外源水楊酸對(duì)鎘污染下酸棗幼苗生長及鎘積累的影響

李 雷，劉 彤，鄧群仙*，林立金，王 茜，彭靜文，毛茂桔

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，成都 611130；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬研究所，成都 611130）

日益嚴(yán)重的土壤污染問題已成為水果安全生產(chǎn)的嚴(yán)峻考驗(yàn)?！度珖寥牢廴緺顩r調(diào)查公報(bào)》的數(shù)據(jù)顯示重金屬是土壤最主要的污染物，其中全國土壤總的鎘（cadmium，Cd）點(diǎn)位超標(biāo)率高達(dá)7%，位居所有重金屬之首[1]；鎘污染土地面積超過l.3 萬hm2[2]，污水灌溉和化學(xué)肥料，尤其是磷肥的過度施用，導(dǎo)致果園土壤鎘污染持續(xù)加重[3]。鎘是植物生長發(fā)育的非必需元素，具有極強(qiáng)的生物毒性和轉(zhuǎn)移性，易在植物攝取水分和養(yǎng)分時(shí)被吸收與富集[4]，進(jìn)而通過多種途徑進(jìn)入食物鏈累積放大，嚴(yán)重威脅人體健康[5]。生理上，鎘對(duì)植物的毒害主要表現(xiàn)為抑制光合作用[6]、破壞活性氧代謝平衡[7]、干擾水分[8]及礦質(zhì)元素吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)[9]等，形態(tài)上則引起植物葉片萎黃、器官壞死[10]等。土壤鎘濃度過高對(duì)植物也是一種逆境脅迫[11]。有學(xué)者認(rèn)為通過施用外源化學(xué)物質(zhì)調(diào)控植物生理生化特性，是解決鎘脅迫引起植物損傷的可行方法[12-13]。

水楊酸（salicylic acid，SA）是一種廣泛存在于植物體的信號(hào)小分子酚類物質(zhì)[14]，不僅影響植物發(fā)芽、生長、開花、光合作用等生理生化過程[15]，還參與誘導(dǎo)植物對(duì)非生物和生物脅迫的許多特異性反應(yīng)[16]。普遍認(rèn)為水楊酸可以通過激活、加強(qiáng)與抗性相關(guān)的代謝來提高植物抗性，緩解逆境對(duì)植物造成的損傷[17]。但也有研究報(bào)道SA 會(huì)加重逆境脅迫對(duì)植物的傷害，王丹華[18]研究發(fā)現(xiàn)SA 預(yù)處理降低了水稻幼苗的抗冷性，且SA 濃度越高水稻受到的冷害越嚴(yán)重；而張鳳銀等[19]研究發(fā)現(xiàn)高濃度SA 處理嚴(yán)重抑制了鹽脅迫下蕹菜種子萌發(fā)和幼苗生長。Q.Hayat 等[20]發(fā)現(xiàn)，SA 對(duì)不同植物在鎘脅迫下的作用不盡相同。E.Ali 等[21]發(fā)現(xiàn)SA 緩解油菜鎘毒害的有效作用主要是降低鎘的吸收與改善光合活性。Gu C.S.等[22]研究表明SA 預(yù)處理能夠通過降低睡蓮鎘含量與提高抗氧化酶活性來減輕鎘的毒害作用。而Guo B.等[23]研究發(fā)現(xiàn)SA 預(yù)處理不但能增強(qiáng)水稻抗氧化酶活性與提高非酶抗氧化物質(zhì)含量，同時(shí)還能通過調(diào)節(jié)水稻對(duì)鎘的吸收、運(yùn)輸來減輕鎘對(duì)水稻生長的抑制。但也有研究發(fā)現(xiàn)，SA 緩解植物鎘毒害是通過間接或直接增加植物對(duì)鎘的抗性與耐性[24-25]，而非通過降低植物對(duì)鎘的吸收。A.Metwally 等[26]發(fā)現(xiàn)SA 預(yù)處理對(duì)大麥鎘毒害的緩解不是通過提高抗氧化水平，而是通過影響鎘的其他解毒機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。目前，SA用于緩解鎘毒害的研究主要集中在一、二年生植物中，在多年生植物尤其是木本果樹中鮮有報(bào)道。酸棗（Ziziphus acidojujuba）是多年生灌木，為優(yōu)良的蜜源植物、藥用植物和重要的砧木，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[27-28]，如果其長期生長在鎘污染土壤中，全株會(huì)比一、二年生草本植物積累更多的重金屬。鎘對(duì)酸棗生長的影響已有報(bào)道[29]，而鎘污染下外源SA 對(duì)酸棗生長和鎘積累的影響還不清楚。鑒于此，本試驗(yàn)以酸棗為試材，在盆栽條件下，研究根際澆灌SA對(duì)鎘污染下酸棗生長、生理特性及鎘積累的影響，探討SA 對(duì)酸棗耐鎘響應(yīng)的生理機(jī)制。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤取自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)成都校區(qū)周邊無污染農(nóng)田的沙壤土（30°42' N，103°51' E），土壤基本理化性質(zhì)見文獻(xiàn)[30]，酸棗種子購買于河北省邢臺(tái)市。選取大小均一、飽滿的酸棗種子，在清水中浸泡5 h，之后用10%次氯酸鈉消毒10 min，再用蒸餾水沖洗5 次，以消毒后的河沙為基質(zhì)，于32 孔穴盤內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽培養(yǎng)，培養(yǎng)期間保持河沙濕度為河沙最大持水量的 50%～55%，（25±2）℃下于光照培養(yǎng)箱育苗培養(yǎng)。待酸棗長出一對(duì)真葉后，將育苗盤移至透明遮雨棚。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)土壤鎘污染值的設(shè)定參照《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（GB 15618-2018），即土壤（6.5＜pH≤7.5）Cd 含量高于 3 mg/kg時(shí)農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)高，禁止種植食用農(nóng)產(chǎn)品；同時(shí)也參考木本果樹鎘積累相關(guān)文獻(xiàn)[31]。SA 濃度的設(shè)置參考文獻(xiàn)[11]。將所取土壤經(jīng)自然風(fēng)干研磨后過 5.00 mm 篩，以 CdCl2·2.5H2O 形式加入鎘，使土壤鎘含量為5.0 mg/kg，充分混勻后裝入直徑21 cm、高18 cm 的塑料花盆，每盆裝土3.0 kg，不定期翻土混合，保持濕潤平衡30 d 以上。待酸棗長出8 片真葉后，選長勢(shì)一致且無病蟲害的幼苗移栽至塑料花盆，每盆種植4 株。根據(jù)土壤實(shí)際水分情況不定期澆水保持盆中土壤田間持水量為70%～75%，移栽15 d 后分別用濃度為 0（CK，蒸餾水）、50、100、150、200 μmol/L SA 溶液澆灌酸棗幼苗，澆灌量為100 mL/盆，每個(gè)處理 3 盆，重復(fù) 3 次。每 7 d 澆灌 SA 溶液 1 次，共澆灌6 次，于最后一次SA 處理6 d 后采樣測(cè)定各指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)及測(cè)定方法

在整株收獲酸棗幼苗之前，從下往上取植株第6～10 節(jié)位的葉片進(jìn)行光合色素與抗氧化酶活性測(cè)定[32]，光合色素（葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素）含量測(cè)定采用80%丙酮提取法，超氧化物歧化酶（SOD）活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑（NBT）法，過氧化物酶（POD）活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法，過氧化氫酶（CAT）活性測(cè)定采用高錳酸鉀滴定法。整株采收后，將植株用清水沖洗干凈，再用去離子水沖洗3 次，用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量株高；然后將根系、莖桿、葉片分別封裝，于110 ℃殺青15 min，75 ℃烘干至恒重，用電子天平稱重，粉碎，過0.15 mm 篩，在硝酸-高氯酸（體積比 4:1）消化后，用 iCAP 6300 型 ICP 光譜儀（Thermo scientific，USA）測(cè)定酸棗根系、莖桿、葉片鎘含量[33]。

在植株與土壤分離后，將土壤自然風(fēng)干粉碎過1.00 mm 篩，用于土壤酶活性與有效態(tài)鎘含量測(cè)定[34]。土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測(cè)定，其活性以在37 ℃培養(yǎng)24 h 后每克土壤釋放的NH3-N 毫克數(shù)表示。蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定，其活性以每克土壤在24 h 內(nèi)生成的葡萄糖毫克數(shù)表示。過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定，其活性以每克土壤在20 min 內(nèi)消耗的0.1 mol/L 高錳酸鉀毫升數(shù)表示。土壤有效態(tài)鎘含量測(cè)定采用DTPATEA 浸提法，使用 iCAP 6300 型 ICP 光譜儀測(cè)定[35]。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

使用Microsoft Excel 2010 處理數(shù)據(jù)，IBM SPSS 22.0 進(jìn)行Duncan 新復(fù)極差法多重比較，數(shù)據(jù)以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。根冠比=根系生物量/地上部分生物量，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（TF）=地上部分鎘含量/根系鎘含量[33]。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源水楊酸對(duì)鎘污染下土壤酶活性與有效態(tài)鎘含量的影響

從表1數(shù)據(jù)可知，鎘污染下，SA 處理后土壤酶活性變化各異。SA 處理顯著提高了土壤過氧化氫酶活性，50～200 μmol/L SA 處理的土壤過氧化氫酶活性分別較對(duì)照升高了 60.6%（P＜0.05）、50.0%（P＜0.05）、42.4%（P＜0.05）和 47.0%（P＜0.05）。SA 處理后，土壤脲酶和蔗糖酶活性隨SA 濃度的升高呈下降趨勢(shì)，與未噴施SA 相比，在200 μmol/L SA 處理時(shí)分別降低了 34.2%（P＜0.05）和 45.3%（P＜0.05）。SA 處理提高了土壤有效態(tài)鎘含量，且隨著SA 濃度的升高，土壤有效態(tài)鎘含量呈上升趨勢(shì)，僅在200 μmol/L SA處理時(shí)差異顯著（P＜0.05），增幅達(dá)15.2%。

2.2 外源水楊酸對(duì)鎘污染下酸棗幼苗生長的影響

由表2可知，鎘污染下，SA 處理降低了酸棗幼苗根系、莖桿、葉片、地上部分生物量及株高，提高了根冠比。與未澆灌 SA 相比，50 μmol/L SA 處理后酸棗幼苗各器官生物量及株高均有所下降，但差異不顯著（P＞0.05）；而 100～200 μmol/L SA 處理后（150 μmol/L 除外）根系、莖桿、葉片、地上部分生物量均顯著下降（P＜0.05），但處理間彼此差異不顯著（P＞0.05）。與對(duì)照相比，50～200 μmol/L SA 處理后根系生物量分別下降了 2.9%（P＞0.05）、15.3%（P＜0.05）、12.2%（P＜0.05）和 16.2%（P＜0.05），地上部分生物量分別下降了 5.8%（P＞0.05）、25.9%（P＜0.05）、25.4%（P＜0.05）和 30.0%（P＜0.05），這表明澆灌 SA后酸棗幼苗根冠比的升高，主要是由地上部分生物量的降低幅度大于根系所致。

表1 土壤酶活性與有效態(tài)鎘含量Table 1 Soil enzyme activity and available cadmium content

表2 酸棗生物量和株高Table 2 Biomass and plant height of Z.acidojujuba

2.3 外源水楊酸對(duì)鎘污染下酸棗幼苗光合色素含量的影響

由表3可知，鎘污染下，外源SA 處理降低了酸棗幼苗葉綠素a、葉綠素a+b、葉綠素a/b 及類胡蘿卜素含量，且隨SA 濃度的升高葉綠素a、葉綠素a+b 及類胡蘿卜素含量均呈下降趨勢(shì)。與未澆灌SA 相比，50～200 μmol/L SA 處理后葉綠素 a 含量分別降低 了 12.2%（P＜0.05）、25.0%（P＜0.05）、25.5%（P ＜0.05）和 41.5%（P＜0.05），葉綠素 a+b 含量分別降低了 5.3%（P＞0.05）、14.5%（P＜0.05）、19.3%（P＜0.05）和37.3%（P＜0.05），類胡蘿卜素含量分別降低了25.50%（P＜0.05）、27.5%（P＜0.05）、29.4%（P＜0.05）和 31.4%（P＜0.05）。整體來看，類胡蘿卜素含量的下降幅度高于葉綠素 a 及葉綠素 a+b（200 μmol/L 處理除外）。與葉綠素a 不同，100 μmol/L SA 處理顯著提高了葉綠素 b 含量（P＜0.05），其余處理葉綠素 b 含量無明顯變化（P＞0.05），這說明 SA 處理后葉綠素 a/b 的降低主要是由葉綠素a 含量降低所致。

表3 酸棗葉片光合色素含量Table 3 Photosynthetic pigment content in leaf of Z.acidojujuba

2.4 外源水楊酸對(duì)鎘污染下酸棗幼苗抗氧化酶活性的影響

鎘污染下，不同濃度SA 處理后酸棗幼苗葉片SOD、POD 及CAT 活性變化趨勢(shì)基本一致，相比于對(duì)照，SOD、POD 和CAT 活性均顯著降低（見圖1）。隨著SA濃度升高，酸棗幼苗葉片SOD、POD 和CAT 活性均呈下降趨勢(shì)，200 μmol/L SA 處理時(shí) SOD、POD 和 CAT活性分別比對(duì)照降低了 24.6%（P＜0.05）、38.0%（P＜0.05）和 29.8%（P＜0.05）。這表明鎘污染下外源 SA 處理抑制了酸棗幼苗抗氧化酶系統(tǒng)的活性。

2.5 外源水楊酸對(duì)酸棗幼苗鎘含量的影響

由表4可知，與對(duì)照相比，除 150、200 μmol/L SA 處理后酸棗幼苗莖桿鎘含量升高不顯著外（P＞0.05），50～200 μmol/L SA 處理均顯著提高了根系、莖桿、葉片、地上部分鎘含量及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)（P＜0.05），但 100～200 μmol/L SA 處理間根系、莖桿、葉片、地上部分鎘含量及轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)彼此差異均不顯著（P＞0.05）。與未澆灌 SA 相比，50～200 μmol/L SA 處理后根系鎘含量分別增加了 14.8%（P＜0.05）、32.7%（P＜0.05）、22.9%（P＜0.05）和 22.8%（P＜0.05），莖桿鎘含量分別增加了 20.6%（P＜0.05）、17.0%（P＜0.05）、7.7%（P＞0.05）和 12.3%（P＞0.05），葉片鎘含量分別增加了 91.9%（P＜0.05）、99.5%（P＜0.05）、97.3%（P＜0.05）和 104.6%（P＜0.05），地上部分鎘含量分別增加了 47.1%（P＜0.05）、48.0%（P＜0.05）、42.3%（P＜0.05）和 45.5%（P＜0.05）；綜合來看，SA 處理后酸棗幼苗各器官鎘含量升高幅度依次為：葉片＞地上部分＞根系＞莖桿。

圖1 酸棗葉片抗氧化酶活性Figure 1 Antioxidant enzyme activity in leaf of Z.acidojujuba

3 討論與結(jié)論

酶是土壤的重要組成部分，其活性與土壤各組成成分、理化性質(zhì)密切相關(guān)，土壤脲酶和蔗糖酶在土壤物質(zhì)循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，其活性大小在一定程度上反映了土壤生物學(xué)肥力與土壤環(huán)境質(zhì)量，是探討重金屬污染生態(tài)效應(yīng)的重要指標(biāo)之一[36]。有報(bào)道認(rèn)為低濃度的鎘對(duì)土壤過氧化氫酶有激活作用[37]，而土壤脲酶和蔗糖酶則對(duì)鎘十分敏感[38]。本試驗(yàn)中，SA 處理后土壤脲酶活性與蔗糖酶活性均顯著下降，而土壤過氧化氫酶活性和有效態(tài)鎘含量均有一定程度的升高。結(jié)合前人的研究結(jié)果來看，土壤有效態(tài)鎘含量升高可能是導(dǎo)致土壤脲酶與蔗糖酶活性降低及過氧化氫酶活性升高的主要原因[38-39]。綜合來看，SA 處理降低了鎘污染下酸棗幼苗根系微環(huán)境中的土壤質(zhì)量，而這也在一定程度上抑制了酸棗植株的生長。

生物量的大小是植物在逆境脅迫下生長勢(shì)的直接體現(xiàn)。土壤鎘脅迫會(huì)導(dǎo)致酸棗幼苗生長緩慢，植株生物量降低[29]。不少研究報(bào)道了SA 具有減輕鎘對(duì)植物生長抑制的作用[40-41]。本試驗(yàn)中，50 μmol/L SA 處理的酸棗幼苗根系、地上部分生物量及株高降低幅度最小，而在200 μmol/L SA 處理時(shí)降幅最大，這表明鎘污染下SA 對(duì)酸棗幼苗生長的抑制可能存在劑量效應(yīng)，且高濃度SA 對(duì)酸棗幼苗生長的抑制效果強(qiáng)于低濃度；地上部分生物量的降低幅度大于根系，說明鎘污染下水楊酸處理對(duì)酸棗幼苗地上部生長的影響大于根系。邵小杰等[11]發(fā)現(xiàn)SA 在緩解鎘脅迫對(duì)葡萄根系損傷時(shí)存在明顯的劑量效應(yīng)，緩解作用隨SA 濃度的升高而逐漸降低。對(duì)于鎘脅迫下外源SA 對(duì)不同植物效用的差異，有學(xué)者認(rèn)為這些差異可能是由于植物種類、SA 及鎘的處理方式等因素不同造成的[41]，這也顯示出SA 對(duì)植物生長影響的復(fù)雜性。

表4 酸棗鎘含量Table 4 Cadmium content in Z.acidojujuba

光合色素含量是衡量綠色植物光合能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)，葉綠素和類胡蘿卜素能與葉綠體類囊體膜上的蛋白質(zhì)形成色素蛋白復(fù)合物，完成對(duì)光能的吸收、傳遞和光化學(xué)反應(yīng)，是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。本研究表明，SA 處理降低了酸棗幼苗葉片葉綠素a、葉綠素a+b 及類胡蘿卜素含量，這與A.Belkhadi 等[42]在亞麻上的部分研究結(jié)果一致，而與張永平等[43]在甜瓜上的研究結(jié)果差異較大；其中200 μmol/L SA 處理后酸棗幼苗葉綠素a、葉綠素a+b 及類胡蘿卜素含量遠(yuǎn)低于50 μmol/L，這與SA 處理后酸棗幼苗生物量變化基本一致。有研究報(bào)道鎘脅迫會(huì)破壞葉綠體膜的結(jié)構(gòu)和功能[44-45]，抑制枇杷[46]、草莓[47]葉綠素的合成和光合速率。盡管低濃度的鎘對(duì)棗葉綠素的合成有一定程度的刺激效應(yīng)，但隨著鎘濃度的增加則會(huì)逐漸抑制葉綠素的合成[48]。可見，SA 處理引起的植株鎘含量上升，可能是導(dǎo)致酸棗幼苗光合色素含量降低的主要原因。

SOD、POD 和 CAT 是植物重要的抗氧化酶，在維持植物活性氧代謝平衡中發(fā)揮著重要作用；SOD是植物應(yīng)答于逆境最先產(chǎn)生的抗性蛋白[49]，可以催化超氧陰離子自由基形成過氧化氫和氧氣，而CAT和POD 在清除過氧化氫等活性氧自由基過程中起著重要作用。A.Krantev 等[40]發(fā)現(xiàn)鎘脅迫下SA 預(yù)處理誘導(dǎo)玉米幼苗CAT 活性下降，SOD 活性顯著升高，而POD 活性變化不明顯。本研究結(jié)果表明，SA處理抑制了酸棗幼苗葉片SOD 和POD 活性，這與鋁脅迫下SA 處理后葡萄葉片SOD 和POD 活性變化一致[50]，此外酸棗葉片CAT 活性的變化趨勢(shì)也與Guo Q.等[51]在早熟禾幼苗上的研究結(jié)果相似。鎘脅迫誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量的活性氧（ROS），SA 處理后酸棗幼苗抗氧化酶活性急劇下降，導(dǎo)致過多的活性氧不能被有效地清除，致使酸棗幼苗受到更為嚴(yán)重的氧化脅迫傷害，這也為酸棗幼苗生物量及葉綠素含量的降低提供了旁證。

SA 對(duì)植物鎘積累具有廣泛而不同的影響，因施用方式與植物種類的不同，研究結(jié)果也不盡一致，甚至完全相反。韓鷹等[24]研究發(fā)現(xiàn)外源SA 處理對(duì)鎘脅迫下路易斯安娜鶯尾根系和葉片鎘含量無顯著影響。鎘脅迫下葉面噴施SA 后芥菜莖稈與根系鎘含量變化不一致[39]。SA 預(yù)處理降低了15 μmol/L和25 μmol/L 鎘脅迫下玉米根系鎘含量，但增加了10 μmol/L 鎘脅迫下的玉米根系鎘含量[40]。SA 通過改變鋁在葡萄各器官的分布，使鋁更多的積累在根系，降低地上部分的鎘含量來緩解鋁對(duì)葡萄的毒害[52]，SA 誘導(dǎo)植物各器官對(duì)重金屬的差異積累被認(rèn)為是SA 對(duì)植物的潛在生理作用之一[53]。本研究結(jié)果顯示，SA 處理前后，酸棗幼苗各器官的鎘含量大小均為：根系＞莖桿＞地上部分＞葉片，這與枇杷[31]、桃[54]對(duì)鎘的吸收積累基本一致；但SA 處理促進(jìn)了酸棗對(duì)鎘的吸收，提高了酸棗各器官的鎘含量，這與G.razic等[25]在大豆上的研究結(jié)果部分一致；酸棗幼苗各器官鎘含量的增幅為：葉片＞地上部分＞根系＞莖桿，地上部分鎘含量上升幅度遠(yuǎn)高于根系，這說明SA 促進(jìn)了鎘向地上部的轉(zhuǎn)移，這可能也是引起酸棗幼苗地上部分生物量降低幅度高于根系的主要原因。SA處理后酸棗幼苗鎘含量顯著升高，鎘積累過高必然加劇氧化脅迫，這與SA 處理后酸棗幼苗抗氧化酶系統(tǒng)的反應(yīng)基本一致。

外源SA 不僅不能緩解鎘對(duì)酸棗幼苗生長的抑制，反而加重了鎘對(duì)酸棗的毒害。鎘污染下，外源SA處理提高了土壤有效態(tài)鎘含量，降低了土壤脲酶和蔗糖酶活性；促進(jìn)了酸棗幼苗對(duì)鎘的吸收與轉(zhuǎn)運(yùn)，增加了鎘含量，抑制了抗氧化酶系統(tǒng)活性，從而使光合色素含量降低，進(jìn)而導(dǎo)致生物量下降；綜合來看，高濃度（200 μmol/L）SA 處理對(duì)酸棗幼苗生長的抑制作用強(qiáng)于低濃度（50 μmol/L）。