3種藥用甘草對(duì)重金屬鎘的生長(zhǎng)響應(yīng)、鎘耐性及富集特征

張迦得 陸嘉惠 李新 劉夢(mèng)楠 徐可

摘要：通過(guò)3種藥用甘草對(duì)重金屬鎘（Cd）生長(zhǎng)響應(yīng)、鎘耐受性差異和鎘積累特征的研究，為藥用甘草種植和藥材安全控制提供理論依據(jù)。本研究采用水培法育苗，分析不同濃度鎘（0、50、100、150 μmol·L-1）脅迫對(duì)生長(zhǎng)30 d的3種藥用甘草的生長(zhǎng)指標(biāo)、生物量和丙二醛（MDA）含量的影響，并用石蠟切片法制片觀察根解剖結(jié)構(gòu)；采用耐鎘系數(shù)法和隸屬函數(shù)值法對(duì)藥用甘草的耐鎘性差異進(jìn)行評(píng)價(jià)；同時(shí)，利用電感耦合等離子體光譜儀（ICP）測(cè)定根、莖和葉中鎘離子的含量，并計(jì)算鎘富集系數(shù)和轉(zhuǎn)移系數(shù)，分析鎘富集特性。鎘處理下3種藥用甘草的株高、根長(zhǎng)、葉片數(shù)和生物量顯著下降，根橫截面積顯著減小，維管柱面積占根總面積比例上升，根部MDA含量升高，氧化脅迫加重；以生物量下降至75 %時(shí)的鎘濃度為適宜生長(zhǎng)閾值，脹果甘草為12.462 μmol·L-1，烏拉爾甘草為14.715 μmol·L-1，光果甘草為1.952 μmol·L-1；綜合耐鎘系數(shù)和隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示烏拉爾甘草的耐鎘性最強(qiáng)，光果甘草最弱；鎘富集系數(shù)在1.960～8.683之間，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)小于1，鎘主要富集在根中。在50 μmol·L-1處理下，脹果甘草根中鎘含量是葉中的7.5倍，烏拉爾甘草為21.3倍，光果甘草為16.5倍，均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19618—2004。鎘脅迫顯著抑制了3種藥用甘草根和葉片生長(zhǎng)，藥材根生物量顯著下降，其鎘耐受性表現(xiàn)為烏拉爾甘草>脹果甘草>光果甘草；鎘主要積累在根部，在50 μmol·L-1鎘處理下，3種藥用甘草根中鎘含量均超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)關(guān)注野生甘草采挖和人工栽培地的土壤鎘監(jiān)測(cè)，以保證甘草藥材生產(chǎn)的安全性；同時(shí)也應(yīng)重視藥材Cd2+含量的抽檢，進(jìn)行甘草藥材的安全性控制管理。

關(guān)鍵詞：藥用甘草；鎘脅迫；解剖結(jié)構(gòu)；富集系數(shù)；隸屬函數(shù)

中圖分類號(hào)：中圖分類號(hào)Q945.78文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

Growth response， cadmium tolerance and enrichment characteristics of three

medicinal licorice species to heavy metal cadmium

ZHANG? Jiade1，LU? Jiahui1，2*，LI? Xin1，LIU? Mengnan1，XU? Ke1

（1 College of Life Sciences， Shihezi University/Key Laboratory of Xinjiang Phytomedicine Resource and Utilization ，Ministry of Education，

Shihezi，Xinjiang 832003， China; 2 Institute of Licorice， Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract： By studying the growth response， cadmium tolerance differences， and cadmium accumulation characteristics of three medicinal licorice species to heavy metal cadmium （Cd），a theoretical basis is provided for the cultivation and safety control of medicinal licorice. This study used hydroponic method for seedling cultivation and analyzed different concentrations of cadmium （0， 50， 100 and 150 μmol·L-1） stress on the growth indicators， biomass， and malondialdehyde （MDA） content of three medicinal licorice species grown for 30 days， and the root anatomical structure was observed using paraffin sectioning method. The differences in cadmium tolerance of medicinal licorice were evaluated by cadmium tolerance coefficient and membership function value method. Meanwhile， inductively coupled plasma spectrometer （ICP） was used to measure root， stem， and leaf cadmium （Cd2+） ion content， and the calculate Cd enrichment coefficients and transfer coefficients were calculated to analyze the cadmium enrichment characteristics. Under cadmium treatment， the plant height， root length， leaf number， and biomass of the three medicinal licorice species significantly decreased， the root cross-sectional area decreased significantly， the proportion of vascular column area to total root area increased， the root MDA content increased， and oxidative stress worsened. The cadmium concentration at the time of biomass decline to 75% as the appropriate growth threshold was 12.462 μmol·L-1 for Glycyrrhiza inflata， 14.715 μmol·L-1 for Glycyrrhiza uralensis， and 1.952 μmol·L-1 for Glycyrrhiza glabra. Combining the results of cadmium tolerance coefficients and affiliation function indices showed that Glycyrrhiza uralensis was the most cadmium tolerant and Glycyrrhiza glabra was the weakest; The cadmium enrichment coefficient was between 1.960～8.683， and the transfer coefficient was much less than 1. Cadmium was mainly enriched in the roots， Under the treatment of 50 μmol·L-1， the content of cadmium in the roots of Glycyrrhiza inflata was 7.5 times higher than that in the leaves， Glycyrrhiza uralensis was 21.3 times， Glycyrrhiza glabra was 16.5 times， all of which exceeded the minimum cadmium content stipulated by the national standard GB/T 19618—2004 of the Peoples Republic of China. Cadmium stress significantly inhibited the root and leaf growth of the three medicinal licorice species， and the root biomass of the herbs decreased significantly， The order of cadmium tolerance is manifested as Glycyrrhiza uralensis > Glycyrrhiza inflata > Glycyrrhiza glabra; cadmium was mainly accumulated in the roots， and its absolute cadmium content already far exceeded the national standard at a low concentration of 50 μmol·L-1 treatment. Therefore， in the excavation and artificial cultivation of wild licorice， soil cadmium should be monitored to ensure the safety of medicinal licorice herb production. It is also necessary to carry out sampling inspection of Cd2 + content in the harvested medicinal materials， and carry out control management of medicinal licorice herbs.

Key words： medicinal licorice;cadmium stress;anatomical;bioconcentration factor;membership? function

0 前言

甘草屬（Glycyrrhiza L.）屬于豆科（Leguminosae）蝶形花亞科山羊豆族，烏拉爾甘草（Glycyrrhiza uralensis）、脹果甘草（Glycyrrhiza inflata）、光果甘草（Glycyrrhiza glabra）被《中國(guó)藥典2020版》作為藥用甘草收錄［1］。在我國(guó)，烏拉爾甘草廣泛分布于西北、華北、東北；脹果甘草則主要分布于新疆，向東分布可到甘肅西北部；光果甘草僅在新疆分布［2］。在藥用價(jià)值上，3種藥用甘草均有抗菌、抗病毒、降血糖、調(diào)血脂等方面的作用［3］。最新研究報(bào)道［4］，甘草酸制劑在抗新冠病毒感染上具有潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值。3種藥用甘草也有著各自獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)作用，烏拉爾甘草作為道地藥材，是甘草藥材的主要來(lái)源［5］；脹果甘草耐鹽性強(qiáng)于其他兩種藥用甘草，在光溫條件充足的鹽堿棄耕地種植時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)，是鹽堿地改良和防風(fēng)固沙的重要藥用植物［6］；光甘草定是從光果甘草中提取出來(lái)的異黃酮類物質(zhì)，具有抗氧化、預(yù)防色素沉著、清除自由基等生物活性，可以在高端美白化妝品中添加使用［7］。

人工種植中藥材面臨著有效成分含量低、農(nóng)藥殘留、重金屬和二氧化硫超標(biāo)等諸多問(wèn)題［8］，而重金屬污染是影響我國(guó)中藥材安全和綠色出口的原因之一。陳雅麗等［9］對(duì)我國(guó)不同地區(qū)土壤重金屬污染的來(lái)源進(jìn)行分析，結(jié)果顯示鎘是我國(guó)東北、華北、西北地區(qū)土樣中主要的重金屬污染元素，藥用甘草主產(chǎn)區(qū)存在土壤鎘污染隱患。馬鳴等［10］通過(guò)文獻(xiàn)整理發(fā)現(xiàn)甘草、淫羊蕾、魚腥草等中藥材中存在鎘含量超標(biāo)問(wèn)題，表明我國(guó)藥用甘草安全性存在風(fēng)險(xiǎn)。中草藥中鎘超標(biāo)不僅會(huì)通過(guò)食物鏈、食物網(wǎng)轉(zhuǎn)移到人體，嚴(yán)重?fù)p害肝臟、腎臟、脾臟、骨骼和生殖系統(tǒng)［11］，而且還極大地阻礙了我國(guó)中草藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前在人參［12］、三七［13］、黃芪［14］等藥材已有關(guān)于鎘影響藥材生長(zhǎng)、品質(zhì)以及鎘富集特征的報(bào)道，但有關(guān)藥用甘草對(duì)鎘脅迫的生長(zhǎng)響應(yīng)、鎘耐受性差異及富集特征尚未見(jiàn)報(bào)道，在甘草藥材重金屬安全控制方面缺乏基礎(chǔ)資料。

因此，本研究以中藥材“甘草”的3種基源植物（烏拉爾甘草、脹果甘草、光果甘草）為材料，通過(guò)不同濃度的鎘脅迫試驗(yàn)，生長(zhǎng)指標(biāo)、生物量、根解剖結(jié)構(gòu)、鎘離子吸收運(yùn)轉(zhuǎn)及分配特征分析、鎘耐受性評(píng)價(jià)，探究不同藥用甘草對(duì)鎘的生長(zhǎng)響應(yīng)、鎘耐受能力差異和鎘富集特征，進(jìn)而為指導(dǎo)藥用甘草安全種植、保障藥材品質(zhì)和安全奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

脹果甘草和光果甘草種子采自新疆巴楚縣，烏拉爾甘草種子由石河子大學(xué)甘草研究所提供。

1.2 植物培養(yǎng)與處理

挑選籽粒飽滿且大小一致的烏拉爾甘草、脹果甘草、光果甘草種子，用85%的H2SO4溶液浸泡處理30min，打破休眠；0.1% HgCl2消毒10 min后，再用無(wú)菌水沖洗3～5次。將種子置于蒸餾水中吸脹4 h后播種于盛有蛭石的培養(yǎng)缽中，播種深度1 cm，培養(yǎng)缽置于含14Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的1L水培箱中。在光照培養(yǎng)箱中，白天/夜晚溫度為28 ℃/22 ℃，光照強(qiáng)度280～420 μmol·m-2·s-1，晝夜光照周期14 h/10 h［15］。培養(yǎng)7d后，轉(zhuǎn)入12Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，待幼苗長(zhǎng)出兩片真葉時(shí)，分別用含0、50、100、150 μmol·L-1的CdCl2·2.5H2O Hoagland營(yíng)養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)30 d，共4個(gè)處理，每個(gè)處理10個(gè)重復(fù)，每3天換一次營(yíng)養(yǎng)液。

1.3 測(cè)定方法

1.3.1 幼苗株高、葉片數(shù)、根長(zhǎng)、生物量測(cè)定

鎘脅迫30 d后收獲，測(cè)量株高、葉片數(shù)、根長(zhǎng)。將根用20 mmol·L-1Na2-EDTA溶液浸泡15 min，以去除附著在根表面的鎘離子，然后用去離子水沖洗根3遍，濾紙吸干多余的水分；將幼苗分為葉、莖、胚軸、主根和幼根5部分，分別稱鮮重后放入105℃烘箱中殺青15 min，70℃烘至恒重，稱干重，計(jì)算各器官干重和為總生物量。

1.3.2 MDA含量測(cè)定

硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA含量。

1.3.3 根解剖結(jié)構(gòu)的觀察

用刀片在距離根尖1 cm處向上切取0.5 cm 的根段，使用FAA固定液固定24 h以上。將固定好的根段經(jīng)梯度酒精脫水、二甲苯透明、石蠟包埋后使用萊卡切片機(jī)進(jìn)行切片，切片厚度為14 μm，用番紅固綠雙重染色法對(duì)切片進(jìn)行染色，使用光學(xué)顯微鏡觀察、拍照。用Digimizer V5.4.7軟件計(jì)算根橫切面面積和維管柱面積。

1.3.4 鎘耐受濃度范圍的確定與耐鎘系數(shù)

以不同鎘處理濃度為自變量，相對(duì)生物量為因變量，建立擬合曲線，以生物量下降至75%時(shí)對(duì)應(yīng)鎘濃度作為3種藥用甘草能忍耐的最大鎘濃度，以此為標(biāo)準(zhǔn)判斷3種藥用甘草鎘耐受程度。

單項(xiàng)指標(biāo)的耐鎘系數(shù)=該項(xiàng)指標(biāo)不同濃度處理下的平均測(cè)定值/對(duì)照組測(cè)定值。

1.3.5 鎘耐受性綜合評(píng)價(jià)

以不同鎘脅迫程度下各指標(biāo)的相對(duì)值（各指標(biāo)的相對(duì)值=某鎘濃度處理組值/對(duì)照組值）為鎘耐受性評(píng)價(jià)值。

運(yùn)用隸屬函數(shù)指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理［16］，

Uij=Xij-XiminXimax-Ximin，（1）

Uij=Ximax-XijXimax-Ximin。（2）

式中，Uij為i物種j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；Xij為i物種j指標(biāo)的相對(duì)值；Ximax為所有物種中此指標(biāo)的最大值；Ximin為所有物種中此指標(biāo)的最小值。若所測(cè)指標(biāo)與鎘耐受性呈正相關(guān)，則采用式（1）計(jì)算隸屬值，負(fù)相關(guān)則用式（2）。

權(quán)重的確定：采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)法，先由公式（3）計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vj，再由公式（4）歸一化，從而得到各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Wj。

Vj=∑ni=1Xij-Xj2Xj，（3）

Wj=Vj∑nj=1Vj。（4）

綜合評(píng)價(jià)值

D=∑nj=1（Uij·Wj），（5）

式中D為各供試材料的綜合評(píng)價(jià)值。

1.3.6 不同器官鎘離子含量的測(cè)定

稱取烘干的葉、莖、胚軸、主根和幼根樣品50 mg，加入10 mL體積比為9∶1均為優(yōu)級(jí)純的HNO3和濃度為30%的H2O2，置于微波消解儀中消解40 min后，將消煮管放置于儀器配套的電熱板上趕酸至1～2mL，再定容至25 mL，用ICP測(cè)中Cd2+濃度。計(jì)算Cd2+富集系數(shù)、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)［17］。

富集系數(shù)=植物中鎘含量/環(huán)境中鎘含量。

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)=轉(zhuǎn)出器官或部位鎘離子含量/轉(zhuǎn)入器官或部位鎘離子含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與評(píng)價(jià)方法

采用SPSS 19.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析; 采用one-way ANOVA法對(duì)數(shù)據(jù)方差分析（P<0.05），Duncan法多重比較檢驗(yàn)；使用Origin 2019軟件進(jìn)行耐鎘系數(shù)與鎘濃度的非線性曲線擬合法進(jìn)行曲線擬合，建立擬合公式，并繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫下3種藥用甘草幼苗株高、根長(zhǎng)和葉片數(shù)目的差異

由圖1可知鎘脅迫抑制了脹果甘草、烏拉爾甘草和光果甘草的生長(zhǎng)，株高降低，葉片數(shù)減少，葉色發(fā)黃。與對(duì)照相組比3種藥用甘草鎘處理組的株高、根長(zhǎng)、單株葉片數(shù)量都隨著鎘脅迫濃度的增加而顯著下降。脹果甘草各處理組株高與對(duì)照組相比分別下降了40.2%、56.0%、62.3%，根長(zhǎng)分別下降32.3%、35.2%、40.1%，葉片數(shù)分別下降46.6%、52.8%、59.1%。烏拉爾甘草株高分別下降24.6%、32.6%、50.6%，根長(zhǎng)分別下降24.2%、38.0%、42.0%，葉片數(shù)分別下降22.0%、37.9%、53.3%。光果甘草株高分別下降了41.2%、53.0%、55.5%，根長(zhǎng)分別下降31.9%、40.1%、40.7%，葉片數(shù)分別下降49.6%、57.5%、62.2%。

說(shuō)明鎘脅迫對(duì)3種藥用甘草的生長(zhǎng)有著強(qiáng)烈的抑制作用，尤其是100、150 μmol·L-1的鎘處理下抑制作用更強(qiáng)。

2.2 鎘脅迫對(duì)3種藥用甘草幼苗生物量的影響

3種藥用甘草整株、地上部、地下部的相對(duì)生物量都隨著鎘濃度的增加而下降。烏拉爾甘草和光果甘草地上部分受到的抑制作用要高于地下部分，而脹果甘草地上部受到的抑制作用小于地下部分。將3種藥用甘草相對(duì)生物量下降幅度進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，烏拉爾甘草生物量下降幅度要小于其他2種藥用甘草，在150 μmol·L-1時(shí)，脹果甘草整株生物量相比于對(duì)照組下降73.1%，烏拉爾甘草下降68.0%，光果甘草下降80.4%（圖2）。

2.3 鎘脅迫下3種藥用甘草幼苗丙二醛含量的變化

不同濃度鎘脅迫顯著影響3種藥用甘草根系中MDA的含量（P<0.05）。隨著鎘處理濃度的增加，MDA含量均呈上升趨勢(shì)（圖3），由此可知，鎘脅迫加劇了藥用甘草膜脂過(guò)氧化程度。將各處理組與對(duì)照組相比，脹果甘草MDA含量分別增長(zhǎng)了78.06%、149.01%、160.95%；烏拉爾甘草分別增長(zhǎng)了29.39%、57.41%、109.27%；光果甘草分別增長(zhǎng)了72.10%、132.45%、180.06%。

2.4 鎘脅迫下根解剖結(jié)構(gòu)的變化

如圖4A—L所示，鎘脅迫對(duì)3種藥用甘草根組織和細(xì)胞形態(tài)無(wú)顯著影響，結(jié)構(gòu)完整，未出現(xiàn)細(xì)胞破損現(xiàn)象，但對(duì)根總面積、皮層面積、維管柱面積進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)脹果甘草和烏拉爾甘草根總面積在50 μmol·L-1濃度下與對(duì)照組無(wú)顯著性差異，在100 μmol·L-1和150 μmol·L-1時(shí)顯著低于對(duì)照組，而光果甘草根總面積從50 μmol·L-1時(shí)就已經(jīng)顯著小于對(duì)照組。

脹果甘草各處理組比對(duì)照組根總面積分別下降10.67%、38.99%、55.17%，烏拉爾甘草分別下降19.68%、32.64%、40.52%，光果甘草分別下降26.34%、66.67%、72.14%（圖4M），說(shuō)明鎘處理會(huì)抑制根的橫向生長(zhǎng)，且光果甘草相比于脹果甘草和烏拉爾甘草更容易受到鎘脅迫的影響。由圖4N可知，隨著鎘濃度的增加，3種藥用甘草皮層面積均顯著下降，脹果甘草各處理組比對(duì)照組根皮層面積分別下降10.91%、39.74%、55.75%，烏拉爾甘草分別下降20.05%、33.47%、41.58%，光果甘草分別下降27.73%、66.83%、72.30%（圖4M）。隨著鎘濃度的增加，脹果甘草和烏拉爾甘草維管柱面積占根總面積比例逐漸增大，在100 μmol·L-1和150 μmol·L-1時(shí)顯著高于對(duì)照組，而光果甘草在50 μmol·L-1濃度下顯著高于對(duì)照組，此后占比迅速下降，但仍高于對(duì)照組，說(shuō)明高濃度的鎘處理促進(jìn)了3中藥用甘草根維管組織的發(fā)育。

2.5 鎘耐受濃度范圍的確定與耐鎘系數(shù)

本研究以生物量下降到75% 時(shí)的鎘濃度作為適宜3種藥用甘草生長(zhǎng)的最高閾值。根據(jù)鎘濃度與相對(duì)生物量的擬合方程可以得出， 適宜3種藥用甘草生長(zhǎng)的最高鎘濃度分別為8.56 μmol·L-1、18.16 μmol·L-1、2.55 μmol·L-1 （圖5）。

由表1，以株高為指標(biāo)的耐鎘系數(shù)由大到小順序?yàn)闉趵瓲柛什荨⒐夤什?、脹果甘草，但以葉片數(shù)、根長(zhǎng)、生物量為指標(biāo)的耐鎘系數(shù)由大到小順序?yàn)闉趵瓲柛什?、脹果甘草、光果甘草；且同一種藥用甘草不同指標(biāo)下的耐鎘系數(shù)之間也存在差異。因此，基于單一指標(biāo)的耐鎘系數(shù)對(duì)藥用甘草的耐鎘性進(jìn)行評(píng)價(jià)由局限性，應(yīng)運(yùn)用多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.6 3種藥用甘草耐鎘性綜合評(píng)價(jià)

采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)賦予權(quán)重法，計(jì)算3種藥用甘草幼苗的綜合評(píng)價(jià)Ｄ值（表2），根據(jù)各個(gè)藥用甘草的Ｄ值結(jié)果可以看出，3種藥用甘草中烏拉爾甘草的綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)，其次是脹果甘草，最后是光果甘草。由此可以推斷3種藥用甘草的鎘耐受能力為烏拉爾甘草>脹果甘草>光果甘草。

2.7 Cd2+在3種藥用甘草不同部位富集特征

隨著鎘脅迫濃度的增加，3種藥用甘草幼苗地上部的Cd2+含量顯著上升，而地下部則呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，且3種藥用甘草幼苗地下部分Cd2+含量均大于地上部分（表3）。進(jìn)一步對(duì)地下部分胚軸、主根、幼根各部位的Cd2+含量的分析表明（圖6A），3種藥用甘草幼苗的幼根中Cd2+含量最大，其次是主根，最后是胚軸。隨著鎘濃度的增加，3種藥用甘草幼苗幼根中的Cd2+含量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；在胚軸和主根中，脹果甘草和烏拉爾甘草Cd2+含量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而光果甘草各處理組之間Cd2+含量無(wú)顯著性差異。Cd2+含量代表單位重量?jī)?nèi)所含有的Cd2+量，而鎘離子積累量則可以表示植株中所含有的鎘離子的絕對(duì)值，通過(guò)計(jì)算，計(jì)算出了平均每株藥用甘草幼苗地上部和地下部所含有的鎘離子積累量（圖6B），結(jié)果顯示3種藥用甘草幼苗都在根部積累了大量的鎘離子。

隨著Cd2+濃度的上升，3種藥用甘草對(duì)Cd2+的富集系數(shù)均表現(xiàn)為先上升后下降，說(shuō)明3種藥用甘草對(duì)50 μmol·L-1和100 μmol·L-1Cd污染環(huán)境的富集效應(yīng)大于150 μmol·L-1的Cd污染環(huán)境。通過(guò)對(duì)3種藥用甘草的富集系數(shù)進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，脹果甘草和烏拉爾甘草對(duì)Cd2+的富集能力基本相同，且均大于光果甘草。

2.8 鎘脅迫下3種藥用甘草幼苗對(duì)Cd2+的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

隨著Cd2+濃度的上升，3種藥用甘草幼苗的地下-地上轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但50 μmol·L-1和100 μmol·L-1時(shí)轉(zhuǎn)移系數(shù)不具有顯著性差異，當(dāng)濃度上升至150 μmol·L-1時(shí)顯著上升（表4），這說(shuō)明Cd2+濃度升高促進(jìn)根部將更多Cd2+的向地上部分運(yùn)輸。對(duì)各器官之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，3種藥用甘草幼苗地上各器官之間（胚軸-莖、莖-葉）的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均大于地下部各器官之間（主根-胚軸、幼根-主根）的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)。烏拉爾甘草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)小于其他2種藥用甘草，說(shuō)明烏拉爾甘草對(duì)Cd2+的轉(zhuǎn)運(yùn)能力較弱。

3 討論與結(jié)論

3.1 3種藥用甘草幼苗對(duì)鎘脅迫的生長(zhǎng)響應(yīng)

重金屬鎘是植物生長(zhǎng)發(fā)育的非必需元素，具有強(qiáng)烈的毒性，往往低濃度的鎘處理后就會(huì)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育［18］。生長(zhǎng)指標(biāo)的變化是植物對(duì)鎘脅迫的綜合體現(xiàn)，本試驗(yàn)中3種藥用甘草的株高、根長(zhǎng)、葉片數(shù)量和干重均隨著鎘脅迫濃度的升高，呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)（圖1），表明鎘處理抑制了3種藥用甘草的生長(zhǎng)，這與任紅菲等［12］對(duì)人參的研究結(jié)果一致。但通過(guò)解剖結(jié)構(gòu)觀察，鎘處理后3種藥用甘草根部未出現(xiàn)細(xì)胞解離現(xiàn)象，細(xì)胞形態(tài)完整（圖5A—L），說(shuō)明3種藥用甘草均具有一定的耐鎘性。

膜脂過(guò)氧化最終分解產(chǎn)物是MDA，其含量越高說(shuō)明膜脂過(guò)氧化程度越高，膜受到的損傷越大［19］。

植物在受到重金屬脅迫時(shí)，會(huì)導(dǎo)致活性氧積累，損傷細(xì)胞膜，致使膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物的增加，從而導(dǎo)致MDA含量上升［20］。本研究中，相比對(duì)照組，3種藥用甘草鎘處理組根中MDA含量均顯著上升，說(shuō)明鎘處理加劇了甘草根的氧化脅迫。比較3種藥用甘草MDA含量的增加倍數(shù)，烏拉爾甘草根中MDA含量增長(zhǎng)量最小，說(shuō)明烏拉爾甘草受到的氧化脅迫要低于其他2種藥用甘草。

根對(duì)鎘吸收和運(yùn)輸，主要通過(guò)根的表皮、皮層，到達(dá)維管柱，再通過(guò)木質(zhì)部導(dǎo)管向上運(yùn)輸［21］，因此，鎘脅迫下根皮層和維管組織結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響鎘離子的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)。本研究結(jié)果表明，隨著鎘濃度的增加，根皮層面積顯著減少，烏拉爾甘草根受影響程度最小，其次是脹果甘草，光果甘草受影響程度最大。相關(guān)研究表明［22］，在鎘處理后，植物吸收的Cd主要在細(xì)胞壁和液泡中沉積濃縮，本研究中，在相同鎘濃度處理下，根皮層面積越大，根中Cd2+含量也越高（圖7），這可能與皮層薄壁細(xì)胞對(duì)鎘的儲(chǔ)存和滯留有關(guān)，根皮層越厚，儲(chǔ)存Cd2+的空間越大，有助于將Cd2+隔離在地下部，使地上部的幼嫩組織免受重金屬的毒害。在鎘濃度為150μmol·L-1時(shí)，相比于其他2種藥用甘草，烏拉爾甘草根皮層面積最大，鎘積累量最多，體現(xiàn)了其鎘耐受性較強(qiáng)的特性。另外，相關(guān)研究表明［23］，根薄壁細(xì)胞也是甘草酸和黃酮類物質(zhì)積累的部位，皮層面積和薄壁細(xì)胞減少也會(huì)影響藥用甘草根中甘草酸、黃酮等次生代謝物質(zhì)的貯存，從而影響藥用甘草的藥用品質(zhì)。因此，鎘脅迫下，維持根皮層面積也有助于保障藥用甘草的品質(zhì)，烏拉爾甘草顯然優(yōu)于其他2種藥用甘草。維管柱是輸導(dǎo)組織，維管柱面積占根總面積的比例上升，能夠加強(qiáng)根向上運(yùn)輸植物生長(zhǎng)所必須的水和礦質(zhì)元素的能力。本研究發(fā)現(xiàn)，鎘處理后，烏拉爾甘草根部維管柱面積占根總面積百分比值上升最多，其次是脹果甘草，光果甘草上升最少，表明烏拉爾甘草在鎘脅迫下，根具有更積極的響應(yīng)和更強(qiáng)的維持水和礦質(zhì)元素運(yùn)輸?shù)哪芰Α?/p>

3.2 3種藥用甘草幼苗的耐鎘閾值與鎘耐受性評(píng)價(jià)

陸嘉惠［23］以生物量下降到75% 時(shí)的鹽濃度作為適宜脹果甘草幼苗生長(zhǎng)的最高閾值，找出了適宜脹果甘草生長(zhǎng)的最高鹽濃度，此耐鹽適宜范圍在生產(chǎn)上具有較大的實(shí)踐意義。因此本研究以生物量下降到75%時(shí)的鎘濃度作為藥用甘草鎘適應(yīng)生長(zhǎng)的最高閾值。根據(jù)相對(duì)生物量與鎘處理濃度擬合方程確定適應(yīng)生長(zhǎng)的最高鎘濃度值，脹果甘草為12.462 μmol·L-1、烏拉爾甘草為14.715 μmol·L-1、光果甘草為1.952 μmol·L-1。該值可為藥用甘草種植土壤鎘含量的閾值確定和安全性評(píng)價(jià)提供參考。張楊楊等［24］研究發(fā)現(xiàn)，在10 mg·kg-1即43.79μmol·L-1鎘處理下，紫花苜蓿的生物量與對(duì)照組無(wú)顯著性差異，百脈根的生物量顯著高于對(duì)照組，說(shuō)明紫花苜蓿和百脈根的鎘耐受性閾值要遠(yuǎn)大于藥用甘草，即3種藥用甘草的鎘耐受性弱于紫花苜蓿和百脈根。

耐鎘系數(shù)可以評(píng)價(jià)植物對(duì)鎘的耐受性，但單一指標(biāo)耐鎘系數(shù)評(píng)價(jià)具有局限性。本研究中，以株高為指標(biāo)時(shí)的耐鎘系數(shù)大小關(guān)系為烏拉爾甘草>光果甘草>脹果甘草，而其他指標(biāo)下的耐鎘系數(shù)大小關(guān)系為烏拉爾甘草>脹果甘草>光果甘草，因此用耐鎘系數(shù)去評(píng)價(jià)具有片面性。為了準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)3種藥用甘草的耐鎘能力，本研究運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)賦予權(quán)重法對(duì)株高、根長(zhǎng)、葉片數(shù)和干重進(jìn)行鎘受耐性綜合評(píng)價(jià)，得出3種藥用甘草幼苗中鎘耐受性最強(qiáng)的是烏拉爾甘草，其次是脹果甘草，光果甘草鎘耐受性最弱。

3.3 3種藥用甘草幼苗不同營(yíng)養(yǎng)器官對(duì)鎘的富集特征

李子唯等［13］對(duì)鎘脅迫下三七的生理響應(yīng)和富集特性進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示在土壤鎘濃度為10 μmol·L-1時(shí)須根鎘富集系數(shù)就已經(jīng)達(dá)到50.22，馬月花等［14］對(duì)黃芪鎘脅迫的生理響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行研究，當(dāng)鎘處理濃度為50 μmol·L-1時(shí)，經(jīng)計(jì)算富集系數(shù)約為37.38，而本研究同鎘濃度處理下即50μmol·L-1時(shí)，脹果甘草富集系數(shù)為2.737，烏拉爾甘草為3.100，光果甘草為3.488，遠(yuǎn)小于三七、黃芪的富集系數(shù)，說(shuō)明與三七、黃芪相比，藥用甘草對(duì)鎘的富集能力較弱，這為藥用甘草土壤鎘污染治理和安全控制提供了可能。

根作為藥用甘草主要的藥用部位，根據(jù)《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19618—2004》要求［25］，藥材中Cd含量不得超過(guò)0.2 μg·g-1，李偉等［26］對(duì)土壤平均鎘含量為0.15 mg·kg-1的內(nèi)蒙古正藍(lán)旗地區(qū)采集的野生藥用甘草樣本進(jìn)行重金屬含量檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，根中的鎘含量為0.48 mg·kg-1，是此標(biāo)準(zhǔn)的2.4倍。本研究中，脹果甘草根中鎘含量是此標(biāo)準(zhǔn)的19～33倍，烏拉爾甘草是19～95倍，光果甘草是27～35倍，說(shuō)明即使在較低濃度鎘含量的土壤中種植藥用甘草，也存在根鎘含量超標(biāo)問(wèn)題，保障藥材的安全性，避免鎘污染風(fēng)險(xiǎn)，是甘草產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展要解決的重要問(wèn)題。

葉片是藥用甘草收獲后的副產(chǎn)物，近年來(lái)的研究表明，藥用甘草地上部也富含黃酮類化合物和茶多酚等多種物質(zhì)［27］，黃酮類化合物能夠抑制多種癌細(xì)胞的活性，也能夠作為天然抗菌劑［28］，有著極大的需求量。茶多酚是茶葉中含有的多羥基酚類化合物，具有抗氧化、抗衰老、清除自由基、降低血脂等作用［29］。本研究中，3種藥用甘草在鎘濃度為50～150μmol·L-1時(shí)，鎘由地下-地上的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)為0.018～0.071，遠(yuǎn)小于1。說(shuō)明藥用甘草根吸收的Cd2+向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)少。其轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)也遠(yuǎn)小于三七0.026（10μmol·L-1）［21］和黃芪0.055～0.157（25～200μmol·L-1）［22］，這為以藥用甘草葉為原材料制作甘草茶等提供可能性和安全性保障。

綜上所述，鎘處理抑制了3種藥用甘草幼苗根和葉片的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致藥用甘草產(chǎn)量大幅下降；3種藥用甘草鎘耐受性存在差異，表現(xiàn)為烏拉爾甘草>脹果甘草>光果甘草；3種藥用甘草幼苗鎘富集系數(shù)大于1，但轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)遠(yuǎn)小于1，鎘主要積累在根部，對(duì)藥材根的安全性影響較大。因此，應(yīng)關(guān)注野生甘草采挖和人工栽培地的土壤鎘監(jiān)測(cè)，以保證甘草藥材生產(chǎn)的安全性；同時(shí)也應(yīng)重視藥材Cd2+含量的抽檢，進(jìn)行甘草藥材的安全性控制管理。

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