牟鳳利,楊京民,劉翠,劉才鑫,劉梅,陳建軍,祖艷群,王吉秀
(云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,昆明 650201)
由于鉛鋅礦的開(kāi)采、金屬冶煉等工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng),其周邊農(nóng)田土壤Pb 含量超過(guò)正常范圍,對(duì)環(huán)境造成污染[1]。《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,Pb 污染點(diǎn)位超標(biāo)達(dá)到1.5%,已嚴(yán)重威脅到我國(guó)耕地安全[2]。Pb 會(huì)影響植物的光合作用[3]、呼吸作用[4]、細(xì)胞代謝[5],引起植物生理功能紊亂,并降低農(nóng)作物產(chǎn)量及品質(zhì)[6]。利用植物去除土壤中的重金屬是一種安全有效的方法,ZU 等[7]發(fā)現(xiàn)云南礦區(qū)生長(zhǎng)的本土植物小花南芥地上部Pb 含量可達(dá)1 963.2 mg·kg-1,且富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于1,可作為超富集植物有效修復(fù)Pb 污染土壤。
重金屬脅迫會(huì)導(dǎo)致植物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的缺乏,使其生理和代謝過(guò)程發(fā)生紊亂[8]。硫是一種植物必需的營(yíng)養(yǎng)元素,在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育和生理代謝過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[9]。其不僅能影響植物的生長(zhǎng)和生理過(guò)程,還能改變重金屬的累積特征,減緩重金屬對(duì)植物的毒害[10]。李會(huì)合等[11]的研究表明,施硫促進(jìn)了超累積植物東南景天對(duì)Cd 的轉(zhuǎn)運(yùn)與累積,增加了東南景天的生物量。ZHANG 等[12]的研究表明,施硫能減少水稻中Cd 從根部到地上部的轉(zhuǎn)運(yùn),降低水稻籽粒中Cd 的濃度。王吉秀等[13]的研究表明,施硫促進(jìn)了小花南芥對(duì)Pb 的累積,提高了植株對(duì)Pb 的富集系數(shù)和轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。
本研究選取云南會(huì)澤鉛鋅礦周邊Pb 污染土壤種植超富集植物小花南芥,通過(guò)外源添加不同濃度硫,研究其對(duì)土壤有效態(tài)Pb、小花南芥富集Pb、小花南芥體內(nèi)含硫化合物和酶活性對(duì)Pb 累積的影響,旨在探究外源添加硫元素條件下小花南芥體內(nèi)的含硫化合物如何影響Pb富集的機(jī)理。
小花南芥(Arabis alpinaL.var.ParvifloraFranch):十字花科,南芥屬,基生蓮座狀草本植物。小花南芥種子和試驗(yàn)用土采自云南省會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)廢棄地,試驗(yàn)用土基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1,采樣區(qū)位于103°03′~103°55′E,25°48′~26°28′N(xiāo),海拔2 263~2 516 m。
表1 試驗(yàn)用土基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of test soil
挑選大小一致且籽粒飽滿的小花南芥種子,在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山大棚進(jìn)行種子育苗,待幼苗長(zhǎng)到3 個(gè)月進(jìn)行移栽。將長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗移栽到試驗(yàn)用土中,每盆(22 cm×17 cm)裝4 kg 土壤,移栽7 株植物。采用Na2SO4(分析純)配制濃度為0.59、1.18、1.78、2.37 mg·mL-1的溶液(以計(jì)),向土壤中噴施500 mL,使各處理土壤硫含量分別為 0(CK)、50(S50)、100(S100)、150(S150)、200(S200)mg·kg-1。風(fēng)干后再次混勻加快均質(zhì)化過(guò)程,均質(zhì)期20 d。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),共計(jì)15 盆。移栽培養(yǎng)60 d 收集植物,分地上部、地下部制樣備用,收集小花南芥根際土壤,自然風(fēng)干后,過(guò)篩備用。
1.3.1 試驗(yàn)土基本理化性質(zhì)測(cè)定
硫含量、有效硫、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和pH 的測(cè)定參照《土壤農(nóng)化分析》[18]。
1.3.2 生物量測(cè)定
收獲的植株樣先用自來(lái)水反復(fù)沖洗,后用去離子水浸泡10 min,以除去植株根部吸附的Pb2+,最后再用去離子水洗凈,用吸水紙吸干多余水分。將植株地上部和地下部置于105 ℃烘箱中殺青30 min,然后75 ℃烘干至恒質(zhì)量,稱(chēng)取干質(zhì)量,計(jì)算生物量。
1.3.3 土壤和植物Pb含量測(cè)定
土壤Pb 含量:稱(chēng)取過(guò)0.149 mm 孔徑篩的風(fēng)干土0.5 g置于100 mL三角瓶中,用少量蒸餾水濕潤(rùn)土樣,加王水(VHNO∶3VHCl=1∶3)5 mL,封口過(guò)夜,在石墨電熱板(DB-2EFS)上低溫加熱至微沸(140~160 ℃),待棕色氮氧化物基本趕完后,取下冷卻。沿壁加入5 mL高氯酸,繼續(xù)加熱至樣品呈灰白色糊狀,取下冷卻。將消化好的溶液過(guò)濾到50 mL 容量瓶中,用去離子水多次洗滌三角瓶,最后用去離子水定容。用火焰原子吸收分光光度計(jì)(Thermo ICE3000 SERIES)測(cè)定。
植物Pb含量:稱(chēng)取0.1 g植物干樣于消解罐中,加入3 mL 硝酸后過(guò)夜,第2 d 加入2 mL 30%過(guò)氧化氫,隨后將消解罐放入140 ℃烘箱(DHG-9145A)消解4 h[19]。4 h 后,取出冷卻至室溫。過(guò)濾到50 mL 容量瓶中,后用去離子水定容。用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。
土壤有效態(tài)Pb 含量:稱(chēng)取過(guò)2 mm 孔徑篩的風(fēng)干土5 g 置于50 mL 離心管中,加入25 mL DTPA-TEACaCl(2pH 7.3)混合提取液,在(25±2)℃的室溫下置于180 r·min-1的恒溫?fù)u床(TS-100C)上振蕩2 h,離心過(guò)濾上清液,用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定[20]。
富集系數(shù)等于植株地上部Pb含量(mg·kg-1)除以土壤Pb含量(mg·kg-1)。
轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)等于植株地上部Pb含量(mg·kg-1)除以植株地下部Pb含量(mg·kg-1)。
1.3.4 植物體內(nèi)含硫化合物含量及酶活性測(cè)定
樣本制備:稱(chēng)取地上部或地下部0.1 g 鮮樣于2 mL 離心管中,加入提取液,置冰箱冰浴30 min,使用高通量組織研磨器(SCIENTZ-48)研磨成勻漿。然后置于高速冷凍離心機(jī)(HC-3018R)中冷凍離心,取上清液置冰上待測(cè)。
根據(jù)試劑盒說(shuō)明書(shū)(購(gòu)自蘇州格銳思生物技術(shù)有限公司)使用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(UV-5800)測(cè)定,谷氨酸(Glu):在340 nm 讀取吸光值。半胱氨酸(Cys):在710 nm 讀取吸光值。還原型谷胱甘肽(Reduced glutathione,GSH):在412 nm 讀取吸光值。氧化型谷胱甘肽(Oxidized glutathione,GSSG):在412 nm 比色,記錄立即讀數(shù)和5 min 后吸光值。γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-GCS):在700 nm 讀取吸光值。谷胱甘肽還原酶(GR):在412 nm 比色,記錄30 s 和10 min 吸光值。谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(Glutathione peroxidase,GPX):在412 nm 讀取吸光值。谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST):在340 nm比色,記錄立即讀數(shù)和10 min吸光值。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 對(duì)其整理與處理,采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)和差異顯著性檢驗(yàn)(Duncan,P<0.05)及相關(guān)性分析(Pearson),采用Origin 2018繪圖。圖中數(shù)據(jù)用3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。
不同硫濃度下,小花南芥生物量的變化如圖1 所示。小花南芥地上部、地下部生物量呈現(xiàn)出隨硫濃度的增加先增加后減少的趨勢(shì),且均在S50 處理下達(dá)到最大值。與對(duì)照相比,小花南芥地上部生物量在S50和S100 處理下分別增加了85.0%和19.4%。小花南芥地下部生物量在S50 處理下與對(duì)照相比存在顯著差異(P<0.05,下同),生物量增加了46.2%,而S100處理與對(duì)照相比無(wú)顯著差異,且隨著硫濃度的增加,地下部生物量顯著降低,S150和S200處理時(shí),分別降低23.1%和28.9%。由此可以得出,不同硫濃度對(duì)小花南芥地上部生物量的影響大于地下部,說(shuō)明小花南芥地上部對(duì)硫表現(xiàn)更敏感,且低硫處理對(duì)小花南芥生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。
不同硫濃度處理下土壤中有效態(tài)Pb 含量存在明顯變化(圖2)。S50 和S100 處理下,土壤中有效態(tài)Pb含量較對(duì)照降低了7.3%和5.5%;S150 和S200 處理下,土壤中有效態(tài)Pb 含量較對(duì)照提高了3.6%和4.1%??偟膩?lái)說(shuō),低硫處理使得土壤有效態(tài)Pb 含量減少,高硫處理使得土壤有效態(tài)Pb含量增加,進(jìn)而可能影響小花南芥對(duì)Pb的積累。
由圖3 可知,不同硫濃度對(duì)小花南芥地上部、地下部Pb 含量有顯著影響。小花南芥地上部Pb 含量與對(duì)照相比分別降低了33.0%、12.5%、8.1%和9.4%。硫處理為S50 和S100 時(shí),小花南芥地下部Pb 含量較對(duì)照降低8.1%和8.9%。硫處理為S150和S200時(shí),地下部Pb 含量較對(duì)照增加23.1%和32.8%。小花南芥地上部、地下部Pb 含量與土壤有效態(tài)Pb 含量存在一定的關(guān)系。總的來(lái)說(shuō),外源添加硫抑制了小花南芥地上部對(duì)Pb 的吸收;低硫處理抑制了小花南芥地下部對(duì)Pb 的吸收,高硫處理促進(jìn)了小花南芥地下部對(duì)Pb的吸收。
從表2 可知,不同硫濃度對(duì)小花南芥Pb 累積特征的影響不同。當(dāng)硫處理為S50和S100時(shí),小花南芥富集系數(shù)都大于1,與對(duì)照相比增加0.6 倍和1.1 倍,而當(dāng)硫處理為S150 和S200 時(shí),富集系數(shù)與對(duì)照相比反而下降70%和77%。外源添加硫抑制了小花南芥對(duì)Pb 的轉(zhuǎn)運(yùn),當(dāng)硫處理為S200 時(shí),小花南芥轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最小,較對(duì)照下降了32%。
表2 不同硫濃度對(duì)小花南芥Pb富集系數(shù)與轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響Table 2 Effects of different sulfur concentrations on the Pb bioconcentration factor and translocation factor of A.alpine
不同硫濃度對(duì)小花南芥體內(nèi)谷氨酸(Glu)和半胱氨酸(Cys)含量(以鮮質(zhì)量計(jì),下同)的影響見(jiàn)圖4。從圖中可以看出不同硫濃度下,小花南芥地上部Glu含量隨著硫濃度增加而增加,在S200 處理下達(dá)最大值,為104.05 μg·g-1;地下部Glu含量隨著硫濃度增加先增加后下降,在S100 處理下達(dá)最大值,為216.26 μg·g-1。小花南芥地上部Cys 含量隨著硫濃度增加先增加后下降,在S150 處理下達(dá)最大值,為93.58 mg·g-1;地下部Cys 含量隨著硫濃度增加而增加,在S200處理下達(dá)最大值,為114.04 mg·g-1。
不同硫濃度對(duì)小花南芥體內(nèi)還原型谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量的影響見(jiàn)圖5。從圖中可以看出不同硫處理下,小花南芥地上部GSH含量無(wú)顯著差異;地下部GSH 含量在S50處理下達(dá)最大值,為 0.75 μmol·g-1,其他處理與對(duì)照之間無(wú)顯著差異。小花南芥地上部、地下部GSSG 含量都隨著硫濃度增加先增加后下降,均在S100 處理下達(dá)最大值,分別為 28.92 nmol·g-1和28.09 nmol·g-1。
不同硫濃度對(duì)小花南芥體內(nèi)γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-GCS)和谷胱甘肽還原酶(GR)活性有不同影響(圖6)。小花南芥地上部γ-GCS 活性隨著硫濃度增加而增加,在S200 處理下達(dá)最大值,為92.32 μmol·h-1·g-1;地下部γ-GCS 活性隨著硫濃度增加先增加后下降,在S150 處理下活性最高,為287.45 μmol·h-1·g-1。小花南芥地上部、地下部 GR 活性都隨著硫濃度增加而增加,均在S200 處理下活性最高,分別為57.90 nmol·min-1·g-1和104.99 nmol·min-1·g-1。
圖7 為不同硫濃度對(duì)小花南芥體內(nèi)谷胱甘肽過(guò)氧化物酶(GPX)和谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶(GST)活性的影響,可以看出,小花南芥地上部、地下部GPX 活性都隨著硫濃度增加先增加后下降,均在S50 處理下活性最高,分別為 1 545.52 nmol·min-1·g-1和 1 413.38 nmol·min-1·g-1。小花南芥地上部 GST 活性隨著硫濃度增加先增加后下降,在S150 處理下活性最高,為176.76 nmol·min-1·g-1;地下部GST活性隨著硫濃度增加而增加,在S200 處理下活性最高,為290.46 nmol·min-1·g-1。
如表3 所示,硫處理與小花南芥地下部Pb 含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01,下同),土壤有效態(tài)Pb 含量與小花南芥地上部、地下部Pb含量呈極顯著正相關(guān)。
表3 小花南芥硫處理、有效態(tài)Pb含量與Pb含量的相關(guān)性Table 3 Correlation between sulfur treatments,available Pb content and Pb content in A.alpine
如表4 所示,小花南芥地上部Pb 含量與地上部GSSG 含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05,下同),與地上部GPX 活性呈極顯著負(fù)相關(guān);小花南芥地下部Pb 含量與地上部Glu含量呈極顯著正相關(guān),與地上部GSH 含量呈顯著負(fù)相關(guān),與地上部GSSG 含量和GPX 活性呈極顯著負(fù)相關(guān),與地上部γ-GCS 和GR 活性呈顯著正相關(guān)。
表4 小花南芥體內(nèi)Pb含量與地上部含硫化合物及酶活性的相關(guān)性Table 4 Correlation between Pb content in A.alpine and shoot sulfur-containing compounds and enzyme activities
如表5 所示,小花南芥地上部Pb 含量與地下部Glu 含量呈顯著負(fù)相關(guān),與地下部GPX 活性呈極顯著負(fù)相關(guān);小花南芥地下部Pb含量與地下部Cys含量呈極顯著正相關(guān),與地下部GSH 含量呈顯著負(fù)相關(guān),與地下部γ-GCS、GR和GST活性呈顯著正相關(guān)。
表5 小花南芥體內(nèi)Pb含量與地下部含硫化合物及酶活性的相關(guān)性Table 5 Correlation between Pb content in A.alpine and root sulfur-containing compounds and enzyme activities
硫元素在植物整個(gè)生命周期中起著無(wú)法替代的作用。硫不僅參與植物光合作用、氨基酸和蛋白質(zhì)合成及酶促反應(yīng)等生理過(guò)程,還調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程[21]。在重金屬脅迫下,外源施加硫可以改善植物的生長(zhǎng)、生理代謝過(guò)程。已有研究發(fā)現(xiàn)施硫處理促進(jìn)小麥的生長(zhǎng),增加葉綠素含量,緩解銅鎘復(fù)合脅迫對(duì)小麥的毒害[22]。外源添加硫顯著增加了三葉草[23]、印度芥菜[24]和東南景天[11]的生物量。但過(guò)量的硫會(huì)導(dǎo)致土壤酸化和硫的富營(yíng)養(yǎng)化,抑制植物的生長(zhǎng)[25]。本研究發(fā)現(xiàn),在Pb脅迫下,適量的硫供應(yīng)顯著增加了小花南芥地上部和地下部生物量,高硫處理抑制了小花南芥地下部生物量。
硫的添加會(huì)改變土壤的理化性質(zhì),使土壤pH 值從6.08 下降到5.47,有效硫增加20.3%~41.5%,從而影響植物對(duì)重金屬的吸收。本試驗(yàn)表明,除植株小花南芥地上部Pb 含量在高硫處理下無(wú)顯著變化外,土壤有效態(tài)Pb 含量與小花南芥吸收Pb 含量變化趨勢(shì)一致。在S50 和S100 處理下,土壤有效態(tài)Pb 含量降低,其可能原因是低硫處理下與土壤中游離的Pb2+形成PbSO4沉淀,降低了土壤中Pb 的有效性,同時(shí)施硫亦可增加土壤負(fù)電荷,促進(jìn)土壤膠體對(duì)Pb2+的吸附[26]。S150 和 S200 處理下,土壤有效態(tài) Pb 含量增加,主要與硫的施加導(dǎo)致土壤酸化,使得土壤中Pb向活性較高的有效態(tài)轉(zhuǎn)化有關(guān),從而促進(jìn)了植物對(duì)Pb的累積[27],如WANG 等[28]發(fā)現(xiàn)施硫降低了土壤pH,促進(jìn)了植物對(duì)Cu和Zn的吸收累積。
本研究發(fā)現(xiàn)S50、S100 處理提高了小花南芥Pb的富集系數(shù),與王吉秀等[13]的結(jié)論一致,但S150、S200處理抑制了小花南芥對(duì)Pb 的富集,且施硫均降低了小花南芥對(duì)Pb 的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。其原因可能是外源施硫增加了小花南芥體內(nèi)含硫化合物的形成,將Pb 更多固定在地下部,減少了向地上部的轉(zhuǎn)移,從而減少小花南芥對(duì)Pb的轉(zhuǎn)運(yùn)。
重金屬脅迫下,施硫可以促進(jìn)植物含硫化合物的合成,從而螯合重金屬以減輕其毒性[29]。Cys 是唯一一種含巰基的氨基酸[30],是含硫化合物的前體物質(zhì),可直接或間接合成GSH、PCs 和MTs 等物質(zhì)應(yīng)對(duì)重金屬脅迫[31]。因此Cys 和GSH 的合成對(duì)植物的氧化脅迫反應(yīng)有重要作用[32],同時(shí)Glu 的充足供應(yīng)對(duì)合成Cys 也十分重要[33]。本試驗(yàn)中,在Pb 脅迫下,施硫增加了小花南芥體內(nèi)Glu 和Cys 的含量,且地下部Pb 吸收量大于地上部,相關(guān)性分析表明小花南芥地下部Pb 含量與地下部Cys 含量呈極顯著正相關(guān)。研究表明Cys 含量的增加提高了擬南芥對(duì)Cd 的耐性和積累的能力[34]。GSH 是以Cys 為底物合成的物質(zhì),是一種抗氧化劑。當(dāng)重金屬脅迫時(shí),植物體內(nèi)的活性氧(ROS)物質(zhì)會(huì)增加,產(chǎn)生氧化應(yīng)激反應(yīng)[35],而GSH 以還原形式存在于細(xì)胞中,它在抗氧化過(guò)程中被氧化為GSSG[36]。植物細(xì)胞中的GSH 和PCs 可以通過(guò)螯合重金屬離子來(lái)緩解過(guò)量ROS 造成的毒性作用[37]。如SUN 等[38]通過(guò)施加硫肥提高了水稻莖葉中GSH 的含量,降低了水稻對(duì)Cu的吸收。本研究中,施硫減少了小花南芥地上部GSH 含量,增加了小花南芥地下部GSSG 含量。其可能原因是施硫使小花南芥地下部GSH 更多被合成PCs 和氧化成GSSG,將 Pb 更多固定在根部,減少向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)。FAN 等[39]研究表明外源添加硫使水稻葉片中還原型GSH 合成的PCs 含量增加,緩解了Cd對(duì)水稻生長(zhǎng)的脅迫。
上述含硫化合物的合成涉及以下幾種酶:γ-GCS、GR、GPX 和 GST。γ-GCS 是GSH 合成中起關(guān)鍵作用的酶,是植物應(yīng)對(duì)重金屬脅迫必不可少的酶[40]。GR 能催化GSSG 還原成GSH,因此GR 活性直接影響GSH 含量[41]。GPX 和 GST 是以 GSH 為底物合成的抗氧化酶,參與重金屬的解毒[42]。在受到重金屬脅迫時(shí),在GST 的作用下GSH 可與重金屬離子反應(yīng),將其轉(zhuǎn)移到液泡中使其失去活性[27]。孫惠莉等[43]的研究表明,施硫增加了Cd脅迫下小白菜中GSH含量和GR活性。本研究顯示,硫處理增加了小花南芥地上部、地下部γ-GCS 和GR 活性;低硫處理增加了小花南芥地上部、地下部GPX 活性,高硫處理降低了GPX 活性;施硫增加了小花南芥體內(nèi)GST活性。相關(guān)性分析表明小花南芥地下部Pb 含量與地下部γ-GCS、GR 和GST 活性呈顯著正相關(guān)。施硫處理提高了小花南芥地下部γ-GCS、GR和GST活性,其原因可能是高硫處理提高了土壤有效態(tài)Pb 含量,從而促進(jìn)了小花南芥地下部對(duì)Pb 的吸收,酶活性的增加促進(jìn)了含硫化合物的合成,使Pb被更多地螯合在根部。
(1)低硫處理提高了小花南芥地上部和地下部生物量,降低了土壤有效Pb 含量和植株對(duì)Pb 的吸收;高硫處理抑制了小花南芥地上部和地下部生物量,增加了土壤有效Pb含量和植株地下部對(duì)Pb的吸收。
(2)硫處理促進(jìn)了小花南芥對(duì)Pb 的累積,當(dāng)硫濃度為50 mg·kg-1和100 mg·kg-1時(shí),富集系數(shù)大于1,有利于小花南芥對(duì)Pb的富集和轉(zhuǎn)運(yùn)。
(3)硫處理增加了小花南芥體內(nèi)含硫化合物的含量,增強(qiáng)了小花南芥對(duì)Pb脅迫的耐性;提高了小花南芥體內(nèi)含硫化合物中關(guān)鍵酶的活性,促進(jìn)了含硫化合物的生成,對(duì)植株抵御Pb脅迫起重要作用。