不同土壤類型上低水平鎘污染對小麥植物絡(luò)合素合成的影響

劉 衡，呂家瓏，劉 克

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊陵 712100)

不同土壤類型上低水平鎘污染對小麥植物絡(luò)合素合成的影響

劉 衡，呂家瓏，劉 克

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊陵 712100)

通過在中國18種不同農(nóng)田土壤背景下設(shè)置較低水平的重金屬鎘(Cd)污染，研究小麥分蘗期葉片中非蛋白巰基(TNP)、谷胱甘肽(GSH)和植物絡(luò)合素(PCs)的合成情況。結(jié)果表明，低水平土壤Cd(0.3～1.2 mg/kg)污染導(dǎo)致小麥TNP、GSH、PCs的合成量顯著改變，其中以PCs反應(yīng)最敏感，兩者存在一定的劑量-效應(yīng)關(guān)系。研究還發(fā)現(xiàn)，土壤Cd污染下植物PCs合成量與部分土壤理化指標(biāo)間存在顯著的相關(guān)性，表明土壤種類間復(fù)雜多變的理化性質(zhì)可能會通過不同途徑影響植物PCs的合成。說明在試驗(yàn)設(shè)定范圍內(nèi)可通過檢測植物PCs含量來預(yù)測或評價(jià)土壤重金屬Cd的污染情況。

農(nóng)田土壤；鎘污染；植物絡(luò)合素；土壤理化性質(zhì)

目前，中國受重金屬污染的耕地面積占耕地總數(shù)的10%以上，接近2 000萬hm2。其中，中重度污染面積占比超過12%[1-2]，日益嚴(yán)重的農(nóng)田土壤重金屬污染將直接造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，并危害到人類的健康生存。在污染土壤中，植物抗重金屬脅迫機(jī)制主要有2大類：一是通過限制對重金屬離子的吸收避免細(xì)胞受傷害，二是通過生物合成1種或幾種配體化合物，在植物體內(nèi)絡(luò)合重金屬并以復(fù)合物的形式進(jìn)行區(qū)域化隔離。而植物絡(luò)合素(PCs)正是一種有較強(qiáng)對重金屬離子螯合能力的配體化合物[3-5]。PCs是植物體內(nèi)合成的一類富含巰基，并具有很強(qiáng)絡(luò)合重金屬離子能力的小分子多肽。在粟酒裂殖酵母(SchizosaccharomycespombeL.)中首次發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)式為：(γ-Glu-Cys)n-Gly，(n=2～4)[3]。此后，人們發(fā)現(xiàn)這類多肽廣泛存在于各類真菌、藻類、蕨類直到種子植物的多種生物體內(nèi)[6]。有研究認(rèn)為，PCs的合成作為植物在重金屬脅迫下的生理生化反應(yīng)特征，可以作為檢測土壤或水體受重金屬污染的早期預(yù)警指標(biāo)，并在一定程度內(nèi)反映其受污染程度[7-8]。也有許多研究著重于通過分子生物學(xué)與基因組學(xué)相關(guān)技術(shù)，確定PCs的解毒機(jī)制和信號途徑，確定植物絡(luò)合素酶(PCS)的合成途徑及其相關(guān)基因表達(dá)，以期通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)增強(qiáng)植物對重金屬污染土壤的適應(yīng)能力，或培育對重金屬富集能力更強(qiáng)的超富集植物，創(chuàng)造可行、高效的重金屬污染植物修復(fù)方法[3-4]。近年來，以PCs為介質(zhì)的重金屬解毒機(jī)制的研究日漸增多，但大都集中在分子生物學(xué)與基因組學(xué)的層面上，在細(xì)胞層面上對小麥?zhǔn)苤亟饘倜{迫后的生理生化反應(yīng)研究卻寥寥無幾，且多集中在水培條件下的藻類、水生植物以及部分陸生植物在遭到高劑量、短時(shí)間重金屬鎘的急性脅迫下PCs的合成情況[9-13]。

以往試驗(yàn)中Cd的添加量往往超出中國土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[14]中關(guān)于環(huán)境中Cd污染含量標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)倍甚至數(shù)十倍[7]，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出植物在自然生長環(huán)境可能遭受的污染量，且試驗(yàn)觀察時(shí)間較短，多集中在5～10 d左右。而在實(shí)際的自然環(huán)境中，尤其是以小麥(TriticumaestivumL.)等所代表的大田作物，往往受到的是低水平重金屬長時(shí)間的慢性脅迫。這一類的慢性接觸污染往往很難對小麥等作物造成生物量減少等顯著的毒害作用[15]，但卻有可能對人類健康產(chǎn)生巨大潛在威脅，因此開展土壤中低水平重金屬污染物在較長時(shí)間范圍內(nèi)對小麥等大田作物PCs合成的影響，以期尋找到高效、敏感的環(huán)境重金屬污染生物指示指標(biāo)十分重要。鑒于此，本研究采用盆栽培養(yǎng)與室內(nèi)測定相結(jié)合的方法，研究中國18種典型農(nóng)田土壤低水平重金屬Cd污染對小麥分蘗期PCs合成的影響，并進(jìn)一步分析不同土壤理化性質(zhì)與低水平土壤Cd污染下小麥PCs合成量間的關(guān)系，以期為土壤重金屬Cd污染的評價(jià)和防治提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選擇中國18個(gè)省區(qū)具有代表意義的18種農(nóng)田土壤為研究對象，基本能反映中國不同氣候區(qū)典型農(nóng)田的土壤特點(diǎn)。供試土壤樣品均使用多點(diǎn)采樣法采集耕層土壤(0～20 cm)，自然風(fēng)干后，剔除殘茬、碎石，全部過1 mm尼龍篩，備用。18種供試土壤的采樣地點(diǎn)與理化性質(zhì)等信息見表1。

所選小麥品種為‘小堰22號’，由西北農(nóng)林科技大學(xué)種子公司提供。主要儀器：850型光柵熒光分光光度計(jì)，Z281001型原子吸收分光光度計(jì)，島津UV2220型分光光度計(jì)，J22HS高速冷凍離心機(jī)。

表1 供試土壤理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of tested soils

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將備用土樣7 kg裝入白色塑料盆，并做如下處理：分別對18種土壤樣品做Cd低水平、高水平2種處理，各處理重復(fù)3次，共計(jì)18×2×3=108盆，同時(shí)每種土樣各設(shè)3個(gè)空白對照，共計(jì)18×3=54盆。于6月處理土壤樣品，每盆加入尿素(N)、磷酸二氫鈣(P)、硫酸鉀(K)3種肥料作為基肥(表2)。

表2 基肥施用品種及施用量Table 2 Basal fertilizer types and weights

同時(shí)用噴壺將重金屬Cd溶液噴灑入土壤中，攪拌均勻，裝盆。Cd外源添加量是根據(jù)中國《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-1995)中關(guān)于鎘(Cd)的Ⅱ類土壤(為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，維護(hù)人體健康的土壤限制值)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Cd的標(biāo)準(zhǔn)值(0.3 mg/kg，pH≤7.5或0.6 mg/kg，pH>7.5)的1倍量與2倍量確定的，試劑選用八水合硫酸鎘(3CdSO4·8H2O)。具體噴施量為：

pH≤7.5的土壤樣品，Cd低質(zhì)量比(L)處理加入量為0.3 mg/kg，Cd高質(zhì)量比(H)處理加入量為0.6 mg/kg。

pH>7.5的土壤樣品，Cd低質(zhì)量比(L)處理加入量為0.6 mg/kg，Cd高質(zhì)量比(H)處理加入量為1.2 mg/kg。

基肥與Cd同時(shí)充分混勻，放置平衡3個(gè)月，期間每天及時(shí)補(bǔ)充因蒸發(fā)而損失的水分。3個(gè)月后在盆內(nèi)播種小麥(10月上旬)，每盆播種15粒。兩周后出苗，每盆勻苗至8株，期間取樣一株。11月，進(jìn)入小麥分蘗期，采集小麥樣品。樣品用去離子水沖洗干凈后，準(zhǔn)確稱量一定的新鮮小麥葉片，然后迅速用液氮固定，存放入-80 ℃冰柜中保存，用以PCs等巰基化合物的測定。

1.3 測定方法

參照孫琴等[11]方法，并略加改進(jìn)。取小麥葉片組織1 g放于研缽中，加入預(yù)冷的5 g/L 磺基水楊酸(SSA)(含6.3 mmol/L DTPA，pH<1)5 mL和少量的石英砂，冰浴上研磨充分，4 ℃低溫離心(15 000 g)15 min。上清液冷藏用于TNP和GSH的測定。

TNP測定：取上清液0.3 mL，加入1.5 mL 0.2 mol/L的Tris-HCl(pH 8.2)緩沖液和0.2 mL DTNB，室溫下放置20 min，然后在412 nm波長下比色，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算。

GSH的測定：取上清液0.2 mL，加入1.5 mL PBS(磷酸緩沖液 pH 8.0，含 5 mmol/L 的EDTA)，用NaOH調(diào)混合物pH至8.0，再加入0.3 mL 1 g/L的OPT(鄰苯二甲醛)，培養(yǎng)20 min，用熒光分光光度計(jì)檢測，激發(fā)波長為350 nm，發(fā)射波長為420 nm。根據(jù)GSH標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算。

采用差減法測定PCs，計(jì)算公式為：PCs=TNP-GSH。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 18.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，相關(guān)性分析采用Pearson法。采用Excel 2003制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd污染水平對小麥分蘗期葉片中非蛋白巰基類化合物合成的影響

從圖1可以看出，在試驗(yàn)設(shè)定的較低Cd污染水平范圍內(nèi)(0.3～1.2 mg/kg)，小麥分蘗期內(nèi)葉片中合成TNP的量隨Cd污染水平的增加有著較為明顯的增加。18種土壤的空白對照中，小麥葉片中TNP質(zhì)量摩爾濃度的算術(shù)平均數(shù)為(4.29±0.24) μmol/g；而在低Cd處理中，小麥葉片中TNP質(zhì)量摩爾濃度的算術(shù)平均數(shù)為(5.98±0.28) μmol/g；在高Cd處理中，小麥葉片中TNP質(zhì)量摩爾濃度的算術(shù)平均數(shù)為(6.27±0.14) μmol/g。其中低Cd處理下TNP質(zhì)量摩爾濃度與空白對照組差異顯著(P<0.05)，而高Cd處理與低Cd處理差異不顯著。18種供試土壤中：A 黑土與褐土的3種不同Cd水平處理間均差異顯著(P<0.05)；棕壤、E 潮土、F 潮土、K 潮土、灌淤土、灰漠土、栗鈣土和赤紅壤隨著低水平外源Cd的添加，TNP的質(zhì)量摩爾濃度顯著增加(P<0.05)，而低Cd處理與高Cd處理差異不顯著(P>0.05)；B 黑土、D 潮土、I 紅壤、J 紅壤、塿土中低Cd處理與空白處理差異不顯著(P>0.05)，但高Cd處理與空白處理差異顯著(P<0.05)，且Cd處理下的TNP質(zhì)量摩爾濃度均高于空白處理；G 黃棕壤、H 黃棕壤和紫色土的小麥葉片中TNP質(zhì)量摩爾濃度隨著Cd的施入均有所增加，但3個(gè)處理間差異不顯著(P>0.05)。

從圖1可以看出，在試驗(yàn)設(shè)定的較低Cd污染水平范圍內(nèi)(0.3～1.2 mg/kg)，小麥分蘗期內(nèi)葉片中合成GSH的量隨重金屬Cd的施入也有著較為明顯的減少。18種土壤的空白對照中，小麥葉片中GSH質(zhì)量摩爾濃度的算術(shù)平均數(shù)為(2.11±0.28) μmol/g；而在低Cd與高Cd處理中，小麥葉片中GSH質(zhì)量摩爾濃度的算術(shù)平均數(shù)分別為(1.10±0.13) μmol/g和(1.01±0.13) μmol/g，相差無幾。僅低Cd處理下的GSH質(zhì)量摩爾濃度與空白對照組差異顯著(P<0.05)。18種供試土壤中：D 潮土3種不同Cd水平處理間均差異顯著(P<0.05)，小麥葉片中GSH的質(zhì)量摩爾濃度隨著Cd施入量的增加而顯著減少；E 潮土、F 潮土、G 黃棕壤、J 紅壤、K 潮土、塿土、灌淤土、灰漠土、栗鈣土和紫色土隨著低水平外源Cd的添加，GSH顯著減少(P<0.05)，而低Cd處理與高Cd處理差異不顯著(P>0.05)；褐土中高Cd處理與低Cd和空白處理差異顯著(P<0.05)，且Cd處理下的GSH質(zhì)量摩爾濃度低于空白處理；A 黑土和棕壤低Cd處理與空白處理以及和高Cd處理差異顯著(P<0.05)，高Cd處理與空白處理間差異不顯著(P>0.05)；B 黑土、H 黃棕壤、I 紅壤和赤紅壤的小麥葉片中GSH質(zhì)量摩爾濃度隨著Cd的施入均有所減少，但3種處理間差異不顯著(P>0.05)。

小麥分蘗期內(nèi)葉片中合成PCs的量隨重金屬Cd的施入有著較為明顯的增加。18種土壤的空白對照中，小麥葉片中PCs質(zhì)量摩爾濃度的算術(shù)平均數(shù)為(2.17±0.19) μmol/g；而在低和高Cd處理中，小麥葉片中PCs質(zhì)量摩爾濃度的算術(shù)平均數(shù)分別為(4.88±0.23) μmol/g和(5.26±0.28) μmol/g。其中低Cd處理下的PCs質(zhì)量摩爾濃度與空白對照組差異顯著(P<0.05)，而高Cd處理與低Cd處理差異不顯著。具體來看，18種供試土壤中：A 黑土、棕壤、D 潮土、E 潮土、F 潮土、J 紅壤、K 潮土、褐土、塿土、灌淤土、灰漠土、栗鈣土和赤紅壤隨著低水平外源Cd的添加，PCs的質(zhì)量摩爾濃度顯著增加(P<0.05)，而低Cd處理與高Cd處理差異不顯著(P>0.05)；G 黃棕壤、I 紅壤中低Cd處理與空白處理差異不顯著(P>0.05)，但高Cd處理與空白處理差異顯著(P<0.05)，且Cd處理下的PCs質(zhì)量摩爾濃度均高于空白處理；其余供試土壤的小麥葉片中PCs質(zhì)量摩爾濃度隨著Cd的施入均有所增加，但3種處理間差異不顯著(P>0.05)。另外，從圖1中還可以看出，在同一Cd處理水平下，不同土壤種類間小麥分蘗期葉片中PCs的質(zhì)量摩爾濃度有所差別，而不同取樣地的同一土壤種類間PCs質(zhì)量摩爾濃度相近。

2.2 重金屬Cd作用下小麥分蘗期葉片中PCs占TNP的比例

植物體內(nèi)GSH與PCs幾乎占到TNP的全部[16-17]，在重金屬暴露的情況下，吸收進(jìn)植物體內(nèi)的游離重金屬離子激活PCS，PCS以GSH為底物大量合成PCs[3-4]，這一過程將導(dǎo)致一定時(shí)間內(nèi)PCs在TNP中的所占比例發(fā)生變化。這一變化的規(guī)律將有助于進(jìn)一步了解土壤重金屬Cd污染條件下，小麥PCs的合成情況。從圖2可以看出，在試驗(yàn)設(shè)定的較低Cd污染水平范圍內(nèi)(0.3～1.2 mg/kg)，小麥分蘗期內(nèi)葉片中PCs/TNP隨重金屬Cd的施入有著顯著的增加(P<0.05)。18種土壤的空白對照中，小麥葉片中PCs在TNP中占比約47.30%；在低Cd處理中，PCs在TNP中占比約80.14%；在高Cd處理中，PCs在TNP中占比約為82.67%。隨著土壤Cd污染水平的增加， PCs占到TNP中的大部分比例，占比接近90%，這與孫琴等[16]的研究結(jié)果相近。18種供試土壤中，A 黑土低Cd處理與空白處理和高處理小麥葉片中PCs/TNP的比值差異顯著(P<0.05)，而高Cd處理與空白處理小麥葉片中PCs/TNP的比值間差異不顯著(P>0.05)，出現(xiàn)這樣的結(jié)果可能與該條件下空白處理的試驗(yàn)精度有關(guān)；I 紅壤中低Cd處理與空白處理小麥葉片中PCs/TNP的比值差異不顯著(P>0.05)，高Cd處理與低Cd和空白處理差異顯著(P<0.05)。其余供試土壤均隨著低水平外源Cd的添加，PCs/TNP的比值顯著增加(P<0.05)，而低Cd處理與高Cd處理小麥葉片中PCs/TNP的比值差異不顯著(P>0.05)。

2.3 土壤理化性質(zhì)與土壤Cd污染下小麥分蘗期葉片PCs合成量的關(guān)系

通過SPSS軟件使用pearson法分析供試土壤理化性質(zhì)(表1)與小麥PCs質(zhì)量摩爾濃度的相關(guān)性可得。9種Cd處理水平在0～0.6mg/kg的土壤(pH≤7.5)，即：A 黑土、B 黑土、棕壤、G 黃棕壤、H 黃棕壤、I 紅壤、J 紅壤、紫色土、赤紅壤的理化性質(zhì)與低Cd和高Cd 2個(gè)處理下小麥分蘗期葉片中PCs之間的相關(guān)性均表現(xiàn)出相同的顯著規(guī)律。低Cd處理下小麥PCs與土壤速效磷(AV.P)呈極顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.800；與土壤CEC呈顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.766；與土壤游離氧化鐵(Free ir.oxide)呈極顯著的正相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.894。在高Cd處理下，小麥PCs與土壤速效磷(AV.P)呈顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.741；與土壤CEC呈顯著的負(fù)相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.762；與土壤游離氧化鐵(Free ir.oxide)呈顯著的正相關(guān)(P<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.761。

(圖續(xù)轉(zhuǎn)下頁 Be continued in next page)

同一類化合物不同處理間標(biāo)有不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Different lower letters in the same compound between different disposes indicate significant different atP<0.05.The same as below.

圖1 小麥分蘗期TNP、GSH、PCs對重金屬鎘的響應(yīng)
Fig.1 Response of wheat’s TNP, GSH, and PCs to Cd at the tillering stage

(圖續(xù)轉(zhuǎn)下頁 Be continued in next page)

圖2 小麥分蘗期PCs/TNP對重金屬鎘的響應(yīng)Fig.2 Response of wheat’s PCs/TNP to Cd at the tillering stage

3 討 論

3.1 小麥分蘗期葉片中TNP、GSH、PCs對重金屬鎘的響應(yīng)

隨著土壤中Cd污染水平的增加，小麥分蘗期葉片中TNP的質(zhì)量摩爾濃度顯著增加，這與國內(nèi)外眾多研究結(jié)果相同[15-17]。18種土壤具體分析可見，在試驗(yàn)處理設(shè)置的較低水平范圍內(nèi)(0.3～1.2 mg/kg)，外源添加重金屬鎘Cd導(dǎo)致小麥葉片中TNP的增加，但低水平與高水平處理無明顯差異，可能與添加Cd質(zhì)量比差異梯度設(shè)置相近導(dǎo)致重金屬Cd的毒害作用差距不大，因而并未引發(fā)TNP合成量的顯著差異。另外，研究還發(fā)現(xiàn)同一Cd處理水平下，不同土壤種類間小麥分蘗期葉片中TNP的合成量差異顯著，且相似土壤種類TNP合成量相近。

隨著土壤中Cd污染水平的增加，小麥分蘗期葉片中GSH的質(zhì)量摩爾濃度顯著減少，這與孫琴等[15-16]、覃光球[17]的研究結(jié)果不相同。分析認(rèn)為小麥葉片中GSH的減少可能與其作為PCs的合成底物有關(guān)[3-5]，植物細(xì)胞內(nèi)游離重金屬離子激活PCS后， PCS將以GSH為底物大量合成PCs而螯合細(xì)胞內(nèi)游離的重金屬離子，這一快速發(fā)生的過程可能會導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)GSH的短時(shí)間減少。因此，可以認(rèn)為GSH并不是一種理想的土壤重金屬Cd污染的生化指標(biāo)。

隨著土壤中Cd污染水平的增加，小麥分蘗期葉片中PCs的質(zhì)量摩爾濃度顯著增加，同時(shí)含量占到非蛋白質(zhì)類巰基化合物中的80%左右，這與國內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果一致[16-17]。Cd脅迫的情況下， PCs占到非蛋白質(zhì)類巰基化合物的絕大部分，與TNP十分相似，外源添加重金屬Cd導(dǎo)致小麥葉片中PCs的增加，但低水平與高水平處理差異不明顯。在同一Cd處理水平下，不同土壤種類間小麥分蘗期葉片中PCs的合成量差異巨大，卻存在著相似土壤種類PCs合成量相近的情況，這為開展不同土壤理化性質(zhì)對PCs合成量影響的研究提供相應(yīng)啟示。在數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，TNP與PCs在外源添加重金屬Cd的情況下變化規(guī)律相似，但具體分析18種不同地帶性土壤的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，小麥分蘗期葉片中PCs的合成量在面對土壤重金屬Cd增長時(shí)變化規(guī)律更加一致且顯著，這表明證明PCs相較TNP更適合作為土壤重金屬Cd污染的小麥生化指標(biāo)。

小麥分蘗期中葉片內(nèi)TNP在向PCs轉(zhuǎn)化，并且隨著重金屬污染水平的增加這一轉(zhuǎn)化更加明顯，這與覃光球[17]的研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)樵谥亟饘俦┞断?，非蛋白質(zhì)類巰基化合物中的GSH在PCS的催化下大量合成PCs有關(guān)[3-4]。這一分布比例的變化進(jìn)一步證明PCs與土壤重金屬Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)的相關(guān)性，植物在重金屬暴露環(huán)境中細(xì)胞內(nèi)會大量合成PCs以對抗重金屬Cd的脅迫[3-4]，這也證明PCs作為重金屬Cd污染的生物指示標(biāo)識的可能性。

3.2 土壤理化性質(zhì)與小麥葉片中植物絡(luò)合素合成量關(guān)系

孫琴等[16]發(fā)現(xiàn)，pH可能是通過影響重金屬鎘的生物可利用性進(jìn)而影響植物體內(nèi)PCs的合成量。本研究發(fā)現(xiàn)，18種土壤中小麥PCs的合成量與土壤pH顯著相關(guān)(相關(guān)系數(shù)在-0.729～-0.853)，說明土壤pH對小麥PCs合成量的影響能力。但在同時(shí)進(jìn)行的18種土壤的相關(guān)性分析中，小麥PCs合成量與除去pH性質(zhì)外的其他理化指標(biāo)之間的相關(guān)性表現(xiàn)并不明顯。根據(jù)pH指標(biāo)區(qū)分的9種Cd處理水平，在0～0.6 mg/kg的土壤其小麥PCs的合成量與相應(yīng)理化指標(biāo)呈現(xiàn)顯著相關(guān)，且在2種不同Cd處理水平下，相關(guān)規(guī)律一致。關(guān)于上述試驗(yàn)結(jié)果，分析認(rèn)為：隨著土壤中有效態(tài)磷的增加，小麥PCs的合成量顯著降低，這可能與磷素可以減緩重金屬鎘的生物毒性有關(guān)，增磷可以減緩鎘脅迫的毒性，進(jìn)而降低小麥體內(nèi)的誘導(dǎo)合成量，這與孫琴等[16]的研究結(jié)果一致。隨著土壤中陽離子交換量的升高，小麥PCs的合成量顯著降低，這可能與陽離子交換量對于土壤吸附重金屬Cd有正向作用有關(guān)[18]，陽離子交換量的升高，增強(qiáng)土壤對于重金屬鎘的吸附性，降低小麥對重金屬鎘的可吸收量，進(jìn)一步降低重金屬鎘的生物有效性，從而降低小麥體內(nèi)植物絡(luò)合素的誘導(dǎo)合成量。隨著土壤中游離氧化鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，小麥PCs的合成量顯著增加。這一研究結(jié)論并未找到相應(yīng)或相似的文獻(xiàn)報(bào)道，作者分析認(rèn)為這可能與PCs能夠維持植物細(xì)胞內(nèi)金屬離子的動(dòng)力平衡有關(guān)。作為植物絡(luò)合素的生理功能之一，PCs可以絡(luò)合過量的金屬離子，從而保護(hù)相應(yīng)的敏感酶類[3-4]，同時(shí)作為細(xì)胞內(nèi)金屬離子的一種儲存形式，可以在需要時(shí)釋放相應(yīng)金屬離子以供應(yīng)植物生理需要[3-6]。土壤游離氧化鐵與小麥植物絡(luò)合素呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系正是有可能被小麥大量吸收進(jìn)入體內(nèi)的金屬鐵離子需要一定量的植物絡(luò)合素與其絡(luò)合以達(dá)到小麥細(xì)胞內(nèi)鐵離子的動(dòng)態(tài)平衡，從而土壤游離氧化鐵與小麥體內(nèi)植物絡(luò)合素呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系。

4 結(jié) 論

隨著土壤中重金屬Cd污染水平的增加，小麥分蘗期葉片中PCs的含量顯著增加，且在不同地帶性土壤中增加規(guī)律表現(xiàn)穩(wěn)定，隨Cd質(zhì)量比變化規(guī)律優(yōu)于TNP與GSH。這表明即使重金屬Cd未對小麥植物生物量造成毒害時(shí)，小麥葉片中的PCs對土壤中重金屬Cd的含量反應(yīng)依舊敏感，兩者含量間表現(xiàn)出良好的劑量-效應(yīng)關(guān)系，在細(xì)胞層面上證明可通過檢測小麥葉片中的PCs含量來評價(jià)或預(yù)測農(nóng)田土壤中重金屬Cd的污染情況。面對土壤中重金屬Cd含量增加時(shí)， PCs在TNP中占比增大，這進(jìn)一步證明植物PCs含量與土壤中Cd含量的劑量-效應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步表明PCs是一種高效且敏感的土壤重金屬Cd污染的生物指示劑。土壤種類間復(fù)雜多變的理化性質(zhì)有可能會通過影響土壤重金屬Cd的有效性進(jìn)而影響PCs的合成，且相關(guān)性顯著，這一結(jié)果為將來開展相關(guān)研究提供一定的試驗(yàn)支持。本研究結(jié)果說明在試驗(yàn)設(shè)定范圍內(nèi)可通過檢測植物PCs含量來預(yù)測或評價(jià)土壤重金屬Cd的污染情況。

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(責(zé)任編輯：顧玉蘭 Responsible editor:GU Yulan)

Effect of Lower Level of Cadmium Pollution on Wheat Phytochelatin Synthesis in the Different Soil Types

LIU Heng, Lü Jialong and LIU Ke

(College of Natural Resource and Environment, Northwest A&F University, Yangling Shaanxi 712100, China)

In this study, heavy metal cadmium (Cd) pollution were set through 18 different farmland soil in China, the synthesis of nonprotein thiols (TNP), glutathione (GSH) and the plant phytochelations (PCs) content were determined at wheat tillering stage.Results show that the lower level Cd of soil pollution (Cd mass ratio of 0.3-1.2 mg/kg) led to the significant changes in the amount of wheat’s TNP,GSH and PCs.In particularly, PCs was more sensitive to even lower level of Cd pollution in soil, a significant dose-effect relationship was detected between PCs and Cd.This result demonstrated that there was a significant correlation between PCs synthesis and some soil physical and chemical properties under the soil cadmium pollution, which indicated that the synthesis of PCs in plant may be effected by the complicated unstable physical and chemical properties between soil types.This work further confirmed that heavy metal Cd pollution of soil can be predicted or graded by detecting plant PCs at the range of the experimental setting.

Agricultural soil; Cadmium pollution; Plant phytochelations (PCs); Soil physical and chemical properties

LIU Heng, male, master student.Research area: the evaluation of soil quality.E-mail:294626343@qq.com

Lü Jialong,male,professor,doctoral supervisor.Research area: soil chemistry and environmental chemistry.E-mail: ljll@nwsuaf.edu.cn

2016-05-07

2016-05-11

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(200903015)；國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題(2012BAD15B04)。

劉 衡，男，碩士研究生，主要從事土壤質(zhì)量評價(jià)研究。 E-mail:294626343@qq.com

呂家瓏，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事土壤化學(xué)與環(huán)境化學(xué)教學(xué)和研究。E-mail: ljlll@nwsuaf.edu.cn

日期：2016-12-20

X171.5

A

1004-1389(2017)01-0121-11

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1220.S.20161220.1645.030.html

Received 2016-05-07 Returned 2016-05-11

Foundation item The Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China (No.200903015); the Sci-Tech Project of the “12th 5-Year-Plan” of China (No.2012BAD15B04).