報，2004，37（6）：461-468.

[19]Demim S，Drouiche N，Aouabed A，et al. Cadmium and nickel：assessment of the physiological effects and heavy metal removal using a response surface approach by L. gibba[J]. Ecological Engineering，2013，61：426-435.

[20]任艷芳，何俊瑜，劉 暢，等. 鎘脅迫對萵苣幼苗生長及抗氧化酶系統(tǒng)的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2009，18（2）：494-497.

[21]孫圓圓，張光蘭，楊文杰，等. 鎘脅迫對1年生黑麥草種子萌發(fā)及幼苗初期生理生化特性的影響[J]. 種子，2014，33（8）：25-29.

[22]方繼宇，賈永霞，張春梅，等. 馬纓丹對鎘的生長響應(yīng)及其富集、轉(zhuǎn)運和亞細胞分布特點研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報，2014，23（10）：1677-1682.尹芳園，趙 錚，侯秀麗，等. 人工栽培條件下滇重樓生長發(fā)育過程觀察[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：312-316.endprint