摘 要:為了探明砷脅迫對魚腥草生長發(fā)育、光合特征及砷積累的影響,采用盆栽試驗(yàn)研究了不同濃度砷脅迫(0、40、80和120 mg/kg)處理下魚腥草的生長狀況(生長發(fā)育指標(biāo)、光合特征)和不同部位(地下莖、地上莖、葉)的砷含量。結(jié)果表明:當(dāng)砷脅迫濃度超過40 mg/kg時(shí),對魚腥草的生長發(fā)育有顯著的抑制作用且顯著降低了葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs),同時(shí)顯著增加了胞間CO2濃度(Ci);砷脅迫濃度與魚腥草生長發(fā)育各指標(biāo)均呈現(xiàn)不同顯著水平的負(fù)相關(guān),與光合特性中的Pn、Tr和Gs均呈極顯著負(fù)相關(guān),而與 Ci呈極顯著正相關(guān);魚腥草不同部位的砷含量隨砷脅迫濃度的而增高,表現(xiàn)出葉>地上莖>地下莖的分布。因此,為保證魚腥草的生長發(fā)育和產(chǎn)量,應(yīng)控制魚腥草生長區(qū)土壤砷濃度在40 mg/kg以下。
關(guān)鍵詞:魚腥草;砷脅迫;生長發(fā)育;光合特性
中圖分類號:X53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1006-060X(2023)07-0034-06
Abstract:The main objective of this experiment is to study the effects of As stress on the growth, photosynthetic characteristics and As accumulation of Houttuynia cordata. The growth status of H. cordata (morphological indices and photosynthetic characteristics) and the content of As in each part of the plants (underground stem, overground stem and leaf) under different levels of As stress (0, 40, 80 and 120 mg/kg) were investigated through a pot culture method. The results showed that when the concentration of As was ≥ 40 mg/kg, the plant growth and development was inhibited markedly, the net photosynthetic rate of leaves (Pn), transpiration rate (Tr) and stomatal conductance (Gs) were reduced significantly, but the intercellular CO2 concentration (Ci) was dramatically increased. We found that As concentration was negatively correlated with the growth and development indicators of H. cordata at different significant levels, was very significantly negatively correlated with Pn, Tr and Gs, and was very significantly positively correlated with Ci. The content of As in different parts of H. cordata increased with the increase of As stress level, presenting a gradient distribution of leavesgt;overground stemgt;underground stem. Therefore, to ensure the growth and yield of H. cordata, the As concentration in the soil of the growing area should be controlled below 40 mg/kg.
Key words: Houttuynia cordata; As stress; growth and development; photosynthetic characteristics
砷(As)廣泛存在于自然界中,對植物有劇毒,被美國毒物和疾病登記署列為最嚴(yán)重的10種有毒物之首。當(dāng)少量砷進(jìn)入人體被吸收后,可以破壞細(xì)胞的氧化還原能力,影響細(xì)胞正常代謝,引起組織損害和機(jī)體障礙,最終引起中毒死亡;而大量砷化物進(jìn)入體后可以麻痹中樞神經(jīng),使人體出現(xiàn)四肢疼痛性痙攣、意識模糊、譫妄、昏迷、脈搏速弱、血壓下降、呼吸困難等癥狀,數(shù)小時(shí)內(nèi)就會致人死亡[1-2]。伴隨著采礦、冶金以及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展,大量砷元素進(jìn)入到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,導(dǎo)致耕地污染日益嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查,湖南、云南、廣西、廣東等省的土壤中砷含量達(dá)到16.4~19.20 mg/kg,均值為17.8 mg/kg[3]。土壤中過量的砷可危害植物的生長發(fā)育,引起植物生長、生物性狀、吸收特征的異常變化[4-5]。魚腥草(Houttuynia cordata Thunb)是常見的中藥材之一,原產(chǎn)中國,資源廣泛,已被國家衛(wèi)生部正式確定為“藥食兩用”資源,極具開發(fā)潛力[6]。但近年來,受種植地土壤背景值和種植過程中外源有害物質(zhì)(農(nóng)藥、化肥)等因素的影響,部分中藥材產(chǎn)品出現(xiàn)砷元素超標(biāo)的現(xiàn)象[7-10],嚴(yán)重影響中藥材產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。為了探明耕地砷污染對魚腥草生產(chǎn)的影響,試驗(yàn)通過外源添加砷的方法控制土壤砷含量,研究不同濃度砷脅迫下魚腥草生長指標(biāo)、光合特性指標(biāo)以及各部位砷積累規(guī)律的變化,以期了解魚腥草對土壤砷污染的響應(yīng)機(jī)制,為指導(dǎo)砷污染背景下魚腥草的生產(chǎn)提供依據(jù)。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)材料
供試魚腥草品種為紅玉,是筆者所在團(tuán)隊(duì)自育的品種。供試土壤采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)基地,其基本理化性質(zhì)和砷背景值如下:pH值6.06,有機(jī)質(zhì)65.21 g/kg,堿解氮136.24 mg/kg,速效磷 36.94 mg/kg,速效鉀114.21 mg/kg,砷背景值0.39 mg/kg。采集的土壤經(jīng)風(fēng)干、壓碎,過2 mm尼龍篩后混勻,裝至塑料盆(Ф=36 cm,H=40 cm)中,5 kg/盆,盆栽下方墊塑料托盤以防止試劑滲漏。
1.2 試驗(yàn)方法
于2022年4月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)基地開展盆栽試驗(yàn),以As (CH3COO)2·2H2O(分析純)為外源砷,設(shè)置0 mg/kg(CK)、40 mg/kg(T1)、80 mg/kg(T2)、120 mg/kg(T3)共4個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3 次;按試驗(yàn)設(shè)定的砷脅迫濃度以水溶液形式添加至盆栽土壤中,翻拌均勻,然后經(jīng)過加水→自然風(fēng)干→再加水→自然風(fēng)干,如此鈍化一個(gè)月后將健壯的、帶有1~2個(gè)芽點(diǎn)的魚腥草地下莖種入土壤中(每盆10根),自然條件下培養(yǎng),定期澆水。
分別于魚腥草出苗后30、60和90 d,每個(gè)處理隨機(jī)采集新鮮魚腥草5株,用自來水清洗干凈后用去離子水清洗,分地上莖、地下莖和葉片3個(gè)部位將樣品放入干凈的搪瓷盤中,置于空氣干燥恒溫箱內(nèi)105℃殺青20 min,70℃恒溫烘至恒重,最后用粉碎機(jī)磨將每份干燥的樣品粉碎后過100目篩,收集過篩粉末待測。
1.3 檢測項(xiàng)目及方法
1.3.1 生長發(fā)育指標(biāo)測定 用直尺測定地下莖長、地上莖長、葉長和葉寬,用游標(biāo)卡尺測定地下莖粗和地上莖粗等生長發(fā)育指標(biāo);莖長(粗)生長速率(cm/d)=(H2-H1)/t,式中:H1為一個(gè)生長時(shí)期的莖長(粗);H2為下一個(gè)生長時(shí)期的莖長(粗);t 為2次測量之間的時(shí)間間隔。
1.3.2 光合特征測定 選擇出苗后90 d的健壯魚腥草植株上部健康成熟葉作為測試葉,用 Li-6400 便攜式光合作用系統(tǒng)[光源設(shè)定為800 μmol/(m2·s)]測定葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci),每個(gè)處理重復(fù)5株,每葉讀取2個(gè)數(shù)據(jù),最后計(jì)算均值。
1.3.3 魚腥草砷含量測定 精確稱取0.5 g魚腥草植株樣品粉末,在550~580℃馬福爐中灰化,再用濃鹽酸和濃硝酸定容至25 mL,利用四極桿電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定樣品總砷含量,每個(gè)樣品重復(fù)測定3次。
1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析
采用Office 2016和SPSS 26.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及差異顯著性檢驗(yàn),采用單因素方差分析中的Duncan’s方法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯著性。
2 結(jié)果與分析
2.1 魚腥草生長發(fā)育對砷脅迫的響應(yīng)
2.1.1 魚腥草地下莖長和地上莖長對砷脅迫的響應(yīng) 從圖1可知,無論魚腥草幼苗生長的前期階段(30 d)、中期階段(60 d),還是后期階段(90 d),魚腥草的地上莖長和地下莖長在砷濃度≤40 mg/kg時(shí)沒有受到抑制,但隨著砷濃度的增加,莖長受抑制程度加大。3個(gè)生長時(shí)期魚腥草的莖長均以40 mg/kg砷濃度處理最長,地下莖分別比對照長了2.17%、3.34%和25.57%,地上莖分別比對照長了8.68%、5.47%和20.54%;3個(gè)生長時(shí)期魚腥草的莖長均以120 mg/kg砷濃度處理的降低幅度最大,與對照相比,地下莖分別短了10.87%、26.76%和26.70%,而地上莖分別短了49.08%、34.23%和30.91%。
由圖2可知,在較低濃度(0~40 mg/kg)砷脅迫范圍內(nèi),隨著砷濃度的增加,魚腥草地下莖長和地上莖長的生長速率均呈上升趨勢;但當(dāng)砷濃度>40 mg/kg時(shí),地下莖長和地上莖長的生長速率均呈下降趨勢,其中60~90 d階段的生長速率下降顯著。
2.1.2 魚腥草地下莖粗和地上莖粗對砷脅迫的響應(yīng) 從圖3可知,魚腥草的地下莖粗和地上莖粗在砷濃度≤40 mg/kg時(shí)沒有受到抑制,但隨著砷濃度的增加,莖粗受抑制程度加大。3個(gè)生長時(shí)期魚腥草的莖粗均以40 mg/kg砷濃度處理最粗,地下莖粗分別比對照粗了9.51%、12.75%和8.74%,而地上莖粗分別比對照粗了9.46%、4.35%和7.48%;3個(gè)生長時(shí)期魚腥草的莖粗均以120 mg/kg砷濃度處理的降低幅度最大,地下莖粗分別比對照細(xì)了40.91%、39.04%和32.87%,而地上莖粗分別比對照細(xì)了40.09%、42.48%和38.32%。
從圖4可知,在0~80 mg/kg砷濃度范圍內(nèi),隨著砷濃度的增加,在30~60 d魚腥草地下莖粗的生長速率呈現(xiàn)上升趨勢,但當(dāng)砷脅迫濃度達(dá)到120 mg/kg時(shí),地下莖粗生長速率顯著下降;而在60~90 d地下莖粗的生長速率隨砷濃度的增加呈現(xiàn)先降后升的“V”字型趨勢;在30~60 d地上莖粗的生長速率隨砷處理濃度的增加一直在下降;而在60~90 d地上莖粗的生長速率隨砷濃度的增加呈現(xiàn)先升后降的倒“V”字型趨勢。
2.1.3 魚腥草葉長和葉寬對砷脅迫的響應(yīng) 從圖5可知,魚腥草的葉長和葉寬在砷濃度≤40 mg/kg時(shí)沒有受到抑制,但隨著砷濃度的增加,葉生長受抑制程度加大。3個(gè)生長時(shí)期魚腥草的葉長和葉寬均以40 mg/kg砷濃度處理最大,葉長分別比對照長了11.04%、15.80%和7.58%,而葉寬分別比對照寬了15.03%、16.00%和22.50%;3個(gè)生長時(shí)期魚腥草的葉長和葉寬均以120 mg/kg砷濃度處理的降低幅度最大,葉長分別比對照短了14.94%、27.12%和30.30%,而葉寬分別比對照短了25.91%、32.00%和32.50%。
隨著砷濃度的增加,魚腥草的葉長生長速率在30~60 d呈現(xiàn)下降趨勢,而在60~90 d呈現(xiàn)先降后升再降的趨勢(圖6A);葉寬的生長速率在30~60 d一直在下降,在60~90 d呈現(xiàn)先升后降的倒“V”字型趨勢(圖6B)。
由表1可知,出苗后30和60 d,砷脅迫濃度與地下莖長、地上莖長、地下莖粗和地上莖粗呈極顯著負(fù)相關(guān),與葉長和葉寬呈顯著負(fù)相關(guān);出苗后90 d,砷脅迫濃度與地下莖粗、地上莖粗和葉長呈極顯著負(fù)相關(guān),與地下莖長、地上莖長和葉寬呈顯著負(fù)相關(guān)。
2.2 魚腥草光合特征對砷脅迫的響應(yīng)
由圖7可知,不同濃度砷脅迫下魚腥草的光合特征有顯著差異,凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導(dǎo)度(Gs)均隨著砷濃度的增加而下降,與對照相比,40、80和120 mg/kg處理的Pn分別降低了17.05%、25%和38.64%,Tr分別降低了11.58%、18.42%和26.32%,Gs分別降低了20.31%、35.94% 和44.27%;細(xì)胞間隙CO2濃度(Ci)隨著砷濃度的增加而上升,與對照相比,40、80和120 mg/kg處理的Ci分別增加了9.68%、15.81%和18.39%。
相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明,砷濃度與魚腥草光合特性中的Pn、Tr和 Gs均呈極顯著負(fù)相關(guān),而與Ci呈極顯著正相關(guān)。
2.3 砷脅迫對魚腥草不同部位砷含量的影響
由圖8可知,隨著砷濃度的增加,魚腥草不同部位的砷含量逐漸升高,同一部位不同砷濃度處理間含量差異顯著;當(dāng)砷濃度為120 mg/kg時(shí),魚腥草地下莖、地上莖和葉的砷含量分別是對照的10.67、11.03和14.22倍。砷脅迫濃度相同時(shí),魚腥草不同部位的砷含量也存在一定差異,但趨勢是一致的,均表現(xiàn)為葉>地上莖>地下莖。
3 討論與結(jié)論
砷是植物生長的非必需元素,低濃度砷對植物生長有一定促進(jìn)作用,而高濃度砷則會抑制植物的生長[5]。試驗(yàn)結(jié)果表明,砷濃度≤40 mg/kg時(shí),魚腥草的生長發(fā)育沒有受到抑制,但隨著砷濃度的增加,生長發(fā)育受抑制的程度越大。在魚腥草生長的前期階段(30 d)、中期階段(60 d)和后期階段(90 d),其主要生長發(fā)育指標(biāo)均以120 mg/kg砷濃度處理的降低幅度最大。砷濃度與魚腥草主要生長發(fā)育指標(biāo)呈不同顯著水平的負(fù)相關(guān),這與Han等[11]的研究結(jié)果一致,說明砷對魚腥草的生長發(fā)育產(chǎn)生了一定不利影響,并且伴隨濃度的提升,這種不利影響將逐漸擴(kuò)大。
砷脅迫會對植物光合系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用,且隨著砷濃度的升高而增大,從而降低光合效率[12-14]。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著砷濃度的增加,魚腥草葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率均受到砷的抑制而降低,這可能是魚腥草為適應(yīng)砷脅迫環(huán)境而作出的響應(yīng),試圖通過降低蒸騰作用以最低水平的水分散失獲取最大光合能力。
當(dāng)植物受到重金屬脅迫時(shí),會通過吸收一部分重金屬并將其固定在液泡內(nèi)來減少重金屬對植株的損害,這是其抵抗重金屬的一種機(jī)制[15-16]。在試驗(yàn)中,魚腥草的地下莖、地上莖、葉3個(gè)不同部位砷含量在高度濃度條件下均顯著增高且能夠生長,這體現(xiàn)了魚腥草對砷良好的耐受性。由于植物的地上部分比地下部分更容易收獲,因而植物地上部分重金屬濃度以及地上收獲物的重金屬積累量通常被作為評價(jià)污染清除程度的主要指標(biāo)[17]。該研究中,魚腥草不同部位的砷含量隨著砷脅迫濃度的增加而顯著增加,表現(xiàn)出葉>地上莖>地下莖的分布規(guī)律;高濃度(120 mg/kg)條件下,魚腥草的地上部莖和葉的砷積累量分別為0.44和0.71 mg/kg,顯著高于地下莖的0.32 mg/kg,說明魚腥草對土壤砷有一定的富集作用。
研究結(jié)果顯示,土壤砷含量過高對魚腥草的生長具有一定的抑制作用,砷脅迫嚴(yán)重阻礙其生長和光合作用。為保證魚腥草的生長發(fā)育和產(chǎn)量,應(yīng)該控制魚腥草生長區(qū)土壤砷濃度在40 mg/kg 以下。
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(責(zé)任編輯:肖彥資)