葛高飛,沈旭松,陳諾,王琴,許陽(yáng)
(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生物技術(shù)中心,合肥 230036;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,合肥 230036)
我國(guó)的茶葉生產(chǎn)歷史悠久,消費(fèi)者眾多,茶產(chǎn)業(yè)為我國(guó)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)際貿(mào)易中一直占有重要地位。土壤是茶樹(shù)生長(zhǎng)的基礎(chǔ),顯著影響茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì),優(yōu)質(zhì)安全的茶葉離不開(kāi)健康的土壤環(huán)境和合理的人為管理。近幾年,我國(guó)茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅速且平穩(wěn),但茶葉的安全質(zhì)量問(wèn)題仍是制約其發(fā)展的瓶頸之一,其中茶葉和茶園土壤的重金屬污染現(xiàn)象一直存在且廣受關(guān)注。茶葉是我國(guó)的大宗農(nóng)產(chǎn)品之一,由于工業(yè)廢棄物排放及化肥農(nóng)藥使用的不當(dāng),茶葉中的重金屬污染日趨加重,嚴(yán)重影響了茶樹(shù)生長(zhǎng)及茶葉品質(zhì)。目前我國(guó)尚未對(duì)茶園土壤中重金屬的種類和含量做過(guò)系統(tǒng)調(diào)查,但區(qū)域性的調(diào)查研究結(jié)果表明,重金屬鉛在茶葉中的超標(biāo)率較為普遍,目前茶葉中鉛的限量標(biāo)準(zhǔn)為5 mg·kg(GB 2762—2017)。
茶多酚在茶葉中的含量很高(18%~36%),且大部分溶于水,是茶園土壤多酚的主要來(lái)源。茶多酚可通過(guò)絡(luò)合作用與無(wú)機(jī)鹽類物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),降低無(wú)機(jī)元素的生物有效性。大量研究表明,茶多酚對(duì)生物的重金屬脅迫效應(yīng)具有緩解作用。有研究發(fā)現(xiàn),在酸性條件下,Pb可以與茶多酚產(chǎn)生大量絡(luò)合物,從而降低鉛的生物有效性,緩解茶樹(shù)植株的鉛毒害癥狀。也有研究發(fā)現(xiàn),添加外源鈣對(duì)處于逆境脅迫下的植物有重要緩解作用,通過(guò)鈣信使系統(tǒng)可提高植物對(duì)重金屬、干旱、高溫、低溫、鹽脅迫等逆境的抵抗能力。鈣離子可以增加細(xì)胞壁的穩(wěn)定性,降低細(xì)胞膜透性,從而降低重金屬對(duì)植物的毒害作用。雖然茶多酚與多數(shù)金屬離子均可產(chǎn)生沉淀狀態(tài)的絡(luò)合物,但其與Ca只有在pH 8.5 以上時(shí)才會(huì)產(chǎn)生大量絡(luò)合物。因此,茶園土壤中的鈣不會(huì)與茶多酚形成絡(luò)合物而降低其生物有效性。
為比較添加茶多酚與鈣對(duì)茶樹(shù)葉片鉛毒害的緩解效果,本研究通過(guò)水培試驗(yàn),以舒茶早茶苗為材料,研究鉛脅迫下添加茶多酚和鈣對(duì)茶樹(shù)葉片鉛吸收和亞細(xì)胞分布的影響,研究結(jié)果可為茶多酚功能的合理利用提供理論基礎(chǔ),同時(shí)也為茶樹(shù)鉛污染的診斷與防治提供科學(xué)依據(jù)。
供試茶樹(shù)品種為舒茶早,采自安徽省黃山市苗木基地,為兩年生扦插苗。先將茶樹(shù)苗根系上的土壤用自來(lái)水沖洗干凈,再用超純水清洗3 次。將茶樹(shù)苗栽植于塑料盆缽(高30 cm、內(nèi)徑25 cm)中,用1/2 霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液預(yù)培養(yǎng)1 周,再轉(zhuǎn)移至完全營(yíng)養(yǎng)液中,培養(yǎng)期間通氧泵連續(xù)通氣,每5 d 更換一次營(yíng)養(yǎng)液,調(diào)節(jié)pH 值至6.0,培養(yǎng)約兩個(gè)月,茶樹(shù)苗根部長(zhǎng)出部分白色吸收根后進(jìn)行試驗(yàn)處理。
選擇長(zhǎng)勢(shì)良好且生長(zhǎng)一致的茶樹(shù)植株,設(shè)置4 個(gè)處理,即對(duì)照(CK)、鉛處理(Pb,0.5 mmol·L鉛)、鉛+茶多酚處理(Pb+TP,0.5 mmol·L鉛+0.5 mmol·L茶多酚)和 鉛+鈣離子處理(Pb+Ca,0.5 mmol·L鉛+0.5 mmol·L鈣離子),鉛以硝酸鉛的形式加入,鈣源為分析純氯化鈣,每個(gè)試驗(yàn)處理3個(gè)盆缽,每個(gè)盆缽定植4株茶樹(shù)苗。培養(yǎng)處理30 d,期間用通氣泵連續(xù)通氣,每5 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液,用0.1 mol·LHCl或NaOH 調(diào)節(jié)pH 值至6.0。茶樹(shù)苗收獲后,先用自來(lái)水沖洗整株茶苗,然后用超純水清洗干凈,吸水紙吸干表面水分,分別稱取質(zhì)量。取成熟葉(第4片真葉)鮮葉用于掃描和透射電鏡觀察,剩余成熟葉(第4~6片真葉)于-20 ℃下保存用于元素含量及亞細(xì)胞分布分析。
1.2.1 茶樹(shù)葉片鉛和鈣含量的測(cè)定
稱取0.200 0 g 茶樹(shù)成熟葉片烘干樣,用HNO-HClO(4∶1)消解,先在90 ℃左右預(yù)煮1 h,然后在160 ℃下消煮至澄清,180 ℃趕酸至盡干(呈濕潤(rùn)狀態(tài),無(wú)明顯液體殘留),用1%的稀HNO定容至25 mL容量瓶,溶液搖勻后過(guò)0.22 μm 的水系濾膜后待測(cè)。鉛和鈣的含量利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(Thermo iCAP7400 DUO)測(cè)定,再計(jì)算得到茶樹(shù)葉片中鉛和鈣的含量。
1.2.2 茶樹(shù)葉片亞細(xì)胞組分分離及鉛的測(cè)定
茶樹(shù)葉片亞細(xì)胞各組分分離采用差速離心法。準(zhǔn)確稱取成熟葉鮮樣0.500 0 g,加入20 mL細(xì)胞組分提取液[0.25 mol·L蔗糖+50 mmol·LTris-HCl緩沖液(pH 7.5)+1 mmol·L二硫赤蘚糖醇],研磨茶樹(shù)葉片并勻漿,冷凍離心機(jī)600 r·min下運(yùn)行5 min,沉淀為茶樹(shù)葉片細(xì)胞壁組分(F1);上清液于2 000 r·min下運(yùn)行15 min,沉淀為茶樹(shù)葉片的細(xì)胞核和葉綠體組分(F2);上清液于10 000 r·min下運(yùn)行20 min,沉淀為茶樹(shù)葉片線粒體組分(F3);剩余上清液為茶樹(shù)葉片的細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)和液泡等可溶性組分(F4)。勻漿和提取操作在冰盒內(nèi)進(jìn)行。茶葉葉片樣品及其各亞細(xì)胞組分采用HNO-HClO混合消化,鉛含量直接用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Thermo X SERIES 2)測(cè)定。
1.2.3 掃描電鏡分析
取鉛脅迫30 d 的茶樹(shù)苗,用自來(lái)水和超純水將茶樹(shù)植株沖洗干凈,切取完整的成熟葉片(第4 片真葉)中部(避開(kāi)葉脈)4 mm×4 mm,用磷酸緩沖液(0.1 mol·L)清洗干凈后,快速置于盛有5%戊二醛固定液的離心管中固定12 h,并用真空泵抽氣使茶樹(shù)葉片下沉到離心管底部(以保證葉片組織完全沒(méi)入戊二醛固定液中),期間加入1%的NaS溶液,使茶樹(shù)葉片組織中的鉛元素凝結(jié)。用磷酸緩沖液沖洗3 次,再分別使用50%、70%、80%、90%、95%和100%的酒精溶液逐級(jí)脫水,每次15 min。再經(jīng)100%丙酮置換2 次,每次15 min。二氧化碳臨界點(diǎn)干燥后鍍金,用Hitachi S4800型掃描電鏡在1.0 kV的加速電壓下觀察、拍照。
1.2.4 透射電鏡分析
取清洗干凈的茶樹(shù)苗,切取完整的成熟葉片(第4 片真葉)中部(避開(kāi)葉脈)2~3 cm,快速將茶樹(shù)葉片組織投入5%的戊二醛固定液(0.1 mol·L的磷酸緩沖溶液配制,pH 6.8)中,在4 ℃黑暗條件下固定18 h。固定后的葉片在0.1 mol·L磷酸緩沖溶液(pH 6.8)中清洗3 次,每次15 min。轉(zhuǎn)移茶樹(shù)葉片組織至1%的鋨酸(0.1 mol·L磷酸緩沖溶液配制,pH 6.8)中1.5 h,分別使用30%、50%、70%、80%、90%和95%的酒精溶液逐級(jí)脫水,每次15 min,再用100%的酒精脫水2次,每次10 min。經(jīng)100%的丙酮置換2 次,每次15 min。丙酮與包埋劑1∶1 比例滲透處理1 h,1∶3 比例滲透處理3 h,純包埋劑過(guò)夜,然后純包埋劑制作膠囊。膠囊置于70 ℃烘箱處理24 h,然后用超薄切片機(jī)切片(厚度100 nm),分別用醋酸雙氧鈾染色20 min、檸檬酸鉛染色15 min。茶樹(shù)葉片組織結(jié)構(gòu)的改變及鉛的分布特征觀察采用透射電鏡(Hitachi HT7700),在80 kV的加速電壓條件下完成。
數(shù)值均為3 次重復(fù)的平均值,使用Excel 2017 制圖。應(yīng)用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析(Oneway ANOVA),采用LSD 法進(jìn)行多重比較,<0.05 表示差異顯著。
如圖1 所示,鉛脅迫顯著增加了茶樹(shù)葉片對(duì)鉛元素的吸收。茶多酚添加后,茶樹(shù)葉片對(duì)鉛的吸收量顯著降低,Pb+TP 處理的鉛含量降為Pb處理的69.11%;添加鈣離子后,茶樹(shù)葉片對(duì)鉛的吸收無(wú)顯著變化。Pb處理顯著降低了茶樹(shù)葉片對(duì)鈣元素的吸收(圖2),與CK 相比,鈣含量降低了27.97%;添加茶多酚后茶樹(shù)葉片鈣含量較Pb 處理增加了11.10%,但仍顯著低于CK;鉛脅迫下加入鈣離子,顯著增加了茶樹(shù)葉片對(duì)鈣元素的吸收,Pb+Ca處理的鈣含量是Pb處理的1.35倍,鈣含量增加了34.57%;Pb+Ca處理與CK處理的茶樹(shù)葉片鈣含量無(wú)顯著差異。
圖1 不同處理的茶樹(shù)葉片鉛含量Figure 1 Lead content of different treatments in tea leaves
圖2 不同處理的茶樹(shù)葉片鈣含量Figure 2 Calcium content of different treatments in tea leaves
利用掃描電鏡觀察茶樹(shù)葉片表面形態(tài),結(jié)果如圖3 所示。與CK 相比,Pb 處理?xiàng)l件下的茶樹(shù)葉片表面和氣孔周邊有較多褶皺。Pb+TP 處理的葉片表面褶皺較Pb 處理少,氣孔周邊的褶皺較淺。Pb+Ca 處理的葉片表面光滑,氣孔周邊褶皺較淺,與CK處理的葉片表面形態(tài)較為相似。
圖3 茶樹(shù)葉片的掃描電鏡圖(×300倍)Figure 3 Scanning electron microscopy(SEM)of tea leaves(×300 times)
利用透射電鏡觀察茶樹(shù)葉片內(nèi)部細(xì)胞形態(tài),具體如圖4 和圖5。CK 處理的茶樹(shù)葉片細(xì)胞內(nèi)部形態(tài)健康正常;Pb 處理的茶樹(shù)葉片細(xì)胞的液泡內(nèi)存在較多黑色物質(zhì)沉積,細(xì)胞器較小,部分細(xì)胞器消失;Pb+TP 處理的茶樹(shù)葉片細(xì)胞液泡內(nèi)也有物質(zhì)沉積,且細(xì)胞器呈萎縮狀態(tài),但程度輕于Pb 處理;Pb+Ca 處理的茶樹(shù)葉片細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器無(wú)明顯萎縮現(xiàn)象,液泡內(nèi)有少量的黑色物質(zhì)沉積,細(xì)胞壁較其他3 個(gè)處理更厚,細(xì)胞壁和細(xì)胞器邊緣有少量黑色物質(zhì)沉積,細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核顏色較深,細(xì)胞內(nèi)部整體形態(tài)與CK 處理較為相似。Pb 和Pb+TP 處理的細(xì)胞,因液泡內(nèi)黑色物質(zhì)沉積顯著,細(xì)胞器、細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞壁的顏色相對(duì)較淺,觀察不到明顯的黑色物質(zhì)沉積。
圖4 茶樹(shù)葉片的單細(xì)胞透射電鏡圖(×1 000倍)Figure 4 Transmission electron microscope(TEM)of single cell in tea leaves(×1 000 times)
圖5 茶樹(shù)葉片的多細(xì)胞透射電鏡圖(×500倍)Figure 5 Transmission electron microscope(TEM)of multiple cells in tea leaves(×500 times)
圖6 和圖7 是鉛在茶樹(shù)葉片亞細(xì)胞中的分布情況,從圖中可以看出,鉛在茶樹(shù)葉片亞細(xì)胞的分布情況與透射電鏡觀察的黑色物質(zhì)沉積規(guī)律一致,因此透射電鏡觀察到的黑色物質(zhì)即為鉛在茶樹(shù)葉片細(xì)胞內(nèi)的沉積。Pb 處理的鉛元素在茶樹(shù)葉片細(xì)胞壁中含量最高,其次是在細(xì)胞質(zhì)和液泡內(nèi)的可溶性部分中,細(xì)胞器中含量相對(duì)較低;F1 和F4 組分占總量的72.98%。添加茶多酚后,鉛元素在茶樹(shù)葉片細(xì)胞壁中的含量升高,但與Pb處理相比差異不顯著,鉛元素在細(xì)胞器中的含量顯著減少,在細(xì)胞質(zhì)和液泡中的可溶性鉛含量也顯著減少;F1 和F4 組分占總量的78.90%。鉛脅迫下添加鈣離子,鉛元素在茶樹(shù)葉片細(xì)胞壁中的含量顯著高于Pb 和Pb+TP 處理;鉛元素在線粒體中的含量有所增加,顯著高于Pb+TP 處理,與Pb 處理差異不顯著;鉛元素在細(xì)胞質(zhì)和液泡中的含量顯著低于Pb處理,但顯著高于Pb+TP處理;F1和F4組分占總量的74.43%。
圖6 不同處理的茶樹(shù)葉片鉛亞細(xì)胞分布Figure 6 The subcellular distribution of lead in tea leaves under lead stress
圖7 茶樹(shù)葉片鉛的亞細(xì)胞分布Figure 7 The subcellular distribution of lead in tea leaves
鉛脅迫下,茶樹(shù)葉片對(duì)鉛的吸收顯著增加,對(duì)鈣的吸收顯著降低,說(shuō)明鉛脅迫對(duì)茶樹(shù)葉片吸收鈣具有一定的抑制作用,這與陳國(guó)梁等的研究結(jié)果一致。茶多酚加入后,茶樹(shù)葉片對(duì)鉛的吸收顯著降低,對(duì)鈣的吸收顯著增加。DUAN 等研究發(fā)現(xiàn),土壤中添加茶多酚后,其與土壤中的鉛離子結(jié)合,使生物有效鉛轉(zhuǎn)化為有機(jī)鉛。周琪等的細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明,茶多酚可通過(guò)絡(luò)合作用來(lái)降低重金屬離子的生物毒性,提高細(xì)胞的生存率。茶多酚的加入使一部分鉛被絡(luò)合而鈍化,茶樹(shù)葉片吸收的鉛量顯著降低(圖1),鉛脅迫對(duì)鈣吸收的抑制作用減小,因此茶樹(shù)葉片吸收的鈣量相對(duì)增加。氯化鈣加入后,茶樹(shù)對(duì)鉛的吸收無(wú)顯著變化,但顯著增加了鈣的吸收。說(shuō)明鈣離子的加入并不能抑制茶樹(shù)對(duì)鉛的吸收,只是增加了茶樹(shù)葉片對(duì)鈣離子的吸收利用。這可能是因?yàn)閯傞_(kāi)始進(jìn)行Pb+Ca 處理時(shí)茶樹(shù)葉片對(duì)鉛和鈣元素的吸收存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制,隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),植物細(xì)胞中鈣含量增加,植物細(xì)胞對(duì)鉛的抗性增加,細(xì)胞壁對(duì)鉛的容納能力增加,因此鉛的吸收總量會(huì)緩慢增加,最終Pb+Ca處理的茶樹(shù)葉片鉛含量與Pb 處理差異不顯著。薛艷等的研究發(fā)現(xiàn)鈣離子通道抑制劑顯著抑制了蘆蒿根部對(duì)鎘的吸收,但對(duì)鉛的吸收無(wú)顯著的抑制作用,可能是因?yàn)樘J蒿對(duì)鎘的吸收通過(guò)鈣離子通道進(jìn)行,對(duì)鉛的吸收則不通過(guò)鈣離子通道進(jìn)行。這與本研究的結(jié)果一致,說(shuō)明茶樹(shù)葉片對(duì)鉛的吸收可能不是通過(guò)鈣離子通道進(jìn)行。
鉛在茶樹(shù)葉片中的亞細(xì)胞分布情況與透射電鏡觀察的茶樹(shù)葉片細(xì)胞內(nèi)黑色沉積的部位較為一致,表明鉛脅迫下鉛元素主要分布在細(xì)胞壁和以液泡為主的細(xì)胞液中,這一結(jié)果與已有報(bào)道一致。細(xì)胞壁是外界物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞的初始屏障,細(xì)胞壁中的負(fù)電荷基團(tuán)與帶正電荷的重金屬離子絡(luò)合形成沉淀,減少了重金屬的運(yùn)移。此外,細(xì)胞壁中的大分子物質(zhì)(果膠、纖維素和木質(zhì)素等)也對(duì)重金屬離子具有較強(qiáng)的絡(luò)合作用,可減少重金屬離子的跨膜運(yùn)輸,降低細(xì)胞內(nèi)部重金屬離子的含量和濃度,保證了植物細(xì)胞能夠進(jìn)行正常的生理代謝。鉛離子的半徑較大,配位能力較弱,不易透過(guò)細(xì)胞壁和質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞液,茶樹(shù)葉片細(xì)胞對(duì)鉛的吸收主要是通過(guò)細(xì)胞壁吸附和非共質(zhì)體沉積等方式,當(dāng)細(xì)胞壁的結(jié)合量達(dá)到飽和后鉛元素才開(kāi)始透過(guò)細(xì)胞壁和質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,并與細(xì)胞液中的有機(jī)酸絡(luò)合,以減輕重金屬鉛對(duì)植物葉片細(xì)胞的毒害,因此鉛脅迫下液泡內(nèi)有大量鉛沉積。趙騰飛等研究發(fā)現(xiàn)鉛脅迫使小麥幼苗細(xì)胞的膜透性顯著增加,外源鈣使細(xì)胞的膜透性相對(duì)降低,使鉛對(duì)小麥幼苗細(xì)胞的毒害作用有所緩解。肖細(xì)元等通過(guò)研究砷脅迫下蜈蚣草對(duì)鈣的吸收指出,鈣在細(xì)胞中的含量增多并主要分布在細(xì)胞壁中,其增加了細(xì)胞壁的穩(wěn)定性,維持了細(xì)胞的正常結(jié)構(gòu)和功能,提高了蜈蚣草對(duì)砷脅迫的耐受力。茶樹(shù)葉片細(xì)胞壁中鉛的含量表現(xiàn)為Pb+Ca處理>Pb+TP處理>Pb處理,而鉛在細(xì)胞質(zhì)和液泡中的含量表現(xiàn)為Pb 處理>Pb+Ca 處理>Pb+TP 處理。在鉛脅迫下,茶樹(shù)葉片細(xì)胞壁對(duì)鉛的吸納值飽和后,因膜透性增加,鉛進(jìn)入液泡中與有機(jī)酸絡(luò)合,以減輕鉛對(duì)細(xì)胞的毒害作用。茶多酚加入后,葉片中鈣含量顯著增加,細(xì)胞壁可以吸納較多的鉛元素,細(xì)胞膜透性相對(duì)降低,因而茶樹(shù)葉片細(xì)胞的液泡中鉛沉積減少。周琪等的研究也表明,抗氧化劑EGCG(茶多酚的主要成分)可以明顯緩解8種重金屬混合污染物對(duì)水生生物細(xì)胞的毒害作用。王萌等的研究表明,鈣肥能顯著提高毛桃果實(shí)內(nèi)的鈣含量,并增加果實(shí)細(xì)胞壁的強(qiáng)度。鉛脅迫下加入鈣離子,茶樹(shù)葉片鈣含量顯著高于Pb 和Pb+TP 處理,因?yàn)殁}離子使細(xì)胞壁強(qiáng)度增加,更多的鉛元素被固定在細(xì)胞壁中,細(xì)胞膜透性更低,鉛進(jìn)入細(xì)胞液的量減少,液泡內(nèi)的鉛沉積顯著減少。蔣藝等研究發(fā)現(xiàn),添加外源鈣后,旱柳根和葉各亞細(xì)胞組分中的鎘含量均顯著降低,且細(xì)胞液中鎘的比例有所增加,而細(xì)胞壁和細(xì)胞器組分中鎘的比例有所下降。這與本研究的結(jié)果不一致,可能是因?yàn)橹仓陮?duì)鎘的吸收通過(guò)鈣離子通道進(jìn)行,對(duì)鉛的吸收則不通過(guò)鈣離子通道進(jìn)行,也可能歸因于植物品種、栽培環(huán)境及鈣水平的差異。
(1)鉛脅迫顯著增加了茶樹(shù)葉片中鉛元素的含量,顯著降低了鈣元素的含量。鉛與茶多酚處理的茶樹(shù)葉片鉛元素含量顯著降低,鈣元素含量顯著增加;鉛與鈣離子處理對(duì)茶樹(shù)葉片鉛元素含量無(wú)顯著影響,但顯著增加了鈣元素的含量。
(2)鉛脅迫下,茶樹(shù)葉片表面和氣孔周圍褶皺增加,細(xì)胞內(nèi)部(主要在液泡中)鉛沉積顯著;茶多酚和鈣離子添加后茶樹(shù)葉片表面和氣孔周圍的褶皺程度減輕,鉛在細(xì)胞壁中的累積增加,在細(xì)胞質(zhì)和液泡內(nèi)的沉積減少。
(3)茶多酚主要通過(guò)鈍化鉛離子來(lái)減少鉛的吸收,降低鉛對(duì)茶樹(shù)葉片的毒害作用;鈣離子通過(guò)增加葉片對(duì)鈣的吸收,增強(qiáng)葉片細(xì)胞的強(qiáng)度和抗性,增加細(xì)胞壁對(duì)鉛的截留,減少鉛進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部,降低鉛對(duì)茶樹(shù)葉片細(xì)胞的毒害作用。