土壤Cr6+脅迫下耐性植物篩選研究

申圓圓 劉健 胡浩東 劉田田 王雪梅

摘 要 采用無(wú)二次污染的生態(tài)修復(fù)方法，對(duì)土壤重金屬Cr6+污染的修復(fù)問(wèn)題進(jìn)行研究。通過(guò)探索土壤重金屬Cr6+對(duì)2種經(jīng)濟(jì)作物和5種觀賞性植物種子的萌發(fā)率、根芽長(zhǎng)度、葉綠素含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化物酶（POD）的影響研究，找到在土壤Cr6+污染條件下適應(yīng)性強(qiáng)的耐性經(jīng)濟(jì)和觀賞修復(fù)植物。結(jié)果表明：土壤在50 mg·kg-1 Cr6+脅迫下最優(yōu)修復(fù)植物為牽?；ê透哐蛎?土壤中25 mg·kg-1 Cr6+脅迫下，優(yōu)選鳳仙、牽?；ê透哐蛎┻M(jìn)行植物修復(fù)。

關(guān)鍵詞 Cr6+脅迫;抗逆指標(biāo);光合指標(biāo);耐性植物

中圖分類號(hào)：S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.09.071

土壤是民生之本。土壤受到重金屬污染，將直接影響人類的生命健康。隨著工業(yè)化的發(fā)展，重金屬污染引起的問(wèn)題頻發(fā)，如“痛痛病”“癌癥村”等。2014年公布的《土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》表明，全國(guó)土壤調(diào)查點(diǎn)位的16.1%受到重金屬污染，其中耕地部分的污染比例高達(dá)19.4%[1]。Cr污染較為嚴(yán)重，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量產(chǎn)生了嚴(yán)重影響[2]。Cr6+是一種典型重金屬污染物，能夠引起一系列疾病。從環(huán)境中移除Cr6+或?qū)⒏叨拘訡r6+還原成低毒性Cr3+，對(duì)于鉻污染治理具有重要意義。土壤一旦受到Cr6+污染將難以自凈，而通過(guò)物理和化學(xué)方法對(duì)土壤進(jìn)行修復(fù)費(fèi)用極高。近年國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了生態(tài)修復(fù)的方法，主要是以草本植物、水生植物、農(nóng)作物以及小部分木本植物為研究對(duì)象，而專門以觀賞性花卉為對(duì)象的研究十分有限，多數(shù)研究對(duì)象為單一花卉。例如，李香君等僅探討玫瑰在重金屬鉛脅迫條件下的適應(yīng)反應(yīng)[3]，未對(duì)多種花卉在不同濃度重金屬脅迫下的情況進(jìn)行對(duì)比研究。本研究主要探究觀賞性植物與經(jīng)濟(jì)作物在土壤25 mg·kg-1和50 mg·kg-1 Cr6+脅迫條件下的萌發(fā)率、根芽長(zhǎng)度、葉綠素含量、可溶性蛋白含量、SOD和POD，找出在不同濃度下耐受性最強(qiáng)的植物，進(jìn)行土壤Cr6+污染生態(tài)修復(fù)。這樣不但能夠改善生態(tài)環(huán)境，給人們的生活環(huán)境帶來(lái)美感與經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，還為人們選取觀賞性植物和經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行修復(fù)污染土地提供了生態(tài)、科技的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

觀賞植物牽?；?、蔦蘿、百日菊、波斯菊以及鳳仙等5種植物;禾本科植物高羊茅和狼尾草2種植物。種子購(gòu)買自北京金地永豐農(nóng)業(yè)科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

重鉻酸鉀、過(guò)氧化氫、甲硫氨酸（Met）、NBT、考馬斯亮藍(lán)G-250Solarbio、95%乙醇、85%磷酸、愈創(chuàng)木酚、氫氧化鈉、檸檬酸、核黃素、乙二胺四乙酸鈉等，上述均為分析純。牛血清蛋白為生化試劑。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

電熱恒溫水浴鍋、冷凍離心機(jī)、離心機(jī)、制冰機(jī)、光照培養(yǎng)箱、分光光度計(jì)、電子精密天平、冰箱。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)發(fā)芽率預(yù)實(shí)驗(yàn)篩選出萌發(fā)率較高的5種觀賞植物（牽牛花、百日菊、波斯菊、鳳仙、蔦蘿）和2種經(jīng)濟(jì)作物（高羊茅、狼尾草）進(jìn)行試驗(yàn)。在土壤25 mg·kg-1和50 mg·kg-1 Cr6+脅迫條件下，選取篩選出的5種觀賞植物和2種經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行試驗(yàn)。牽牛花、百日菊、波斯菊、鳳仙隨機(jī)選取30粒，蔦蘿36粒，高羊茅、狼尾草各隨機(jī)選取40粒。將處理好的種子種入處理好的兩種濃度土壤中，7種植物分別設(shè)置實(shí)驗(yàn)組和空白對(duì)照，分別設(shè)置3個(gè)平行，共84個(gè)處理。通過(guò)監(jiān)測(cè)種子在Cr6+脅迫下14 d、28 d的存活情況和30 d植物根苗長(zhǎng)度、發(fā)芽率[4]、葉綠素[5]、可溶性蛋白含量（考馬斯亮藍(lán)G-250法）、SOD活性[氮藍(lán)四唑（NBT）光化還原法]、POD活性（愈創(chuàng)木酚法）等指標(biāo)，找出在不同濃度下耐受性最強(qiáng)的種子幼苗，篩選出在脅迫條件下受Cr6+污染的植物。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr6+脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響

由表1和表2可知，在土壤25 mg·kg-1 Cr6+脅迫條件下，波斯菊、鳳仙的萌發(fā)率均有促進(jìn)，其余種子萌發(fā)受到抑制不明顯。土壤中含50 mg·kg-1Cr6+時(shí)，會(huì)明顯抑制種子萌發(fā)。在（14 d）Cr6+50 mg·kg-1脅迫條件下，只有經(jīng)濟(jì)作物高羊茅萌發(fā)率為32%，接近空白對(duì)照組的37%，其余植物實(shí)驗(yàn)組發(fā)芽率均低于空白對(duì)照組。兩種脅迫下的差異表明，土壤中Cr6+脅迫濃度越高，對(duì)植株危害越大，植物生長(zhǎng)狀況明顯受到抑制。而在低濃度25 mg·kg-1Cr6+脅迫下，部分植物的萌發(fā)會(huì)受到促進(jìn)。

2.2 Cr6+脅迫對(duì)植物根芽長(zhǎng)度的影響

植物苗期生長(zhǎng)指標(biāo)是評(píng)價(jià)重金屬耐性最直觀的指標(biāo)。由圖1和圖2可知，在土壤25 mg·kg-1 Cr6+脅迫下，波斯菊的苗長(zhǎng)抑制程度達(dá)到39%，其余植物抑制作用不明顯。在Cr6+25 mg·kg-1脅迫下，蔦蘿的根長(zhǎng)促進(jìn)程度達(dá)36%，其余植物根長(zhǎng)均受到抑制。波斯菊與狼尾草受到的抑制作用最明顯，分別達(dá)到74%和71%。這是由于植物根系最先與Cr6+接觸，且多數(shù)Cr6+主要富集在根部。通常，鉻在植物根的積累量是莖和其他組織的10～100倍[6]，轉(zhuǎn)移到地上部的鉻總量非常少[7]，因此根系往往最先受到毒害。

2.3 Cr6+脅迫對(duì)植物葉綠素的影響

葉綠素是光合作用的重要介質(zhì)，能使植物合成自身需要的物質(zhì)。光合作用的強(qiáng)弱和物質(zhì)合成，與植物體內(nèi)葉綠素含量密切相關(guān)，可以直接影響植物生長(zhǎng)發(fā)育狀況[8]。

因此，葉綠素是研究植物耐性的重要指標(biāo)。由圖3和圖4可知，在25 mg·kg-1 Cr6+脅迫下，波斯菊葉綠素a、b、胡蘿卜素的合成均受到抑制。其中，胡蘿卜素的抑制作用最為明顯達(dá)到58%，而狼尾草葉綠素a、b、胡蘿卜素的含量各促進(jìn)44%、48%、48%，其余植物葉綠素a、b、胡蘿卜素含量變化不明顯。由此可知，在25 mg·kg-1 Cr6+脅迫下的狼尾草葉綠素含量更多，能更好地進(jìn)行光合作用，有利于植物增強(qiáng)耐受性。究其原因，這是由于不同植物在同一脅迫條件下的耐受性程度不同。在25 mg·kg-1 Cr6+的脅迫作用下，波斯菊吸收了部分金屬離子，造成合成葉綠素的基因表達(dá)發(fā)生變化，或抑制了合成葉綠素的酶的活性。蔡新華[9]研究表明，重金屬離子被植物吸收后，細(xì)胞內(nèi)的重金屬離子作用于葉綠素生物合成途徑的幾種酶（葉綠素酯還原酶、δ氨基乙酞丙酸合成酶和膽色素脫氨酶）的肽鏈中富含的部分，改變了它們的正常構(gòu)型，抑制了酶的活性，阻礙了葉綠素的合成。

2.4 Cr6+脅迫對(duì)可溶性蛋白含量的影響

蛋白質(zhì)是細(xì)胞中含量比較豐富的大分子物質(zhì)，是作物種子中結(jié)構(gòu)和功能較為關(guān)鍵的基礎(chǔ)物質(zhì)之一?？扇苄缘鞍缀康脑黾樱瑫?huì)增加細(xì)胞內(nèi)的功能蛋白的數(shù)量，使植物更好地適應(yīng)逆境脅迫，在不良環(huán)境中生存。因此，可溶性蛋白含量的變化能夠反映種子的生長(zhǎng)狀況，有利于提高植物抗逆性。由圖5可知，在25 mg·kg-1 Cr6+脅迫下，牽?；āⅧP仙、波斯菊的可溶性蛋白含量明顯增加，其中波斯菊可溶性蛋白含量增加為空白對(duì)照的3倍，而狼尾草可溶性蛋白含量明顯減少58%，其余植物可溶性蛋白含量變化不明顯。這表明牽?；āⅧP仙、波斯菊的可溶性蛋白含量明顯增加與其余植物可溶性蛋白含量變化不明顯是對(duì)Cr6+脅迫的一種適應(yīng)表現(xiàn)，而狼尾草可溶性蛋白含量明顯減少是Cr6+脅迫超過(guò)狼尾草的承受能力，與李秀珍等研究鎘脅迫對(duì)植物可溶蛋白質(zhì)的影響規(guī)律相同[10]。但是，牽牛花、鳳仙、波斯菊的可溶性蛋白含量明顯增加，則是由于重金屬脅迫下植物細(xì)胞中DNA能夠轉(zhuǎn)錄形成特異性的mRNA。這些mRNA能夠參與調(diào)節(jié)逆境蛋白的合成，并在某一條件下重金屬脅迫能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生大量不同的逆境蛋白[11]。

2.5 Cr6+脅迫對(duì)植物SOD的影響

SOD是一種重要的活性氧防御酶，在消除超氧物自由基、減輕脂質(zhì)過(guò)氧化作用和膜傷害方面起著重要作用。SOD活性的提高，能使細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力和適應(yīng)逆境的能力得到提高[12]。在土壤25 mg·kg-1 Cr6+脅迫下，狼尾草和波斯菊SOD含量從375.60 U·g-1、366.19 U·g-1分別減少為245.47 U·g-1、148.70 U·g-1，其余植物SOD含量變化不明顯。圖6表明，狼尾草和波斯菊在土壤25 mg·kg-1 Cr6+脅迫下已經(jīng)不能產(chǎn)生足夠的SOD對(duì)抗逆境環(huán)境，這與李香君等人研究的在高鉛脅迫處理下玫瑰體內(nèi)活性氧大量累積超出自身抵御能力，使得SOD酶活性降低的現(xiàn)象一致。而土壤25 mg·kg-1 Cr6+的環(huán)境對(duì)其他植物影響不大，植物體沒(méi)有產(chǎn)生超出正常環(huán)境下的SOD含量。

2.6 Cr6+脅迫對(duì)植物POD的影響

POD廣泛存在于植物中且活性較高。該酶能夠催化還原H2O2，在氧化其他物質(zhì)的同時(shí)，將H2O2還原為H2O，進(jìn)而清除細(xì)胞內(nèi)的H2O2，是重要的抗氧化保護(hù)酶之一。在土壤25 mg·kg-1 Cr6+脅迫下，蔦蘿、鳳仙和波斯菊POD含量增加，其余植物POD含量變化不明顯。由圖7可知，雖然蔦蘿的POD空白對(duì)照含量高，但蔦蘿實(shí)驗(yàn)組的POD含量增加最小，為空白對(duì)照的1.8倍。鳳仙和波斯菊實(shí)驗(yàn)組的POD含量則為空白對(duì)照的2.7倍和2.8倍。這表明蔦蘿、鳳仙和波斯菊在土壤25 mg·kg-1 Cr6+脅迫下反應(yīng)非常敏感，為了維持生命活動(dòng)，大幅度提高了自身的POD含量，其余植物能夠較好地適應(yīng)土壤25 mg·kg-1 Cr6+的環(huán)境，POD含量則未發(fā)生明顯改變。這表明，在此時(shí)期蔦蘿、鳳仙和波斯菊體內(nèi)的代謝旺盛，借此提高了自身耐受性強(qiáng)度。

3 結(jié)論

重金屬容易被人吸收。本研究篩選出重金屬耐受性較強(qiáng)的植物，采用生態(tài)修復(fù)的方法減緩Cr6+在人體的富集效應(yīng)。研究結(jié)果表明：在土壤50 mg·kg-1 Cr6+條件下，只有牽?；ê透哐蛎┛梢蚤L(zhǎng)期生長(zhǎng)，其余植物均受到毒害致死;當(dāng)土壤Cr6+含量接近50 mg·kg-1時(shí)，可以選取牽?；ê透哐蛎?duì)土地進(jìn)行凈化與裝飾，以減緩Cr6+在食物鏈的富集作用對(duì)人體產(chǎn)生危害;當(dāng)土壤Cr6+含量為25 mg·kg-1條件下，時(shí)百日菊、鳳仙、高羊茅的萌發(fā)率得到促進(jìn)，蔦蘿、鳳仙為維持生命活動(dòng)提高自身POD，牽?；āⅧP仙的可溶性蛋白含量增加明顯;對(duì)Cr6+含量為25 mg·kg-1的土壤進(jìn)行修復(fù)時(shí)，選取植物的優(yōu)先順序?yàn)轼P仙>牽?；?高羊茅>蔦蘿>百日菊。7種優(yōu)選植物在試驗(yàn)中耐性最好、生命力最強(qiáng)的觀賞性植物為牽?；ǎ?jīng)濟(jì)作物為高羊茅。

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（責(zé)任編輯：劉昀）