‘夏日贊歌’景天（Sedum spurium‘Summer Glory’）對鉛的耐性和富集特征研究

關(guān)海燕，屈琦琦，趙 凡，王若鵬，閻尚博，董 麗*

（1.花卉種質(zhì)資源創(chuàng)新與分子育種北京市重點實驗室，國家花卉工程技術(shù)研究中心，城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室，北京林業(yè)大學園林學院，北京100083；2.中國林業(yè)科學研究院，北京100091）

由于礦山開采、工業(yè)冶煉及含Pb 涂料、紙張、汽油、炸藥等的生產(chǎn)和使用，導致Pb作為最常見的毒害性重金屬元素進入土壤中，這不僅影響植物生長，而且會通過食物鏈影響人類健康[1-2]。植物修復技術(shù)可利用植物提取、吸收、分解、轉(zhuǎn)化和固定土壤中有毒有害污染物，相比物理化學途徑，其花費少、實施容易，且不產(chǎn)生二次污染，能應用于大規(guī)模污染土壤的修復[3]。植物修復技術(shù)的成效主要依賴于超富集植物，但Pb 具有較高的負電性，易與土壤中的有機質(zhì)和鐵錳氧化物等形成共價鍵，不易被植物吸收[4-5]，因此，目前已報道的Pb 超富集植物并不多。國外已發(fā)現(xiàn)的Pb 超富集植物有16 種，主要分布在禾本科（poaceae）、十字花科（cruciferae）、石竹科（caryophyllaceae）和蓼科（polygonaceae）[6]，國內(nèi)發(fā)現(xiàn)的Pb 超積累植物只 有 圓 錐 南 芥（Arabis Paniculata）[7]、羽 葉 鬼 針 草（Bidens maximowicziana）[8]、小鱗苔草（Carex gentiles）[9]、金絲草（Pogonatherum crinitum）和柳葉箬（Lsache glo?bosa）[10]等，且普遍存在生物量小、生長緩慢等特點，限制了Pb 污染土壤的修復規(guī)模[11]。景天屬（Sedum）作為景天科的一個重要類群，全球有470種左右，主要分布在北半球[12]。該屬植物普遍具有適應性廣、抗性強、耐瘠薄、易繁殖、觀賞性好等特性，同時又具有草本易于收割、多年生可重復利用等特性。此外，畢德等[13]對浙江典型鉛鋅礦廢棄地的優(yōu)勢植物調(diào)查結(jié)果顯示，重金屬含量超過植物正常值10 倍以上的優(yōu)勢植物共有20種，其中60.5%分布在景天科景天屬，目前也已發(fā)現(xiàn)鋅和鎘超積累植物東南景天[14-15]，表明景天屬植物在重金屬污染環(huán)境修復方面具有巨大的應用潛力。‘夏日贊歌’景天（S.spurium‘Summer Glory’），隸屬景天科景天屬，為國外引進品種，十分適宜北方氣候，對土壤要求不嚴。莖匍匐狀生長，枝葉繁密，可迅速覆蓋和綠化裸露地面，且觀賞期長達10 個月，可觀秋色葉。目前國內(nèi)外對其在重金屬污染土壤中的研究還未有報道。為此，選擇‘夏日贊歌’景天為試驗材料，研究其在不同濃度Pb 處理下的生長特征、生理變化和富集特性，初步探究‘夏日贊歌’景天對Pb的耐受和富集機制，為Pb污染土壤的修復和綠化提供備選物種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為‘夏日贊歌’景天，盆栽基質(zhì)為園土∶草炭∶蛭石=1∶1∶1，基礎(chǔ)肥力狀況：pH 6.18，有機質(zhì)41.6 g·kg-1，全氮2.37 g·kg-1，速效磷3.11 mg·kg-1，速效鉀64.53 mg·kg-1，全Pb 27.3 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2017 年4—11 月在北京林業(yè)大學三頃園苗圃的實驗大棚內(nèi)進行，4 月下旬，選擇‘夏日贊歌’景天兩年生苗相對一致的健壯枝條進行扦插。8 月初向盆栽土壤中施加Pb（NO3）2溶液，設(shè)置7 個Pb 濃度：0（CK）、250、500、1000、2000、4000 mg·kg-1和8000 mg·kg-1，每個處理3 次重復，每次重復4 盆。平衡兩周后，選擇莖長、葉片數(shù)、分蘗數(shù)和生物量相對一致的幼苗栽入盆內(nèi)（直徑15 cm，高12 cm），每盆種植3 株。根據(jù)土壤墑情，澆灌干凈自來水，保持土壤田間持水量，Pb處理90 d后收獲植物。

1.3 樣品處理及指標測定方法

收獲的植物樣品先用自來水沖洗，洗去附著在植物樣品表面的泥土和污物，再用蒸餾水沖洗。其中部分材料液氮保存，用于超氧化物歧化酶（SOD）、丙二醛（MDA）、谷胱甘肽（GSH）、非蛋白疏基（TNP）和植物絡(luò)合素（PCs）的測定，部分材料分地上部和根部烘干至恒質(zhì)量，分別測定干物質(zhì)量，最后將樣品粉碎用于全Pb含量的測定。

SOD 活性采用氮藍四唑光化還原法測定[16]，MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定[16]，參考劉衡等[17]文獻，PCs采用差減法測定，即PCs=TNP-GSH，TNP采用分光光度法測定，GSH采用熒光分光光度法測定。植物樣品中的Pb含量用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICP（型號為美國PE optima）測定。

耐性指數(shù)（TI）=處理組最長根延長量、地上部長度或生物量/對照組最長根延長量、地上部長度或生物量[18]

富集系數(shù)（BCF）=地上部或根部Pb 含量（mg·kg-1）/土壤中Pb含量（mg·kg-1）

轉(zhuǎn)移系數(shù)（TF）= 地上部Pb 含量（mg·kg-1）/根部Pb含量（mg·kg-1）

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 和SPSS 進行處理和統(tǒng)計分析。運用單因素方差分析（ANOVA）和最小差異顯著法（LSD）進行差異性檢驗（P＜0.05），結(jié)果以平均值±標準差表示，相關(guān)性分析采用Pearson法。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pb處理對‘夏日贊歌’景天生長的影響

如表1 所示，隨Pb 處理濃度增大，‘夏日贊歌’景天地上部干質(zhì)量、根部干質(zhì)量、分蘗數(shù)和莖長呈先增后減趨勢，根長呈遞減趨勢。在0～4000 mg·kg-1范圍內(nèi)，莖長與CK相比無顯著差異（P＞0.05），基本維持在14 cm 左右，但因Pb 脅迫顯著增加了植株分蘗數(shù)，使植株地上部干質(zhì)量顯著增加（P＜0.05），尤其當處理濃度為4000 mg·kg-1時，地上部干質(zhì)量達到1.82 g·株-1，為對照的2.8 倍。而該范圍的Pb 處理卻顯著抑制了根系的伸長，莖節(jié)生根和側(cè)根數(shù)增多使根部干質(zhì)量呈增加趨勢。當Pb濃度為8000 mg·kg-1時，地上部干質(zhì)量和分蘗數(shù)與CK相比無顯著差異（P＞0.05），莖長、根長和根部干質(zhì)量受到了顯著抑制（P＜0.05）。結(jié)果表明，‘夏日贊歌’景天可耐受4000 mg·kg-1的Pb脅迫。

一般耐性指數(shù)大于0.5 時，被認為植物對該重金屬有較強耐受性，生長得較好，反之，說明植物基本難以或者不能在這種濃度的重金屬環(huán)境生存[19]，因此本研究用各生長指標耐性指數(shù)評價‘夏日贊歌’景天對Pb 脅迫的耐受性。由表2 可知，在處理濃度為0～4000 mg·kg-1時，莖長、根長、地上部和根部生物量的耐性指數(shù)皆大于0.5，表明‘夏日贊歌’景天能在0～4000 mg·kg-1Pb 污染環(huán)境中生長良好。但脅迫水平為8000 mg·kg-1時，其根部生物量和根長耐性指數(shù)已經(jīng)降至0.45 和0.43，表明植株生長開始受到抑制，根系對Pb相對比較敏感。

2.2 Pb 處理對植株丙二醛（MDA）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和植物絡(luò)合素（PCs）的影響

由圖1 可見，‘夏日贊歌’景天的MDA 含量與Pb濃度呈正相關(guān)。250～2000 mg·kg-1Pb 處理下的MDA含量與CK 相比無顯著差異（P＞0.05），4000 mg·kg-1與8000 mg·kg-1Pb 處理下的MDA 含量達到10.04 μmol·g-1和12.35 μmol·g-1，比CK 分 別 增 加 了30.39%和60.39%，表明0～2000 mg·kg-1的Pb 脅迫對該景天膜結(jié)構(gòu)破壞不明顯，4000～8000 mg·kg-1Pb 脅迫顯著破壞了其膜結(jié)構(gòu)。SOD 活性隨Pb 處理濃度的增加呈先升后降趨勢，250～4000 mg·kg-1Pb處理下的SOD 活性顯著高于CK，當處理濃度達8000 mg·kg-1時，SOD 活性比CK降低了5.10%。

由圖2 可見，隨Pb 處理濃度的增加，‘夏日贊歌’景天的TNP、GSH、PCs含量均呈現(xiàn)先升后降趨勢。其中GSH變化幅度較小，主要是PCs的變化引起TNP發(fā)生相似的變化趨勢，各處理的PCs 含量分別達到TNP總量的64.84%、64.71%、63.62%、66.41%、71.19%、75.70%和60.14%。0～4000 mg·kg-1Pb 處理下的PCs含量顯著高于CK，尤其當Pb 處理濃度為1000、2000 mg·kg-1和4000 mg·kg-1時，PCs 含 量 達 到95.48、84.38、83.38 μmol·g-1，比CK 增加了95.94%、73.16%和71.11%，8000 mg·kg-1Pb 處理下的PCs 含量比CK降低16.62%，但差異不顯著。

表1 Pb脅迫對‘夏日贊歌’景天生物量、莖長、根長、分蘗數(shù)的影響Table 1 Effects of Pb stress on the biomass，stem length，root length and tiller number of S.spurium‘Summer Glory’

表2 Pb脅迫對‘夏日贊歌’景天耐性指數(shù)的影響Table 2 Effects of Pb stress on the tolerance index of S.spurium‘Summer Glory’

圖1 Pb脅迫對‘夏日贊歌’景天MDA含量和SOD活性的影響Figure 1 Effects of Pb stress on MDA contents and SOD activity of S.spurium‘Summer Glory’

圖2 Pb脅迫對‘夏日贊歌’景天葉片植物PCs含量的影響Figure 2 Effects of Pb stress on PCs contents of S.spurium‘Summer Glory’

2.3‘夏日贊歌’景天對Pb的富集和轉(zhuǎn)移能力

富集系數(shù)是植株中Pb 含量與土壤中Pb 含量之比，能指示植株富集Pb 的能力大小。轉(zhuǎn)移系數(shù)指植株地上部與根部Pb 含量之比，反映植物根部向地上部運輸Pb 的能力。由表3 可得，‘夏日贊歌’景天的轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)與Pb 的處理濃度顯著負相關(guān)，且250～8000 mg·kg-1Pb 處理下的轉(zhuǎn)移系數(shù)大于富集系數(shù)。由圖3 可看出，‘夏日贊歌’景天地上部和根部的Pb 含量隨處理濃度的增加均呈遞增趨勢，并表現(xiàn)為根部Pb 含量遠大于地上部。250 mg·kg-1Pb 處理下，地上部Pb 含量與CK 無顯著差異，其余處理均顯著升高（P＜0.05）。尤其在4000 mg·kg-1Pb 處理下，植株地上部Pb 含量達到峰值71.07 mg·kg-1，為CK 的13.88 倍，同時也發(fā)現(xiàn)8000 mg·kg-1Pb 處理下的地上部Pb 含量并沒有持續(xù)增加，卻略有下降，但與4000mg·kg-1Pb 處理無顯著差異，表明‘夏日贊歌’景天地上部已達最大吸收量。通過相關(guān)性分析得出，根部Pb 含量與Pb 處理濃度正相關(guān)系數(shù)達0.99，在8000 mg·kg-1Pb 處理濃度時，根部Pb 含量達到624.13 mg·kg-1，為CK的60.24倍。表明隨外界處理濃度的升高，根部持續(xù)富集Pb2+，而達到8000 mg·kg-1時，不再向地上轉(zhuǎn)移以減少對地上部造成的傷害。

表3 Pb脅迫對‘夏日贊歌’景天轉(zhuǎn)移系數(shù)和富集系數(shù)的影響Table 3 Effects of Pb stress on translocation factor and bioconcentration factor of S.spurium‘Summer Glory’

3 討論

Pb 具有較高的負電性，易與Fe、Al、Mn 氧化物、有機質(zhì)和碳酸鹽形成共價鍵，所以植物難以吸收土壤中的Pb，含量一般僅為10 mg·kg-1DW[20]。本試驗發(fā)現(xiàn)，‘夏日贊歌’景天地上部和根部Pb 含量與土壤Pb含量顯著正相關(guān)，根部Pb 含量遠大于地上部。在8000 mg·kg-1Pb 處理時，地上部和根部Pb 含量達到CK 的13.29 倍和60.24 倍，比普 通植物富集Pb 能力強，且吸收的Pb多積累在根部，只有少部分轉(zhuǎn)移到地上部。這與Pb 脅迫下雷竹（Phyllostachys praecox）[21]、側(cè)柏（Platycladus orientalis）[22]和蜀葵（Althaea rosea）[23]的實驗結(jié)果一致。

圖3 Pb脅迫下‘夏日贊歌’地上部和根部的Pb含量Figure 3 The Pb content in shoot and root of S.spurium‘Summer Glory’under the treatment of Pb

Hall[24]和Tauqeer等[25]指出，植株面對重金屬脅迫時，將吸收的重金屬離子積累在根部，限制其向地上轉(zhuǎn)移，從而保護地上部。本試驗中‘夏日贊歌’景天的轉(zhuǎn)移系數(shù)與Pb 脅迫濃度呈負相關(guān)，其數(shù)值維持在0.11～0.50，使植株在4000 mg·kg-1的Pb處理下未出現(xiàn)毒害癥狀。Pb 脅迫下，地上部和根部干質(zhì)量隨Pb 濃度的增加呈先增后減趨勢，4000 mg·kg-1的Pb 處理下地上部和根部干質(zhì)量最大達到1.82 g·株-1和0.33 g·株-1，為CK 的2.80 倍和1.65 倍?？赡芤驗樵?～4000 mg·kg-1的Pb（NO3）2處理下，適宜濃度的Pb 提高了淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶的活性[26]，同時NO3-增強了土壤肥力[27]，促進了植株生長，側(cè)根增多和莖節(jié)生根，使地上部和根部干質(zhì)量增加。但當施入的Pb（NO3）2濃度達到8000 mg·kg-1時，高濃度Pb2+顯著抑制地上部生長，減少莖節(jié)生根數(shù)和側(cè)根數(shù)，使地上部和根部干質(zhì)量減少。研究發(fā)現(xiàn)，普通植物在土壤Pb≥50 mg·kg-1時，根系受傷，Pb≥100 mg·kg-1時，生長被抑制。已發(fā)現(xiàn)的超積累植物羽葉鬼針草在Pb＞200 mg·L-1時，其生物量就顯著下降[8]。由此可得，‘夏日贊歌’景天耐Pb 脅迫能力很強，對其耐受閾值可達4000 mg·kg-1。此外，伍鈞等[28]和付婷婷等[29]研究Pb 脅迫下氮素形態(tài)對日本毛連菜的影響發(fā)現(xiàn)，適量的氮肥（≤400 mg·kg-1）可促進日本毛連菜的生長，過量則產(chǎn)生抑制作用，且銨態(tài)氮肥對植株生物量和土壤中Pb積累量的促進作用更明顯。袁菊紅等[30]研究不同氮形態(tài)對Pb 脅迫下蘇丹草的影響，則表明NO-3-N 處理下的蘇丹草生物量和對Pb的轉(zhuǎn)移能力高于NH+4-N處理。本試驗施入的NO-3為土壤提供了氮素營養(yǎng)，而氮素在土壤中以何種形態(tài)起作用，以及對于Pb 脅迫下‘夏日贊歌’景天的影響有待進一步研究。

Tomsett 等[31]認為植物對重金屬抗性的獲得可通過避性和耐性兩種途徑，這兩條途徑可作用于同一植物。一方面，‘夏日贊歌’景天可通過減少吸收土壤中的Pb2+和限制Pb2+的運輸從而減輕其毒害作用?！娜召澑琛疤煸谕饨鏟b 濃度為8000 mg·kg-1時，其富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)僅為0.09和0.11。另一方面，被植物吸收的Pb2+可引發(fā)植物體本身的保護機制。在Pb 脅迫條件下，過量積累的Pb2+會打破活性氧代謝平衡，引起細胞膜脂過氧化[32]。本試驗中，反映‘夏日贊歌’景天膜脂過氧化程度的MDA 含量在0～8000 mg·kg-1Pb 處理下不斷升高，表明膜結(jié)構(gòu)破壞程度隨Pb 濃度升高不斷加深。同時發(fā)現(xiàn)0～4000 mg·kg-1Pb處理下，抗氧化酶系統(tǒng)中的SOD 活性持續(xù)增加，在8000 mg·kg-1Pb處理下，SOD活性顯著降低。這與煙草（Nicoti?ana tabacum）[33]受到Pb脅迫后MDA含量、SOD活性變化趨勢一致。PCs是以GSH 為底物合成的，由半胱氨酸、甘氨酸和谷氨酸組成的含巰基螯合物，其與重金屬離子螯合后轉(zhuǎn)運至液泡貯存，從而使細胞質(zhì)的重金屬濃度降低，達到解毒效果[34]。大量研究表明，PCs在植物對重金屬抗性方面發(fā)揮重要作用，其合成水平與重金屬種類與數(shù)量、脅迫時間及植物種類相關(guān)[35-37]。本試驗中，在250～4000 mg·kg-1Pb范圍內(nèi)，PCs含量呈先增后減趨勢，各處理組PCs含量遠大于對照組，類似結(jié)果也出現(xiàn)在類蘆[38]生物體內(nèi)。適宜濃度Pb誘導PCs含量增加，增強植株對Pb 的耐受性，但8000 mg·kg-1Pb 處理時PCs 含量比CK 降低16.62%，可能是由于GSH 的消耗增多和合成路徑受阻，PCs 合成酶活性降低，以及Pb與金屬硫蛋白（MT）等其他配位體結(jié)合，致使其含量減少[39]。綜上所述，‘夏日贊歌’景天雖未達到Pb超富集植物的標準，但從其地上和根部生物量和Pb 積累量來看，利用其為多年生草本植物、生長速度快、可多次刈割、粗放管理等優(yōu)點，可作為Pb污染土壤修復和綠化的候選植物，是否能將其用于Pb污染土壤的生態(tài)修復還需要進一步的大田試驗進行驗證。

4 結(jié)論

（1）‘夏日贊歌’景天在250～4000 mg·kg-1Pb處理下，地上部和根部生物量顯著增加，根系的伸長生長受到顯著抑制，8000 mg·kg-1Pb 處理對其地上部干質(zhì)量無顯著影響，根長和根部干質(zhì)量則受到了顯著抑制，表明‘夏日贊歌’景天對土壤Pb 的耐受閾值可達4000 mg·kg-1，根系對Pb 相對比較敏感。同時，‘夏日贊歌’景天在Pb 脅迫下的最大Pb 含量達672.16 mg·kg-1，表現(xiàn)出較強的富集能力。

（2）0～8000 mg·kg-1Pb 處理下，根部Pb2+含量遠大于地上部，轉(zhuǎn)移系數(shù)隨Pb處理濃度增加不斷減小，以減少對地上部的傷害。250～4000 mg·kg-1Pb 處理下，SOD活性不斷升高，PCs不斷絡(luò)合Pb2+到液泡解毒，緩解植株受害癥狀。8000 mg·kg-1的Pb 處理下，SOD活性降低，PCs 合成量降低，植株生長受到顯著抑制。綜上所述，‘夏日贊歌’景天對Pb具有較強的耐性和富集能力，有望應用于Pb污染土壤的修復和綠化。