金盞菊對重金屬Zn的生理響應及累積性研究

龐 琢，潘春香，王佳豪

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

Zn是植物、動物和人體生命活動不可或缺的微量元素，但過量攝入Zn會刺激胃腸道，損傷免疫功能，引起人體健康問題［1］.植物修復重金屬污染土壤技術因其治理成本低、污染少，操作簡單便捷和不破壞土壤原本組成和結構等優(yōu)點而成為當前研究和開發(fā)熱點.已報道的重金屬Zn超累積植物有18種，如十字花科遏藍菜屬的天藍遏藍菜（Thlaspi carulescens L.）對Zn的累積量達到51 600 mg/kg［2］；野菊花、蕁麻、白蘇、銀柳、香根草等對Zn富集系數(shù)較高，根系運轉系數(shù)均大于1，耐受性強，且生物量大、適應性強［3］.白菜、垂盆草及蘿卜［4］、黑麥草［5］、木麻黃、小葉桉［6］、蜈蚣草［7］、東南景天（Sedum alfredii Hance）［8］等對Zn有較強的富集性.花卉植物作為修復重金屬污染土壤的材料，不僅不會進入食物鏈而危害人體健康，還可美化環(huán)境、愉悅心情，近年來備受關注.金盞花（Calendula officinalis L.）由于生物量大、生長迅速、管理簡單、適應性和觀賞性強，在我國南北方廣泛種植.如果該植物對重金屬有較強的耐性，將有利于在全國各地迅速推廣.本試驗采用盆栽砂培法展開了金盞菊對重金屬Zn的生理響應及累積性的研究，旨在明確金盞菊對重金屬Zn的耐受性，同時也為植物修復重金屬污染土壤研究提供參考.

1 材料和方法

1.1 試驗時間、地點

試驗于2015年9月至2016年1月在韶關學院英東樓C座天臺的大棚內進行.為了排除土壤中固有元素，采用砂培盆栽進行試驗.

1.2 試驗材料

試驗以金盞菊為供試材料.

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計

將不同Zn濃度的溶液定期定量加入營養(yǎng)液中，與營養(yǎng)液一同加到種植金盞菊的盆中，最后分析植物體內重金屬的含量，進而分析其耐受性.Zn濃度確定參照GB 15618-2008《土壤環(huán)境質量標準》和農業(yè)用地 pH 值劃分，200 mg/kg（pH5.5～6.5）為依據(jù)分別設 150 mg/kg（1 號）、200 mg/kg（2 號）、250 mg/kg（3 號）、300 mg/kg（4 號）4 個濃度梯度，對應換算的 ZnSO4·7H2O 濃度分別為 791.69 mg/kg，967.62 mg/kg，1 143.55 mg/kg和 1 319.48 mg/kg；0 mg/kg為對照（CK）.1.3.2實驗材料的管理及重金屬Zn處理

選擇外形飽滿，大小相近的金盞菊種子進行催芽，待發(fā)芽后每盆（上口徑180 mm×下口徑130 mm×高160 mm）播種8粒種子進行育苗；待植株長至4片真葉時定苗，每盆留5株，3次重復.為了避免營養(yǎng)液和Zn溶液滲漏到地面，將花盆置于底部防滲漏的塑料箱中（長71 cm×寬64 cm×高18 cm），每箱放置6盆.基礎營養(yǎng)液采用日本園試通用配方，濃度為1個劑量，每次每盆50 ml，每隔2～3 d灌一次.

2015年12月17日開始進行重金屬Zn處理，每盆每次50 ml Zn溶液，每2～3 d處理一次，共處理5次；2016年1月7日開始分析測定各項指標.1.3.3測定項目與方法

（1）形態(tài)指標和生物量的測定

每處理隨機取樣10株，測定其株高、葉片數(shù)、黃葉落葉數(shù)、最大葉長、最大葉寬、根長、地上部和根系的鮮重和干重等.

（2）生理指標的測定

葉綠素、類胡蘿卜素含量測定采用比色法［9］，可溶性蛋白質含量采用考馬斯亮藍G-250法［7］，可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法［10］.

（3）重金屬 Zn的測定

取植物干樣品0.500 g，加入消化管中，用硝酸∶高氯酸=4∶1的比例配制成混酸，取10 ml混酸加入到植物干樣品中，將消化管放入消化爐中進行消化，消化成淡黃色或透明的液體至2 ml左右，靜止，用濾紙進行過濾后定容到50 ml的容量瓶中，用原子吸收分光光度計測定［11］.

（4）統(tǒng)計分析

所得數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0軟件包進行方差分析，用Duncan新復極差法進行平均數(shù)的顯著檢驗.

2 結果與分析

2.1 不同濃度重金屬Zn處理后金盞菊植株生長的變化

由表1可見，1號處理的株高、莖粗、葉片縱徑、葉片橫徑、葉片數(shù)及根長均高于CK和其余處理組，其中莖粗達到了極顯著水平，根長達到了顯著水平，其它指標不顯著.

表1 不同濃度重金屬Zn處理后金盞菊生長情況

2.2 不同濃度重金屬Zn處理后金盞菊生物量的變化

由表2可見，1號處理的金盞菊的根系和地上部的鮮重、干重以及干物率均超過了CK和其余處理組，且除CK地上部和4號根系的干物率外，與其它處理間差異顯著.其中地上部鮮重為1號、CK與其余處理差異極顯著，2號、3號與CK、4號差異極顯著，3號與2號、4號之間差異極顯著；地上部干重為1號與CK、其余處理之間，3號與2號、4號之間差異極顯著，3號與CK之間差異顯著；地上部干物率為1號與其余各處理差異顯著，CK與2號差異極顯著，與3號、4號差異顯著；根系鮮重為1號與其余處理間顯著，其余各處理間差異不顯著；根系干重為1號與其它處理差異顯著，其余各處理間差異不顯著；根系干物率為1號與其它處理差異顯著，其它各處理間差異不顯著.

表2 不同濃度重金屬Zn處理后金盞菊生物量的變化

2.3 在不同濃度重金屬Zn處理下金盞菊生理指標的變化

由表3可見，1號金盞菊的葉綠素、地上部和根系的可溶性糖、可溶性蛋白質含量均居第一，且基本呈隨著Zn濃度的增大而呈提高的趨勢.葉綠素的1號、4號與CK、3號之間差異顯著；地上部可溶性糖為1號與2號、3號和4號處理之間差異極顯著；根系可溶性糖為1號與CK、3號、4號處理間差異極顯著，其它處理間差異顯著；地上部可溶性蛋白質各處理間差異均極顯著；根系可溶性蛋白質為1號、CK和3號與2號、4號間差異顯著.

表3 不同濃度重金屬Zn處理后金盞菊各生理指標變化

2.4 不同濃度Zn處理后對金盞菊植株體內Zn含量的變化

由表4可見，各處理的金盞菊植株地上部和根系Zn含量均超過了CK，并隨Zn濃度的增大呈直線上升趨勢，且根系Zn含量明顯高于地上部，各處理組與CK之間差異均極顯著.其中4號與其余處理間差異極顯著，3號、2號與1號處理間差異極顯著.Zn運轉系數(shù)，即地上部Zn含量與根系Zn含量比值（S/R）均低于1，且均低于CK，CK的植株體內仍有Zn積累，是由于營養(yǎng)液中含有Zn元素.

表4 不同濃度重金屬Zn處理后金盞菊體內Zn含量變化

3 結論與討論

3.1 不同濃度重金屬Zn處理對金盞菊植株生長的影響

Zn在植物體內的生理作用主要表現(xiàn)在3個方面：參與組成植物體內重要的結構物質成分；是植物生命活動的調節(jié)劑參與各種酶的活動，影響植物的代謝；起電化學作用，參與滲透調節(jié)、膠體的穩(wěn)定和電荷中和等［12］.因此，適量的Zn能夠促進植物的生長發(fā)育，但過量植物生長會受阻.本試驗結果為150 mg/kg時，金盞菊株高、莖粗、葉片數(shù)、地上和根系的鮮重、干重均達到了最大值，之后隨著濃度增大，生長明顯受到抑制，與丁海東等［13］在番茄上的研究、金新文等［14］在西葫蘆上的研究、努扎艾提·艾比布等［15］在香根草上的研究和李翠等［16］在大油芒的研究結果基本一致.但努扎艾提·艾比布等［15］的研究結果顯示，當Zn濃度為5 mg/L時促進香根草生物量的累積，20 mg/L濃度時，香根草生物量積累開始下降［15］.但努扎艾提·艾比布等［15］的研那么是金盞菊對Zn的耐受性強于香根草？還是因兩個試驗所用基質不同（本試驗為沙培，香根草為水培），還有待進一步考證.

3.2 不同濃度重金屬Zn處理對金盞菊生理指標的影響

葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，葉綠素的含量與植物的光合速率密切相關，常用葉綠素含量的高低來表征植物在逆境下受傷害的程度［17］.Zn能影響碳水化合物的代謝，參與葉綠素的合成，可以促進光合作用［13］.缺Zn導致水稻 RNase活性顯著提高,RNA含量降低,RNase活性與蛋白質含量呈顯著負相關，RNA降解是缺Zn水稻蛋白質合成受阻的原因［18］.本試驗中，Zn濃度在150 mg/kg條件下葉綠素含量、地上部和根系可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量均高于CK，但之后開始下降，且整體上隨著Zn濃度的增大而呈現(xiàn)降低的趨勢.本試驗葉綠素的研究結果與李翠等［16］大油芒 (Spodiopogon sibiricus)的研究，李錚錚等［19］對魚腥草(Houttuynia cordata)的研究，努扎艾提·艾比布［15］對香根草（V.zizanioides Nash）的研究，崔大練等［20］對田菁(Sesbania cannabina)及蔡卓等［21］在對無芒雀麥(Bromus inermis)等的研究結果是一致的.可溶性糖和蛋白質研究與努扎艾提·艾比布等［15］在香根草上，楊飛紅等［22］在油菜(Brassica chinensis L.)上的研究結果基本相符.

3.3 不同濃度重金屬Zn處理后金盞菊植株體內重金屬Zn的分布

重金屬在植物體內的分布，大多數(shù)為地上部含量小于根系含量，如香根草［15］、大油芒、狼尾草、柳枝稷［16］及油菜［22］.本試驗也得到了類似的結果，并隨Zn濃度增大而呈現(xiàn)增高的趨勢.但有學者認為作為重金屬超積累的植物則應該是地上部重金屬含量大于根系重金屬含量，這樣對于被重金屬污染的土壤用植物修復方法才更具意義［23］.徐衛(wèi)紅等［23］在黑麥草上的研究得出，黑麥草地上部和根系Zn含量均超過了CK，且隨著Zn濃度升高呈現(xiàn)增加趨勢.Zn污染使油菜幼苗葉片及根中的Zn質量分數(shù)明顯增加，根部的積累尤其明顯.本試驗中各種濃度Zn的運轉系數(shù)（S/R）雖然低于1，但其植物體內重金屬Zn的積累量還是比較高，且金盞菊因其生物量大，生長迅速，經田間試驗后還是有望成為修復重金屬污染土壤的植物之一.

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