土壤鎘對(duì)龍牙百合生長(zhǎng)過程中生理生化特性的影響

關(guān)鍵詞：鎘；土壤；龍牙百合；生理響應(yīng)；轉(zhuǎn)移系數(shù)；抗氧化酶

百合是百合科、百合屬多年生球根類所有品種的總稱。百合含有較高的糖量、低的粗纖維量及許多有益人體健康的成分，往往作為膳食補(bǔ)充劑來改善人體健康，在中國(guó)藥食同源植物中被定義為食品，即百合是一種藥食同源植物。龍牙百合主要器官包括下盤根、鱗莖、地下莖、上盤根、地上莖和葉，具體如圖1所示。下盤根位于百合基部，屬于基生根；上盤根在鱗莖之上，位于地下莖，屬于莖生根。當(dāng)前在我國(guó)種植面積最廣的百合品種主要是龍牙百合（即百合）、宜興百合（即卷丹）和蘭州百合等，其分布在湖南隆回、湖南龍山、甘肅蘭州和江蘇宜興等地。百合的主要食用部位為鱗莖，而鱗莖生長(zhǎng)在地下，這就導(dǎo)致其很容易從土壤中吸收鎘（Cd）。陽麗等對(duì)江西、湖南兩省百合樣品中Cd含量進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)Cd超標(biāo)率為13.3%。楊偉等在對(duì)蘭州百合Cd測(cè)定中得出Cd的平均含量為0.324ug·g-1，超過《藥用植物及制劑外經(jīng)貿(mào)綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（WM/T2-2004）（Cd≤0.3ug·g-1）有關(guān)規(guī)定。姚素梅等對(duì)6種中藥的Cd含量進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果顯示百合Cd含量明顯超標(biāo)。Huang等對(duì)從田間采集的百合和從藥店購(gòu)買的百合進(jìn)行了重金屬含量分析，結(jié)果表明Cd的含量比其他重金屬都要高，其中Cd最高含量達(dá)1.45mg·kg-1，超過《中國(guó)藥典》中Cd含量限值。上述研究表明，百合對(duì)Cd有較強(qiáng)的富集能力，但有關(guān)土壤Cd污染對(duì)百合生長(zhǎng)過程中生理生化的影響還鮮有報(bào)道，百合對(duì)Cd的富集特征不清晰，關(guān)鍵控制點(diǎn)不確定、阻控措施尚缺乏等問題可能對(duì)其食用安全性產(chǎn)生潛在隱患。本研究通過盆栽實(shí)驗(yàn)，以湖南省隆回縣龍牙百合和Cd為研究對(duì)象，探究龍牙百合在不同污染土壤條件下的生理生化反應(yīng)特性，旨在進(jìn)一步闡明Cd對(duì)百合毒害的生理機(jī)制，以期為百合優(yōu)質(zhì)安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

供試百合為隆回龍牙百合種球，購(gòu)置于湖南省邵陽市隆回縣貓兒凼村。供試土壤采自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地，理化性質(zhì)為：pH值4.86，有機(jī)質(zhì)19.86g．kg-1，全Cd0.36mg·kg-1，全磷0.85g·kg-1。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)訓(xùn)基地的溫室大棚里進(jìn)行。Cd處理含量參考劉澤偉和梅鑫的研究設(shè)置。種植百合前，將CdC12·2.5H20溶液均勻噴灑到土壤中，設(shè)置清潔（CK）、低（L）、中（M）、高（H）4個(gè)Cd含量，土壤老化2各月后種植百合。種植之前取土壤樣品進(jìn)行Cd含量測(cè)定，L、M、H處理的Cd含量分別為0.86、2.16mg·kg-1和4.76mg·kg-1，隨后添加復(fù)合肥和有機(jī)肥，穩(wěn)定24h后播種百合種球。

百合種球的預(yù)處理：將大小一致的百合種球用純水沖洗干凈，再經(jīng)酒精消毒后用無菌水沖洗2～3次，接著用4%的NaClO溶液消毒大約15min，隨后再用無菌水沖洗4～5次，最后將百合種球表面擦干，備用。

2021年10月下旬，將已進(jìn)行過預(yù)處理的百合種球種植在已處理的Cd污染土壤中，每盆3株，每個(gè)處理4盆，16盆為一組，重復(fù)3次，共48盆144株。實(shí)驗(yàn)期間，每隔一段時(shí)間隨機(jī)移動(dòng)盆子，且不定期進(jìn)行土壤疏松并澆灌自來水保持土壤濕潤(rùn)。

1.3樣品采集

2022年5月下旬收獲百合，將每株百合按部位進(jìn)行分離，如圖1所示。隨機(jī)取1/3洗凈烘干，用于測(cè)定各部位總Cd含量；剩下的2/3清洗后置于-80℃冰箱冷凍保存，用于測(cè)定各項(xiàng)生理生化指標(biāo)。

1.4測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1株高、莖粗及生物量的測(cè)定

在收獲當(dāng)天，用卷尺從百合基部測(cè)量其株高；用游標(biāo)卡尺統(tǒng)一在最下方葉子處測(cè)量莖粗；將百合按部位分開，用電子天平稱量其生物量，用鮮質(zhì)量表示。

1.4.2葉綠素含量的測(cè)定

葉綠素含量采用96%乙醇浸提，分光光度法測(cè)定?？?cè)~綠素含量為葉綠素a含量與葉綠素b含量之和。

1.4.3 Cd含量的測(cè)定

百合各部位Cd含量采用硝酸一高氯酸濕法消解，電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS，NexIONTM350X，PerkinElmer，MA，美國(guó)）測(cè)定，同時(shí)以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（GBW-10049）和空白進(jìn)行質(zhì)量控制。

1.4.4丙二醛含量與超氧化物歧化酶、過氧化氫酶活性的測(cè)定

丙二醛（MDA）含量的測(cè)定采用硫代巴比妥酸法，超氧化物歧化酶（SOD）活性的測(cè)定采用氮藍(lán)四唑（NBT）法，過氧化氫酶（CAT）活性的測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法。

1.4.5龍牙百合的富集系數(shù)

富集系數(shù)（BCF）表示重金屬?gòu)耐寥老蛑参镏羞w移的難易程度，反映了植物吸收轉(zhuǎn)移重金屬到體內(nèi)各部位能力的大小，BCF越大表明植物相應(yīng)部位重金屬富集含量越多。

BCF=龍牙百合某一部位Cd含量／土壤中Cd含量

1.4.6龍牙百合各部位的轉(zhuǎn)移系數(shù)

轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）是衡量植物轉(zhuǎn)移重金屬的能力，TF越高表明植物對(duì)重金屬吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)的能力越強(qiáng)。

1.5數(shù)據(jù)處理

采用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用GraphPad Prism 8進(jìn)行單因素方差分析以及圖的制作，采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。

2結(jié)果與分析

2.1不同Cd污染程度對(duì)幼苗期龍牙百合生長(zhǎng)狀況和生物量的影響

土壤不同Cd污染程度對(duì)龍牙百合幼苗期生長(zhǎng)狀況和生物量的影響如圖2所示。從圖2（a）可以看出，與CK相比，L和H處理下百合莖粗有所增加，但M處理下，百合莖粗有下降趨勢(shì)，各處理間均無顯著性差異（Pgt;0.05），表明不同脅迫處理對(duì)百合幼苗期莖粗影響較小。由圖2（b）可以看出，與CK相比，L、M和H處理下幼苗期百合株高均增加但無統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異，表明Cd脅迫對(duì)龍牙百合苗期株高影響較小。由圖2（c）可知，L處理下，百合上盤根和鱗莖生物量達(dá)到最大值，但與CK相比無顯著性差異（Pgt;0.05）；M處理下，百合葉和地上莖生物量顯著增加（Plt;0.05）；而H處理下，百合上盤根和地下莖的生物量下降，表現(xiàn)出顯著抑制作用（Plt;0.05）。除M處理外，同一處理下百合鱗莖生物量顯著大于其他部位（Plt;0.05），上盤根和下盤根生物量顯著降低（Plt;0.05）。

2.2不同Cd污染程度對(duì)幼苗期龍牙百合葉綠素含量的影響

土壤Cd含量對(duì)龍牙百合葉綠素含量的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著Cd含量升高，百合葉綠素a和總?cè)~綠素均呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢(shì)，且在H處理下達(dá)到最大值，分別是CK處理的1.06倍和1.11倍。百合葉片葉綠素a、葉綠素b在各處理下均無顯著性差異（Pgt;0.05），而總?cè)~綠素在M和H處理下有顯著差異（Plt;0.05）。

2.3不同Cd污染程度對(duì)幼苗期龍牙百合富集Cd的影響

如圖4所示，隨土壤中Cd含量的增加，百合各部位Cd含量也增加。在CK中，百合葉和下盤根中Cd的富集量顯著高于其他部位（Plt;0.05），其含量順序是下盤根gt;葉gt;地上莖gt;地下莖gt;上盤根gt;鱗莖，百合鱗莖Cd含量（0.24mg·kg-1）雖然低于《中國(guó)藥典》Cd的限量值（1.0mg·kg-1），但超出《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（GB2762-2017）塊莖蔬菜Cd的限量值（0.1mg·kg-1）。隨土壤中Cd含量增加，百合鱗莖Cd含量也增加，在H處理下最高含量達(dá)到1.65mg·kg-1，明顯超過《中國(guó)藥典》的規(guī)定限值。在L處理下，除百合上盤根、地下莖和鱗莖外，百合其余部位Cd含量與CK相比有顯著性差異（Plt;0.05），葉和地上莖的Cd含量顯著大于其他部位的Cd含量（Plt;0.05）。在M處理下，百合上盤根Cd含量為5.08mg·kg-1，高于其葉、地上莖、地下莖、鱗莖和下盤根的Cd含量，且除鱗莖外各部位與CK相比均有顯著性差異（Plt;0.05），地下莖和鱗莖中Cd含量顯著低于其他部位（Plt;0.05）。在H處理下，百合地上莖、地下莖、鱗莖和下盤根中的Cd含量有大幅度上升，地上莖Cd含量最高，鱗莖Cd含量顯著低于其余部位（Plt;0.05）。

2.4不同Cd污染程度對(duì)幼苗期龍牙百合BCF和TF的影響

由圖5可知，隨Cd含量的升高，BCF呈下降趨勢(shì)，在CK處理下達(dá)到最大值2.17；但是BCF是呈先上升后下降的趨勢(shì)，尤其在M處理下，BCF顯著大于BCF，達(dá)到最大值2.35，表明此含量的Cd脅迫下上盤根富集Cd的能力大于下盤根。

由圖6可以看出，CK處理的百合TF大小順序是，表明百合將Cd從下盤根轉(zhuǎn)運(yùn)到鱗莖的能力較弱；百合TF鱗莖一地下莖較CK顯著升高（Plt;0.05），最高達(dá)4.55，各處理TF均大于1.0，表明百合將Cd從鱗莖轉(zhuǎn)運(yùn)到地下莖的能力較強(qiáng)。以上情況表明，當(dāng)Cd含量升高時(shí)，百合通過調(diào)節(jié)自身轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制會(huì)增加鱗莖向地下莖的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而保護(hù)鱗莖不受傷害。TF地下莖，莖呈先上升后下降的趨勢(shì)，在L處理下TF最高，TF呈下降趨勢(shì)。CK和L處理下，上盤根一地上莖的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最大，但隨著Cd含量的增加，鱗莖一地下莖的轉(zhuǎn)移能力顯著高于其他部位（Plt;0.05），在設(shè)置含量范圍內(nèi)，下盤根一鱗莖的轉(zhuǎn)移能力最弱。

2.5 Cd對(duì)百合MDA含量及SOD、CAT活性的影響

由表1可知，受土壤Cd脅迫，龍牙百合葉和地上莖中MDA含量變化呈先降低后升高的趨勢(shì)，百合上盤根和地下莖的MDA含量均呈下降趨勢(shì)，且地下莖各處理間無顯著性差異（Pgt;0.05）。CK處理下，百合葉的氧化損傷要顯著大于其他部位的損傷（Plt;0.05），地下莖和鱗莖次之，上盤根和下盤根的MDA含量顯著低于其他部位（Pgt;0.05）；L處理下，鱗莖和葉的MDA含量最高，上盤根和下盤根的MDA含量最低。百合鱗莖中MDA含量較CK顯著增加，且在H處理時(shí)達(dá)到0.51 mmol·g-1，與CK相比增加了133.72%。在H處理下，百合下盤根的MDA含量顯著增加（Plt;0.05）。M和H處理下的趨勢(shì)相同，葉和鱗莖中的MDA含量顯著高于百合其他部位，為葉gt;鱗莖gt;地下莖gt;地上莖gt;下盤根gt;上盤根。綜上表明H處理對(duì)百合的傷害顯著，Cd對(duì)百合葉和鱗莖的氧化損傷較強(qiáng)。

隨Cd含量的增加，百合葉和地上莖的SOD活性下降，且各處理與CK相比差異顯著（Plt;0.05），其他4個(gè)部位均呈先升高后下降的趨勢(shì)，表明一定的Cd含量會(huì)使百合SOD酶活性升高。百合上盤根、地下莖和下盤根在L處理下的SOD值與CK相比顯著增加（Plt;0.05），分別增加了53.91%、87.74%和55.01%；百合鱗莖在M處理下的SOD值顯著升高（Plt;0.05）．為160.09U·g-1。同一Cd處理下，上盤根SOD酶活性顯著高于百合其他部位（Plt;0.05）。CK處理下，鱗莖中SOD酶活性最低；L處理下，地下莖和下盤根中SOD酶活性顯著低于地上莖（Plt;0.05），其次是鱗莖、葉和地上莖；M處理下，鱗莖中MDA含量升高，下盤根MDA含量降低；H處理下，百合葉、地上莖和地下莖的Cd含量顯著低于其他部位。

由表1可知，隨Cd含量的增加，百合葉、上盤根和下盤根的CAT酶活性呈先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)CAT值達(dá)到最大時(shí)與其他處理組比均差異顯著（Plt;0.05）。百合地上莖則是呈先下降后上升的趨勢(shì)，但均低于CK。CK處理下，百合上盤根CAT活性顯著高于其他部位（Plt;0.05），百合葉、地上莖和下盤根的CAT活性顯著低于其他部位（Plt;0.05）；L處理下，百合上盤根CAT活性顯著升高且高于其他部位（Plt;0.05），葉、地上莖、地下莖、鱗莖和下盤根之間無顯著性差異（Plt;0.05）；在M處理下百合地上莖的CAT活性最低，為50.23u·g-1，百合地下莖的CAT活性顯著高于其他部位（Plt;0.05），上盤根的CAT活性顯著低于地下莖但高于鱗莖、葉、下盤根和地上莖（Plt;0.05）。百合地下莖和鱗莖中CAT值呈先下降后上升再下降的趨勢(shì)，分別在M和CK組活性最高。H處理下，地下莖CAT活性最高，且與其他部位差異顯著（Plt;0.05）。

3討論

由于Cd被植物大量累積會(huì)導(dǎo)致莖葉發(fā)黃、葉片掉落，且植物的株高、葉片的長(zhǎng)度和干質(zhì)量等會(huì)受到明顯影響，Cd脅迫下的生長(zhǎng)特性可以反映植株耐受能力的大小。相關(guān)研究表明，馬鈴薯根部將土壤中Cd吸收之后，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)移、富集在植物體內(nèi)，當(dāng)Cd處于較低水平時(shí)，其能促進(jìn)馬鈴薯的生長(zhǎng)，當(dāng)含量達(dá)到一定水平后，促進(jìn)作用將逐步減弱。本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤Cd對(duì)百合生長(zhǎng)并沒有產(chǎn)生明顯毒害作用，但隨Cd含量的增加，Cd對(duì)百合葉綠素的影響整體呈上升趨勢(shì)，說明低Cd處理可以刺激百合葉片葉綠素含量的增加，且百合仍能維持正常生長(zhǎng)，這表明百合可能存在一定的保護(hù)和防御機(jī)制來適應(yīng)一定含量的Cd脅迫，也可能是百合處于幼苗期，對(duì)其光合作用無影響，這也與香草根的研究相似。董洪霞、錢翌等的研究表明，隨Cd含量的升高，大蒜體內(nèi)MDA含量呈先上升后下降的趨勢(shì)。MDA是由植物衰老而氧化或在不利條件下產(chǎn)生的。百合上盤根在Cd高含量時(shí)MDA含量反而下降并且低于CK，這可能是大量的Cd離子進(jìn)入植物體內(nèi)，超過了植物本身的代謝閾值，導(dǎo)致生理混亂。H處理下，百合葉、地上莖、鱗莖以及下盤根的MDA含量升高與CAT和SOD酶的活性下降有關(guān)，Cd脅迫會(huì)導(dǎo)致植物體內(nèi)細(xì)胞膜系統(tǒng)遭到破壞，膜脂過氧化加劇，植物體細(xì)胞正常的代謝活動(dòng)被擾亂，最終出現(xiàn)膜結(jié)構(gòu)損傷。

本實(shí)驗(yàn)中，百合葉和地上莖中SOD酶活性均低于CK，這與沙棘相同，但與圓葉錦葵、龍葵相反，推測(cè)可能是百合葉和地上莖本身對(duì)Cd有較高的抗性，在Cd脅迫下主要是CAT酶起主要抗氧化作用，并伴隨SOD的降低，抗氧化酶類之間保持良好的平衡，從而將脅迫產(chǎn)生的活性氧維持在平衡的狀態(tài)。百合其他部位中SOD酶活性均隨Cd含量的升高呈先上升后下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)镃d脅迫啟動(dòng)了植物體內(nèi)重金屬防御機(jī)制，增加了抗氧化酶活性，使植物體內(nèi)的活性氧維持在一個(gè)相對(duì)低的水平。然而，植物對(duì)Cd的適應(yīng)和耐受能力有限，在高濃度Cd環(huán)境下，Cd會(huì)與酶的輔因子位點(diǎn)（如Cu/Zn SOD）競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合，導(dǎo)致植物抗氧化酶活性降低。CAT酶在百合葉和上盤根中活性先上升后下降，在百合地下莖和鱗莖中則是呈先下降后上升再下降的規(guī)律，這與郭智對(duì)超富集植物龍葵（Solanum nigrum L）在Cd脅迫下的生理響應(yīng)機(jī)制研究和錢翌等對(duì)Cd對(duì)大蒜生理生化影響的研究結(jié)果相似。對(duì)于百合而言，SOD和CAT酶活性的提高對(duì)MDA的清除起到了一定的促進(jìn)作用，這是百合耐Cd的主要機(jī)制之一。但是在較高Cd含量下，百合體內(nèi)SOD活性的降低和CAT活性的不規(guī)則變化或許是導(dǎo)致MDA清除系統(tǒng)遭到損傷，MDA清除能力下降的原因。百合地下部酶活性整體高于地上部，保證了百合的生理活性，這也是為什么百合能保持正常生長(zhǎng)的原因之一。

通過對(duì)百合各器官Cd含量的測(cè)定，探究百合對(duì)Cd的富集和遷移規(guī)律，從而揭示百合對(duì)Cd的富集特征。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨Cd含量的增加，百合各部位Cd含量逐漸上升，這與何雪等研究的馬鈴薯、宋阿琳研究的小白菜結(jié)果一致，說明植物中的Cd含量與土壤中的Cd含量呈正相關(guān)關(guān)系，土壤Cd污染促進(jìn)了Cd在百合各部位的累積。龍牙百合將Cd截留于莖部和根部，以減少Cd在其他部位的累積，使得鱗莖中Cd的含量最低。當(dāng)土壤Cd含量lt;2.16mg·kg-1時(shí)，百合鱗莖Cd含量低于《中國(guó)藥典》Cd的限值，但超出《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（GB 2762-2017）中塊莖蔬菜的限值，這說明百合鱗莖存在Cd超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，值得進(jìn)一步關(guān)注。綜上，百合鱗莖想要達(dá)到藥用級(jí)別，土壤中的Cd含量要限制在2.16mg·kg-1以內(nèi)，若達(dá)到食品級(jí)須對(duì)土壤進(jìn)行重金屬修復(fù)治理。

4結(jié)論

（1）土壤鎘污染對(duì)百合生長(zhǎng)沒有產(chǎn)生明顯的毒害作用，對(duì)百合光合作用效率影響不顯著。

（2）2.16mg·kg-1Cd處理下，龍牙百合下盤根對(duì)土壤中Cd的富集能力要大于上盤根，鱗莖一地下莖的轉(zhuǎn)運(yùn)能力最強(qiáng)。鱗莖中Cd含量最低，低于《中國(guó)藥典》Cd的限量值，但仍超出《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》（GB2762-2017）中塊莖蔬菜的限量值。

（3）隨著Cd含量的升高，百合體內(nèi)丙二醛大量積累，抗氧化酶活性發(fā)生變化，表明龍牙百合通過調(diào)節(jié)自身抗氧化防御系統(tǒng)來抵御Cd脅迫。