高低鎘積累棉花品種生理生化特性研究

歐陽燕莎，劉愛玉，李瑞蓮，劉浩然

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 棉花研究所，湖南 長沙 410128)

目前，隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，環(huán)境受到污染的程度越來越嚴(yán)重，已成為國內(nèi)外普遍關(guān)注的環(huán)境問題之一[1]。土壤重金屬污染一直都是嚴(yán)峻的問題，植物在重金屬污染的土壤中會(huì)富集重金屬，進(jìn)而通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康，因此，土壤污染越來越受到國內(nèi)外各學(xué)者的重視[2]。

植物清除重金屬毒害的重要成分可能是植株內(nèi)的谷胱甘肽(GSH)、非蛋白巰基(NPT)、金屬硫蛋白(MT)和植物螯合肽(PCs)等含巰基類化合物，在一定水平上能使植株對逆境的耐受能力提高[3]。有研究報(bào)道，GSH 和 Cys 在非超積累植物對重金屬的耐性中起著重要的作用[4]。另有研究顯示，螯合金屬離子是植株體內(nèi)細(xì)胞消除其毒害的重要途徑之一，其機(jī)理主要是通過金屬硫蛋白(Metallothionein，MT)和植物螯合肽(Phytochelatins，PCs) 與重金屬離子結(jié)合，形成硫肽復(fù)合物達(dá)到使游離態(tài)金屬離子濃度降低的目的，因而使植物對金屬的耐受能力得到提高[5]。然而鎘脅迫下對棉苗植株各器官含巰基類物質(zhì)的影響卻鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇鎘低積累品種(單16)和鎘高積累品種(11-20)為研究對象，研究不同鎘濃度下棉苗各器官中GSH、NPT、PCs和MT含量，初步探索棉苗含巰基肽類物質(zhì)的含量變化，為修復(fù)植物的選育提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料和方法

試驗(yàn)于2016年在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)科研基地進(jìn)行，育苗池位于大棚內(nèi)。

1.1 試驗(yàn)材料

前期試驗(yàn)篩選出的鎘低積累品種(單16)和鎘高積累品種(11-20)均由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

采用漂浮育苗方式進(jìn)行，選取飽滿均一的棉花種子，播種于填滿基質(zhì)的育苗盤中，放入裝有營養(yǎng)液的塑料盆中，待幼苗長出2片真葉后，挑選長勢一致的幼苗放入裝有CdCl2的塑料盆中，使?fàn)I養(yǎng)液中的鎘濃度達(dá)到所設(shè)置的濃度。設(shè)3個(gè)鎘濃度處理，分別為0(CK)，150，300 μmol/L。先配制成1 mol/L的CdCl2溶液，在育苗池加入等量自來水，再按設(shè)計(jì)濃度加入相應(yīng)量的CdCl2溶液，使育苗營養(yǎng)液Cd濃度達(dá)到所設(shè)置濃度，隔6 d換一次水溶液，期間定期使水溶液保持在同一水平。

1.3 取樣測定

取樣：四葉一心時(shí)進(jìn)行一次性取樣，取各處理的棉花幼苗用去離子水沖洗干凈，再用20 mmol/L Na2-EDTA 浸泡15 min，去除植物根系吸附的鎘，自來水沖洗3次，最后用去離子水潤洗，吸干表面水分，分成根、莖、葉3個(gè)部分，保存于-20 ℃冰箱內(nèi)備用。

非蛋白巰基(NPT)：采用DTNB法測定[6]；谷胱甘肽(GSH)：采用DTNB法測定[7]；采用差減法計(jì)算[8]：植物螯合肽(PCs)含量(PCs)=NPT總量-GSH含量；金屬硫蛋白(MT)：采用DTNB法測定[9-10]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用Excel 2013和SPSS等軟件作統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 非蛋白巰基含量變化

在根中，與對照相比，無論是鎘低積累品種單16還是高積累品種11-20，隨著鎘處理濃度提高，棉苗根中NPT含量(以鮮質(zhì)量計(jì))提高。在150 μmol/L鎘處理時(shí)，單16和11-20這2個(gè)品種與各自對照相比，根中NPT含量分別增加了37.55%和7.07%；在300 μmol/L鎘處理時(shí)，與各自對照相比，單16和11-20這2個(gè)品種棉苗根部NPT含量分別增加了45.75%和29.20%。單16根中NPT含量顯著高于11-20(圖1)。根作為植物生長的重要組織器官，且首先接觸重金屬離子，高鎘濃度處理下，根中合成更多的巰基物質(zhì)與鎘絡(luò)合，達(dá)到緩解對植物根系的毒害目的，以使其正常生長[11]。11-20根NPT增加幅度差異大于單16，可能是鎘低積累品種耐鎘的原因之一。

同一鎘濃度小寫字母不同者表示品種間在0.05水平上顯著。圖2-12同。Different low letters at each Cd treatment indicate the significant difference between varieties at P<0.05.The same as Fig.2-12．

單16和11-20棉苗莖內(nèi)NPT含量(以鮮質(zhì)量計(jì))均以150 μmol/L鎘處理最高(圖2)。均在150 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16和11-20莖中NPT含量分別增加了12.73%和18.34%；在300 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16和11-20莖NPT含量分別增加了9.75%和12.65%。兩品種莖中NPT含量在高濃度(300 μmol/L)處理較低濃度(150 μmol/L)鎘處理均略有下降。這可能是在鎘脅迫下棉苗啟動(dòng)自身防御機(jī)制，重金屬誘導(dǎo)植株合成NPT，并與Cd2+螯合形成硫肽復(fù)合物，形成細(xì)胞區(qū)室化[11]。但整體表現(xiàn)為11-20莖NPT含量高于單16，說明高積累品種合成更多的含琉基的物質(zhì)與鎘絡(luò)合，解毒能力較低積累品種強(qiáng)，因此能吸收更多的鎘。

圖2 Cd處理棉苗莖中NPT含量Fig.2 NPT content in cotton seedling stem under Cd treatment

棉苗葉中NPT含量(以鮮質(zhì)量計(jì))在0 μmol/L鎘處理下兩品種無顯著差異；低隔積累品種單16在150 μmol/L鎘處理下顯著低于11-20，而在300 μmol/L鎘處理下則顯著高于11-20，但在2種濃度下均高于各自對照(圖3)。在150 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16和11-20葉NPT含量分別增加了36.33%和34.9%；在300 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16和11-20葉NPT含量分別增加了40.67%和28.18%。

圖3 Cd處理棉苗葉中NPT含量Fig.3 NPT content in cotton seedling leaf under Cd treatment

由圖1-3可以看出，鎘處理濃度由150 μmol/L提高到300 μmol/L時(shí)，兩品種根中NPT含量增加，莖中NPT含量略有下降，而在葉片中的NPT含量，表現(xiàn)為單16略增加，11-20略降低。NPT含量在各器官的分配表現(xiàn)為根>莖>葉，其對鎘的解毒亦相應(yīng)成正比。

2.2 谷胱甘肽含量變化

如圖4所示，棉苗根中GSH含量(以鮮質(zhì)量計(jì))均隨著鎘濃度的增加先升高后下降。棉苗根中谷胱甘肽含量在150 μmol/L鎘處理下達(dá)到最大，單16和11-20根GSH含量與各自對照相比分別約上升6.61%和11.71%；在300 μmol/L鎘處理下GSH含量降低，與對照相比，單16和11-20根GSH含量分別下降了約0.66%和4.81%。

如圖5所示，棉苗莖中GSH含量(以鮮質(zhì)量計(jì))均呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢，11-20莖GSH含量高于單16。在150 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16和11-20莖GSH含量分別約降低9.87%，14.10%；在300 μmol/L鎘處理下，與對照相比，單16和11-20莖GSH含量分別上升了約1.30%和15.36%。

圖4 Cd處理棉苗根中GSH含量Fig.4 GSH content in cotton seedling root under Cd treatment

圖5 Cd處理棉苗莖中GSH含量Fig.5 GSH content in cotton seedling stem under Cd treatment

在150 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16葉中GSH含量(以鮮質(zhì)量計(jì))約降低33.56%，11-20增加了25.02%；在300 μmol/L鎘處理下，與對照相比，單16和11-20葉GSH含量分別約降低6.46%和8.86%。單16葉GSH含量先下降再上升，11-20葉GSH含量則先上升后下降。這可能是由于鎘低積累品種中GSH被用于合成了PCs，后又隨著濃度的增加使得GSH增加(圖6)。

圖6 Cd處理棉苗葉中GSH含量Fig.6 GSH content in cotton seedling leaf under Cd treatment

2.3 植物螯合肽含量變化

如圖7所示，兩棉花品種根中PCs含量(以鮮質(zhì)量計(jì))均隨著鎘濃度的增加而增加。在150 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16和11-20分別約上升38.8%，3.96%；在300 μmol/L鎘處理下，單16和11-20分別約上升49.34%，11.95%。鎘脅迫下，11-20根中PCs含量顯著低于單16。

圖7 Cd處理棉苗根的PCs含量Fig.7 PCs content in cotton seedling root under Cd treatment

如圖8所示，棉苗莖中PCs含量(以鮮質(zhì)量計(jì))變化同根相似，與對照相比，均隨著鎘濃度的增加而增加，11-20根中PCs含量顯著高于單16。在150 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16和11-20分別約上升14.95%和39.07%；在300 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16和11-20分別約上升17.07%和28.49%。

圖8 Cd處理棉苗莖的PCs含量Fig.8 PCs content in cotton seedling stem under Cd treatment

如圖9所示，棉苗葉中PCs含量(以鮮質(zhì)量計(jì))隨著鎘濃度的增加先增加，后趨于平緩，11-20根中PCs含量顯著低于單16。在150 μmol/L鎘處理下，與各自對照相比，單16和11-20分別約上升50.69%，36.51%；在300 μmol/L鎘處理下，單16和11-20分別約上升50.79%和33.78%。棉苗各器官PCs合成量分布表現(xiàn)為根>莖>葉。

圖9 Cd處理棉苗葉的PCs含量Fig.9 PCs content in cotton seedling leaf under Cd treatment

2.4 金屬硫蛋白含量變化

由圖10-12可知，隨著鎘濃度的增加，棉苗根、莖和葉中MT含量(以鮮質(zhì)量計(jì))增加，且品種間差異顯著。棉苗根中，與對照相比，單16和11-20分別增加6.42%，10.22%(150 μmol/L鎘處理下)和9.93%，16.88%(300 μmol/L鎘處理下)。棉苗莖中，與對照相比，單16和11-20分別增加15.24%，25.8%(150 μmol/L鎘處理下)和2.91%，15.91%(300 μmol/L鎘處理下)。棉苗葉中，與對照相比，單16和11-20分別增加4.56%，16.92%(150 μmol/L鎘處理下)和5.34%，16.61%(300 μmol/L鎘處理下)?？梢娸^高濃度(300 μmol/L)處理可誘導(dǎo)MT合成量增加，且表現(xiàn)為葉>莖>根。

圖10 Cd處理棉苗根MT含量Fig.10 MT content in cotton seedling root under Cd treatment

圖11 Cd處理棉苗莖的MT含量Fig.11 MT content in cotton seedling stem under Cd treatment

圖12 Cd處理棉苗葉的MT含量Fig.12 MT content in cotton seedling leaf under Cd treatment

3 討論

非蛋白巰基等含硫化合物在非超積累植物對重金屬的耐性中起著重要的作用[12-13]。植物體內(nèi)含巰基肽類物質(zhì)含量的產(chǎn)生與重金屬的濃度有關(guān)。本研究結(jié)果顯示，Cd處理提高了棉苗根、莖和葉中NPT含量，根中NPT含量11-20顯著低于單16，與黃志亮[14]研究結(jié)果類似，莖中NPT含量11-20顯著高于單16，葉中NPT含量在鎘處理濃度由150 μmol/L提高到300 μmol/L，表現(xiàn)為單16略增加，11-20略降低。棉苗根中GSH含量表現(xiàn)為先增后減，莖中則表現(xiàn)為先減后增，均為11-20品種GSH含量高于單16，葉片則沒有一定規(guī)律性。棉苗各器官中PCs含量隨著鎘濃度的增加而增加。棉苗根和葉中PCs含量均為單16顯著高于11-20，莖中PCs含量則相反。11-20和單16棉花品種 NPT、PCs 和 GSH 含量均高于地上部，可能由于根系是最先接觸或受到Cd2+脅迫的植物器官；隨著時(shí)間延長，植物往上運(yùn)輸重金屬離子，因此，根系誘導(dǎo)合成巰基類化合物早于地上部合成，積累量相應(yīng)的高于地上部，這與何嬌、吳惠芳等[11,15]的研究結(jié)果相似。2個(gè)棉花品種NPT、PCs 和 GSH 含量均表現(xiàn)為根>莖>葉，這被認(rèn)為是Cd2+脅迫下PCs在根部大量積累，與Stolt等[16]的研究相一致。此外，有些研究表明，含巰基化合物在植株體內(nèi)對重金屬不但具有重要的解毒作用，并且還具有促進(jìn)Cd從根系向地上部長距離輸送的功能[17-18]。這也許是鎘高積累棉花品種鎘積累量較高的原因之一。

有研究從已純化的MT蛋白序列結(jié)合基因分析，證實(shí)MT基因可編碼蛋白[19]。在一般情況下，根系中主要表達(dá)的是MT1基因，而葉中RNA水平較高的是MT2和MT3，MT4基因(包括小麥Ec)在種子中轉(zhuǎn)錄表達(dá)[19]。本研究結(jié)果表明，棉苗MT含量隨著鎘濃度的增加而增加，可見較高濃度的鎘(300 μmol/L)處理可誘導(dǎo)MT合成量增加，且表現(xiàn)為葉>莖>根，這與Singh等[20]研究不一致。何嬌等[11]、吳惠芳等[15]研究結(jié)果表明，根系MT 含量高于地上部。這可能是由于不同重金屬所誘導(dǎo)的MT基因不同所致，鎘誘導(dǎo)葉中的MT基因表達(dá)，大量合成MT。

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