一品紅對重金屬鋅脅迫的耐受性及其富集能力

磨春麗,谷戰(zhàn)英,黃 鵬,高恩婷,曾慶揚(yáng)

(中南林業(yè)科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410004)

【研究意義】隨著采礦、冶煉、汽車尾氣排放、農(nóng)藥化肥濫用等人類活動的增加,出現(xiàn)了一系列重金屬污染問題,導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境惡化、農(nóng)作物品質(zhì)受損等,并通過食物鏈對人們的生命健康造成威脅[1-2]。植物修復(fù)因其價格低廉、環(huán)境友好、效果好的優(yōu)勢[3],在治理污染土壤方面具有極大的商業(yè)價值。一品紅(EuphorbiapulcherrimaWilld.)又稱“圣誕紅”,屬大戟科(Euphorbiaceae)大戟屬(Euphorbia)灌木,其苞片會轉(zhuǎn)色,是極具觀賞價值的盆花植物[4],且生長快,生物量高,可作為植物修復(fù)的候選材料?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】鋅(Zn)對于生命體具有雙重性,它既是植物必需的微量元素,能夠促進(jìn)植物各項(xiàng)重要生命活動所需酶的合成;濃度過高時又是一種潛在的有毒環(huán)境污染物,會破壞葉綠體結(jié)構(gòu)、抑制光合作用,從而影響植物的正常生長[5-6]。然而有些植物可以在其地上組織中積累超過10 000 mg/kg(干重)的Zn,且能正常生長,被稱為Zn的超富集植物[7]。田間調(diào)查表明,野生群體的圓錐南芥(Arabispaniculata)對Zn具有高度耐受性,其地上部分平均可積累20 800 mg/kg(干重)的Zn[8]。遏藍(lán)菜(Thiaspicaerulescens)可以在地上部分超積累高達(dá)51 600 mg/kg(干重)的Zn,而且沒有表現(xiàn)出毒害或生長減慢的現(xiàn)象[9]。近年來,關(guān)于觀賞植物應(yīng)用于植物修復(fù)的研究日益增多[10],在廢棄污染場地上的應(yīng)用實(shí)例也取得較大成效[11],為重金屬污染治理中篩選合適的植物開辟了新思路?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】植物修復(fù)的首要條件是篩選出適宜當(dāng)?shù)夭⒛苡行宄廴疚锏闹参?其效率受到生物量和重金屬富集含量的綜合影響。這些超富集植物大多具有生物量低、生長緩慢的特點(diǎn),且僅在特定的野外環(huán)境下表現(xiàn)出超富集性,限制了其修復(fù)效率和適用范圍[12-13]。有研究報道稱一品紅在復(fù)合污染下對多種重金屬(Zn、Pb、Cu等)具有超量富集的潛力[14]?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)通過設(shè)置不同水平鋅處理,以不外施鋅為對照,進(jìn)一步探究Zn對一品紅生長發(fā)育的影響,比較在不同鋅濃度梯度下一品紅的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)效率,從而進(jìn)一步論證其作為植物修復(fù)候選對象的可能性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試基質(zhì)為泥炭土,pH 4.81,相對含水量27.5%,電導(dǎo)率114.75 μS/cm。供試植物材料為一品紅扦插苗,品種為‘Sonora red’。泥炭土和一品紅母株均購自長沙市紅星花卉市場,供試鋅源為硝酸鋅[Zn(NO3)2·6H2O]分析純。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)共設(shè)置6個處理,每個處理4株,4次重復(fù),采用不完全隨機(jī)區(qū)組排列。根據(jù)《農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618—2018)將Zn污染濃度分別設(shè)置為200 mg/kg(T1,風(fēng)險篩選值)、300 mg/kg(T2,篩選值的1.5倍)、500 mg/kg(T3,篩選值的2.5倍)、800 mg/kg(T4,篩選值的4倍)、1000 mg/kg(T5,篩選值的5倍),以不施入Zn的處理組(CK)為對照,均以純Zn和風(fēng)干土計。其中CK表示無污染,T1表示輕度污染,T2～T3為中度污染,T4～T5為重度污染。Zn按照各處理設(shè)置的濃度,以硝酸鋅水溶液的形式于2021年5月15日一次性施入泥炭土中,充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笱b入花盆,避雨靜置50 d后再移栽一品紅扦插苗。花盆規(guī)格為:上口徑19.5 cm,下口徑15.4 cm,高19.5 cm。試驗(yàn)于2021年7月3日在中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院科研基地進(jìn)行,選取已培養(yǎng)3個月、長勢一致的一品紅扦插苗移栽至花盆中。待緩苗期過后,根據(jù)試驗(yàn)時間測定一品紅的生長性狀和生理生化指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)測定

1.3.1 生長指標(biāo) 試驗(yàn)期間,每隔14 d分別使用卷尺和電子游標(biāo)卡尺測定一品紅的株高、地徑。于試驗(yàn)開始的第112天測定葉片數(shù)并采集植物樣品。依次用清水和超純水將一品紅清洗干凈后,分為根、莖、葉3部分,使用電子分析天平(感量為0.1 mg)稱量其鮮重,待其他指標(biāo)測定完畢后放入60 ℃烘箱中烘干至恒重,取出稱量其干重。使用愛普生EPSON Expression 11000XL掃描儀掃描一品紅根部,使用Winrhizo pro軟件分析其根長、總投影面積、根表面積、平均直徑、根體積和根尖數(shù)等數(shù)據(jù)。使用Image J 1.52V軟件測定葉面積。

1.3.2 生理生化指標(biāo) 一品紅的葉綠素含量采用丙酮-乙醇(1∶1)溶液提取,使用紫外分光光度計(UV-7504c)在665和645 nm波長下進(jìn)行測定。葉片丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[15]進(jìn)行測定。葉片相對電導(dǎo)率采用浸泡法[16]和電導(dǎo)率儀(雷磁DDS-307A型)進(jìn)行測定。一品紅根、莖、葉各部位的Zn含量采用濕式消解法[17]進(jìn)行測定,使用微波消解儀(MARS6型)進(jìn)行消解,同時設(shè)置3組空白對照。消解液中Zn濃度使用原子吸收分光光度計(TAS-990型)在213.9 nm波長下測定。以上指標(biāo)測定每個處理至少3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗(yàn)數(shù)據(jù)均在Excel 2016中整理,在SPSS 23軟件中進(jìn)行單因素方差分析,采用Tukey檢驗(yàn)方法進(jìn)行顯著性比較(P<0.05)。表格中的數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差,使用Origin 2021繪圖。耐性系數(shù)(TI)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)的計算公式如下。

TI=M處理組/M對照組

TF=(C莖+C葉)/C根

式中,M處理組、M對照組分別表示處理組、對照組中的植株全株鮮重;C根、C莖和C葉分別表示根、莖、葉中的Zn含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 Zn對一品紅生長性狀指標(biāo)的影響

2.1.1 Zn對一品紅株高、地徑增量的影響 從圖1-a可以看出,一品紅的株高增量在重度污染組(800和1000 mg/kg)中,僅在定植后第42天有所上升,隨后持續(xù)下降;其他處理組在整體上呈雙峰曲線,峰值分別出現(xiàn)在定植后第42天和第70天時,此后隨著Zn脅迫時長的增加,株高增量快速減小,均在第98天時達(dá)到最低點(diǎn)。單因素方差結(jié)果顯示,各處理的株高增量在定植后第28、70和84天時具有統(tǒng)計學(xué)意義,其他時點(diǎn)無顯著性差異(P<0.05)。在第28天時,對照組的株高增量最大,為4.38 cm,顯著高于T1和T5處理組。

除對照組外,其他處理的地徑增長高峰期出現(xiàn)在定植后第98天(圖1-b)。地徑增量僅在定植后第70天和第84天時具有顯著性差異(P<0.05),且對照組的值最高,分別為0.48、0.68 mm;T1處理組(200 mg/kg)的值最低且與對照組具有顯著性差異,依次相當(dāng)于對照組的29.20%、34.93%。第84天時T4處理組(800 mg/kg)的地徑增量也顯著低于對照組,為對照組的39.64%。

2.1.2 Zn對一品紅根部、地上部分干鮮重的影響 由圖2可知,一品紅的根鮮重僅在T1和T4處理組與對照組具有顯著性差異,分別為對照組的48.76%、49.72%。土壤中不同濃度的Zn對一品紅根干重不具有顯著性差異(P>0.05)。地上部分鮮重隨土壤中Zn施入量的增加,呈先上升后下降的趨勢,除T3處理組外,其他處理組均顯著低于對照組,但組間無顯著性差異。Zn對T1處理組一品紅的地上部分鮮重抑制作用最強(qiáng),較對照組降低44.38%。地上部分干重的變化趨勢及處理間的顯著性差異與其鮮重相同。

2.1.3 Zn對一品紅根系形態(tài)的影響 由表1 可知,一品紅在不同Zn處理下的根系指標(biāo)的值大多低于對照組,但沒有顯著性差異(P>0.05),僅根體積顯著低于對照組,相當(dāng)于對照組的36.48%～54.49%。

同一個指標(biāo)中的不同字母表示在P<0.05水平下差異顯著,下同。Different letters in the same indicator indicate significant differences at P<0.05 level,the same as below.圖2 不同Zn處理下一品紅的根部、地上部分干鮮重Fig.2 Fresh and dry mass of poinsettia roots and aerial parts under different zinc treatments

CK、T1～T5分別表示0、200、300、500、800、1000 mg/kg,誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤差,下同。CK,T1-T5 represent 0,200,300,500,800 and 1000 mg/kg,respectively,and the error bar is standard error,the same as below.圖1 不同Zn處理下一品紅株高、地徑的增量變化Fig.1 Changes of the increments of poinsettia diameter and height in different zinc treatments

表1 不同Zn處理對一品紅根系形態(tài)指標(biāo)的影響Table 1 Effects of different zinc treatments on root-morphology indexes of poinsettia

2.2 Zn對一品紅葉片數(shù)、葉面積和葉綠素含量的影響

由表2可知,對照組的葉片數(shù)最大,T1、T2和T5處理組的葉片數(shù)顯著低于對照組,僅為對照組的63%～65%。T3和T4處理組的葉片數(shù)較高,但與對照組沒有顯著性差異。葉面積的范圍是32.28～51.89 cm2,重度污染組(T4、T5)的葉面積顯著低于除T3外的其他處理組(P<0.05),最大、最小值分別出現(xiàn)在對照組和T5處理組中。

表2 不同Zn處理水平對一品紅葉片數(shù)、葉面積和葉綠素含量的影響Table 2 Effects of different zinc levels on leaf number,leaf area,and chlorophyll content of poinsettia

一品紅葉綠素a、b和總?cè)~綠素含量在各處理間的變化趨勢相似,均低于對照組,且方差結(jié)果顯示具有顯著性差異(P<0.05),說明Zn對其產(chǎn)生了抑制作用。其中,Zn對T2處理組的葉綠素含量抑制作用最強(qiáng),表現(xiàn)為數(shù)值最低,較對照組分別顯著降低12.52%、42.92%和22.70%。此外,葉綠素b和總?cè)~綠素含量在T4處理組時的值也顯著低于對照組,與T2處理組無顯著性差異。葉綠素a/b的范圍是2.00～3.05,對照組的值最小,T2處理組的值最大。T2和T4處理組的葉綠素a/b與對照組差異顯著,但二者之間無顯著性差異。

2.3 Zn對一品紅耐性系數(shù)、MDA含量、相對電導(dǎo)率的影響

由表3可知,所有處理組的耐性系數(shù)均大于50%。耐性系數(shù)在T3處理組時達(dá)到最高,為80.10%,顯著高于T1和T4處理組,可見Zn對其有一定的“低促高抑”現(xiàn)象。

表3 不同Zn處理對一品紅抗逆性生化指標(biāo)的影響Table 3 Effects on the stress resistance biochemical indexes of poinsettia under different zinc treatments

除對照組外,一品紅MDA含量隨土壤中Zn濃度的升高整體呈梯度上升趨勢。MDA含量在T4處理組時最大,為90.09 nmol/g。對照組和重度污染組的MDA含量顯著高于T1(43.79 nmol/g)和T2(45.81 nmol/g)處理組(P<0.05),說明土壤Zn濃度的增加造成一品紅體內(nèi)MDA的積累。

對照組、T1和T5處理組中的相對電導(dǎo)率較高,而其他處理組的值相差不大。方差分析表明,一品紅葉片的相對電導(dǎo)率在各處理組間無顯著性差異(P<0.05)。

2.4 一品紅植株對Zn的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)特征

隨著土壤中Zn元素濃度增加,一品紅體內(nèi)不同部位以及全株的Zn含量也顯著增加(P<0.05)。從圖3可以看出,不同Zn處理下,一品紅體內(nèi)不同部位中的Zn含量變化不一,但以根部的最高。根部Zn含量占全株的37.66%～51.04%,且與土壤Zn濃度呈線性正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)線性方程為:y=104.1x-53.447,R2=0.9803)。葉和莖中的Zn含量占全株比例分別為27.20%～39.38%、17.56%～34.75%。一品紅莖對Zn的吸收效果最為明顯,表現(xiàn)在較前一處理,莖中Zn含量的增幅保持在44%以上。根、莖、葉中Zn含量在各處理間的最大增幅及其所在處理組分別為192.26%(T1)、124.31%(T3)和88.01%(T1)。

圖3 不同Zn處理下一品紅根、莖、葉的鋅含量Fig.3 Zn content of poinsettia in roots,stems,leaves under different zinc treatments

由圖4可知,培養(yǎng)112 d后,T4處理組中一品紅全株Zn含量超過1000 mg/kg,最大值出現(xiàn)在T5處理組中,為1450.57 mg/kg。一品紅從根部到地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在各處理間均具有顯著性差異(P<0.05)。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨土壤Zn濃度的增加呈現(xiàn)“W”型變化趨勢,在T5處理組時達(dá)到最大值,為1.66。T1處理組的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最低,為0.96,接近1,除此之外,其他處理組的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1。

圖4 不同Zn處理一品紅全株的鋅含量和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Fig.4 Zn content in whole plant and the translocation factor (TF) of poinsettia under different zinc treatments

3 討 論

3.1 Zn對一品紅生長發(fā)育的影響

本研究中一品紅的株高前期生長較快,培養(yǎng)70 d后進(jìn)入生長緩慢期,在重度鋅污染中受到抑制,這與中華金葉榆(Ulmuspumila)和銀水牛果(Shepherdiaargentea)[18]的研究結(jié)果一致。然而,輕度污染組(T1,200 mg/kg)Zn對一品紅株高的抑制作用更為強(qiáng)烈,同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在地徑增量的變化中,從而影響生物量。這可能是因?yàn)橐黄芳t對Zn的需求量大,Zn缺乏同樣導(dǎo)致植物生長減緩、產(chǎn)量和酶活性降低[19]。一品紅各處理的根體積顯著低于對照組,與黃瓜(Cucumussativus)[20]的研究類似,根系生長受到Zn脅迫后,減緩了水分和礦質(zhì)元素的輸送,從而限制地上部的生長。

Zn中毒的癥狀在葉片上的表現(xiàn)為嫩葉卷曲、成熟葉片壞死、葉片褪綠[21]。不同Zn處理下未觀察到一品紅葉片明顯的毒害現(xiàn)象,但葉面積和葉片數(shù)都受到了不同程度的抑制,可能是由于Zn抑制了細(xì)胞分裂或伸長[22]。葉綠素參與植物的光合作用,在光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化過程中起著至關(guān)重要的作用[23]。土壤Zn濃度為300和800 mg/kg條件下,一品紅葉綠素a、b和總?cè)~綠素含量受到抑制,葉綠素a/b的值均顯著高于對照組,說明葉綠素b比葉綠素a對Zn脅迫更為敏感,容易受到破壞。葉綠素含量降低的原因可能是有毒濃度的Zn導(dǎo)致葉綠體結(jié)構(gòu)紊亂,表現(xiàn)在葉綠體膜解體、類囊體和葉綠體基粒減少[24],或者通過抑制參與葉綠素生物合成的酶、提高葉綠素降解酶的活性,打破了葉綠素在植株內(nèi)的平衡[25]。

3.2 Zn對一品紅抗逆性的影響

耐性系數(shù)反映處理組與對照組之間的差距值,其值超過50%表示植物對該限制因子具有耐受性[26]。本研究中一品紅的耐性系數(shù)均達(dá)到了耐受標(biāo)準(zhǔn),且Zn對其有一定的“低促高抑”作用,表明土壤中適當(dāng)?shù)腪n濃度能提高一品紅的抗逆性。Goodarzi等[27]對紅花(Carthamustinctorius)幼苗的研究發(fā)現(xiàn)達(dá)到毒性水平的Zn會刺激細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化,并影響膜的完整性和通透性。本試驗(yàn)中,在高Zn濃度下一品紅的丙二醛(MDA)含量較高,表明此時細(xì)胞膜受損較嚴(yán)重,激發(fā)了一品紅的保護(hù)系統(tǒng)。一品紅的相對電導(dǎo)率數(shù)值均較低,但在組間的差異不顯著(P>0.05),說明土壤Zn濃度對一品紅的細(xì)胞膜外滲的影響不大。

3.3 一品紅對Zn的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力

不同污染程度下植物對重金屬的積累和轉(zhuǎn)移能力不一定相同,通過評估對比可為其應(yīng)用于相應(yīng)污染程度的場地提供指導(dǎo)。早期的研究將地上部分對Zn的積累超過10 000 mg/kg的植物定義為超富集植物[7],一些學(xué)者認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)為3000 mg/kg更合理[28]。本研究中一品紅地上部分的Zn含量最多為904.27 mg/kg,未達(dá)到超富集植物的標(biāo)準(zhǔn)。然而,通常認(rèn)為,植物體內(nèi)的Zn含量超過400 mg/kg(干重)時,將會對植物產(chǎn)生毒性[29]。本研究中土壤Zn濃度為300 mg/kg時,一品紅的Zn含量已高于400 mg/kg,且在所有梯度處理中均未觀察到明顯的毒性癥狀。因此,可以認(rèn)為一品紅對Zn具有較強(qiáng)的耐受能力,是Zn的富集植物。

Zn通常積累在根中[30],而一旦被輸送到地上部分,Zn優(yōu)先被儲存在葉片中,作為酶促因子參與植物的呼吸作用[6]。與其他植物組織相比,一品紅的根部Zn含量最高,葉片次之,莖中最少,與Xiao等[14]的研究結(jié)果一致,這可能是一品紅為維持葉片、莖部較低的Zn濃度而采取的一種耐性機(jī)制。然而,一品紅的TF>1,對Zn具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)運(yùn)能力,因此Zn更多地集中在地上部分。植物更有效地將金屬從根部轉(zhuǎn)移到地上器官可以減少這些污染物對根系生理和生化造成的破壞性影響[31],同時也是植物提取技術(shù)的一個重要因素。此外,不同Zn濃度處理下,一品紅地上部分的生物量也遠(yuǎn)高于根部,用于植物提取效率會很高。

4 結(jié) 論

較高濃度的Zn抑制一品紅的株高、地徑、生物量、根體積、葉片數(shù)、葉面積和葉綠素含量,沒有出現(xiàn)明顯的視覺毒害特征。一品紅對Zn的抗逆性較強(qiáng),耐性系數(shù)在組間呈“低促高抑”現(xiàn)象,丙二醛(MDA)含量在高濃度Zn處理下較高,相對電導(dǎo)率的值無顯著變化。土壤Zn濃度與一品紅不同部位的積累量呈正相關(guān)關(guān)系,不同處理間的TF大多大于1,具有較強(qiáng)的Zn富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力。因此,一品紅可用于修復(fù)Zn污染土壤,尤其在植物提取方面發(fā)揮作用。同時,一品紅作為觀賞植物,還可以在漫長修復(fù)過程中美化污染場地的環(huán)境,或者做成切花產(chǎn)品進(jìn)行售賣,提高生態(tài)、經(jīng)濟(jì)雙重效益。