牽牛對重金屬鎘富集能力的研究

賀超，曾永強，楊雨時，王春玲，潘春香*，龐琢

（1.韶關學院英東農業(yè)科學與工程學院，廣東韶關512005；2.呼和浩特市土壤肥料工作站，內蒙古呼和浩特010020）

牽牛對重金屬鎘富集能力的研究

賀超1，曾永強1，楊雨時1，王春玲1，潘春香1*，龐琢2

（1.韶關學院英東農業(yè)科學與工程學院，廣東韶關512005；2.呼和浩特市土壤肥料工作站，內蒙古呼和浩特010020）

以牽牛為材料，采用砂培法展開了不同濃度的鎘對牽牛生長、生物量累積、葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白質及不同器官鎘累積等的研究.結果表明：微量的鎘可以促進牽牛的生長，但濃度過高會抑制牽牛的生長狀況.地上干物率、地下干物率、全株干物率均以3.0 mg/kg時值最大，且與最小值之間差異顯著，葉綠素、葉綠素b含量遠低于對照，隨著鎘濃度升高，葉綠素含量表現(xiàn)先降再升；可溶性糖含量經(jīng)鎘處理后顯著下降，各組處理之間差異極顯著；可溶性蛋白質含量高于對照，呈先增后降趨勢，鎘濃度1.0 mg/kg時達最大值；牽牛各器官鎘含量隨著鎘濃度增大而基本呈升高趨勢，全株鎘含量以4.0 mg/kg時高達2 180 ug/g，地上部鎘含量高達1 010 ug/g，運轉系數(shù)0.86，各器官重金屬鎘含量的分布情況為根＞莖＞葉片.說明牽牛花不僅對鎘有較強的耐性，而且具有較強的鎘富集能力和運轉能力，在鎘污染地區(qū)有廣闊的應用價值.

鎘；牽牛；富集能力

鎘作為重金屬中毒性和遷移性最強的一種，會對人類及動植物的健康造成極大的威脅［1］.有研究者認為從花卉中篩選修復植物是完全可行的［2］.利用花卉植物進行修復土壤重金屬污染，不僅能夠美化環(huán)境，而且不會進入食物鏈，不會對人體健康造成危害.因此，利用花卉植物修復土壤重金屬污染的研究也逐漸引起了科學界的重視.吳桐等對矮牽牛等19種花卉植物對鉛的富集特征進行了研究［3］.結果表明：供試花卉植物在試驗的鉛脅迫水平下都具有較強的耐性.牽牛（Pharbitis nil（L.）Choisy）是一種我國南北方廣泛種植的草本花卉，其來源廣泛、易于種植、便于推廣之優(yōu)點使其具有著廣闊的應用前景.本試驗選用紅花牽牛作為研究對象，研究在重金屬鎘的單一條件影響下牽牛各個生理部位對鎘的吸附能力以及耐性.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

實驗材料為網(wǎng)購的優(yōu)良紅花牽?；ɑ芊N子.

1.2 實驗設計

為了排除土壤中固有元素對實驗的影響，實驗采用砂培盆栽進行.設置重金屬鎘濃度分別為0.0 mg/kg（CK）、0.5 mg/kg、1.0 mg/kg、2.0 mg/kg、3.0 mg/kg、4.0 mg/kg 6個處理.將各處理濃度定期加入營養(yǎng)液中，與營養(yǎng)液一同加入到植物盆栽中，最后分析植物（根、莖、葉）重金屬的含量，進而分析其耐受性和富集性.試驗于2015年10月至2016年3月在韶關學院英東農業(yè)科學與工程學院試驗大棚中進行.

1.3 實驗步驟

2015年10月2日，選擇種子飽滿，大小相近的牽牛種子播種到花盆中（口徑15 cm，高20 cm，每盆播種8粒種子），植株約2片真葉時定苗，每盆留4株，2015年12月2日，將所有盆栽牽?；ㄆ骄殖?組進行培養(yǎng).苗高約15 cm左右時開始按照設置的6個處理進行重金屬鎘處理，每次處理量為100 mL（用100 mL燒杯注入花盆中），之后每3 d處理一次，連續(xù)處理6次.為了讓植物更好地吸收水分、養(yǎng)分和重金屬，將每組花盆放置在71 cm×45 cm×17cm的塑料箱中.營養(yǎng)液配方選用日本園試通用配方，牽?；ǖ?片真葉之前采用0.5倍配方，真葉長出之后用標準日本園式配方.

2016年1月20日對牽牛的株高、葉片數(shù)、葉長、葉寬、根長、地上和地下部分的鮮重和干重等進行了測量.在2016年1月21日開始進行牽?；ǜ?、莖、葉的生理指標及重金屬鎘含量的測定.

1.4 測定方法及統(tǒng)計分析

1.4.1 生理指標的測定

葉綠素含量測定采用比色法［4］；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法［5］；可溶性蛋白質含量測定采用考馬斯亮藍G-250法［5］；重金屬鎘的測定采用石墨爐原子吸收分光光度法［6］.

1.4.2 統(tǒng)計分析

實驗所得數(shù)據(jù)均采用SPSS 22.0軟件包進行方差分析，用Duncan’s新復極差法進行平均數(shù)的顯著檢驗［7］.

2 結果與分析

2.1不同重金屬鎘濃度處理后牽牛外部形態(tài)的變化

牽牛株高、葉片數(shù)和葉寬均以鎘濃度為0.5 mg/㎏時值最大，但除葉片數(shù)和葉寬在0.5 mg/㎏與4.0 mg/㎏兩個處理之間差異顯著外，其余各處理之間差異均不顯著.可見，鎘濃度在0.5 mg/㎏下，可以促進牽牛植株生長，而當濃度達到1.0 mg/㎏之后，隨著鎘濃度的增加，逐漸抑制牽牛的生長.葉寬和根長均以CK值最大，且根長的CK與2.0 mg/㎏、3.0 mg/㎏、4.0 mg/㎏之間差異極顯著，0.5 mg/㎏處理與1.0 mg/㎏、2.0 mg/㎏、3.0 mg/㎏、4.0 mg/㎏之間差異顯著.說明重金屬鎘對牽牛的根系生長發(fā)育有明顯的抑制作用.而對葉長的影響較小，各處理之間差異不顯著（見表1）.

表1 不同鎘濃度處理后牽牛外部形態(tài)的變化

2.2 不同重金屬鎘濃度處理后牽牛生物量的變化

不同重金屬鎘濃度處理后牽牛的地上鮮重、地上干重和全株干重均以CK值最大，但只有地上干重的CK與1.0 mg/kg處理之間差異顯著，其它各處理之間差異均不顯著；地下鮮重、地下干重和全株鮮重均以0.5 mg/kg值最大，但各處理間差異均不顯著；地上干物率、地下干物率和全株干物率均以3.0 mg/kg值最大，只有全株干物率3.0 mg/kg與1.0 mg/kg之間差異顯著，其余各處理間差異均不顯著（見表2）.說明，重金屬鎘處理對牽牛的生物量影響較小，而從另一個角度說明，牽牛對重金屬鎘脅迫有較強的抗性.

2.3 不同重金屬鎘濃度處理后牽牛各生理指標的變化

葉綠素a、葉綠素b以及葉綠素總量均以CK值最大，且均隨著鎘濃度增而呈顯著含量下降趨勢.其中CK的葉綠素a和總葉綠素含量與各種鎘濃度處理之間差異達極顯著水平，葉綠素b為CK和0.5 mg/kg與3.0 mg/kg處理之間差異極顯著（見表3）.可見，即使微量的重金屬鎘即可植物光合作用起到抑制作用.

表2 在不同重金屬鎘含量下牽牛生物量的變化

可溶性糖含量以CK值最高，且基本呈隨著鎘濃度增大呈先下降（2.0 mg/kg時下降到最低值，之后又開始上升）再升高趨勢.各組處理之間差異達極顯著水平.可溶性蛋白質含量以1.0 mg/kg值最大，之后隨著鎘濃度升高而呈下降趨勢.1.0 mg/㎏處理與其它處理間差異達極顯著水平，CK與最高濃度4.0 mg/kg含量最低，二者之間差異不顯著，但其它處理與二者之間差異達極顯著水平（見表3）.

表3 不同重金屬鎘濃度處理后牽牛生理指標的變化

2.4 不同重金屬鎘濃度處理后牽牛各器官鎘含量的變化

由表4可見，重金屬鎘在牽牛根、莖、葉各器官中的分布均呈現(xiàn)隨著鎘濃度增大先升高（2.0 mg/kg開始下降）再下降再升高的趨勢，且各處理之間差異均達顯著、甚至極顯著水平.其中根中以2.0 mg/kg、3.0 mg/kg值最大，二者與CK、0.5 mg/kg和1.0 mg/kg三個處理之間差異極顯著，4.0 mg/kg與CK和0.5 mg/kg之間差異極顯著，CK、0.50 mg/kg和1.0 mg/kg三者之間差異極顯著.表明，牽?；▽χ亟饘冁k的積累能力較強.莖中鎘含量以4.0 mg/kg時最高，CK、0.5 mg/kg、1.0 mg/kg和3.0 mg/kg四個處理之間差異極顯著；2.0 mg/kg與CK、0.50 mg/kg和1.0 mg/kg三者之間差異極顯著.葉片以2.0 mg/kg值最大，CK、0.5 mg/kg、1.0 mg/kg和3.0 mg/kg四個處理之間差異極顯著.

表4 在不同重金屬鎘含量對牽牛個生理部位鎘含量的變化

總之，牽牛各器官鎘含量隨著鎘濃度增大而基本呈升高趨勢，全株鎘含量以4.0 mg/kg時高達2 180 ug/g，地上部鎘含量高達1 010 ug/g，運轉系數(shù)（S/R）值（地上部鎘含量與地下部鎘含量之比）0.86，各器官重金屬鎘含量的分布情況為根＞莖＞葉片.說明，牽牛不僅對鎘有較強的耐性，而且具有較強的鎘富集能力和運轉能力.

3 結論與討論

3.1 不同鎘濃度處理對牽牛生長的影響

有研究表明，低濃度鎘對茴香的生長及生物量有促進作用，但高濃度的鎘則會顯著影響其生長和生物量的累積［8］.在薄荷上的研究表明，所有鎘濃度處理下，薄荷的株高均低于對照［9］.本實驗的結果與前者結論一致，即微量的鎘含量可以促進牽牛的生長，但是濃度過高會抑制牽牛的生長.鎘濃度在0.5 mg/kg下，促進牽牛植株生長，表現(xiàn)為株高、葉片數(shù)和葉寬都表現(xiàn)值最大，而當濃度達到1.0 mg/kg之后，隨著鎘濃度的增加，逐漸抑制牽牛的生長.鎘濃度對牽牛地上、地下部鮮重和干重影響不大，各處理間差異不明顯，但地上干物率、地下干物率、全株干物率均以3.0 mg/L時值最大，且與最小值之間差異顯著，說明該濃度有利于干物質的積累.

3.2 不同鎘濃度處理對牽牛生理指標的影響

鎘脅迫下，各組處理的葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量顯著低于CK，且隨著鎘濃度升高呈逐漸降低趨勢，但當鎘濃度達到4.0 mg/kg時，葉綠素含量出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，但同樣遠低于對照.何梨香等人在圓葉決明上的研究也得出類似結果，鎘脅迫抑制圓葉決明葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的合成，鎘濃度升高，葉綠素含量逐漸降低，處理之間達顯著差異水平［10］.

大麥根內可溶性糖含量對重金屬的脅迫非常敏感，在較低濃度下其含量就有明顯下降［11］，李春榮在烤煙葉片中Cd2+、Ni2+、Pb2+、Hg2+處理后可溶性糖含量大幅下降［12］.本研究結果為可溶性糖含量以CK值最高，且基本呈隨著鎘濃度增大呈先下降（2.0 mg/kg時下降到最低值）再升高趨勢.可能是由于重金屬破壞了牽牛的光合作用系統(tǒng)，造成了體內不溶性糖和蛋白質的分解以及運輸受阻有關［13］.但肖艷輝等在薄荷上的實驗卻得出相反結論，表現(xiàn)為隨著鎘濃度升高，可溶性糖含量上升，在5 mg/L時達到了最大值［19］.不同研究材料得出截然不同的研究結果，可能與研究材料、取樣時期有關.因此，關于在重金屬脅迫下植物可溶性糖含量的變化還有待于進一步深入研究.

粗梗水蕨葉中蛋白質含量隨著Cd2+濃度的升高而降低，重金屬處理下葉蛋白含量都低于對照組［14］，表明升高的Cd2+離子抑制了植物的生理生化過程，降低了蛋白質的合成速度.本實驗得出了相反的結論，重金屬鎘處理的牽牛根、莖、葉及全株可溶性蛋白質含量都高于對照，但呈增后降趨勢，鎘濃度1.0 mg/kg時達最大值.分析其原因可能是，重金屬鎘在進入牽牛體內后，牽牛產生了對重金屬鎘的特異性抗體，抗體多為蛋白質，因此蛋白質含量會在鎘濃度為4.0 mg/kg時都會高于對照.然而，重金屬鎘對于植物是微量元素，大量重金屬鎘存在于牽?；ǖ捏w內，會影響到牽牛的生理代謝，對重金屬鎘的抗體在增加，但其他蛋白質受到重金屬鎘的影響，含量隨著鎘濃度的增加而逐漸減少，導致在鎘濃度達到1.0 mg/kg時出現(xiàn)峰值.

3.3 不同鎘濃度處理后牽牛各各器官鎘含量的分布

有研究表明，在重金屬離子濃度較低（20 mg/kg）條件下，牽牛的富集能力順序為Cd2+＞Cr6+＞Hg2+，轉運能力∶Cr6+＞Cd2+＞Hg2+；而在重金屬離子濃度較高（50 mg/kg）條件下，牽牛的富集能力順序為Cr6+＞Hg2+＞Cd2+，轉運能力∶Cr6+＞Cd2+＞Hg2+［15］.本研究也得出了類似的結果，牽牛各器官鎘含量隨著鎘濃度增大而基本呈升高趨勢，全株鎘含量以4.0 mg/kg時高達2 180 ug/g，地上部鎘含量高達1 010 ug/g，運轉系數(shù)（S/R）值為0.86，各器官重金屬鎘含量的分布情況為根＞莖＞葉片.說明，牽?；ú粌H對鎘有較強的耐性，而且具有較強的鎘富集能力和運轉能力，在鎘污染地區(qū)有廣闊的應用價值.

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Research on the Tolerability ofPharbitis nilto the Heavy Metal Cadmium

HE Chao1，ZENG Yong-qiang1，YANG Yu-shi1，WANG Chun-ling1，PAN Chun-xiang1*，PANG Zhuo2
（1.Yingdong College of Agricultural Science and Engineering，Shaoguan University，Shaoguan 512005，Guangdong，China；2.Soil and Fertilizer Workstation Hohhot，Hohhot 010020，Inner Mongolia,China）

This experiment adopted the Pharbitis nil as research material，and it applied the sandy culture method to study the effects of Cd concentration on the Pharbitis nil’s growth，contents of biomass，chlorophyll，carotenoid，soluble sugar，soluble protein and the Cd accumulations in different organs.The results showed that∶a small amount of Cd concentration could promote the Pharbitis nil’s growth，but the growth may be harmed with excessive Cd concentration.However，the above-ground dry weight，under-ground dry weight and total plant dry weight all reached the highest when the Cd concentration was 3.0mg/kg，and the difference between the maximum value and minimum value was significant；contents of chlorophyll a，chlorophyll b and carotenoid were all much lower than the control group，and the chlorophyll showed the trend of decreasing first and then of increasing with the improvement of Cd concentration；the soluble sugar contents in the whole plant showed significant decrease after Cd treatment，and difference between each treatment groups were very significant，and the differences among root，stem and leaf were significant；the soluble protein contents in the root，stem，leaf and the whole plant were all higher than the control group，the contents showed the trend of increasing first and then of decreasing，which reached the highest when the Cd concentration was 1.0 mg/kg；the Cd contents in different organs of Pharbitis nil showed the trend of increasing with the improvement of Cd concentration，and the Cd contents in the whole plant reached 2 180 ug/g and that in the above-ground part reached 1010ug/g under the concentration of 4.0 mg/kg，and the stream factor was 0.86.Cd concentrations in different organs were∶root＞stem＞leaf，which illustrated that the Pharbitis nil not only had strong tolerance to Cd，but also had strong Cd enrichment and running ability，which shall have wide application value in the Cd polluted area.

heavy metal cadmium；Pharbitis nil；enrichment

X173

A

1007-5348（2017）06-0059-05

（責任編輯：邵曉軍）

2017-03-20

內蒙古自治區(qū)科技計劃項目（201502052）；廣東省大學生創(chuàng)新訓練計劃建設項目（201410576030）.

賀超（1994-），男，貴州貴陽人，韶關學院英東農業(yè)科學與工程學院學生；研究方向：園藝植物栽培.*通訊作者.