鹽鎘互作下鹽地堿蓬和堿蓬生長及鎘吸收的比較研究*

吳玉潔,封曉輝,張 睿,李 靜,劉小京**

(1.河北省土壤生態(tài)學(xué)重點實驗室/中國科學(xué)院鹽堿地資源高效利用工程實驗室/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 2.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

鎘(Cd)是一種植物生長的非必需重金屬元素,對大多數(shù)生物具有較高的毒性,當(dāng)土壤中總Cd含量超過8 mg·kg或可溶性鎘超過0.001 mg·kg時,即會對植物產(chǎn)生毒害,其毒性比其他重金屬元素高2～20倍。并且,由于Cd具有遷移能力強、易被作物根系吸收并在果實中積累的特點,會影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量并嚴(yán)重威脅到人類的健康。隨著我國沿海地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)等人類活動影響,部分地區(qū)土壤中Cd等重金屬含量已明顯超標(biāo),迫切需要修復(fù)。植物修復(fù)因其具有成本低、易實施,并具有美學(xué)價值等特點而備受關(guān)注。傳統(tǒng)的植物修復(fù)技術(shù)一般采用甜土植物,但這類植物很難在受污染的鹽堿土壤中生長。鹽生植物具有特殊的解剖結(jié)構(gòu)和生理特性,能夠適應(yīng)鹽漬環(huán)境,其對高鹽或重金屬脅迫具有較高的耐受性,如減少鹽或重金屬進入根系或限制向地上部運輸、通過鹽腺把吸收的鹽或重金屬分泌到體外或通過主動運輸把鹽或重金屬區(qū)隔化到液泡當(dāng)中等,因此,其在重金屬污染的鹽堿土壤修復(fù)中愈來愈受到重視。雖然鹽生植物對重金屬有較高的耐性,但對于重金屬污染土壤的修復(fù),人們更希望重金屬能夠在地上部積累,通過收獲帶走進行焚燒處置或在經(jīng)濟可行的情況下進行重金屬元素提取。已有研究表明,鹽生植物鹽地堿蓬()和堿蓬()對Cd有較高的地上部富集效應(yīng),且鹽分的增加能夠促進Cd的吸收,具有修復(fù)Cd污染土壤的潛力。盡管鹽地堿蓬和堿蓬同是藜科(Chenopodiaceae)堿蓬屬的一年生聚鹽型鹽生植物,但兩種植物的生境不同,鹽地堿蓬一般生長在低洼潮濕的高鹽環(huán)境,而堿蓬適應(yīng)于干燥且pH較高的環(huán)境。鹽堿地微地形的變化可導(dǎo)致土壤鹽分的變化,由于兩種植物類似,許多文章在書寫時把鹽地堿蓬和堿蓬的中文名稱混淆,目前尚未對鹽、Cd及其互作對鹽地堿蓬和堿蓬生長和Cd吸收的比較研究。因此,本研究采用水培試驗方法,比較分析了鹽地堿蓬和堿蓬在NaCl、Cd及其互作處理下的生長和Cd吸收差異,并探討了鹽對鹽生植物Cd吸收的調(diào)控機制,以期為利用鹽生植物修復(fù)鹽堿區(qū)重金屬污染土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗處理

供試植物為鹽地堿蓬和堿蓬,種子采于河北省海興縣鹽堿地(117°32′～117°58′E,38°19′～38°29′N)。將種子播種到基質(zhì)(泥炭和蛭石比例為1∶1)中。待長齊8葉時,選取長勢一致的幼苗,移栽于1/2霍格蘭營養(yǎng)液(pH 5.8～6.2)的水培燒杯(1 L),燒杯外包裹鋁箔紙用于遮光,每個燒杯中放置20株幼苗,緩苗10 d后開始處理。試驗設(shè)置鹽(NaCl)和鎘(Cd)兩個因素,每個因素兩個水平。根據(jù)文獻資料[10],鹽處理設(shè)0 g·LNaCl (S)和10 g·LNaCl (S),Cd處理設(shè)0 mg·LCd (Cd)和5 mg·LCd (Cd)。鹽和Cd分別用分析純NaCl和分析純CdCl·2.5HO (含Cd量49.1%)的形式施入。各處理的培養(yǎng)液均在1/2霍格蘭營養(yǎng)液基礎(chǔ)上配置而成。試驗采用完全隨機設(shè)計,共4個處理,以SCd處理為對照,每個處理5次重復(fù),兩種植物共計40盆,隨機擺放在室內(nèi)培養(yǎng)架上,光照15 h·d,溫度(25±2)℃。試驗每7 d更換一次培養(yǎng)液,定期通氣。試驗21 d后采收所有試驗材料并測定相關(guān)指標(biāo)。

1.2 取樣方法及指標(biāo)測定

采樣分地上部和地下部,用蒸餾水反復(fù)多次沖洗根系,用吸水紙吸水后,分別稱地上部和根鮮重,之后置于烘箱105 ℃殺青1 h,并于75 ℃烘干至恒重。葉片肉質(zhì)化程度為葉片鮮重和干重的比值,根冠比為地下部干重和地上部干重的比值。將地上部樣品粉碎研磨后,稱0.3 g樣品加6 mL濃硝酸,過夜后放置在消解箱中消解2 h,取出后加0.5 mL高氯酸再開放式消煮2 h至溶液變成透明黃豆大小液滴,冷卻后定容至50 mL。利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS,Thermo SCIENTIFIC,USA)測定消煮液中Cd濃度。Na、K、Ca和Mg利用原子吸收光譜儀(WYX-420C,JASCO Corporation,Japan)測定。采用蒽酮比色法測定可溶性糖的含量,用茚三酮顯色法測定脯氨酸含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019和SPSS 21軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用多因素方差分析和鄧肯(Duncan’s test)進行方差分析和多重比較,＜0.05為差異顯著,＜0.01為差異極顯著,用Pearson相關(guān)性檢驗對Cd濃度和其他離子濃度進行相關(guān)分析。利用Origin 2019b作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽和Cd互作對鹽地堿蓬和堿蓬生長的影響

生物量是植物對脅迫反映最直觀的體現(xiàn)。不同鹽、Cd處理對鹽地堿蓬、堿蓬的生長差異如表1所示。多因素方差分析結(jié)果表明,在本試驗條件下兩種植物地上部生物量、地下部生物量和總生物量以及根冠比之間均有極顯著的差異(＜0.01); 鹽或Cd對兩種植物地上部生物量、地下部生物量和總生物量以及根冠比均有顯著的影響(＜0.01),Cd對兩種植物葉片肉質(zhì)化程度影響顯著(＜0.05); 兩種植物的地下部生物量和根冠比對鹽分的響應(yīng)差異極顯著(＜0.01); 兩種植物的地上部生物量、總生物量和根冠比對Cd的響應(yīng)差異顯著(＜0.05或＜0.01); 鹽和Cd互作極顯著影響兩種植物的地下部生物量和根冠比(＜0.01)、顯著影響葉片肉質(zhì)化程度(＜0.05); 兩種植物的根冠比對鹽和Cd互作的響應(yīng)差異極顯著(＜0.01)。說明鹽地堿蓬和堿蓬的生長存在顯著差異,鹽或Cd均顯著影響兩種植物的生長,且兩種植物對鹽和Cd的響應(yīng)存在明顯不同。

表1 鹽和Cd互作處理對鹽地堿蓬和堿蓬生長的影響Table 1 Effects of salt,Cd and their interaction on the growth of Suaeda salsa and Suaeda glauca

從表1可以看出,堿蓬的生物量顯著大于鹽地堿蓬(＜0.05),無鹽條件下施Cd (SCd)與不施Cd(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬的地上部生物量、地下部生物量和總生物量、葉片肉質(zhì)化程度和根冠比分別降低51.2%、80.0%、57.1%、26.7%、61.9%和45.3%、68.6%、48.7%、29.1%、41.2%,說明Cd抑制兩種植物的生長,降低葉片肉質(zhì)化程度和根冠比,且Cd對鹽地堿蓬的抑制作用大于堿蓬,特別是對根的抑制更明顯。無Cd條件下施鹽(SCd)與不施鹽(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬的地上部生物量分別增加19.0%和7.9%,鹽地堿蓬地下部生物量有減少趨勢但差異不顯著,但堿蓬地下部生物量顯著減少42.9% (0.05),最終總生物量分別增加12.2%和0.8%,根冠比分別減少28.6%和47.1% (0.05); 施鹽對鹽地堿蓬葉片肉質(zhì)化程度影響不明顯,但堿蓬的葉片肉質(zhì)化程度顯著降低17.7% (0.05),說明施鹽可促進兩種植物地上部的生長,且對鹽地堿蓬地上部生長的促進作用顯著大于堿蓬,但顯著抑制堿蓬地下部的生長且顯著降低堿蓬的葉片肉質(zhì)化程度。鹽鎘互作處理(SCd)與鹽處理(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬生物量均顯著降低(0.05),但是與無鹽Cd處理(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬的地上部生物量、地下部生物量、總生物量、根冠比和葉片肉質(zhì)化程度分別增加57.6%、120.0%、65.1%、50.0%、15.2%和12.6%、-10.0%、10.7%、-20.0%、13.0%,說明施鹽顯著緩解了Cd對鹽地堿蓬生長的抑制作用,特別是對Cd抑制鹽地堿蓬根生長的緩解作用更為明顯,對堿蓬地上部的生長有一定的緩解作用,但有抑制堿蓬根系生長的趨勢。

2.2 鹽對鹽地堿蓬和堿蓬地上部Cd吸收的影響

多因素方差分析結(jié)果表明,鹽處理對兩種植物地上部Cd吸收具有極顯著影響(＜0.01),但兩種植物間差異不顯著。從圖1可以看出,鹽處理使鹽地堿蓬和堿蓬地上部Cd含量分別降低83.5%和79.9%。無鹽Cd處理(SCd)下堿蓬的Cd含量較鹽地堿蓬低9.0%,有鹽Cd處理(SCd)下堿蓬地上部對Cd的吸收有大于鹽地堿蓬的趨勢,但差異均不顯著。

2.3 鹽地堿蓬和堿蓬地上部離子吸收和Cd積累對鹽、Cd及其互作的響應(yīng)

多因素方差分析結(jié)果表明(表2),在本試驗中物種間和鹽、Cd處理下鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na、K含量均差異極顯著(＜0.01),但3因素間的交互作用對地上部Na含量影響不顯著; 除物種與鹽互作外,其他互作對K含量的影響顯著; 而物種、鹽處理、Cd處理及其交互作用對鹽地堿蓬和堿蓬地上部K/Na則具有顯著的影響。圖2A表明,無鹽(SCd和SCd)處理下鹽地堿蓬地上部Na含量顯著高于堿蓬(0.05),但K含量顯著低于堿蓬(0.05); 施鹽顯著促進鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na吸收(0.01),顯著降低地上部K的吸收(0.01)。施Cd進一步促進了兩種植物地上部Na的吸收(圖2A):無鹽條件下施Cd (SCd)與不施Cd (SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na含量分別增加了66.1% (＜0.05)和83.4%; 有鹽條件下施Cd (SCd)與不施Cd(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na含量分別增加4.1%和6.0% (0.05)。與地上部Na含量變化不同,無鹽條件下施Cd (SCd)顯著降低地上部K的含量和K/Na比(圖2B,2C),與不施Cd (SCd)相比,鹽地堿蓬、堿蓬地上部K含量和K/Na比分別降低29.9%、57.5% (0.05)和9.4%、49.5% (0.05); 有鹽條件下施Cd (SCd)與不施Cd (SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬地上部K含量和K/Na均無顯著變化(圖2B,2C)。進一步分析發(fā)現(xiàn),雖然兩種植物地上部Cd含量相近(圖1),但地上部Na、K離子積累對Cd的響應(yīng)不同。從鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na/Cd比、K/Cd比結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖3),在Cd處理下鹽地堿蓬地上部Na/Cd比高于堿蓬,而堿蓬K/Cd比高于鹽地堿蓬,但差異均不顯著; 施鹽顯著提高鹽地堿蓬和堿蓬的Na/Cd比(圖3A)和K/Cd比(圖3B)(＜0.01)。上述結(jié)果表明,兩種植物地上部Na和K含量不同,且對鹽和Cd處理下的響應(yīng)不同,鹽地堿蓬地上部依靠積累更多的Na來調(diào)控Cd的吸收,而堿蓬地上部依靠積累更多的K來調(diào)控Cd的吸收。

圖1 鹽處理對鹽地堿蓬和堿蓬地上部Cd含量的影響Fig.1 Effects of salt treatment on shoot Cd content of Suaeda salsa and Suaeda glauca

表2 鹽鎘互作處理下鹽地堿蓬和堿蓬離子含量的三因素方差分析Table 2 Three-way ANOVA of salt-Cd interactions on ions content of two plants

圖2 鹽鎘互作處理對鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na+(A),K+(B)含量和K+/Na+比(C)的影響Fig.2 Effects of salt-Cd interactions on shoot Na+(A),K+ (B)contents and K+/Na+ ratio (C)in Suaeda salsa and Suaeda glauca

圖3 鹽處理對鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na+/Cd比(A)和K+/Cd比(B)的影響Fig.3 Effects of salt treatment on shoot Na+/Cd ratio (A)and K+/Cd ratio (B)of Suaeda salsa and Suaeda glauca

2.4 鹽、Cd及其互作對鹽地堿蓬和堿蓬地上部脯氨酸和可溶性糖積累的影響

脯氨酸和可溶性糖作為大多數(shù)鹽生植物的有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在抵抗逆境脅迫時發(fā)揮著重要作用。多因素方差分析結(jié)果表明(表3),在本試驗條件下,物種間、鹽處理、Cd處理及其互作處理對鹽地堿蓬和堿蓬地上部脯氨酸含量無顯著影響,而物種間、鹽處理、Cd處理以及鹽與物種互作對鹽地堿蓬和堿蓬地上部可溶性糖含量的影響均顯著(＜0.01,＜0.05),而其他互作處理間差異均不顯著。

表3 鹽鎘互作處理下兩種植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的三因素方差分析Table 3 Three-way ANOVA of salt-Cd interactions on two osmotic regulators of two plants

從圖4A可以看出,無鹽條件下,堿蓬地上部脯氨酸含量高于鹽地堿蓬,施Cd有進一步提高兩種植物地上部脯氨酸含量的趨勢,但均差異不顯著; 施鹽有提高兩種植物地上部脯氨酸含量的趨勢,鹽和Cd互作維持脯氨酸在較高水平,但均差異不顯著。從圖4B可以看出,無鹽條件下,鹽地堿蓬地上部可溶性糖含量顯著高于堿蓬(＜0.05),施Cd進一步提高地上部可溶性糖含量,且堿蓬的地上部可溶性糖增加顯著(＜0.05); 施鹽顯著降低鹽地堿蓬地上部可溶性糖含量,鹽、Cd互作比鹽處理有增加趨勢,但鹽處理和鹽Cd互作處理對堿蓬地上部可溶性糖含量影響不顯著。兩種植物相比,堿蓬更趨向于積累有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來適應(yīng)鹽Cd逆境脅迫。

圖4 鹽鎘互作處理對鹽地堿蓬和堿蓬地上部脯氨酸(A)和可溶性糖(B)含量的影響Fig.4 Effects of salt-Cd interactions on shoot proline (A)and soluble sugar (B)contents of Suaeda salsa and Suaeda glauca

3 討論

鹽地堿蓬和堿蓬同為藜科堿蓬屬物種,具有同步的物候特征,但由于其生境不同,兩者之間也存在一定的不同,例如:鹽地堿蓬通常分布在沿海沼澤地區(qū),耐鹽耐澇能力強,在低養(yǎng)分條件下適應(yīng)性強,通常處于演替前期,但競爭能力差; 而堿蓬通常處于演替后期,競爭能力較強,并且主要分布于遠(yuǎn)離海洋的陸地或高地,因此耐鹽能力差,但耐堿能力更強,故兩種植物對于緩解Cd處理造成的生長抑制的調(diào)控機制也可能存在差異。

由于Na、K具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu),兩種離子在進入細(xì)胞時存在一定的競爭關(guān)系。在本試驗中鹽處理顯著促進鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na吸收,顯著降低地上部K的吸收,并且由于鹽地堿蓬更耐鹽,因此鹽地堿蓬地上部Na含量顯著高于堿蓬,但K含量顯著低于堿蓬,而且Cd會進一步促進鹽地堿蓬和堿蓬對Na的吸收。這與陳柯罕的研究結(jié)果一致,在相同鹽濃度下,隨著Cd濃度的增加,鹽地堿蓬根、莖、葉中的Na均顯著增加,并且在莖葉中表現(xiàn)更為顯著。此外,鹽處理使鹽地堿蓬地上部Na/Cd高于堿蓬、而K/Cd則低于堿蓬,表明較高的Na/Cd、K/Cd分別是鹽地堿蓬和堿蓬緩解Cd造成的生長抑制的主要因素。

鹽分(NaCl)是鹽生植物生長必不可少的條件之一,并且能夠有效地緩解植物所受到的逆境脅迫。在本研究中,結(jié)合生物量和Cd含量的關(guān)系(表1、圖1)分析,Cd處理顯著抑制了兩種植物地上、地下部的生長,增加NaCl能顯著緩解這種生長的抑制,這與已有的研究結(jié)果一致:添加適量NaCl,能夠使低量Cd脅迫下堿蓬、濱藜()、互花米草()、紅匍晝花()等鹽生植物的生物量增加,但在高量Cd脅迫下則仍表現(xiàn)為抑制生長。脯氨酸和可溶性糖可作為大多數(shù)鹽生植物的有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在鹽、重金屬等非生物脅迫下發(fā)揮著重要作用。在本試驗中,鹽和Cd的施入促進了鹽地堿蓬和堿蓬對Na的吸收,使葉肉細(xì)胞內(nèi)Na含量增加,促進了脯氨酸、可溶性糖含量的增加,從而能夠增加細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié),維持細(xì)胞正常代謝,提高植物的抗逆性,這與之前的研究結(jié)果一致。

王亞男等、陳雷等通過盆栽試驗均表示,在同一Cd濃度處理下,添加NaCl會促進鹽地堿蓬對Cd的吸收,并且鹽地堿蓬對Cd的積累會隨著NaCl濃度的增加而增加,這與本試驗得出的結(jié)論有所不同,這可能與培養(yǎng)介質(zhì)不同有關(guān),本文采用水培的方法,與盆栽之間存在介質(zhì)的差異,Cd脅迫后的土壤在添加NaCl后會顯著降低根際土壤中的pH,活化土壤中的Cd,增加土壤中可提取態(tài)Cd的濃度,根系分泌物能夠與重金屬絡(luò)合從而增加其生物有效性,并且一些根際微生物也會參與活化土壤重金屬,從而能促進植株對Cd的吸收。此外,Na等鹽分離子會與Cd通過競爭植物根系表面吸收結(jié)合位點從而降低植物對Cd的吸收。在本試驗中,Na與Cd之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能是本試驗中NaCl的添加反而降低了Cd濃度積累的另一個原因。

4 結(jié)論

5 mg·LCd處理對鹽地堿蓬和堿蓬的生長及滲透調(diào)節(jié)均有顯著影響,尤其對根部的抑制更為顯著,并且對鹽地堿蓬的脅迫程度要顯著大于堿蓬。施鹽能夠緩解Cd對生長的抑制,且對鹽地堿蓬的緩解作用大于堿蓬,特別是對Cd抑制鹽地堿蓬根系生長的緩解作用更為明顯。鹽地堿蓬和堿蓬分別通過維持較高的Na/Cd和K/Cd緩解Cd對兩種植物生長的抑制,可溶性糖的積累對于維持堿蓬在脅迫條件下的生長作用更為明顯。綜上,鹽、Cd及其互作處理對兩種近緣堿蓬屬鹽生植物的差異主要體現(xiàn)在Na、K的吸收積累以及生物量方面,而在Cd吸收方面則無顯著性差異。