重金屬脅迫對天竺葵生長及生理特性的影響

牟祚民，姜貝貝，潘遠智，劉慶林

（四川農業大學風景園林學院，四川 成都 611130）

隨著工業發展，重金屬污染物對土壤的危害日益加重[1]。鉛、鎘、銅、鋅等重金屬污染物一旦在土壤中達到一定濃度，就有可能影響農業生產、損害農作物[2-3]，并可能通過食物鏈危害人體健康[4]。目前，重金屬污染修復技術中，運用物理和化學修復方法常出現廢氣廢液污染和被固定的重金屬再次活化等情況[5]，而一些超富集植物進行污染修復時也存在收割時產生二次污染的情況[6]。天竺葵(Pelargonium hortorum)是一種優良的、可替代化學合成香料的天然香料植物[7]，種植在重金屬污染的土壤中成株后，被整株移出用于提取香料，不會造成土壤二次污染。以往研究表明，天竺葵對于1 500 mg·kg-1的 Pb2+和 100 mg·kg-1的 Cd2+有較高抗性[3-8]，對于更高濃度的Cd2+、Cu2+和Zn2+的抗性還未見報道。為此，研究了天竺葵在鉛、鎘、銅、鋅單一脅迫下植株的生長情況與生理特性，以期為重金屬污染土地的綠化與恢復提供理論參考與借鑒。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗供試天竺葵幼苗由海明園藝提供，發酵土由成都市溫江區花木交易中心提供。試驗所用分析 純 Pb(NO3)2、 CdCl2·2.5H2O、 CuSO4·5H2O 和ZnSO4·7H2O購于成都市科龍化工試劑廠。

1.2 試驗設計

于2016年8月中旬，在成都市溫江區郊外取未開墾的自然土壤，采土范圍為距離地表0-20 cm的表層土。搗碎并剔除雜物，過5 mm篩，按照1∶1的比例將發酵土和自然土壤均勻混合，以多菌靈加以消毒，堆積靜置45 d， 風干。種植土基本理化性質為 pH 6.6，有機碳 (C)含量 39.35 g·kg-1，全氮 (N)含量 0.75 g·kg-1，全磷 (P)含量 0.57 g·kg-1，全 鉀 (K)含 量 3.19 g·kg-1， 總 銅 (Cu)含量 26.82 mg·kg-1，總鋅 (Zn)含量 101.22 mg·kg-1，總鉛 (Pb)含 量 31.27 mg·kg-1， 總 鎘 (Cd)含 量 0.19 mg·kg-1。

2016年10月4日，于四川農業大學成都校區塑料大棚內，將種植土按每盆4.5 kg標準裝盆，大棚透光率為80%，溫度為(24 ± 3) ℃，相對濕度為76%。盆土分別按相應重金屬濃度梯度加入分析純Pb(NO3)2、CdCl2·2.5H2O、CuSO4·5H2O 和ZnSO4·7H2O混合均勻，濃度設置為 Pb2+(1 000、1 250、1 500 mg·kg-1)， Cd2+(50、 100、 150 mg·kg-1)， Cu2+(200、400、600 mg·kg-1)，Zn2+(600、800、1 000 mg·kg-1)，共計12個處理，同時設置1個不加重金屬的對照處理，每個處理重復3次。制盆土含水量為田間持水量的60%。2016年10月15日，選取長勢良好且一致的天竺葵植株，除去根部土壤，用清水小心沖洗后，栽植于上面備好的各處理盆中，每盆1株。養護管理中，定期觀察植株生長情況，澆水后將溢出的水倒回盆內，防止重金屬流失，同時保持土壤含水量基本一致。試驗中不噴施農藥與追施化肥。

1.3 測定項目與方法

生長120 d后，清點單株葉片數，用游標卡尺測量葉長、葉寬、(主)根長、株高、基徑。取中部成熟葉片用于測定生理生化指標。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑(NBT)光化還原法[9]，過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法[9]，過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法[9]，其中酶活性均以每分鐘OD值變化0.01作為一個酶活力單位(U)?？扇苄缘鞍缀坎捎每捡R斯亮藍法測定[9]。細胞膜相對電導率采用DDS-608多功能電導率儀(方舟科技)測定，計算參照李合生的方法[10]，以浸泡24 h的葉片浸提液電導率為R1，沸水浴加熱后的葉片浸提液電導率為R2，相對電導率=R1/R2。葉綠素含量采用丙酮提取法測定[10]，游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定[11]。

采用破壞性收獲法進行天竺葵生物量測定。用蒸餾水將植株洗凈后，將樣品分為根、莖、葉三部分，在105 ℃ 烘箱內殺青30 min，再在 75 ℃ 下烘干至恒重，分別計算單株天竺葵根、莖、葉及單株生物量[12]。

1.4 數據分析

使 用 Microsoft Excel 2003 軟 件 整理 原 始 數 據 ，使用SPSS 20.0軟件對天竺葵各項生長指標、生物量、葉綠素含量、葉片相對電導率、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量、抗氧化酶活性進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，最小顯著性差異檢驗采用LSD法，顯著性水平設定為α = 0.05[13]。制表采用 Microsoft Excel 2003。

2 結果與分析

2.1 重金屬脅迫對天竺葵生長的影響

隨著Pb2+、Cd2+、Cu2+濃度的升高，對各項生長指標的抑制作用增強，其中對根長影響較明顯(表1)。4種重金屬最高濃度處理下，葉片數均顯著低于對照(P＜0.05)，而其余處理與對照組差異不顯著(P ＞ 0.05)。除最低濃度Pb2+處理外，其余處理下，天竺葵的葉長均顯著低于對照。Cd2+和最低濃度Pb2+處理對葉寬沒有顯著影響，其余處理下葉寬均顯著低于對照。Pb2+和Cu2+對根長的抑制作用較其他金屬更為明顯。Pb2+和Cu2+處理下株高顯著低于對照，而 600 和 800 mg·kg-1的 Zn2+對株高有顯著促進作用。Cu2+和最高濃度的Cd2+對基徑有顯著抑制作用，Zn2+對基徑有顯著的促進作用。在Pb2+低于 1 000 mg·kg-1和 Zn2+低于 800 mg·kg-1處理下，植株沒有出現明顯萎黃，其余處理下基部2～3片葉出現不同程度的萎黃脫落。

表1 重金屬脅迫對天竺葵生長的影響Table 1 Effect of heavy metals on growth of Pelargonium hortorum

2.2 重金屬脅迫對天竺葵生物量的影響

隨著4種重金屬濃度的升高，植株生物量均呈下降趨勢，最高濃度的Pb2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+處理下總生物量與對照相比分別下降46.48%、62.50%、39.84% 和 39.84%，Zn2+低于 800 mg·kg-1時對生物量影響不顯著(P ＞ 0.05)。Cd2+處理下根莖比上升，Pb2+、Zn2+處理下根莖比變化不顯著 (P ＞ 0.05)，Cu2+處理下根莖比顯著下降 (P＜0.05)(表 2)。

2.3 重金屬脅迫對天竺葵葉綠素含量的影響

4種重金屬處理下葉綠素含量與對照相比均上升。隨著Pb2+、Cd2+和Cu2+濃度的升高葉綠素含量呈先上升后下降的趨勢，隨著Zn2+濃度升高呈上升趨勢 (表 3)。

表2 重金屬脅迫對天竺葵生物量的影響Table 2 Effect of heavy metals on biomass of Pelargonium hortorum

表3 重金屬脅迫對天竺葵葉綠素含量的影響Table 3 Effect of heavy metals on chlorophyll content of Pelargonium hortorum

2.4 重金屬脅迫對天竺葵葉片相對電導率、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量的影響

天竺葵葉片相對電導率均隨重金屬濃度上升而顯著上升(P＜0.05)，可溶性蛋白和游離脯氨酸含量在各重金屬脅迫下也顯著高于對照(P＜0.05)。隨著Pb2+濃度的升高可溶性蛋白和游離脯氨酸含量呈先升高后下降趨勢。隨著Cd2+濃度的升高，游離脯氨酸含量變化趨勢為先升高后下降，而可溶性蛋白含量呈顯著上升趨勢(P＜0.05)，隨著Cu2+、Zn2+濃度的升高可溶性蛋白含量呈先升高后下降趨勢，游離脯氨酸含量呈上升趨勢(表4)。

表4 重金屬脅迫對天竺葵葉片相對電導率、可溶性蛋白和游離脯氨酸含量的影響Table 4 Effects of heavy metals on leaf relative conductivity, soluble protein and free proline content of Pelargonium hortorum

2.5 重金屬脅迫對天竺葵抗氧化酶活性的影響

在4種重金屬脅迫下，3種抗氧化酶活性均顯著高于對照 (P＜0.05)(表 5)。隨著 Pb2+濃度升高，CAT、POD、SOD活性均呈先上升后下降趨勢，且差異顯著 (P＜0.05)。隨著 Cd2+濃度升高，CAT 和SOD活性顯著上升(P＜0.05)，而POD活性呈先上升后下降趨勢，且差異顯著(P＜0.05)。隨著Cu2+濃度升高，CAT和POD活性顯著上升(P＜0.05)，SOD活性呈先上升-下降-上升趨勢，且差異顯著(P ＜0.05)。隨著Zn2+濃度升高CAT和POD活性呈先上升后下降趨勢，且差異顯著(P＜0.05)。SOD活性呈上升-下降-上升趨勢，且差異顯著 (P＜0.05)。

3 討論與結論

重金屬脅迫對植物的傷害常表現為根系受損傷及地上部生長減緩[14]。賈玉華等[3,15]研究發現，在1 500 mg·kg-1Pb2+和 50 mg·kg-1Cd2+復 合 條 件 下 ，天竺葵的株高、地上及地下干重都呈下降趨勢，植株沒有出現萎黃、死亡等脅迫癥狀。陳杰[8]研究發 現 ， 天 竺 葵 在 100 mg·kg-1Cd2+脅 迫 下 生 長 減緩、干重降低，對Cd2+的耐性較強但積累能力較弱。與以上結果相似，本研究發現，4種重金屬處理下天竺葵生物量均下降，但未出現植株死亡，說明植株對4種重金屬均具有一定的耐性。濃度低于1 000 mg·kg-1的 Pb2+和 濃 度 低 于 800 mg·kg-1的Zn2+脅迫下植株沒有出現明顯萎黃，其他處理基部2～3片葉萎黃脫落情況明顯，說明植株對4種重金屬的耐性有差異。與以往對天竺葵的研究不同的是，隨著Cd2+脅迫濃度增加，植株根莖比提高，這與金絲草(Pogonatherum crinitum)適應高濃度Pb2+脅迫的策略相同[14]。在本研究設置的重金屬濃度梯度下，根據總生物量下降程度表明天竺葵對Cu2+、Zn2+脅迫的耐性強于 Pb2+、Cd2+。

表5 重金屬脅迫對天竺葵抗氧化酶活性的影響Table 5 Effect of heavy metals on antioxidant enzyme activity of Pelargonium hortorum

天竺葵葉片的相對電導率隨著4種重金屬濃度的升高而增大,說明4種重金屬均對天竺葵的細胞膜造成了傷害。其原因可能是大量重金屬離子進入植物體內與細胞膜蛋白的巰基或磷脂分子層的磷脂類物質反應，造成膜蛋白的磷脂結構改變，膜系統遭受破壞，透性增大，使細胞內一些可溶性物質外滲，從而導致相對電導率增大[15-16]。在不同的脅迫情況下,葉片細胞膜受到破壞的程度不同，分析可知4種重金屬對天竺葵細胞膜傷害能力依次為 Cd2+＞ Cu2+＞ Pb2+＞ Zn2+。

光合生理的變化可以衡量植物對重金屬的耐受性[17]，葉綠素含量可以反映植物光合作用能力的強弱。本研究中4種重金屬脅迫下，葉綠素含量均顯著高于對照，這與何翠屏和王慧忠[18]研究結果相同。隨著重金屬脅迫濃度提高，葉綠素含量總體呈先上升后下降趨勢，這與黃凱豐[19]的研究結論相近，可能是低濃度重金屬刺激了葉綠素合成，而隨濃度升高，葉綠素受到的破壞加劇。

植物在遭受逆境時會積累大量可溶性蛋白和游離脯氨酸。本研究中4種重金屬脅迫下，天竺葵葉片可溶性蛋白和游離脯氨酸含量均顯著高于對照。POD、CAT和SOD是植物體內參與淬滅活性氧過程的重要活性酶[20]，本研究中4種重金屬脅迫下CAT、POD、SOD活性均顯著高于對照，3種酶活性呈不同的變化趨勢，隨著重金屬濃度升高一般呈先上升后下降趨勢，這與徐學華等[21]的研究結論一致。說明低濃度重金屬脅迫刺激了植物體對超氧陰離子的分解，而隨重金屬濃度升高，酶活性受到破壞。隨著 Cu2+、Zn2+脅迫濃度的升高，SOD活性呈上升-下降-上升趨勢，與之類似，在徐衛紅等[22]的研究中POD活性也出現過相同變化趨勢，其原因還有待進一步研究。