鎘脅迫對南瓜植株鎘吸收積累及光合特性的影響

陳碧華，郭衛(wèi)麗，孟凡茹，周俊國，李新崢，申可

（1.河南科技學院園藝園林學院，河南新鄉(xiāng)453003； 2.新鄉(xiāng)市牧野區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南新鄉(xiāng)453003）

0 引言

【研究意義】土壤鎘（Cd）污染目前已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染熱點問題之一，Cd 主要來源于汽車尾氣、工業(yè)排放、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中農(nóng)藥及化肥殘留等[1-2]。徐笠等[3]研究顯示設施蔬菜基地土壤中重金屬遷移能力最強和危害系數(shù)最大的是Cd。大棚菜田土壤中Cd 已構成了嚴重污染[4]。當Cd 進入植物的組織、細胞中，會干擾細胞的正常生理代謝[5]，破壞植物葉綠素與蒸騰作用[6]，導致生長紊亂甚至死亡。當Cd 超過一定質(zhì)量濃度后，會影響蔬菜的食用安全[7]?！狙芯窟M展】Cd 在植物體內(nèi)的分布趨勢為根＞莖＞葉＞籽實，根對Cd的累積占總量的70%～80%，籽實只占1%～10%，但是煙草及某些蔬菜如胡蘿卜葉片含Cd 量高于根部[8]。Cd 在植株中亞細胞分布順序為：細胞壁＞可溶部分＞細胞核[9-10]。Cd 在花椰菜葉片中亞細胞分布順序為：細胞質(zhì)＞細胞壁＞葉綠體和線粒體[7]?？梢奀d 集中分布在細胞壁和細胞質(zhì)中就可能避免重金屬損害植物功能性相對重要的組織如細胞器，這正是重金屬植物能解毒的原因[8]。植物細胞壁的固定和細胞液的區(qū)間隔化作用能使重金屬在植物體內(nèi)積累，而蛋白質(zhì)和多肽等物質(zhì)也能與重金屬結(jié)合，也使重金屬滯留植物體內(nèi)[11]。所以研究重金屬元素在植物體內(nèi)的亞細胞分布，有助于解釋植物對重金屬富集和解毒機制[9]。

【切入點】目前設施蔬菜主要是通過嫁接克服連作障礙問題[12-15]。大棚黃瓜栽培中常用的嫁接砧木是南瓜，可有效地防止土傳病害的發(fā)生，而針對南瓜的耐鎘性研究少見報道?！緮M解決的關鍵問題】本試驗旨在研究鎘脅迫下南瓜植株中鎘的積累、轉(zhuǎn)運、亞細胞分布以及光合特性分析，進一步揭示南瓜對重金屬鎘的富集特征和毒性機理，為大棚黃瓜耐鎘砧木的篩選提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為大棚黃瓜嫁接砧木‘鹽砧一號’（由河南科技學院南瓜課題組提供）。試驗時間為2018年9月，試驗地點為河南科技學院園藝植物栽培實驗室。試驗采用基質(zhì)栽培，基質(zhì)按草炭、蛭石、珍珠巖質(zhì)量比為3∶1∶1的比例配置，加三元復合肥 1kg/m3，多菌靈0.2kg/m3對基質(zhì)進行消毒，使基質(zhì)含水率達到70%，基質(zhì)中含鎘量為0 mg/L。

試驗設置4個處理，分別加不同量的Cd（以CdSO4的形式加入）：0（對照）、2、4、6 mg/L，每個處理設置4次重復，每個塑料小黑方（7cm 口徑）裝配好基質(zhì)0.00027m3。將催過芽的南瓜種子播種于基質(zhì)中，覆膜保溫保濕。在種子出苗2 片子葉展平并露出真葉時，添加不同質(zhì)量濃度Cd 進行脅迫處理，分別用移液槍澆到植株根系附近10mL，每5 天處理1次，共處理4次，植株長至4 片葉收獲。將南瓜植株分為根系、莖、葉片分別洗凈、晾干。為了除掉南瓜根系表面吸附的Cd，將南瓜根系先用純水沖洗干凈，再用20mmol/LNa2-EDTA 交換處理20min，然后用去離子水清洗干凈，并吸干表面水分。植物鮮樣置于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩Ｔ囼炗盟鶠槌兯?/p>

1.2 測定分析方法

1.2.1 南瓜植株中Cd 質(zhì)量濃度的測定

采用微波消解-ICP-AES 技術測定，將南瓜植株的根系、莖、葉片干樣分別剪碎，稱取0.2g 烘干樣品于聚四氟乙烯消解罐中，依次加入硝酸8 mL、高氯酸2 mL，混合均勻加密封蓋后至于MAS 微波消解儀（美國CEM 公司）內(nèi)，設置最佳微波消解程序進行消解。消解結(jié)束后消解液為無色澄清透明，無沉淀，樣品消解完全。待消解罐冷卻后，把消解液用0.2%的稀HNO3轉(zhuǎn)移到50 mL 聚四氟乙烯燒杯中，置于電熱板170℃趕酸至近干。以除去多余的氮氧化物，加入2 mL 0.2% HNO3溶解殘渣，最后轉(zhuǎn)移到25 mL 容量瓶中（GG-17 玻璃），定容搖勻后轉(zhuǎn)移到聚乙烯塑料瓶中，用Optima 2100 DV 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（美國Perkin Elmer 公司）測定重金屬Cd 全量。試驗結(jié)果為3次重復試驗的平均值。

1.2.2 南瓜植株中亞細胞組分分離與分析

按照侯明等[16]的方法，分別稱取南瓜植株根系、莖、葉片等鮮樣2.0g，分別加入20mL 提取液[0.25 mmol/L 蔗糖、50 mmol/LTric-Hcl 緩沖液（pH7.5）和1 mmol/L 二硫代蘇糖醇]，在冰浴中用瑪瑙研缽研磨成勻漿，勻漿液放置在超速冷凍離心機中，將離心機溫度設定為4℃，600 轉(zhuǎn)速下離心10min，下層沉淀碎片為細胞壁以及未破碎殘渣。移取上層懸浮液放置4℃超速冷凍離心機中，1000 轉(zhuǎn)速下離心15min，沉淀為細胞核，上清液在10000 轉(zhuǎn)速下離心20 min，沉淀為細胞器（線粒體和葉綠體）；上清液為細胞質(zhì)（核蛋白和可溶性組分）。采用ICP-AES 技術測定各組分Cd 質(zhì)量濃度。

1.2.3 Cd 脅迫下南瓜植株葉片光合特性

使用LI-6400 型便攜式光合儀進行測定。選擇晴朗無風天氣，于上午09:00－10:00 測定葉片氣體交換參數(shù)。每小區(qū)選取3株生長均勻健康的植株，每株選取自頂端向下的葉片，重復3次，取平均值。設定光合有效輻射為1000μmol/（m2?s），使用開放式氣路，空氣流速為500μmol/s，測定南瓜的凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

轉(zhuǎn)運系數(shù)（Translocation factor，TF）是指植物地上部與根部重金屬量的比值，用來表示植物體對重金屬從根部到地上部的有效轉(zhuǎn)移程度[17]，計算公式參照Tanhan et.al的方法[18]：TF=地上部Cd 質(zhì)量濃度（μg/g）/地下部Cd 質(zhì)量分數(shù)（μg/g）。根系對重金屬的富集系數(shù)（Bioconcentration factor，BCF）=根部Cd 質(zhì)量分數(shù)（μg/g）/土壤中Cd 質(zhì)量分數(shù)（μg/g）[19]。試驗結(jié)果運用SPSS 和Excel 2010 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。采用Duncan 多重比較法對顯著性差異（p＜0.05）進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd 在南瓜植株各器官中的積累和分布

南瓜植株不同器官中Cd 質(zhì)量濃度見表1。由表1可知，當Cd 質(zhì)量濃度從2 mg/L 增加到6 mg/L，Cd在南瓜植株根中質(zhì)量濃度增加幅度遠大于莖和葉，從1.86mg/kg 增加到5.95 mg/kg，與對照相比存在顯著差異（p＜0.05）。Cd 在莖和葉中的質(zhì)量濃度隨著Cd處理質(zhì)量濃度的增加逐漸增加，莖和葉中富集的Cd較少；Cd 脅迫質(zhì)量濃度愈高，南瓜植株根部積累的Cd 就愈多。

表1 南瓜植株不同器官中Cd 質(zhì)量濃度Table1 Cd mass concentration in different organs of pumpkin

隨著Cd 脅迫質(zhì)量濃度增大，根富集系數(shù)BCF值呈上升趨勢。當Cd 脅迫質(zhì)量濃度達6mg/L，南瓜植株中Cd的BCF值最大為0.99。說明隨著Cd 質(zhì)量濃度增大，南瓜植株富集Cd的能力增強，也就是說當環(huán)境中Cd 質(zhì)量濃度越高，向南瓜植株根部遷移的能力越強，使根部吸收富集能力增強，從而導致在高質(zhì)量濃度Cd 脅迫下南瓜植株的富集系數(shù)BCF較高。隨著鎘脅迫質(zhì)量濃度的增大，轉(zhuǎn)運系數(shù)TF值從2 mg/L的1.05 逐漸降低到6mg/L的0.84，表明隨著Cd 脅迫質(zhì)量濃度的增大南瓜植株把Cd 從根部轉(zhuǎn)移到莖和葉的能力逐漸減弱。

圖1 南瓜植株根莖葉中Cd所占比例Fig.1 Proportion of Cd in roots,stems and leaves of pumpkin

根據(jù)Cd 在南瓜植株不同器官中的質(zhì)量濃度，計算出Cd 在南瓜植株各器官中所占比例，如圖1所示。由圖1可知，隨著Cd 脅迫濃度的升高，Cd 在南瓜根系中的質(zhì)量濃度顯著升高，在莖和葉中的質(zhì)量濃度隨著Cd 脅迫質(zhì)量濃度的增加而下降，表明南瓜植株吸收的Cd 大部分積累在根部，轉(zhuǎn)移到莖和葉中的較少，這有利于減輕土壤Cd 對植株特別是葉片的毒害效應。Cd在南瓜植株不同器官中的質(zhì)量濃度分布為根＞莖＞葉。

2.2 Cd 在南瓜植株不同器官中的亞細胞分布

表2為各處理南瓜植株不同器官亞細胞Cd質(zhì)量濃度。由表2可知，Cd在不同器官的亞細胞分布呈不均勻狀態(tài)，其中根系中以細胞壁中質(zhì)量濃度最高，占總量的47.63%～57.69%；其次為細胞質(zhì)；細胞器中的Cd質(zhì)量濃度最少，僅占1.93%～4.59%。Cd脅迫質(zhì)量濃度增加，葉片中Cd質(zhì)量濃度和各亞細胞的Cd質(zhì)量濃度顯著增加，其中，葉片Cd質(zhì)量濃度比低質(zhì)量濃度增加了1.19倍，細胞壁Cd質(zhì)量濃度增加了1.31倍，細胞質(zhì)Cd質(zhì)量濃度增加了1.43倍，細胞器Cd僅增加0.25倍。說明隨著Cd脅迫質(zhì)量濃度提高，表現(xiàn)為Cd向細胞壁積累增加，而向其余組分積累相對減少。

表2 不同Cd脅迫南瓜植株不同器官亞細胞中Cd質(zhì)量濃度及分配率Table2 Cd mass concentration and percent distributions of different concentrations of Cd in subcellular fractions of pumpkin

表3 南瓜葉片中總Cd質(zhì)量濃度與各亞細胞組分之間的相關性Table3 Correlation analysis between the mass concentration of total Cd in pumpkin leaves and subcellular fractions

2.3 南瓜葉片中總Cd 質(zhì)量濃度與各亞細胞組分之間的相關性

表3為葉片中總Cd 質(zhì)量濃度與各亞細胞組分Cd質(zhì)量濃度間的相關分析。由表3可以看出，在0～6mg/LCd 處理范圍內(nèi)，南瓜葉片總Cd 質(zhì)量濃度與細胞壁Cd 質(zhì)量濃度極顯著正相關，與細胞質(zhì)Cd 質(zhì)量濃度顯著正相關，與細胞器Cd 質(zhì)量濃度、細胞核Cd質(zhì)量濃度呈正相關，但相關性不顯著；細胞壁Cd 質(zhì)量濃度與細胞質(zhì)Cd 質(zhì)量濃度之間存在顯著正相關，與細胞器、細胞核Cd 質(zhì)量濃度之間呈正相關，但相關性不顯著；細胞質(zhì)Cd 質(zhì)量濃度與細胞器、細胞核Cd 質(zhì)量濃度之間呈正相關，但相關性不顯著；細胞器Cd 質(zhì)量濃度與細胞核Cd 質(zhì)量濃度之間呈正相關，但相關性不顯著。

2.4 Cd 脅迫下南瓜植株光合特性分析

南瓜植株光合指標見表4。由表4可知，Cd脅迫沒有對南瓜植株凈光合速率（Pn）造成顯著抑制作用。2 mg/L處理抑制了氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr），限制了光合作用的過程，但是由于處理時間比較短，并未影響凈光合速率，4 mg/L和6 mg/L處理葉片氣孔導度分別降為0 mg/L處理的64.20%和39.51%，而蒸騰速率降為0 mg/L處理的60.25%和45.34%，差異顯著；但各處理胞間CO2摩爾分數(shù)（Ci）未見顯著差異。

表4 不同Cd 脅迫下南瓜植株光合指標Table4 Effects of different mass concentration Cd stress on pumpkin photosynthesis

3 討論

3.1 南瓜植株體內(nèi)Cd 運轉(zhuǎn)及抗性

Cd 在南瓜植株不同器官的分布表明，Cd 在南瓜植株根中質(zhì)量濃度遠大于莖和葉，而Cd 在南瓜莖和葉片中的質(zhì)量濃度隨著Cd 脅迫質(zhì)量濃度的增加逐漸增加，南瓜莖和葉中Cd 富集較少；這在辣椒[20]、生菜[21]等蔬菜早已得到證實。當環(huán)境中Cd 脅迫質(zhì)量濃度愈高，南瓜植株根部積累的Cd 就愈多。根富集系數(shù)BCF值呈上升趨勢，當環(huán)境中Cd 質(zhì)量濃度越高，向南瓜植株根部遷移的能力越強。轉(zhuǎn)運系數(shù)TF值逐漸降低，表明隨著Cd 脅迫質(zhì)量濃度的增大南瓜植株把Cd 從根部轉(zhuǎn)移到莖和葉的能力逐漸減弱。這為解釋Cd 在南瓜植株葉片中質(zhì)量濃度較低提供了有力證據(jù)。

3.2 Cd 脅迫下南瓜植株光合作用的亞細胞水平分析

相關分析顯示，葉片細胞壁Cd 質(zhì)量濃度與葉片總Cd 質(zhì)量濃度之間呈顯著正相關關系，說明根吸收的Cd 向上運輸至葉片細胞壁中累積。其中2 mg/L 處理顯著抑制了氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr），從而影響到光合作用，但由于Cd 脅迫時間較短，未能影響凈光合速率，4 mg/L 和6 mg/L 處理葉片氣孔導度（Gs）和蒸騰速率（Tr）顯著下降。從亞細胞水平分析，Cd 脅迫沒有導致南瓜的光合作用降低，是因為Cd 在細胞壁中大量累積造成的。植物對Cd 脅迫有一定的適應機制，可能通過調(diào)整Cd 在亞細胞組分中的分配實現(xiàn)[23]。細胞壁中Cd 質(zhì)量濃度占絕對優(yōu)勢，而細胞器和細胞核中Cd 質(zhì)量濃度最低，Cd 脅迫質(zhì)量濃度增加，Cd 在細胞壁中增加幅度大于細胞質(zhì)。

4 結(jié)論

1）Cd 在南瓜植株中的富集特征表現(xiàn)為：根中Cd質(zhì)量濃度遠大于莖和葉并且隨著Cd 脅迫增強，根富集系數(shù)BCF值呈上升趨勢，轉(zhuǎn)運系數(shù)TF值逐漸降低。

2）根系中亞細胞分布特征為：細胞壁中Cd 質(zhì)量濃度占總量的47.63%～57.69%；其次為細胞質(zhì)；細胞器中僅占1.93%～4.59%。

3）Cd 脅迫沒有對南瓜植株凈光合速率（Pn）造成顯著抑制作用。