鎘脅迫對桑樹與馬鈴薯間作植株生理生化的影響

王曉紅， 韓世玉， 羅澤虎， 張 芳， 孫運朋， 吳康云

(貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蠶業(yè)研究所， 貴州 貴陽 550006)

0 引言

【研究意義】馬鈴薯是貴州主栽農(nóng)作物之一，僅次于水稻和玉米，是貴州省典型的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)。桑樹是一種典型的生態(tài)經(jīng)濟(jì)樹種，對治理土壤重金屬污染已有較多研究報道[1-2]，探究馬鈴薯與桑樹間作后其生理生化特性變化，對鎘污染土壤修復(fù)具有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】隨著工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，重金屬污染已成為世界性嚴(yán)重問題。重金屬鎘(Cd)在土壤中相對流動性高，在前20種重金屬污染物中，Cd的毒性排在第七位[3]。Cd在植物體內(nèi)過量積累會嚴(yán)重干擾植物對礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收、運輸、同化和光合作用等一系列生理過程，從而導(dǎo)致營養(yǎng)缺乏，ATP酶活性受到破壞，光合作用降低，各種酶活性受到抑制，水分平衡和養(yǎng)分同化改變，最終導(dǎo)致植物死亡[4-6]。此外，Cd通過土壤-作物系統(tǒng)進(jìn)入食物鏈引起生物體鎘中毒，導(dǎo)致人類許多疾病的發(fā)生[7]。因此，土壤鎘污染問題亟待解決。不同物理和化學(xué)方法不同程度存在成本高、勞動強度大、土壤性質(zhì)改變和土壤原生微生物區(qū)系干擾的局限性，植物修復(fù)可克服其缺點，已成為當(dāng)前土壤污染修復(fù)研究的熱點[8]。有關(guān)農(nóng)作物間套作體系已有了大量研究。馬鈴薯和玉米間作，可改變其光合特性，產(chǎn)量提高[9]；玉米和小花南芥間作，2種植物不同器官的抗氧化酶活性顯著提高，丙二醛(MDA)含量顯著下降[10]；大豆和玉米間作，玉米根系抗氧化酶類活性顯著提高，MDA含量顯著低于單作[11]?！狙芯壳腥朦c】桑樹對重金屬Cd具有一定的富集作用，但與農(nóng)作物間套作的研究較少，鮮見桑樹與馬鈴薯間作修復(fù)Cd污染土壤的研究報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】探明鎘脅迫下桑樹與馬鈴薯間作植株超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)和可溶性蛋白(SP)含量的變化，以期為桑樹與馬鈴薯間作修復(fù)Cd污染土壤提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 土壤 鎘污染土壤，采自赫章縣野馬川鎮(zhèn)尾礦區(qū)表層土(0～20 cm)，室內(nèi)風(fēng)干后磨碎過篩備用。

1.1.2 作物 主栽與間作作物分別為桑樹和馬鈴薯。桂桑優(yōu)12號種子，購買自廣西蠶業(yè)推廣總站，常規(guī)育苗，1年生幼苗用于試驗；馬鈴薯品種威芋3號，購于威寧，薯種單個重25～50 g。

1.1.3 檢測試劑盒 可溶性蛋白(SP)檢測試劑盒購于索萊寶公司。

1.2 方法

試驗于2020年3-6月在貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所溫室大棚內(nèi)進(jìn)行，鎘污染土壤與營養(yǎng)土1∶1混合均勻，混合土壤基本理化性質(zhì)為pH 6.74，有機質(zhì)147.32 g/kg，全氮7.16 g/kg，全磷0.47 g/kg，全鉀18.54 g/kg，堿解氮406.1 mg/kg，有效磷368.2 mg/kg，速效鉀4 905 mg/kg，總鎘4.82 mg/kg?；旌贤寥姥b入水泥池子(2 m×1 m×0.5 m)進(jìn)行桑樹和馬鈴薯單作和間作。設(shè)3種栽培模式：桑樹單作、馬鈴薯單作和桑樹與馬鈴薯間作，每個池子作為1個重復(fù)，共3次重復(fù)。株距20 cm，行距30 cm。試驗期間視土壤狀況澆水，同時進(jìn)行除草防病等管理。鎘脅迫60 d后，選取不同種植模式下桑樹和馬鈴薯根的莖和葉用于生理指標(biāo)測定。

1.3 指標(biāo)測定

參照文獻(xiàn)[12]的方法，丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定，過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測定，超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法測定，過氧化物酶(POD)采用愈創(chuàng)木酚法測定?？扇苄缘鞍?SP)采用BCA法進(jìn)行測定，具體方法參見可溶性蛋白(SP)檢測試劑盒說明書。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 20.0中 Duncan，s 新復(fù)極差法多重比較進(jìn)行差異顯著性分析，利用 Graphpad Prism 5.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株丙二醛的含量

丙二醛(MDA)是植物器官發(fā)生膜脂過氧化程度的體現(xiàn)，同時也反應(yīng)植物遭受逆境條件傷害的程度，其含量越低則對逆境的耐性越強，反之越弱。從圖1看出，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株MDA含量的變化。桑樹：單作時其根、莖和葉的丙二醛含量分別為7.13 nmol/g、11.18 nmol/g和41.66 nmol/g，均高于間作，但差異不顯著。馬鈴薯：間作模式其葉的丙二醛含量為25.18 nmol/g，較單作顯著提高20.4%；單作和間作其根和莖的丙二醛平均含量平均分別為5.71 nmol/g和4.07 nmol/g，2種模式間差異不顯著；說明間作模式對馬鈴薯葉片MDA含量產(chǎn)生影響。

注：柱形圖上*表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株超氧化物歧化酶的活性

超氧化物歧化酶(SOD)是生物體內(nèi)超氧陰離子自由基的清除劑，能有效地防止其對生物體的損害，參與植物體對脅迫所產(chǎn)生的各種生理生化反應(yīng)，是植物體內(nèi)一種很重要的抗氧化酶類。從圖2可知，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株SOD活性的變化。桑樹：單作時其根、莖和葉的SOD活性分別為971.76 U/g、638.78 U/g和521.95 U/g，間作模式其根、莖和葉的SOD活性較單作分別顯著降低17.89%、6.77%和14.10%。馬鈴薯：間作模式根、莖和葉的SOD活性均高于單作，其中莖的SOD活性為220.31 U/g，較單作顯著提高28.89%；單作和間作根和葉的SOD活性平均分別為992.20 U/g和1 000.42 U/g，2種模式間差異不顯著?？梢?，間作模式下，桑樹各器官SOD活性下降，馬鈴薯各器官SOD活性升高。

圖2 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株超氧化物歧化酶(SOD)的活性

2.3 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株過氧化物酶的活性

過氧化物酶(POD)是植物體內(nèi)酶促防御系統(tǒng)的一種保護(hù)酶，能有效催化過氧化氫分解成水，從而有效阻止過氧化氫在植物體內(nèi)的累積，排除其對植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的潛在傷害。從圖3看出，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株P(guān)OD活性的變化。桑樹：間作模式各器官的POD活性均高于單作，其中根POD活性為12.08 U/g，較單作顯著提高187.62%；單作和間作莖和葉的POD活性平均分別為22.40 U/g和15.21 U/g，差異不顯著。馬鈴薯：間作模式根、莖和葉的POD活性均高于單作，其中根和葉的POD活性分別為474.46 U/g和357.52 U/g，較單作顯著提高20.37%和28.35%；單作和間作莖的POD活性平均為154.69 U/g，2種模式間差異不顯著?？梢?，間作模式下，桑樹的根和馬鈴薯根與葉的POD活性顯著升高。

圖3 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株過氧化物酶(POD)的活性

2.4 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株過氧化氫酶的活性

過氧化氫酶(CAT)與過氧化氫具有較高的親和力，主要清除線粒體電子傳遞、脂肪酸氧化過程中產(chǎn)生的過氧化氫，其含量變化是植物體內(nèi)過氧化氫在體內(nèi)變化的標(biāo)志性反應(yīng)。從圖4看出，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株CAT活性的變化。桑樹：間作模式各器官的CAT活性均高于單作，其中莖的CAT活性為426.58 U/g，較單作顯著提高70.67%；單作和間作根和葉的CAT活性差異不顯著，平均分別為133.89 U/g和1 151.25 U/g。馬鈴薯：間作模式根、莖和葉的CAT活性均高于單作，其中莖的CAT活性為56.63 U/g，較單作顯著提高64.62%；單作和間作根和葉的CAT活性平均分別為58.46 U/g和123.76 U/g，2種模式間差異不顯著?？梢姡g作模式下，桑樹和馬鈴薯莖的CAT活性顯著升高。

圖4 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株過氧化氫酶(CAT)的活性

2.5 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株可溶性蛋白的含量

可溶性蛋白(SP)是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，其增加和積累能提高細(xì)胞的保水能力，對細(xì)胞的生命物質(zhì)及生物膜具有保護(hù)作用。從圖5可知，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株SP含量的變化。桑樹：間作模式根、莖和葉中SP含量分別為15.71 mg/g、12.95 mg/g和41.40 mg/g，較單作分別顯著提高24.39%、25.85%和4.84%。馬鈴薯：間作模式根、莖和葉的SP含量均高于單作，其中葉的SP含量為24.00 mg/g，較單作顯著提高28.82%；單作和間作根和莖的SP含量平均為6.15 mg/g和7 mg/g，2種模式間差異不顯著。可見，間作模式下，桑樹根、莖、葉和馬鈴薯葉的SP含量顯著提高。

圖5 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株可溶性蛋白(SP)的含量

3 討論

間作套種體系在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中占有重要地位，相比于單一種植模式，間作不僅能充分利用水源和光源等自然資源[13-14]，還能充分利用空間和時間，提高農(nóng)田生物多樣性及作物產(chǎn)量，獲得單位土地面積上最大的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益[15-16]。

重金屬脅迫會導(dǎo)致植物體丙二醛含量增加[17]，農(nóng)藝措施能從土壤環(huán)境和植物2個方面影響植物修復(fù)效率[18]，如噴施水楊酸能顯著增加鎘脅迫下黑麥草多種抗氧化酶活性，降低電解質(zhì)滲透率及丙二醛含量[19]，在一定濃度鎘脅迫下，玉米與續(xù)斷菊間作種植，玉米葉片丙二醛含量較單作提高6.1%～64.6%，續(xù)斷菊葉片丙二醛含量較單作降低9.7%～58.7%[20]。研究結(jié)果表明，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株的丙二醛(MDA)含量存在差異，間作模式桑樹根、莖和葉的MDA含量較單作降低，馬鈴薯間作葉的MDA含較單作顯著增加20.4%；說明間作能減輕重金屬鎘對桑樹的毒性，但對馬鈴薯葉片膜的損傷程度加重。

不同植物體內(nèi)的抗氧化酶對重金屬能表現(xiàn)出不同的生態(tài)效應(yīng)，鉛和鎳處理增加了灰蘚屬、大羽蘚活性氧形成及脂質(zhì)過氧化，降低SOD和CAT活性[21]。在相同濃度Cu2+脅迫下，玉米和豌豆間作種植，玉米根和葉的SOD和CAT活性提高，在高濃度Cu2+脅迫下，間作種植玉米根的POD活性提高[22]。植物重金屬的積累和中毒是由于活性氧的產(chǎn)生而引起的氧化損傷，植物體內(nèi)抗氧化酶類在保護(hù)細(xì)胞免受活性氧損傷方面起著重要作用。研究結(jié)果表明，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性發(fā)生變化，間作模式桑樹根、莖、葉的SOD含量較單作顯著降低17.89%、6.77%和14.10%，莖POD活性較單作顯著升高187.62%；馬鈴薯莖的SOD和CAT活性較單作顯著升高28.89%和64.62%；說明植物在逆境脅迫下，間作體系可以改變植物自身酶的合成機制。

可溶性蛋白(SP)和游離脯氨酸是植物的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，能夠提高細(xì)胞的保水能力，是表征植物體內(nèi)總代謝活動的重要指標(biāo)[23]。籽粒莧與煙草間作后，間作煙草比單作葉片可溶性糖、SP含量顯著增加[24]。玉米和花生間作，間作玉米開花期葉片的SP含量顯著提高，花生結(jié)莢期和飽果期葉片的SP含量降低[25]。研究結(jié)果表明，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株的SP含量存在差異，間作模式桑樹根、莖和葉的SP含量較單作顯著升高24.39%、25.85%和4.84%，馬鈴薯葉的SP含量較單作顯著升高28.82%。說明，間作條件對桑樹和馬鈴薯SP含量有一定影響，積累蛋白是鎘脅迫下植物的一種適應(yīng)機制，可能是由于蛋白激酶在非生物脅迫下也能作為脅迫信號傳導(dǎo)的中心匯聚點，進(jìn)而提高蛋白質(zhì)的含量，達(dá)到鈍化重金屬及減輕植物受害作用[26]。

研究采用室內(nèi)土培法探討間作模式對桑樹和馬鈴薯生理特性的影響，但大田試驗受到的影響因素較多，桑樹和馬鈴薯間作下的生理響應(yīng)仍需要進(jìn)一步探索。此外，試驗采用的是桑樹幼苗和馬鈴薯種莖，Cd脅迫時間較短，并未采集到馬鈴薯塊莖，Cd在2種植物中的積累分布仍需要進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

鎘脅迫下間作模式桑樹根、莖、葉的SOD含量顯著降低，桑樹和馬鈴薯根、莖、葉的其余生理指標(biāo)均提高，差異顯著或不顯著，POD和CAT可清除Cd毒害產(chǎn)生的活性氧自由基，對提高植株鎘耐性具有重要作用。