4種重金屬脅迫對(duì)煙草農(nóng)藝性狀及生理特性的影響

劉文霖，張 浩

（1.貴州省煙草科學(xué)研究院，貴州貴陽550081；2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽550025）

4種重金屬脅迫對(duì)煙草農(nóng)藝性狀及生理特性的影響

劉文霖1，張 浩2

（1.貴州省煙草科學(xué)研究院，貴州貴陽550081；2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州貴陽550025）

為煙草重金屬污染預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)，采用盆栽試驗(yàn)法，分析Cd、Pb、Hg及As 4種重金屬不同濃度脅迫下烤煙生理特性及農(nóng)藝性狀的差異。結(jié)果表明：煙草在旺長(zhǎng)期，Cd、Pb、Hg及As脅迫下其生長(zhǎng)發(fā)育均受到抑制；適度的重金屬脅迫能提高煙草的凈光合速率；適度Pb脅迫對(duì)煙草SOD酶活性和CAT酶活性有促進(jìn)作用，而Cd、Hg及As脅迫使煙草SOD酶活性和CAT酶活性降低；Cd、Pb、Hg及As脅迫使煙草的MDA含量提高。

煙葉；重金屬；生理特性；農(nóng)藝性狀；光合速率

煙草（Nicotiana TabacumL.）為茄科煙草屬一年生或多年生植物，是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一［1］。隨著“吸煙與健康”和無公害煙葉生產(chǎn)問題的提出，煙草中有害重金屬含量及對(duì)人體健康的影響受到廣泛關(guān)注，因此減少煙葉有害成分是煙草種植的關(guān)鍵技術(shù)。煙草有害重金屬在抽吸過程中可通過主流煙氣進(jìn)入人體和環(huán)境，對(duì)人體造成潛在的危害［23］，對(duì)環(huán)境造成污染。自從20世紀(jì)50年代在日本出現(xiàn)由汞和鎘污染所引起的水俁病和骨痛病公害以后，重金屬的環(huán)境污染問題受到極大的關(guān)注［4］。一般認(rèn)為，較低濃度的重金屬對(duì)煙草生長(zhǎng)有利，高濃度時(shí)則對(duì)煙草生長(zhǎng)有抑制作用。低濃度鉻對(duì)煙草組培苗超氧化物歧化酶（SOD）活性有促進(jìn)作用。袁祖麗等［5］采用水培試驗(yàn)對(duì)不同濃度Cd脅迫下煙草營養(yǎng)器官發(fā)育的變化研究表明，Cd脅迫強(qiáng)烈抑制煙草營養(yǎng)器官的生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)在葉片數(shù)量和葉面積減少，株高、根系長(zhǎng)度迅速降低。曹毅等［6］研究表明，低濃度Hg處理（0.5mg／kg）對(duì)團(tuán)棵期烤煙葉片葉綠素合成有一定的促進(jìn)作用。

超氧化物歧化酶和過氧化物酶在生物體內(nèi)對(duì)氧自由基、過氧化物起著清除作用，抑制自由基對(duì)膜脂的過氧化作用，避免膜的損傷和破壞。目前關(guān)于Cd脅迫下煙草生理生化指標(biāo)［710］和耐受性［11］的研究較多，嚴(yán)重玲等［12］利用紅花大金元為材料，研究Cd和Pb脅迫對(duì)煙草葉片中葉綠素含量、CAT（過氧化氫酶）、SOD（超氧化物歧化酶）和POD（過氧化酶）活性等影響，結(jié)果表明，Cd和Pb脅迫破壞煙草活性氧系統(tǒng)，加速葉片的衰落；張華［13］研究表明，Cr對(duì)煙草SOD活性影響較大，隨Cr處理濃度加大，SOD活性顯著降低；隨處理時(shí)期延后，對(duì)酶系統(tǒng)的影響逐漸減小，但POD活性表現(xiàn)出相反趨勢(shì)。前人對(duì)重金屬的生理生化與生長(zhǎng)發(fā)育方面已有大量的研究，但主要集中表現(xiàn)在一種重金屬上，且對(duì)煙草生理特性方面研究也不夠全面。為此，筆者研究4種重金屬脅迫對(duì)煙草的農(nóng)藝性狀與生理特性的影響，以期為煙草重金屬污染的預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試烤煙品種為云煙85，由貴州省煙草科學(xué)研究院良繁中心提供。試驗(yàn)土壤為石灰土，土壤基本理化性狀：pH 7.5～7.9，有機(jī)質(zhì)16.54g／kg，全氮1.323g／kg，全磷0.434g／kg，全鉀1.254g／kg，速效磷3.38mg／kg，速效鉀51.6mg／kg。試劑盒包括SOD試劑盒（測(cè)總）、POD試劑盒、CAT可見光試劑盒和丙二醛（MDA）測(cè)試盒。儀器設(shè)備包括：分光光度計(jì)（TU1901，北京普儀有限公司）、離心機(jī)（艾本德5417R，德國）、水浴鍋（DFD－700，上海齊儀有限公司）、微量移液器、光合測(cè)定儀（CI－340，美國）和電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG－9123A，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，在試驗(yàn)土壤中分別添加Cd、Hg、Pb和As 4種重金屬，每種重金屬設(shè)2個(gè)添加量（表1），以不添加重金屬的土壤為對(duì)照（CK），每個(gè)處理重復(fù)8次。裝盆前先將土壤風(fēng)干，過篩，每盆裝土30kg。將重金屬溶液根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)濃度梯度，溶解于水配制好后與基肥氮肥（純氮12kg／667m2）充分混勻后一次性施入。保持80%田間持水量。

表1 4種重金屬不同濃度脅迫處理Table1 Experimental treatments of the four heavy metals with various concentrations mg／kg

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

2012年3月將煙葉幼苗（營養(yǎng)盤培養(yǎng)老化2個(gè)月的幼苗）移栽至試驗(yàn)盆，每盆栽1株?？緹熗L(zhǎng)期（從團(tuán)棵到現(xiàn)蕾）測(cè)量煙株的最大葉長(zhǎng)、最大葉寬、莖圍、株高和有效葉片數(shù)。用卷尺測(cè)量最大葉長(zhǎng)、最大葉寬和株高，游標(biāo)卡尺測(cè)量莖圍。同時(shí)測(cè)定煙株的光合速率、SOD活性、POD活性、CAT活性和MDA含量。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Microsoft Excel 2003和DPSv 7.05軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 4種重金屬對(duì)煙草旺長(zhǎng)期農(nóng)藝性狀的影響

由表2可知，與空白對(duì)照比較，Cd 0.5mg／kg和1.5mg／kg處理的煙草旺長(zhǎng)期的莖圍變粗、葉片數(shù)增多，株高降低，最大葉的葉長(zhǎng)及葉寬變小。煙草旺長(zhǎng)期的株高、莖圍、葉片數(shù)等農(nóng)藝性狀指標(biāo)均表現(xiàn)為空白對(duì)照＞Pb 150mg／kg處理＞Pb 300mg／kg處理。Hg1.5mg／kg處理的烤煙旺長(zhǎng)期莖圍、葉片數(shù)、最大葉的葉長(zhǎng)和葉寬高于Hg0.5mg／kg處理，但均低于空白對(duì)照。As脅迫下，除As 15mg／kg處理的莖圍略高于空白對(duì)照外，其他指標(biāo)均表現(xiàn)為空白對(duì)照＞As 15mg／kg處理＞As 40mg／kg處理。說明，在Cd、Pb、Hg及As重金屬脅迫下，煙草生長(zhǎng)受到抑制，且抑制程度隨重金屬脅迫濃度的增大而增加。

表2 不同重金屬脅迫煙草旺長(zhǎng)期的農(nóng)藝現(xiàn)狀Table2 Agronomic traits of tobacco in vigorous growth period under stress of different heavy metal

2.2 4種重金屬對(duì)煙草光合特性的影響

2.2.1 凈光合速率從表3看出，除Hg 0.5mg／kg處理的煙草凈光合速率略低于對(duì)照外，其他處理的與對(duì)照相當(dāng)或略高于對(duì)照，尤其以Cd 1.5mg／kg和Pb 300mg／kg處理的凈光合速率明顯較高。表明適宜的重金屬濃度能提高烤煙凈光合速率。

2.2.2 SOD酶活性SOD是防護(hù)氧自由基對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)傷害的防護(hù)酶，作為超氧自由基清除劑，其活性高低與植物抗性大小有一定的相關(guān)性。從表3看出，在Pb脅迫下，烤煙旺長(zhǎng)期超氧化物歧化酶（SOD）活性與對(duì)照相當(dāng)或高于對(duì)照，尤其是Pb 300mg／kg的處理明顯高于對(duì)照。Cd 0.5mg／ kg處理SOD活性與對(duì)照相當(dāng)，其余處理煙草的SOD活性明顯低于對(duì)照。說明，適度的Pb（300mg／kg）脅迫能促進(jìn)SOD活性，而Cd、Hg、As等重金屬則抑制煙草SOD活性。

2.2.3 POD酶活性過氧化物酶（POD）是活性較高的酶，廣泛存在于植物體中，其與植物的呼吸作用、光合作用等都有關(guān)系。由表3看出，受重金屬Cd、Hg、Pb及As脅迫，烤煙旺長(zhǎng)期葉片POD酶活性均明顯低于空白對(duì)照，尤其以重金屬As 40mg／kg處理的POD酶活性最低，比CK低66.19%。表明，在Cd、Hg、Pb及As重金屬對(duì)煙草POD酶活性均產(chǎn)生抑制，其中以As脅迫的影響最明顯。

表3 不同重金屬脅迫烤煙旺長(zhǎng)期的生理指標(biāo)Table3 Physiological indexes of flue－cureDTobacco in vigorous growth period under stress of various heavy metal

2.2.4 CAT活性過氧化氫酶（CAT）能夠清除細(xì)胞內(nèi)過多的過氧化氫以維持細(xì)胞內(nèi)過氧化氫在一個(gè)正常水平，從而保護(hù)膜結(jié)構(gòu)。由于重金屬的入侵，造成CAT活性的降低。由表3看出，Pb 300mg／kg處理的CAT活性明顯高于空白對(duì)照，其余重金屬脅迫的CAT活性均低于對(duì)照，尤其以As 40mg／kg處理的最低。

2.2.5 MDA含量丙二醛（MDA）含量是植物細(xì)胞膜質(zhì)過氧化程度的體現(xiàn)。從表3看出，除As 40mg／kg處理的MDA含量低于空白對(duì)照外，其他處理的均高于對(duì)照。說明，Cd、Hg及Pb重金屬脅迫對(duì)煙草葉片的細(xì)胞膜造成損傷，從而使MDA含量增加。

3 結(jié)論與討論

1）通過分析Cd、Pb、Hg和As 4種重金屬脅迫下煙草的生長(zhǎng)發(fā)育及生理特性，可以初步判斷其受重金屬污染的情況，為煙草的健康種植提供科學(xué)依據(jù)。研究結(jié)果表明，在Cd、Pb、Hg和As重金屬脅迫下，煙草的生長(zhǎng)發(fā)育均受到一定限制，尤其以Pb 300mg／kg處理的影響最為明顯，其烤煙旺長(zhǎng)期的株高、莖圍、葉片數(shù)分別比空白對(duì)照降低53.40%、32.08%和3.42%。重金屬Cd、Pb、Hg、As在試驗(yàn)濃度范圍，只有低濃度Hg（0.5mg／kg）抑制煙草的凈光合速率（比對(duì)照降低11.6%），其他處理的凈光合速率均較對(duì)照提高。因此，適度的重金屬脅迫對(duì)煙草的光合速率具有促進(jìn)作用。適度的Pb（300mg／kg）脅迫能促進(jìn)SOD活性，而Cd、Hg和As等重金屬則抑制煙草SOD活性。Cd、Hg、Pb及As重金屬對(duì)煙草POD酶活性和CAT活性均產(chǎn)生抑制。4種重金屬對(duì)煙草SOD活性、POD酶活性和CAT活性的抑制效應(yīng)中，以As脅迫的影響最明顯，表明煙草對(duì)重金屬As脅迫最敏感。Cd、Hg及Pb重金屬脅迫使細(xì)胞內(nèi)過氧化產(chǎn)物積累，導(dǎo)致細(xì)胞膜受到損傷，從而使煙草MDA含量增加。

2）有研究表明，煙草通過根際從土壤中吸收Cd、Pb和Cr重金屬后在體內(nèi)累積，會(huì)對(duì)植物的生理、生化產(chǎn)生一定的毒害作用，如抑制植物的光合作用或呼吸作用等影響植物的生長(zhǎng)［1416］。本研究表明重金屬脅迫下，煙草的凈光合速率提高，只有低濃度的Hg抑制煙草的凈光合速率，原因可能是煙草在旺長(zhǎng)期需要的光與水分是最大時(shí)期，所以凈光合速率在重金屬脅迫下普遍提高。

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（責(zé)任編輯：姜 萍）

Effects of Agronomic Traits and Physiological Characteristics of Tobacco Under Stress of Four Kinds of Heavy Metals

LIU Wenlin1，ZHANG Hao2
（1.Guizhou Academy of Tobacco Sciences，Guiyang，Guizhou 550081；2.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou550025，China）

In order to provide the theoretical basis for prediction of heavy metal pollution in tobacco，by pot experiment method，the authors exploreDThe variation of physiological characteristics and agronomic traits of flue－cureDTobacco under stress of four kinds of heavy metals with different concentration.Results：Under stress of Cd，Pb，Hg and As in vigorous growth period，the growth and development of tobacco were suppressed；Moderate heavy metal stress could increase net photosynthetic rate；Suitable Pb stress promoted SOD and CAT activities，while Cd，Hg and As stress decreaseDThem；Cd，Pb，Hg and As stress could enhance MDA content in tobacco.

tobacco；heavy metal；physiological property；agronomic traits；photosynthetic rate

S572

A

1001－3601（2016）10－0413－0015－03

2016－03－21；2016－09－25修回

貴州省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目［黔科合NY字（2011）3048］；貴州省煙草公司重大專項(xiàng)（2011－10）

劉文霖（1984－），女，實(shí)驗(yàn)師，從事煙草及土壤檢測(cè)研究。E－mail：lwl225＠163.com