湘煙5號對植煙土壤鎘耐受力響應研究

李迪秦 王 青 胡亞杰 王 艷 王妍妮 鐘 儀 劉銘暉 丁春霞

（1湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，410128，湖南長沙；2廣西中煙工業(yè)有限責任公司，530001，廣西南寧）

鎘（Cd）是在自然界廣泛分布的植物非必需元素，由于工業(yè)“三廢”、化肥施用量和固體廢棄物日益增加，嚴重污染了土壤、水體及農(nóng)產(chǎn)品，因此降低Cd污染危害成了當務之急[1]。我國植煙區(qū)域土壤中大約有12.4%的面積Cd含量超標[1]，煙草是一種富集重金屬的作物，對有害金屬有一定的耐受性[2-5]，在Cd污染脅迫下煙株根系生長受到抑制，煙株體內(nèi)光合色素受到破壞造成光合速率下降，丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量顯著增加，超氧化物歧化酶（superoxide dimutase，SOD）和過氧化氫酶（catalase，CAT）活性降低，質(zhì)膜透性增大，煙株生長受到顯著抑制，影響正常生長發(fā)育[5-6]；同時，煙葉產(chǎn)量[7]、主要化學成分含量[6]和香氣物質(zhì)含量[6-7]等指標下降，影響煙葉及卷煙制品安全性[8-9]，我國烤煙中部葉Cd平均含量達2.95mg/kg，且49.1%的煙葉樣品Cd含量≥2.00mg/kg[1，9-10]。但前人關于烤煙品種對有害金屬耐受性的相關研究報道極少，本研究旨在通過探討烤煙品種對Cd的耐受性，為選擇適宜植煙區(qū)及煙葉安全優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料及方法

試驗于2018年在湖南省長沙市湖南農(nóng)業(yè)大學耘園基地進行，使用水稻耕作土壤，經(jīng)風干過篩后裝盆，每盆30kg。塑料盆缽直徑30cm，高40cm。供試土壤有效態(tài)Cd含量0.32mg/kg，pH值6.5。供試煙草品種為湘煙5號（種子由中國煙草總公司湖南省公司提供），于2017年12月26日播種，2018年3月28日移栽到塑料盆中。施用煙草專用基肥和追肥，施總氮 150kg/kg（N∶P2O5∶K2O=1.0∶0.8∶2.3），65%作基肥（磷肥全作基肥），其余在移栽后15和45d分2次施完，每次施用余量的50%。

試驗設置A、B、C、D和E 5個處理，Cd濃度分別為0、2.0、4.0、6.0和8.0mg/kg，以處理A為對照。每個處理3次重復，每個處理30盆，盆栽管理同大田規(guī)范管理。參照GB 15618-2018，各處理液于移栽后15d以模擬污灌方式一次性施入。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 主要農(nóng)藝性狀指標測定 每個處理在栽后45、60、75、90d分別測定煙株最大葉的長與寬、株高、莖圍和有效葉片數(shù)，并計算最大葉葉面積（長×寬×0.6345），具體操作參照YC/T 142-2010。

1.2.2 煙葉主要生理生化指標測定 在栽后30、45、60、75、90d進行測定。用SPAD-502葉綠素儀測定煙株最大葉的SPAD值，每個處理測定5株；每個重復取生長一致的5株的最大葉，用剪刀或刀片取主脈兩邊中間位置4cm×4cm面積葉片，用液氮處理后置于冰盒帶回，在室內(nèi)測定其CAT、SOD和過氧化物酶（peroxidase，POD）活性及MDA、游離脯氨酸和可溶性糖含量，參照李合生[11]方法測定CAT活性，參照張憲政[12]方法測定SOD活性；參照鄒奇[13]方法測定POD活性、MDA以及脯氨酸含量；參照湯紹虎等[14]方法測定可溶性糖含量；余下的葉片用于測定主要化學成分含量及干物質(zhì)積累量。

1.2.3 干物質(zhì)積累量測定 于移栽后90d，每個處理取5株生長發(fā)育基本一致的煙株，將根系全部挖出洗凈后，將根系、莖和葉分開剪下，同一個處理同一小區(qū)的根莖葉裝同一個袋，室內(nèi)105℃殺青60min，78℃烘干，稱取各部分（根系、莖稈和葉片）干物質(zhì)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對煙草生長發(fā)育的影響

由圖1可知，移栽后45～90d，植株主要農(nóng)藝性狀指標均表現(xiàn)為處理A＞B＞C＞D＞E。其中，處理E株高顯著低于處理A、B和C，處理D與E間、A與B和C間均無顯著差異；處理E莖圍和最大葉長度顯著低于其余4個處理，處理A、B、C與D間無顯著差異；處理E最大葉寬顯著低于處理A、B和C，處理A、B和C間無顯著差異；最大葉面積在移栽后45～75d表現(xiàn)為處理E顯著低于其余4個處理，在移栽后90d表現(xiàn)為處理A＞B＞C＞D＞E，處理E顯著低于其余4個處理，處理A、B和C間、處理C與D間均無顯著差異。在同一時期內(nèi)，隨著有效態(tài)Cd濃度的增加，煙株主要農(nóng)藝性狀指標均表現(xiàn)出降低的趨勢；同一指標不同生育時期，株高和葉數(shù)表現(xiàn)出“低－高－低”的趨勢，其余指標均表現(xiàn)出由低到高的變化趨勢。由此表明，Cd對煙株生長發(fā)育有較強的抑制作用，煙株的有效態(tài)Cd最大耐受濃度為6.0mg/kg。

圖1 移栽后各處理主要農(nóng)藝性狀Fig.1 Agronomic indexes of different treatments after transplanting

2.2 對主要生理指標的影響

2.2.1 對煙葉SPAD值的影響 由圖2分析可知，同一處理中隨著生育期的推進，植株最大葉SPAD值呈下降趨勢，在同一時期內(nèi)隨著有效態(tài)Cd濃度的增加植株最大葉的SPAD值呈下降趨勢，其中在移栽后45和60d，處理E較其余4個處理顯著降低了11.99%～20.89%；移栽后75和90d，處理D顯著低于處理A與B，處理E顯著低于處理A、B與C。

圖2 移栽后各處理最大葉SPAD值Fig.2 SPAD values of the max-leaf of different treatments after transplanting

2.2.2 對主要保護性酶活性的影響 植物體內(nèi)CAT、POD和SOD是保護植物細胞免受氧自由基傷害的抗氧化酶，其活性高低與植物抗性強弱密切相關[15]。從圖3可知，相同處理間，隨著生育時期的推進，煙株最大葉片的CAT、POD和SOD活性呈“低－高－低”的變化趨勢，移栽75d時達到最大值。同一生育期內(nèi)，CAT活性表現(xiàn)為各處理間均有顯著差異，處理A最大，處理E最小，隨著有效態(tài)Cd施用濃度的提高，CAT活性顯著降低，可見Cd對煙葉CAT活性具有較明顯的抑制作用；移栽后45、60和90d，各處理間POD活性有顯著差異；移栽后75d，處理A、B與C間無顯著差異；當有效態(tài)Cd施用量超過處理D時，POD活性顯著低于處理A。同時期各處理間的SOD活性有顯著性差異，其中處理D最大，處理E最小。

圖3 移栽后各處理最大葉酶活性Fig.3 Enzyme activities of the max-leaf of different treatments after transplanting

2.3 對MDA、脯氨酸及可溶性糖含量的影響

從圖4可知，在移栽后45～90d，各處理間MDA含量有顯著性差異，且MDA含量隨著有效態(tài)Cd施用濃度的增加而增加。處理E各生長時期脯氨酸含量均為最高，其次分別為處理D、C和B，處理A最小，各處理間有顯著差異，表明隨著有效態(tài)Cd濃度的增加，其對煙株的抑制作用和對細胞的損害程度增大。

圖4 移栽后各處理最大葉MDA和脯氨酸及可溶性糖含量Fig.4 MDA, proline, and soluble sugar contents of the max-leaf of different treatments after transplanting

相同濃度有效態(tài)Cd處理下，煙株最大葉可溶性糖含量隨著生育期的推進呈“低－高－低”變化趨勢，在移栽后75d達到最大值，之后開始急速下降。不同濃度的有效態(tài)Cd處理，最大葉的可溶性糖含量隨著生育進程的推進同樣呈“低－高－低”變化趨勢。當有效態(tài)Cd濃度為4.0mg/kg時，可溶性糖含量達到最高值；當有效態(tài)Cd濃度超過6.0mg/kg，可溶性糖含量急劇下降，且低于處理A。

2.4 對煙株干物質(zhì)積累量的影響

由圖5可知，移栽后90d，隨著土壤中有效態(tài)Cd濃度的增加，煙株的根、莖、葉以及總干物質(zhì)量都呈下降趨勢，同處理不同部位干物質(zhì)量為葉＞莖＞根；同部位不同處理干物質(zhì)量均為處理A＞B＞C＞D＞E，且處理E顯著低于其他處理；與處理A相比，處理E的煙株根、莖、葉及總干物質(zhì)積累量分別下降27.8%、31.3%、21.7%和25.5%。

圖5 移栽后90d各處理根莖葉干物質(zhì)積累量Fig.5 Root, stem, leaf and total dry matter amounts of different treatments 90d after transplanting

3 討論

3.1 不同Cd濃度處理對烤煙生長發(fā)育特性的影響

煙草是易富集Cd等有害金屬的作物，Cd對煙株生長發(fā)育有著重要的影響。較低有效態(tài)Cd濃度環(huán)境有利于其生長，但環(huán)境中較高的有效態(tài)Cd濃度則會強烈抑制其生長發(fā)育，表現(xiàn)為煙株的葉片數(shù)和葉面積降低，根系長度下降，導致其生長受到較大的抑制[16-18]。本研究表明，煙株葉片數(shù)、葉面積和株高等主要農(nóng)藝性狀隨著有效態(tài)Cd濃度增加而下降，當土壤有效態(tài)Cd濃度超過6.0mg/kg時，生長受到明顯抑制，表明此濃度為煙株保持正常生長發(fā)育前提下對土壤環(huán)境有效態(tài)Cd的最大耐受濃度。

SOD和POD是生物體內(nèi)清除氧自由基和過氧化物、抑制自由基對膜脂的過氧化作用以及避免膜的損傷和破壞的重要酶，CAT是清除細胞內(nèi)過氧化氫的一種保護膜結(jié)構(gòu)的酶[16-17]，它們在植物生長發(fā)育進程中起著重要的保護作用，有利于植物抵御不良環(huán)境影響。有研究表明，當土壤有效態(tài)Cd濃度增加時，煙株CAT活性會受到較強抑制，影響葉綠素合成[3，18]；Cd脅迫下SOD活性呈先增加后降低的趨勢，當有效態(tài)Cd濃度超過一定量時，其活性會受到一定程度的抑制，導致活性下降[19]；POD活性、MDA和脯氨酸含量與有效態(tài)Cd濃度呈正相關，但葉綠素含量與其呈高度負相關，當有效態(tài)Cd濃度超過一定范圍，會導致MDA含量顯著升高，表明葉片細胞膜系統(tǒng)受到了嚴重破壞[19-20]。本研究也同樣表明，隨著土壤環(huán)境中有效態(tài)Cd濃度的增加，葉片SPAD值，CAT、POD和SOD活性下降，而MDA和脯氨酸含量上升；當土壤有效態(tài)Cd濃度達6.0mg/kg時，植株細胞膜系統(tǒng)受到嚴重損壞，導致酶等生理活性物質(zhì)發(fā)生顯著變化，生長發(fā)育嚴重受阻。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因，可能是Cd影響或干擾了MDA和脯氨酸形成，降低了POD、CAT和SOD的活性，導致細胞正常代謝受阻或抑制，相關生理生化指標產(chǎn)生異常，從而影響其正常生長發(fā)育。

3.2 不同Cd濃度處理對烤煙干物質(zhì)積累量的影響

相關研究表明，Cd脅迫下作物生長發(fā)育會受到不同程度影響，導致作物生物量及干物質(zhì)積累量顯著降低[16，21]。本研究也進一步證明，Cd對煙葉可溶性糖含量及根、莖、葉各部位干物質(zhì)積累量均有不同程度的影響，可溶性糖含量及干物質(zhì)積累量隨著有效態(tài)Cd濃度提高而顯著降低。這可能是因為Cd影響了煙株MDA和脯氨酸形成以及POD、CAT和SOD功能的正常發(fā)揮，抑制了煙葉的光合作用，導致干物質(zhì)積累量降低。

4 結(jié)論

Cd對煙草的生長發(fā)育有較明顯的影響。隨著土壤中有效態(tài)Cd濃度的提高，湘煙5號主要農(nóng)藝性狀指標在同一時期均有不同程度的下降，葉片的SPAD值及CAT、SOD和POD活性顯著降低，MDA和脯氨酸含量顯著增加；盡管煙草屬于富集Cd作物，但當土壤有效態(tài)Cd濃度大于6.0mg/kg時，細胞膜系統(tǒng)會受到嚴重損壞，導致煙草植株生長發(fā)育嚴重受阻，受Cd脅迫癥狀較為明顯，即土壤中有效態(tài)Cd濃度6.0mg/kg為本試驗材料對Cd的最大耐受濃度。