鉛脅迫對不同基因型煙草鉛吸收、運轉及積累的影響

文曉陽，饒巍，李春萍，覃德華，郭芳陽，王慧，董昆樂，楊瑞輝，陳明燦

(1.河南科技大學農學院，河南 洛陽 471000；2.河南省農業(yè)科學院煙草研究所，河南 許昌 461000；3.河南省煙草公司洛陽市公司，河南 洛陽 471000)

煙草是重要的經濟作物，2021年我國煙草行業(yè)實現(xiàn)工商稅利總額13 581億元。優(yōu)質的煙葉原料是煙草行業(yè)生存和發(fā)展的基礎，同時也是煙區(qū)持續(xù)發(fā)展與否的保障[1，2]。《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，目前我國耕地土壤環(huán)境的污染超標率已達19.4%，其中比較突出的是重金屬污染問題[3]。鉛(Pb)是污染最嚴重的重金屬元素之一，也是有毒重金屬之一。它是植物生長的非必需元素，一旦土壤含量超標，就很難將其去除，從而使一些不能“選擇性自主移動”的作物不可避免地受到鉛污染毒害[4]。有研究表明，鉛能夠抑制種子萌發(fā)，降低種子活力，抑制植株生長，并積累在植株體內[5，6]，同時大氣中的鉛(灰塵中含有的重金屬)元素從葉片氣孔進入煙株內，也可導致鉛在煙株內積累，煙草品質隨著鉛含量的增加而下降[7-9]；更為嚴重的是鉛元素能轉化為氣溶膠或金屬氧化物形式，再通過煙氣進入人體，從而造成人類生殖障礙[10，11]；過量的鉛會損傷腸胃健康、毒害腎臟、損害神經，導致高血壓、鉛性貧血，影響人的智力發(fā)育，降低人體免疫力[12]。因此，選擇鉛低積累型煙草品種，降低煙草重金屬含量對其安全生產極為重要。此外，利用作物的富集作用將土壤中的重金屬轉移出去，從而修復重金屬污染土壤，是一種經濟、有效且對環(huán)境擾動少的途徑[13]。前人在鉛對煙草生長及其光合特性影響方面已有較為深入的研究[14，15]，但從多個基因型及不同鉛濃度脅迫方面研究煙草的鉛吸收運轉及積累還鮮有報道。本試驗以10個不同基因型煙草為材料，通過測定、分析外源鉛脅迫下煙草的鉛含量、積累量、轉運系數及生物量等，以篩選出低集聚和高富集型煙草品種，為煙草安全生產提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2021年在河南科技大學開元校區(qū)農場(北緯34°35′50″，東經112°24′44″，氣壓1 003.8 hPa，海拔77.6 m)進行。供試土壤為褐土，其耕層土壤基本理化性質見表1。供試煙草品種為中煙100(G1)、豫煙10(G2)、云煙87(G3)、云煙99(G4)、秦煙96(G5)、豫煙13(G6)、LY1306(G7)、云煙105(G8)、渝金香1號(G9)、K326(G10)。

表1 土壤的基本理化性質

1.2 試驗設計與管理

2021年3月初播種育苗，5月19日選取長勢整齊一致的煙苗移栽至塑料盆中。塑料盆直徑33 cm，高35.5 cm。每盆裝土15 kg，移栽前施入煙草專用復合肥(N-P-K＝10-10-25)18 g/盆，旺長期追施12 g/盆。以醋酸鉛作為外源鉛，設置0(CK)、500、1 000 mg·kg-1三個鉛脅迫水平(模擬鉛污染環(huán)境)，每處理重復5次。煙草生長期間參照大田生產常規(guī)管理。

1.3 測定指標及方法

生物量測定:煙草成熟期(煙苗移栽后135天)取不同基因型煙草各5株，放入105℃烘箱內殺青40 min，然后75℃烘干，分別稱根、莖、葉生物量。

成熟期煙株根、莖、葉(上部葉、中部葉、下部葉、腳葉)鉛含量測定:取0.2000 g樣品，用優(yōu)級純HClO4-HNO3(體積比為1∶4)浸泡2 h后用紅外智能消化爐消解，用電感耦合等離子體質譜法(ICP-MS)測定[16]。

鉛耐性指數＝外源鉛脅迫下生物量/CK生物量[17]；鉛積累量＝地上部生物量×地上部鉛含量+根部生物量×根部鉛含量；煙草鉛轉運系數(TF)＝C地上部分/C根(式中:C地上部分表示煙草地上部所有組織的平均鉛含量；C根表示煙草根中的鉛含量)[18]。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進行數據統(tǒng)計整理，DPS軟件進行數據分析，Origin 2022軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 外源鉛脅迫對不同基因型煙草生物量的影響

從表2中可以看出，不同基因型煙草對鉛脅迫的響應不同。與CK相比，G1、G4、G8、G9、G10隨外源鉛脅迫濃度增加，生物量逐漸下降，其他基因型品種呈先增后降趨勢，高濃度鉛抑制所有品種煙株生長。G1在不同濃度外源鉛脅迫下均表現(xiàn)出較高生物量，G4生物量則較低，特別是在1 000 mg·kg-1外源鉛脅迫時，G1生物量是G4的1.7倍。

表2 外源鉛脅迫對不同基因型煙草生物量的影響 (g/株)

2.2 外源鉛脅迫下不同基因型煙草鉛含量

2.2.1 不同器官鉛含量 從圖1可以看出，隨著外源鉛脅迫濃度的增加，不同基因型煙草根、莖、葉鉛含量呈增加趨勢；同一鉛濃度脅迫下，不同基因型煙草同一器官鉛含量存在顯著性差異。

從圖1A可以看出，在500、1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G1、G3、G9根系鉛含量較低，而G7根系鉛含量則顯著高于其他品種(P＜0.05)。0、500、1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G7根系鉛含量較G3分別高84%、109%、219%，較G10分別高21%、18%、167%。

從圖1B可以看出，G4、G7在500、1 000mg·kg-1外源鉛脅迫下，莖稈鉛含量均高于其他基因型品種(P＜0.05)，二者差異不顯著，但G4與其他品種差異達顯著水平；G3莖稈鉛含量在3個濃度鉛脅迫下表現(xiàn)出相對較低水平，在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G4、G7莖稈鉛含量分別是G3的1.42倍和1.36倍。

從圖1C可以看出，所有處理中G3葉片鉛含量均最低，1 000 mg·kg-1下顯著低于其他品種；在0、500、1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G10葉片鉛含量較G3分別高33%、61%、104%，較G7分別高33%、43%、50%，中高濃度處理葉片鉛含量顯著高于其他品種。

從圖1D可以看出，所有處理中G7整株平均鉛含量均顯著高于其他品種，在0、500、1 000 mg·kg-1鉛脅 迫 下 較G3分 別 高100%、93%、153%，較G10分別高2%、17%、61%。

圖1 鉛脅迫下不同基因型煙草根系、莖稈及葉片的鉛含量

2.2.2 不同部位葉片鉛含量 從圖2可以看出，在同一鉛濃度脅迫下，煙株不同部位葉片鉛含量不同，從腳葉、下部葉、中部葉到上部葉依次遞減；同一部位葉片鉛含量則隨著外源鉛濃度的增加而升高。在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G10腳葉鉛含量是其下部葉的6.84倍、中部葉和上部葉的11.64倍。

從圖2A可以看出，外源鉛脅迫下，G3腳葉鉛含量較低，而G10腳葉鉛含量顯著高于其他品種，在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下G10腳葉鉛含量是G3的3.9倍。

從圖2B可看出，500 mg·kg-1鉛脅迫下G2、G3下部葉鉛含量較低，G10鉛含量較高；1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G1下部葉鉛含量相對較高。

從圖2C可看出，不同基因型品種中，外源鉛脅迫下中部葉鉛含量均較低，其中G3、G7、G9中部葉鉛含量相對較低，而G4、G8、G10鉛含量則相對較高；500 mg·kg-1鉛脅迫下，G4和G10中部葉鉛含量約為G3的1.84倍。

從圖2D可看出，外源鉛脅迫下上部葉鉛含量均明顯低于其他部位葉片，其中G1、G10上部葉鉛含量相對較高，G2、G3相對較低；500 mg·kg-1鉛脅迫下，G10上部葉鉛含量約為G2、G3的2.4倍。

圖2 鉛脅迫下不同基因型煙草不同部位葉片鉛含量

2.3 外源鉛脅迫下不同基因型煙草的耐性指數、鉛積累量、鉛轉運系數

從圖3可以看出，不同濃度鉛脅迫下G2、G3表現(xiàn)出相對較高的耐性指數；G4、G9的耐性指數相對較低；G7表現(xiàn)出的耐性不同，500 mg·kg-1水平下較高，1 000 mg·kg-1水平下較低。1 000 mg·kg-1脅迫下，G3的鉛耐性指數是G4的1.2倍。

圖3 鉛脅迫下不同基因型煙草鉛耐性指數

從圖4可以看出，不同基因型煙草的鉛積累量均隨著外源鉛濃度的增加而增加，且存在顯著差異。其中G3、G9的鉛積累量較低，G7顯著高于其他品種(G5除外)，1 000 mg·kg-1鉛脅迫下G7鉛積累量是G3的2.1倍，是G9的2.4倍。

圖4 鉛脅迫下不同基因型煙草鉛積累量

從圖5可以看出，除G9、G10外不同基因型煙草的鉛轉運系數均隨著鉛濃度的增加而降低，G6、G7的轉運系數較低。1 000 mg·kg-1鉛脅迫下G10的轉運系數是G7的3.1倍。

圖5 鉛脅迫下不同基因型煙草鉛轉運系數

3 討論

煙草生物量一定程度上可以反映重金屬污染對其產生的影響程度[19]。研究表明，由于煙草遺傳特性的差異，對重金屬鉛的吸收也存在差異[20，21]。本試驗結果顯示，與CK相比，G1、G4、G8、G9、G10隨外源鉛脅迫濃度的增加，生物量逐漸下降；其他品種的生物量呈先增后降趨勢，高濃度鉛抑制所有品種煙株生長；外源鉛脅迫下，G1表現(xiàn)出較高的生物量，而G4生物量則較低。這表明同一鉛濃度脅迫下，不同基因型煙草生物量之間存在顯著差異，同一基因型煙草在不同鉛脅迫水平下其生物量也有較大變化，這與悅飛雪[16]、朱詩苗[22]等的研究結果一致。不同基因型煙草對鉛吸收能力的差異是其對鉛毒害的敏感性不同所造成[22]。外源鉛脅迫下，G7根系鉛含量均顯著高于其他煙草品種，而葉片鉛含量則相對較低；G1根系、莖稈鉛含量較低，而葉片鉛含量則相對較高；G3、G9根、莖、葉鉛含量均處于相對較低水平，而G10葉片鉛含量則顯著高于其他煙草品種。G3、G7在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下葉片鉛含量分別為10.79、14.73 mg·kg-1；G10在500 mg·kg-1鉛脅迫下葉片鉛含量為10.45 mg·kg-1，在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下中部葉片鉛含量為14.59 mg·kg-1，均低于楊永健[23]建立的煙葉中重金屬限量標準。因此，G3、G7在1 000 mg·kg-1及以下鉛脅迫水平下、G10在500 mg·kg-1及以下鉛脅迫水平下，均可用于安全生產；G10在1 000 mg·kg-1鉛脅迫水平下，可取中上部葉片用于安全生產。

耐性指數是指在重金屬脅迫下，植物生物量與對照生物量之比，耐性指數越高則反映該品種對重 金 屬 脅 迫 的 耐 性 越 強[17]。500、1 000 mg·kg-1外源鉛脅迫下G2、G3的耐性指數相對較高。張艷玲等[24]研究發(fā)現(xiàn)，云煙85、云煙87、K326、中煙100這4個基因型煙草對重金屬鉛的吸收積累量不一致，但差異不顯著。本研究表明，外源鉛脅迫下G7的鉛積累量顯著高于其他品種(G5除外)；G3、G9鉛積累量顯著低于其他品種。轉運系數可以用來評價作物將重金屬從根系轉運至地上部的能力[25]。本試驗結果表明，500 mg·kg-1鉛脅迫下G9的鉛轉運系數顯著高于其他品種；500、1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G7的鉛轉運能力顯著低于其他品種，這表明G7對鉛具有較強的根際阻隔能力。

對重金屬比較敏感的煙草品種根際對鉛具有一定的阻隔能力，這類基因型煙草可以利用根系細胞壁的沉淀以及分泌的代謝物質來減少重金屬向地上部運輸；重金屬富集能力比較強的品種可能在葉片細胞中有相對較強的重金屬解毒機制，可以把重金屬鉛存儲在細胞的液泡中，而不會對煙草植株產生毒害[26，27]。有研究表明，可以通過外源硅將根系細胞壁滯留并通過液泡區(qū)室化來抑制鎘向地上部的轉運，從而降低水稻地上部鎘含量，以達到減少水稻根系對鎘吸收的目的[28]。De Bome等[29]把編碼哺乳動物金屬硫蛋白的基因轉入煙草，結果這種轉基因煙草葉片Cd含量顯著降低，而根系和莖的Cd含量則相對較高，這改變了普通煙草葉片Cd含量高于其他部位的規(guī)律。關于重金屬敏感的基因型煙草通過某些基因控制根系細胞壁滯留和液泡區(qū)室化來抑制重金屬向地上部轉運，從而降低重金屬鉛含量的轉運機制有待進一步研究。

4 結論

本試驗對10個基因型煙草在不同濃度鉛脅迫下的生物量、鉛含量、鉛積累量、鉛耐性指數、鉛轉運系數進行分析。結果表明，云煙87(G3)生物量、鉛耐性指數相對較高，鉛含量、鉛積累量、鉛轉運系數相對較低，是鉛低集聚型的煙草品種；LY1306(G7)根系鉛含量顯著高于其他品種，鉛積累量顯著高于其他品種(G5除外)，但鉛轉運系數及葉片鉛含量相對較低，因此LY1306屬于根系鉛積累型煙草，既可用于煙草的安全生產，又可用于輕度鉛污染土壤修復；K326(G10)在外源鉛脅迫下葉片鉛含量均顯著高于其他品種，且鉛積累量也處于相對較高水平，屬于葉片鉛富集型煙草品種，因此可用于鉛污染土壤的修復。