鎘處理對(duì)亞麻生長發(fā)育的影響及鎘在亞麻體內(nèi)的分布

趙信林，王慧，邱化蛟，邱財(cái)生，龍松華，王玉富*，郭媛*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長沙 410205；2.中南林業(yè)科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

在人類活動(dòng)因素和自然因素雙重作用下，土壤、水體中的重金屬污染情況日益嚴(yán)重[1-2]，嚴(yán)重制約著中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。在諸多有害重金屬中，鎘（Cd）因其移動(dòng)性強(qiáng)、毒性高、易隨食物鏈累積而備受關(guān)注[3-5]，土壤Cd 污染修復(fù)任務(wù)緊迫。在各種修復(fù)手段中，植物修復(fù)模式因具有環(huán)保、成本低、易操作等優(yōu)點(diǎn)而成為研究的熱點(diǎn)。尋找適合Cd污染農(nóng)田修復(fù)和利用的作物，一直是科研工作者的目標(biāo)之一。

亞麻（Linum usitatissimumL.）是世界三大纖維和五大油料作物之一，是人類最早栽培的古老作物[6]。亞麻有200 多個(gè)品種，根據(jù)其用途分為纖維用、油用、油纖兼用3 種類型[7]。隨著對(duì)亞麻研究的擴(kuò)展和深入，亞麻在生物復(fù)合材料[8]、醫(yī)用[9]等領(lǐng)域的利用已取得了較大進(jìn)展，這使得亞麻的經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值更加突出。此外，人們還發(fā)現(xiàn)亞麻對(duì)Cd 具有很強(qiáng)的吸收能力和耐性，如GUO 等[10]發(fā)現(xiàn)，一些亞麻品種每年每公頃可在土壤中移除60 g 的Cd，而BJELKOVá[11]則發(fā)現(xiàn)，某些亞麻品種在Cd 含量為1000 mg/kg 的土壤上依然可正常生長。同時(shí)，種植在Cd 污染農(nóng)田上的亞麻還可作為能源作物用于生物燃料的生產(chǎn)[12]?？梢?，亞麻有潛力去替代那些經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值低、生長緩慢、生物量小的超積累植物來實(shí)現(xiàn)Cd 污染土壤的修復(fù)和利用[13]。

關(guān)于用亞麻修復(fù)Cd 污染農(nóng)田的研究較多，但大多數(shù)集中于高富集Cd 的亞麻品種篩選、亞麻對(duì)Cd 的修復(fù)效果及亞麻對(duì)Cd 脅迫生理響應(yīng)等，而對(duì)生存在Cd脅迫下的亞麻體內(nèi)積累的Cd 的亞細(xì)胞水平的分布情況研究較少。本研究中，探究不同水平Cd 處理對(duì)亞麻植株形態(tài)學(xué)的影響，進(jìn)入亞麻植株體內(nèi)的土壤Cd 在亞麻根、莖、葉等器官內(nèi)的分布情況及根、莖、葉等器官內(nèi)的Cd 在亞細(xì)胞水平上的分布情況。現(xiàn)將結(jié)果報(bào)告如下。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與亞麻品種

供試土壤采集于湖南省益陽市沅江市。土壤有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為26.9、1.31 g/kg；有效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為40.0、91.5 mg/kg；pH為7.35。

供試亞麻品種為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所選育的中亞1 號(hào)，是中早熟纖維用亞麻品種。其株高約95～105 cm，原莖產(chǎn)量依據(jù)不同產(chǎn)地情況可達(dá)6～11 t/hm2，適合中國絕大部分產(chǎn)區(qū)種植，具有較強(qiáng)的抗倒伏品質(zhì)。研究[10]表明，中亞1 號(hào)對(duì)Cd 具有較好的耐性和修復(fù)效果。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

去除在田間采集的土壤樣品中的大石塊、植物殘?bào)w等，風(fēng)干后過2 mm 篩，然后對(duì)土壤樣品進(jìn)行3 種處理：不加Cd 的對(duì)照（CK）、添加40 mg/kg 的低Cd 處理（Cd40）和添加80 mg/kg 的高Cd 處理（Cd80），其土壤有效Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.14、17.40、51.50 mg/kg。由于在之前的田間試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)亞麻在自然環(huán)境中各種Cd 污染程度下的農(nóng)田里均可較好的生長，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了更高濃度的Cd 處理，以便檢驗(yàn)亞麻的耐Cd 潛力及Cd 在亞麻植株內(nèi)的積累、分布情況。將處理好的土壤分別裝入花盆中，靜置2 月，使加入的Cd 達(dá)到轉(zhuǎn)化平衡。2 月后，在每盆中加入適量的水，將花盆中土壤的含水量調(diào)整為田間持水量的70%，再將70 粒亞麻種子播種在表層土下2 cm 深度處。每周觀察2 次亞麻出苗及長勢(shì)情況。及時(shí)噴水，避免土壤干燥，治蟲和除草視情況而定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 亞麻的形態(tài)指標(biāo)和生物量測(cè)定

播種2 周后，計(jì)數(shù)每個(gè)處理的亞麻苗數(shù)，并計(jì)算出苗率。播種40 d 后收獲亞麻，在每盆亞麻苗中選取10 株測(cè)定其株高、莖粗和葉片數(shù)；然后用蒸餾水洗凈每盆的植株，并在吸干植株表面的水分后稱其鮮質(zhì)量；再取部分植株進(jìn)行烘干，測(cè)定植株的含水率，進(jìn)而根據(jù)含水率計(jì)算每盆亞麻植株的干生物量。

1.3.2 亞麻亞細(xì)胞組分的分離及Cd 含量的測(cè)定

取部分洗凈并吸干植株表面水分的新鮮亞麻苗，將其分為根、莖和葉，采用差速離心法對(duì)此3部位的細(xì)胞進(jìn)行亞細(xì)胞器分離，具體操作流程參照李德明等[14]和SUN 等[15]的方法并有所改進(jìn)。稱取0.5 g 樣品于研缽中，加入20 mL 預(yù)冷的pH 7.4 的亞細(xì)胞緩沖溶液（250 mmol/L 蔗糖、1 mmol/L 二硫赤蘚醇、50 mmol/L Tris-HCl），迅速將樣品研磨成勻漿。對(duì)所得勻漿進(jìn)行差速離心：以300 r/min 的速度離心30 s，沉淀為細(xì)胞壁組分；上層清液再以2000 r/min 的速度離心15 min，沉淀為細(xì)胞核和葉綠體組分；上層清液再以10 000 r/min 的速度離心20 min，沉淀為線粒體組分；其余上清液為可溶性部分，包括核糖體等。上述所有步驟均在4 ℃條件下進(jìn)行。用去離子水洗滌細(xì)胞壁組分，過濾后將濾渣轉(zhuǎn)移至消煮管，其余組分分別用去離子水洗入消煮管，60 ℃烘干后，用體積比為5∶1 的硝酸、高氯酸消解，最后采用ICP-MS 測(cè)定Cd 的含量。利用亞麻植株不同部位的4 個(gè)亞細(xì)胞組分的Cd 含量分別計(jì)算亞麻植株不同部位的Cd 含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)均使用Microsoft Excel 2016 進(jìn)行整理；運(yùn)用SPSS 22.0 進(jìn)行方差分析，采用Duncan 法在P＜0.05 的顯著水平上進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd 處理對(duì)亞麻植株形態(tài)及生物量的影響

Cd 處理可影響亞麻的出苗率、株高、莖粗、葉片數(shù)，最終影響亞麻的生物量，但Cd 對(duì)亞麻的影響因質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同而存在差異（表1）。從表1 可以看出，Cd40 對(duì)亞麻的出苗有一定的促進(jìn)作用，Cd40的出苗率較CK 的提高了13.0%；Cd80 的出苗率較CK 的降低了19.6%，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；Cd80的出苗率顯著低于Cd40 的。Cd 的存在對(duì)亞麻產(chǎn)生了不同程度的毒害作用，不論何種質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Cd處理都會(huì)影響亞麻的株高、莖粗和葉片數(shù)。與CK相比，Cd40 在一定程度上降低了亞麻的株高、莖粗和葉片數(shù)，分別降低了20.7%、9.3%和7.0%；而Cd80 則無一例外地顯著降低了亞麻的株高、莖粗和葉片數(shù)，分別降低達(dá)64.1%、51.9%和58.6%。Cd的存在不僅影響了亞麻植株形態(tài)，也顯著影響了亞麻的生物量。與CK 相比，2 種水平的Cd 處理均顯著降低了亞麻的生物量，且隨著Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，亞麻生物量的降低更加明顯，Cd40 和Cd80 的生物量分別降低了20.6%和71.8%。

表1 C d 處理下亞麻的出苗率和植株形態(tài)特征及生物量Table 1 Seedling emergence rate, plant morphological characteristics and biomass of flax treated with Cd

2.2 Cd 處理下亞麻植株內(nèi)Cd 的含量與分布

從表2 可以看出，土壤中的Cd 經(jīng)亞麻根系吸收后會(huì)進(jìn)入亞麻體內(nèi)進(jìn)行再分布，并且在亞麻體內(nèi)各個(gè)器官中的分布差異明顯，根、葉、莖中Cd 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次降低，其中，根中的Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于葉和莖的，且隨著土壤Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加亞麻植株各器官的Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也顯著增加。

表2 C d 處理下亞麻的根和莖及葉中的Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 The mass fractions of Cd in root, stem and leaf of flax treated with Cd mg/kg

從表3 可以看出，在3 個(gè)器官中，在亞麻亞細(xì)胞水平上細(xì)胞壁和核糖體組分的Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，顯著高于細(xì)胞核與葉綠體、線粒體組分的Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)；隨著土壤Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，各個(gè)器官的各亞細(xì)胞組分的Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也顯著增加；細(xì)胞壁和核糖體是細(xì)胞內(nèi)Cd 積累的主要位置。

表3 亞麻根和莖及葉在亞細(xì)胞水平上的Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 3 The mass fractions of Cd at subcellular level in roots, stems and leaves of flax mg/kg

3 討論

本研究中，低濃度Cd 處理可促進(jìn)亞麻出苗，而高濃度Cd 處理抑制亞麻出苗，這與郭媛等[16]的研究結(jié)果類似。其原因可能是低濃度Cd 處理刺激了亞麻種子內(nèi)RNA 和蛋白質(zhì)的合成，從而促進(jìn)了種子的萌發(fā)和出苗[17]。與對(duì)照相比，Cd 處理降低了亞麻的株高、莖粗和葉片數(shù)。DOUCHICHE 等[18]在向沙培的亞麻品種Hermes 施加0.1 mmol/L 的Cd時(shí)，亞麻的株高、莖粗和葉片數(shù)也受到了顯著的負(fù)面影響。本研究結(jié)果與其相似。本研究中，Cd 處理顯著降低了亞麻的生物量，且該影響隨著Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，這與已報(bào)道的研究[19]的結(jié)果相似。而導(dǎo)致亞麻生物量降低的原因可能是植株細(xì)胞內(nèi)和分子水平上的一些生理生化過程由于Cd 處理而發(fā)生了變化[20]。此外，Cd 處理下植株體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致調(diào)節(jié)植物正常功能的各種酶和官能團(tuán)的堵塞或失活[21]，最終抑制植株的光合作用，降低了有機(jī)物質(zhì)的積累。

植物對(duì)重金屬的耐受機(jī)制包括對(duì)重金屬的排斥和積累，前者是指植物避免吸收重金屬和限制重金屬轉(zhuǎn)移到枝葉，具有這類耐受機(jī)制的作物表現(xiàn)為根部重金屬含量高于地上部重金屬含量[22]。土壤中的Cd 經(jīng)亞麻根系吸收后會(huì)進(jìn)入亞麻體內(nèi)進(jìn)行再分布，從而導(dǎo)致植株不同器官的Cd 含量有所不同[23]。本研究中，亞麻植株的根、葉、莖中Cd 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次降低。可見，亞麻對(duì)Cd 的耐受機(jī)制應(yīng)該屬于排斥機(jī)制。隨著土壤Cd 含量的增加，亞麻植株各器官的Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)也顯著升高，這與前人的研究結(jié)果[12]一致。

重金屬處理時(shí)，植物會(huì)通過各種途徑抵御和減輕重金屬對(duì)自身的傷害，如最大限度減少重金屬的吸收或運(yùn)輸，并通過修飾或隔離進(jìn)行解毒[23]。了解Cd 在亞麻體內(nèi)亞細(xì)胞水平上的濃度和分布可在一定程度上闡明亞麻耐Cd和吸Cd的機(jī)制。本研究中，亞麻細(xì)胞壁和核糖體組分中Cd 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，顯著高于細(xì)胞核與葉綠體、線粒體組分中的。細(xì)胞壁組分的Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，可能是位于細(xì)胞壁上的一些功能集團(tuán)與Cd 發(fā)生了螯合，將部分Cd“固定”到了細(xì)胞壁上；核糖體組分Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，則可能是此組分匯集了細(xì)胞內(nèi)所有可溶性組分，包括可能對(duì)有毒物質(zhì)進(jìn)行隔離的液泡等[23]。

4 結(jié)論

1） 當(dāng)土壤有效Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.4 mg/kg 時(shí)，Cd 會(huì)對(duì)亞麻出苗產(chǎn)生促進(jìn)作用，高于此量則可能會(huì)抑制亞麻出苗。

2） 添加Cd 處理，使土壤有效Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.50 mg/kg 時(shí)，會(huì)嚴(yán)重抑制亞麻的生長和生物量積累，形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)為降低株高、莖粗及葉片數(shù)等。

3） 亞麻根、葉、莖中Cd 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次降低，而在亞細(xì)胞水平上細(xì)胞壁和核糖體的Cd 質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于細(xì)胞核與葉綠體、線粒體的。