不同中國(guó)鵝掌楸種源對(duì)鎘吸收分配特性研究

孫小艷，辛在軍，劉淑娟，李曉暉，劉建平*

（1.江西省流域生態(tài)研究所江西省重金屬污染生態(tài)修復(fù)工程技術(shù)研究中心，江西南昌 330096；2.江西省科學(xué)院生物資源研究所，江西南昌 330096）

【研究意義】重金屬污染是目前世界關(guān)注的嚴(yán)重環(huán)境問(wèn)題之一，其中，鎘（Cd）因其在土壤中較強(qiáng)的化學(xué)活性極易通過(guò)食物鏈的生物放大對(duì)人類(lèi)健康帶來(lái)潛在危害，被認(rèn)為是生物毒性最強(qiáng)也最危險(xiǎn)的重金屬之一[1]。因此，開(kāi)展重金屬污染土壤防控與修復(fù)，通過(guò)植物修復(fù)技術(shù)緩解、抑制鎘的毒性通過(guò)植物進(jìn)入食物鏈成為環(huán)境和生物領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，引起人們廣泛關(guān)注。其中，木本植物對(duì)重金屬具有較強(qiáng)的耐性和一定的固定、吸收、累積能力，且發(fā)達(dá)的深根系可使土壤中重金屬移動(dòng)性降低，降低其遷移和生物毒性，改善土壤質(zhì)量等特征，引起研究人員的廣泛關(guān)注[2?3]。所以，篩選富集重金屬鎘、生長(zhǎng)迅速、生物量大的林木品種，開(kāi)展樹(shù)木修復(fù)[4]，在重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)中表現(xiàn)出巨大的潛力?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)不同林木種類(lèi)或品種耐鎘性能及相關(guān)機(jī)制，鎘吸收累積特征等進(jìn)行了深入研究，選育出大量重金屬抗性強(qiáng)、生物量高、對(duì)鎘具有富集能力的林木樹(shù)種[5?8]。Robinson等[9]研究發(fā)現(xiàn)楊樹(shù)不僅可以降解有機(jī)污染物，對(duì)重金屬也具有較高的耐性和累積性，結(jié)合螯合劑（如EDTA、NTA、DTPA等）的施用，可以大大提高Cd2+在土壤中的去除率。Laureysens等[10]研究表明，速生楊對(duì)鎘、鉛、鎳等多種重金屬也表現(xiàn)出較好的耐性，地上葉片對(duì)鎘具有較強(qiáng)的富集能力。而且，大量研究發(fā)現(xiàn)植物的鎘耐性及其在不同組織器官的累積和分布，存在種、品種、無(wú)性系間的差異[11?12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】中國(guó)鵝掌楸（Liriodendron chinese）是我國(guó)重要的園林綠化和用材樹(shù)種，具有生長(zhǎng)迅速、生物量大、觀賞性好等優(yōu)點(diǎn)。而且，鵝掌楸樹(shù)種材質(zhì)細(xì)軟，不易干裂變形，廣泛用于家具制造，所以，利用鵝掌楸屬植物強(qiáng)大根系對(duì)土壤中重金屬進(jìn)行修復(fù)，可以兼具美化環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益等多重功效。課題組自2014年開(kāi)始對(duì)我國(guó)自然分布區(qū)的中國(guó)馬褂木資源進(jìn)行種質(zhì)收集，采集了來(lái)自云南、貴州、福建、浙江、四川、廣西等7個(gè)省份35個(gè)種源的中國(guó)鵝掌楸材料。利用中國(guó)鵝掌楸豐富的遺傳變異，挖掘中國(guó)鵝掌楸種源對(duì)重金屬鎘的修復(fù)潛力，對(duì)重金屬污染土壤生態(tài)修復(fù)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本項(xiàng)目選出7個(gè)種源材料開(kāi)展水培鎘脅迫實(shí)驗(yàn)，根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇鎘脅迫濃度為10 mg/kg，評(píng)估不同種源植株對(duì)鎘脅迫的表型傷害響應(yīng)指數(shù)，研究根莖葉等器官對(duì)Cd2+吸收分配特征差異，以期為Cd2+污染土壤的林木修復(fù)提供參考，并為深入研究鵝掌楸屬植物對(duì)Cd2+的抗逆解毒機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試的7個(gè)中國(guó)鵝掌楸材料分別來(lái)自云南金平（YNJP）、云南麻栗坡（YNMLP）、云南河口（YNHK）、貴州劍河（GZJH）、貴州松桃（GZST）、貴州道真（GZDZ）、浙江遂昌（ZJSC）等地種源，所有材料取自江西省科學(xué)院黃馬種質(zhì)基地，每個(gè)種源選擇生長(zhǎng)較好、高度較一致的中國(guó)鵝掌楸2年生實(shí)生苗，除去原土，將中國(guó)鵝掌楸幼苗轉(zhuǎn)移至30 cm×19 cm×13 cm的水培箱，每盆4株，每個(gè)種源8株，隨機(jī)區(qū)組分布，根莖部用海綿固定，每個(gè)水培箱設(shè)置氣泵補(bǔ)充氧氣。實(shí)驗(yàn)在江西省科學(xué)院培養(yǎng)室中進(jìn)行，預(yù)培養(yǎng)和處理時(shí)溫室溫度保持25～27 ℃，光照強(qiáng)度200 μmol/（m2·s），14 h光照/10 h黑暗，相對(duì)濕度70%～90%，預(yù)培養(yǎng)7 d后進(jìn)行鎘處理。

1.2 實(shí)驗(yàn)處理

以CdCl2配制鎘脅迫母液，鎘濃度為10 mg/L，為避免其他礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素影響，配置Cd處理母液和水培箱中使用去離子水。處理15 d后，將每株植株根系、莖干、葉片分別取樣，用去離子水配置的20 mmol/L EDTA·Na2溶液浸泡植株根系20 min，以去除吸附在根系表面的鎘離子，再用去離子水沖洗干凈，吸干水分后裝入牛皮信封，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定不同器官的質(zhì)量。

1.3 脅迫指數(shù)評(píng)價(jià)

參考Xie等[13]對(duì)鎘脅迫植物采用的9分制表型質(zhì)量評(píng)估方法，對(duì)鎘脅迫下中國(guó)鵝掌楸種源受損害程度進(jìn)行目測(cè)評(píng)估，植株脅迫程度評(píng)估內(nèi)容主要包括：葉片黃化程度、葉片脫落、頂端萎蔫程度等。0分為植物葉片全部黃化、脫落、頂端萎蔫、無(wú)生機(jī)的植株，6分為植株部分黃花、50%葉片未脫落、頂端部分萎蔫的植株，9分為葉片保持綠色、葉片90%未脫落、基本無(wú)枯黃，頂端有生機(jī)的植株。

1.4 植株鎘含量檢測(cè)

取烘干后的植物組織研磨成均勻粉末，準(zhǔn)確稱(chēng)取葉片0.200 g灰化40 min，莖干和根系分別取0.200 g灰化60 min，將灰化好的材料轉(zhuǎn)移至消煮管中，加入10 mL HNO3?HClO4（V∶V=4∶1），控溫消煮至澄清，繼續(xù)在150 ℃加熱消煮，直至溶液無(wú)色透明。定容后用原子吸收分光光譜法測(cè)定植株中的鎘濃度。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan’s多重比較進(jìn)行差異性檢驗(yàn)（P<0.05）。中國(guó)鵝掌楸重金屬轉(zhuǎn)移系數(shù)的計(jì)算方法參照張曉麗等[14]，如下：

式中：1，2，3分別代表葉片、莖干、根系，CA為植物地上部鎘的濃度（mg/kg），CB為地下部分的鎘濃度（mg/kg），C1，C2，C3為葉片、莖干、根系鎘的濃度（mg/kg），m1，m2為葉片和莖干的干物質(zhì)質(zhì)量，T為地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫下的形態(tài)特征變化

在鎘脅迫下，中國(guó)鵝掌楸不同種源呈現(xiàn)不同程度的受損傷癥狀（圖1）。鎘脅迫初期，中國(guó)鵝掌楸形態(tài)未發(fā)生明顯的受損傷癥狀，在5～7 d后，部分種源的莖下部老葉開(kāi)始黃花并掉落，隨后嫩葉開(kāi)始黃花、萎蔫、脫落，15 d后，GZST和GZJH種源老葉脫離，但大部分葉片保持綠色，維持生長(zhǎng)，表現(xiàn)出對(duì)鎘脅迫較高的耐性；ZJSC種源耐鎘能力次之；YNJP、GZDZ種源對(duì)鎘脅迫非常敏感，根系發(fā)黑，根系伸長(zhǎng)生長(zhǎng)停止，地上部的葉片已基本全部脫離。利用鎘脅迫指數(shù)評(píng)價(jià)中國(guó)鵝掌楸鎘脅迫受傷害的程度由大到小依次為：GZDZ、YNJP、YNHK、YNMLP、ZJSC、GZJH和GZST。

圖1 鎘脅迫對(duì)中國(guó)鵝掌楸植株形態(tài)特征的影響Fig.1 Effect on morphological traits of Liriodendron chinese seedlings under Cd2+stress

2.2 處理15 d后不同器官中鎘含量差異

處理15 d后，檢測(cè)各中國(guó)鵝掌楸種源植株不同部位的鎘濃度，發(fā)現(xiàn)Cd2+主要富集在根系中，地下部分的鎘向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)相對(duì)少，中國(guó)鵝掌楸植株中鎘累積量的大小排序?yàn)楦?、莖、葉。處理15 d后，不同種源植株不同組織器官對(duì)鎘的吸收累積存在較大差異，單株根系檢測(cè)的鎘濃度范圍為87.09～387.54 mg/kg（圖2?A），莖干檢測(cè)的鎘濃度范圍為25.60～71.09 mg/kg（圖2?B），葉片檢測(cè)的鎘濃度范圍為5.12～55.94 mg/kg（圖2?C）。

由圖2可知，YNJP種源根系中鎘濃度最大，顯著高于其他種源（P<0.05）；GZ-ST種源根系和莖干的鎘濃度最低，分別為87.09 mg/kg和25.60 mg/kg，顯著低于其他中國(guó)馬褂木種源（P<0.05），葉片中的鎘濃度24.62 mg/kg。YNHK種源植株根系鎘濃度顯著低于YNJP種源，但顯著高于其他種源，而且YNHK種源植株莖干和葉片中鎘濃度也顯著高于其他種源，說(shuō)明YN-HK種源對(duì)鎘的吸收富集能力較高。ZJSC種源根系和莖干鎘濃度較高，分別為183.04 mg/kg，36.42 mg/kg，但葉片中的鎘濃度最低（5.12 mg/kg）。從結(jié)果發(fā)現(xiàn)，來(lái)源云南地區(qū)的3個(gè)種源對(duì)鎘的吸收均相對(duì)較高，根系中吸收鎘濃度較高的種源，其植株葉片中的鎘濃度也相對(duì)較高；但來(lái)源貴州地區(qū)的3個(gè)中國(guó)鵝掌楸種源呈現(xiàn)較復(fù)雜的鎘吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)特征，根系中鎘含量與葉片的鎘含量呈一定的負(fù)相關(guān)效應(yīng)，說(shuō)明來(lái)源貴州的鵝掌楸種源與云南的鵝掌楸通過(guò)不同的途徑或通道吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)Cd2+。

圖2 不同中國(guó)鵝掌楸種源根莖葉中鎘含量Fig.2 Cd concentration in root，stem，and leave of different provenance

2.3 中國(guó)鵝掌楸不同器官對(duì)鎘轉(zhuǎn)運(yùn)特征

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是地上部元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與地下部元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，表示鎘從根部轉(zhuǎn)運(yùn)、分配到地上部位的能力,轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)越高，表明鎘從根部轉(zhuǎn)運(yùn)到地上部位的能力越強(qiáng)。各中國(guó)鵝掌楸種源對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)結(jié)果表示（表1），供試的中國(guó)鵝掌楸對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，表明中國(guó)鵝掌楸不是鎘富集植物。其中，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大的是GZST（0.58），其次是YNMLP（0.51）；最小的是ZJSC和GZJH，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)分別為0.23和0.25。

7個(gè)中國(guó)鵝掌楸種源對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)存在差異，地上部分的葉片和莖干對(duì)Cd2+的轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率也存在較大差異。葉片貢獻(xiàn)率最大的為YNMLP，達(dá)到50.88 %；最小的是ZJSC，只有12.34 %，所以ZJSC莖干貢獻(xiàn)率最大。

表1 7個(gè)中國(guó)鵝掌楸種源對(duì)鎘的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)Table 1 Transfer coefficient of 7 provenances of Liriodendron chinese

3 結(jié)論與討論

鵝掌楸屬植物是重要的園林綠化樹(shù)種，觀賞性強(qiáng)，生長(zhǎng)迅速，根系發(fā)達(dá)，在礦區(qū)廢棄地表現(xiàn)出較好的生態(tài)適應(yīng)性[4,15]。不同植物種源、家系、無(wú)性系、品種等具有的獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理代謝特征，都直接導(dǎo)致其對(duì)重金屬耐性和吸收轉(zhuǎn)運(yùn)富集特征的差異[16?17]。在本研究中，鎘脅迫7 d時(shí)，中國(guó)鵝掌楸對(duì)10 mg/kg Cd脅迫的響應(yīng)損傷不顯著；但在脅迫后期，中國(guó)鵝掌楸不同種源的耐受表現(xiàn)出現(xiàn)顯著的差異，GZDZ、YNJP、YNHK等種源葉片黃化、脫落、頂端萎蔫，而GZJH、GZST等種源生長(zhǎng)未收到顯著損害，說(shuō)明GZJH、GZST等種源的中國(guó)鵝掌楸可用于重度鎘污染土壤修復(fù)。

植物對(duì)重金屬的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)能力是評(píng)級(jí)植物提取效果的重要指標(biāo)，與根系吸收及根系重金屬向地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)能力密切相關(guān)[18]。在本研究中，7個(gè)中國(guó)鵝掌楸種源吸收的鎘主要富集于根系，其次是莖干，葉片中累積的鎘濃度最少，根系鎘濃度遠(yuǎn)高于地上部分，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均小于1，沒(méi)有達(dá)到超富集植物要求，說(shuō)明中國(guó)鵝掌楸根系吸收Cd2+后進(jìn)行固定和區(qū)隔化，導(dǎo)致只有少部分的Cd2+能夠通過(guò)木質(zhì)部導(dǎo)管運(yùn)輸至地上部分[19]。張志權(quán)等[20]發(fā)現(xiàn)豆科植物銀合歡（Leucaena leacocephah）能夠在銀鋅尾礦定居，吸收的銀大多積累于根系、樹(shù)皮、樹(shù)干等部位，只有少部分積累于葉片。但在5.0 mg/kg鎘脅迫40 d后，喬木型柳樹(shù)雜種無(wú)性系大多數(shù)大部分葉片鎘含量高于枝條的鎘含量，且葉片和枝條的鎘濃度存在顯著相關(guān)性[21]。Utmazian和Wenzel等[22]在鎘重度污染土壤篩選獲得6種葉片鎘累積濃度高于根系的柳樹(shù)品種。這些研究表明，不同植物、同一植物不同種源、不同品種、不同基因型對(duì)重金屬鎘具有不同的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)模式。這種結(jié)果可能與鎘在不同植株體內(nèi)的存在形態(tài)與存在部位存在一定相關(guān)性。楊衛(wèi)東等[11]研究表明，旱柳根系中的鎘主要存在于細(xì)胞壁和可溶性部分，質(zhì)體等含量較少，而葉片中主要存在細(xì)胞壁和葉綠體中，可溶性部分含量較少。張曉麗等[14]發(fā)現(xiàn)柳樹(shù)無(wú)性系葉片、枝條和樹(shù)皮對(duì)鎘向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)的貢獻(xiàn)率不同，27個(gè)柳樹(shù)無(wú)性系中蒿柳根富集Cd濃度最大，Cd2+主要被固定在根中，以減少其對(duì)自身其他器官的傷害。

在本研究，中國(guó)馬褂木種源的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和葉片對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的貢獻(xiàn)率與受鎘脅迫后的葉片損傷程度存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，如GZJH、ZJSC等種源的鎘轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)和葉片對(duì)轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的貢獻(xiàn)率均相對(duì)相低，葉片對(duì)鎘吸收富集較少，葉片受損傷程度較低；YNJP地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相對(duì)較低，但葉片鎘貢獻(xiàn)率較高，葉片受鎘脅迫的表型損害較明顯。此外，GZDZ地上部分轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相對(duì)較低，葉片鎘濃度也相對(duì)較低，但其受損傷較高；GZST轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較高，且葉片鎘濃度貢獻(xiàn)率也較高，但葉片傷害的表現(xiàn)不顯著，這些結(jié)果表明中國(guó)鵝掌楸不同種源對(duì)鎘的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制存在差異，對(duì)鎘的耐性響應(yīng)機(jī)理可能也存在較大差異。來(lái)源GZST種源的中國(guó)鵝掌楸植株轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)高于其他種源，其地上部葉片對(duì)鎘的吸收累積能力較強(qiáng)，對(duì)鎘脅迫的耐性最強(qiáng)，不僅可用于重金屬鎘污染土壤的綠化修復(fù)，還可通過(guò)收集冬季葉片逐漸減少土壤中的鎘含量。

總之，本研究結(jié)果表明，7個(gè)中國(guó)鵝掌楸種源應(yīng)答鎘脅迫的表型傷害反應(yīng)差異較大，且不同種源根莖葉中鎘的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)特征也存在較大差異，研究為進(jìn)一步研究中國(guó)鵝掌楸種源對(duì)鎘的耐性和解毒機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論參考。