不同濃度鎘脅迫對川芎生長及生理特性的影響

關(guān)鍵詞：鎘脅迫：川芎；生理特性：酶活性：礦質(zhì)元素

中圖分類號：S567.23+9.01 文獻標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2024）11-0076-07

土壤鎘（Cd）污染是目前許多中藥材種植中面臨的難題之一。在安全閾值之內(nèi)，一定濃度的Cd脅迫可促進植株生長，如Cd濃度在0.1～5.0mg/L之間時薄荷株高、葉長和葉寬呈現(xiàn)出一種逐漸上升趨勢，但超過安全閾值就會抑制植株生長，例如50 mg/kg Cd濃度下丹參株高、葉片及根系的干物質(zhì)量均降低。另外，Cd脅迫會影響藥用植物中的礦物質(zhì)元素含量。Das等研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫會影響植物對Ca、Mg、P、K元素和水的吸收和轉(zhuǎn)運。板藍根和龍葵的主要養(yǎng)分N、P、K含量也會隨Cd濃度增加而下降。Cd對藥用植物的損害之一是通過破壞其抗氧化能力來破壞植物體內(nèi)活性氧的動態(tài)平衡，導(dǎo)致膜脂過氧化，從而損害膜系統(tǒng)，并引起生理代謝失調(diào)，從而影響其正常生長發(fā)育。較高濃度Cd脅迫能引起金銀花根和葉膜系統(tǒng)中丙二醛（MDA）含量升高。在鐵皮石斛幼苗中，鎘顯著誘導(dǎo)丙二醛和脯氨酸積累。

不同藥材的安全閾值不盡相同，目前關(guān)于川芎鎘污染閾值的相關(guān)研究已有報道：何平等利用MaxEnt模型并結(jié)合礦產(chǎn)分布特征和土壤鎘污染狀況重新規(guī)劃了川芎的生態(tài)種植區(qū)：裴孟等研究認(rèn)為土壤團聚體穩(wěn)定性顯著影響川芎根部Cd積累；徐琴等認(rèn)為栽培土壤pH值越大，川芎中鎘含量越低；5mg/kg Cd與500 mg/kg Pb復(fù)合處理顯著降低川芎根莖和地上部Cd的積累。但關(guān)于不同濃度鎘脅迫下川芎生長狀況及抗氧化酶活性變化方面的研究尚未見報道。

川芎為傘形科植物川芎（Ligusticum， chuanx-iong Hort.）的干燥根莖，具有活血行氣、祛風(fēng)止痛等功效，常用于治療泌尿系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、心腦血管及神經(jīng)系統(tǒng)等疾病。川芎作為臨床常用藥之一，年需求量10000噸左右（https：//www.zyctd.com/zixun/202/253372.html），但近年來川芎在出口時曾多次因重金屬超標(biāo)問題而被國外銷毀，是川芎國際貿(mào)易壁壘的主要成因。而在川芎重金屬污染中Cd污染問題尤為突出：2008年李曉念對四川彭州敖平鎮(zhèn)、都江堰徐渡鄉(xiāng)川芎Cd含量進行調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，敖平鎮(zhèn)50份樣品平均Cd含量為3.40mg/kg，徐渡鄉(xiāng)25份樣品平均Cd含量為1.20mg/kg;周驍騰等對四川彭州市、都江堰市、什邡市以及成都市等15個樣點的川芎根莖樣品進行測定，發(fā)現(xiàn)其Cd含量均超過《藥用植物及制劑進出口綠色行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的限量標(biāo)準(zhǔn)0.3 mg/kg，其中樣點12（都江堰）和樣點3（彭州）分別高達1.19mg/kg和1.57mg/kg，超標(biāo)3～4倍；張德林等通過分析2004～2017年川芎重金屬Cd相關(guān)文獻的383個數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)川芎Cd超標(biāo)率高達87.99%，可見川芎Cd超標(biāo)現(xiàn)象十分普遍。

本試驗通過研究不同濃度鎘脅迫下川芎生長的動態(tài)狀況、酶活性以及礦質(zhì)元素含量的變化規(guī)律，以探明川芎生長對Cd脅迫的生理響應(yīng)，從而指導(dǎo)川芎生產(chǎn)，為今后抗鎘脅迫研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試川芎苓種由四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所提供。

1.2試驗設(shè)計

2021年7月20日在汶川縣挖取川芎苓種，當(dāng)年9月9日盆栽于成都市青白江區(qū)光明村溫室大棚內(nèi)?；ㄅ枰?guī)格為：上口徑×下口徑×高=42cm×28cm×28cm。盆栽基質(zhì)按農(nóng)田土：草炭土：珍珠巖：河沙體積比25：4：1：8混勻，每盆裝基質(zhì)19kg，栽種川芎6株。

試驗設(shè)置5個鎘濃度處理，分別為0（CK）、1、3、6mg/kg和10mg/kg，用CdCl₂·2.5H₂O（分析純試劑）以溶液形式施入土壤并充分混勻，平衡4周待用。所有處理按照川芎常規(guī)管理技術(shù)統(tǒng)一管理。

1.3測定指標(biāo)及方法

1.3.1生長指標(biāo)測定 按照常規(guī)管理并做好防病防蟲工作和長勢記錄。于2022年5月收獲前，利用直尺、游標(biāo)卡尺等對川芎3個生長期即苗期（2021年8月至9月下旬）、二次莖葉發(fā)生期（2021年2月初至4月中旬）、根莖膨大期（2021年4月中旬至5月下旬）的株高、葉長、葉寬、葉柄長進行測定，其中再在二次莖葉發(fā)生期和根莖膨大期對莖粗、節(jié)盤直徑以及根莖膨大期對根莖重、根重進行測定。

1.3.2葉片酶活性與丙二醛（MDA）含量測定 在二次莖葉發(fā)生期，取0.10g新鮮葉片置于10mL離心管中，加入0.05mol/L磷酸緩沖液（pH=7.8）5mL，再添加1%（W/V）聚乙烯吡咯烷酮（PVP），冰浴研磨勻漿，15000r/min離心15min，全部過程均在4℃下操作，所得上清液即為粗酶液。采用南京建成生物工程研究所研制的試劑盒測定超氧化物歧化酶（ SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、谷胱甘肽還原酶（GR）活性以及MDA含量，具體操作步驟按使用說明進行。

1.3.3鎘及礦質(zhì)元素含量測定 取川芎收獲期根莖于40℃烘箱中烘干，打粉后過100目篩。稱取樣品粉末0.200g于微波消解罐內(nèi)管中，加入10mL硝酸后按照表1中記述的程序進行消解，冷卻至室溫后過濾，用1%硝酸定容至25 mL，用ICP-OES測定各元素含量。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019、SPSS 25軟件進行統(tǒng)計、單因素方差分析及組間差異顯著性比較，生長指標(biāo)每組設(shè)置6個重復(fù)并計算平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差，酶活性及礦質(zhì)元素含量測定每組設(shè)置3個重復(fù)。利用Origin 8以及R軟件制圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同濃度鎘脅迫對川芎生長的影響

2.1.1對苗期川芎生長的影響 由表2可以看出，與CK相比，鎘脅迫對苗期川芎株高、葉柄長均有抑制作用。鎘濃度為10 mg/kg時，苗期川芎葉柄長和小葉長較CK顯著降低，分別降低11.94%和14.48%，6mg/kg Cd處理對苗期川芎小葉長和小葉寬具有促進作用。

2.1.2對二次莖葉發(fā)生期川芎生長的影響 由表3可知，與CK相比，1mg/kg與10 mg/kg Cd脅迫下二次莖葉發(fā)生期川芎株高顯著降低，分別降低16.04%和8.73%；6mg/kg Cd脅迫對二次莖葉發(fā)生期川芎的莖粗和小葉長具有促進作用，分別增加5.87%和2.91%，對其他生長指標(biāo)影響較小。

2.1.3對收獲期川芎生長的影響 由表4可知，不同濃度Cd處理對收獲期（即根莖膨大期）川芎生長指標(biāo)的影響不同，與CK相比，不同濃度Cd脅迫對川芎株高、小葉長和根莖重都具有抑制作用。其中，6 mg/kg Cd脅迫對川芎小葉寬、分蘗數(shù)、莖粗、節(jié)盤直徑具有促進作用，分別增加2.25%、9.09%、7.11%和5.70%;1 mg/kg Cd脅迫能顯著抑制川芎株高、葉柄長、小葉長、小葉寬、根莖重，分別降低17.41%、12.95%、15.07%、8.99%和26.16%。綜合來看，1mg/kg Cd處理對收獲期川芎生長抑制作用最大。

2.2不同濃度鎘脅迫對川芎酶活性及MDA含量的影響

2.2.1對川芎酶活性的影響 由圖1可知，不同濃度Cd脅迫對川芎SOD、CAT、POD、GR活性都具有促進作用，且這四種酶活性隨著Cd濃度增加而增加。其中，SOD、GR活性在Cd濃度為3mg/kg時較CK具有顯著性差異，分別增加35.70%和31.96%；CAT、POD、SOD、GR活性在Cd濃度為6mg/kg時較CK分別顯著高出45.03%、30.40%、42.26%和69.17%，10mg/kg Cd脅迫下這四種酶活性達到最高，較CK分別顯著高出75.90%、36.16%、62.56%和97.73%，其中GR活性增幅最大。

2.2.2對川芎MDA含量的影響 川芎MDA含量隨著Cd濃度增加而逐漸升高（圖2）。鎘濃度為1、3mg/kg和6mg/kg時，與CK相比其MDA含量分別增加13.82%、17.14%、28.08%，但差異不顯著；10mg/kg Cd處理下MDA含量達到最高，為30.78 nmol/g，較CK顯著高出30.77%。

2.3不同濃度鎘脅迫對川芎鎘和礦質(zhì)元素含量的影響

2.3.1對川芎鎘含量的影響 由圖3可知，川芎中Cd含量與處理土壤的Cd含量呈正相關(guān)。隨著土壤Cd濃度不斷增加川芎中Cd含量也在不斷增加，鎘濃度為10mg/kg時川芎中Cd含量達到最大值，為10.86mg/kg。說明川芎是鎘富集植物，這與前人研究結(jié)果一致。

2.3.2對川芎礦質(zhì)元素的影響 由圖4可以看出，與CK相比，川芎Mn、Al、Cu含量在各濃度Cd脅迫下都降低，1mg/kg Cd處理分別降低12.08%、24.22%和21.46%，3mg/kg Cd處理分別降低17.47%、41.03%和7.18%，6mg/kg Cd處理分別降低6.88%、12.08%和1.12%，10 mg/kg Cd處理分別降低2.92%、23.03%和6.70%，且川芎Cu元素含量在1mg/kg Cd處理下顯著降低。1mg/kg Cd處理下川芎Ca、K、Mg、P、Zn含量均下降，分別降低13.99%、0.96%、3.99%、3.65%和5.70%，而Cd濃度高于1mg/kg時相比于對照其含量均增加，3mg/kg Cd處理分別增加1.39%、13.23%、5.37%、7.12%和8.33%，6mg/kg Cd處理分別增加0.89%、9.61%、13.54%、8.30%和19.74%，10mg/kg Cd處理分別增加1.71%、8.50%、12.39%、16.32%和16.23%。

3討論與結(jié)論

鎘（Cd）對植物生長有毒害作用，導(dǎo)致生長受到抑制和生物量減少，這在丹參、人參等藥用植物上已有報道。本研究證實，Cd脅迫對川芎苗期株高、葉柄長具有抑制作用且對葉片數(shù)量影響不大，對川芎二次莖葉發(fā)生期株高、葉柄長、小葉寬均具有抑制作用，對收獲期株高和根莖重具有抑制作用。這與劉湘丹等研究得出的夏枯草、薄荷受到鎘污染后株高降低的結(jié)論一致。研究還得出，Cd濃度6mg/kg處理對川芎苗期小葉長、小葉寬，二次莖葉發(fā)生期莖粗、小葉長以及收獲期小葉寬、分蘗數(shù)、莖粗、節(jié)盤直徑均具有促進作用，此結(jié)果與0.3 mg/kg Cd處理促進板藍根葉與根生長且濃度高于1mg/kg則有明顯抑制作用的結(jié)論有所不同。這可能是由于川芎作為Cd富集植物，對Cd有一定的耐受和轉(zhuǎn)移能力有關(guān)。

Cd脅迫下川芎葉片Cd含量增多和膜脂過氧化增強，破壞細胞的滲透平衡。Cd脅迫提高植物中的Cd濃度和活性氧（ROS，如H202）的產(chǎn)生，導(dǎo)致MDA、脯氨酸和可溶性蛋白含量發(fā)生顯著變化，而抗氧化酶（如POD、SOD、GR和CAT）可以清除Cd脅迫誘導(dǎo)的ROS。本研究中，MDA含量隨著鎘濃度增加而升高，10mg/kg Cd脅迫下川芎MDA含量顯著增加，說明Cd脅迫加劇川芎葉片中活性氧自由基的產(chǎn)生，改變了細胞膜結(jié)構(gòu)和功能；CAT、SOD、GR、POD活性與MDA含量的變化趨勢一致。POD和GR可能是H₂O₂分解的主要催化酶，SOD和CAT在調(diào)節(jié)Cd脅迫引起的細胞內(nèi)滲透電位中起重要作用，這也是Cd脅迫對川芎危害性不強的原因。

關(guān)于Cd脅迫對川芎Cd含量和礦質(zhì)元素含量影響的研究，張懂懂等研究認(rèn)為，高濃度Cd脅迫下文山川芎根莖Mg、S、K含量有所增加，F(xiàn)e、Zn含量降低且受Cd影響最大，而較高濃度Cd脅迫會降低Cu、Mn的吸收。本研究發(fā)現(xiàn)，川芎Mn、Al、Cu含量在不同濃度Cd脅迫下都降低，其中1mg/kg Cd脅迫顯著降低川芎中的Cu含量。這與前人研究結(jié)論有所出入，可能是由取樣與地域的差異所致。

綜上所述，川芎作為鎘富集植物，Cd脅迫對其苗期、二次莖葉發(fā)生期、根莖膨大期生長均產(chǎn)生不同影響，引起膜脂過氧化，并誘導(dǎo)抗氧化酶活性升高，以降低對植株的毒害，維持川芎生長。川芎內(nèi)Cu元素含量則在低濃度鎘脅迫下受到顯著影響。