鎘脅迫對馬藺根系活力和礦質營養元素吸收的影響

田小霞，毛培春，郭 強，孟 林

(北京市農林科學院北京草業與環境研究發展中心，北京 100097)

【研究意義】鎘(Cd)生物毒性較強，不僅難以在土壤中降解[1]，而且易被植物根系吸收，通過食物鏈進入人體，影響人類的生命健康，已成為全球農業土壤環境中重要的問題[2-4]。通過植物修復技術治理土壤重金屬不破壞土壤結構，治理成本低，同時可改善土壤微環境，是近年來研究的熱點[5]。【前人研究進展】植物生長在低Cd濃度下不受影響，但在高Cd濃度下，會抑制植物根的生長和細胞分裂，其中，植物根系的生長情況和活力首先受到鎘污染的毒害，干擾植物對礦質營養元素和水分的吸收、運輸和積累等過程，從而改變植物體內的生理生化代謝過程[6-7]。目前，關于重金屬鎘對植物生長影響的研究很多，但鎘脅迫下植物是如何通過影響根系活力和礦質營養元素變化等過程對鎘進行解毒的機理依然不清楚[8-9]。植物對鎘的解毒機制可能會隨植物種類、植物生長發育、鎘濃度和處理時間不同而改變，如黑麥草[10]、龍葵[11]、水稻[12]等在鎘脅迫下，植株中的營養元素(Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等)的吸收、轉運、分配和代謝表現出很大的差異性。馬藺(IrislacteaPall.)是鳶尾科(Iridaceae)鳶尾屬 (Iris)多年生草本宿根植物，生物量大，栽培管理粗放，具有適應性強，易繁殖[13]、抗寒、抗旱[14]、耐鹽堿[15]、病蟲害少等特點。【本研究切入點】馬藺作為園林植物不進入食物鏈，且對鎘有較強的富集能力，是治理和修復鎘污染土壤的備選植物之一[16-17]。【擬解決的關鍵問題】但鎘脅迫下馬藺根系活力和營養元素含量變化還需進一步研究，本研究采用水培法，對馬藺幼苗進行不同鎘濃度處理，通過分析馬藺根系活力及對Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等6種元素的吸收和積累特性，以期為合理調控污染土壤中礦質元素的含量，提高馬藺對鎘污染土壤的修復效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料培養及試驗處理

供試材料馬藺栽培于北京草業與環境研究發展中心種質圃，種子為無性繁殖群體自然結實的種子。馬藺種子用40 ℃溫水浸泡48 h，撒播于裝有基質(壤土∶草炭=3∶1)的營養缽(8 cm×8 cm)中育苗，待苗高約10 cm時選取長勢一致幼苗，用去離子水漂去根系上的土，移入黑色培養盒(20 cm×10 cm×7 cm)中，于光照培養箱(寧波江南儀器廠)中培養，培養條件：光周期16 h(晝)/8 h(夜)，光強約3000 lx，相對濕度為60 %～80 %。采用Hoagland營養液培養，每4 d更換一次營養液。培養16 d后，開始進行鎘脅迫處理，以CdCl2·2.5H2O(分析純，國藥集團化學試劑有限公司)形態加入，根據我們前期的研究結果，共設6個處理水平[18]，即CK(完全營養液)，10， 25， 50， 100， 150 mg·L-1。每處理3次重復，每重復24株幼苗，每3 d更換一次營養液。分別在第0、2、7、12天測定根系活力。鎘脅迫處理12 d后收獲取樣，分為地上部和根系，置于烘箱105 ℃下殺青15 min，80 ℃下烘干至完全干燥，測定植株鎘及各礦質營養元素含量。

1.2 測定方法及數據處理

根系活力測定采用 TTC法[19]，植物Cd、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量采用HNO3∶HClO4=4∶1(V∶V)混合酸消解至無色透明，原子吸收分光光度計(島津 AA-6300C)測定。

轉移系數(translocation factor，TF)=地上部(葉)元素含量/地下部(根)元素含量[20]。數據用Excel 2010進行處理，用 Origin 8.5 制圖，利用SPSS19.0 進行數據的統計分析。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對馬藺根系活力的影響

根系是植物吸收礦質營養和水分的主要器官，重金屬對植物的毒害首先在根系上表現出來。根系活力的大小直接影響馬藺對鎘的吸收。從圖1可以看出，隨著脅迫時間的增加，10～50 mg·L-1Cd處理下，根系活力呈先升后降趨勢；在100、150 mg·L-1Cd濃度處理下，根系活力呈逐漸下降趨勢；對照CK的根系活力呈逐漸增加趨勢。10 mg·L-1Cd脅迫濃度下，處理第7天達到了峰值，比對照高出78.23 %；25、50 mg·L-1Cd脅迫濃度下，處理第2天達到峰值，分別比對照高101.16 %、104.34 %；處理第12天時，10和25 mg·L-1Cd處理下的根系活力與CK相比較無顯著差異，而其他濃度與CK相比較差異顯著，其中高濃度100、150 mg·L-1Cd處理根系活力比對照降低了94.41 %、95.73 %。

不同小寫字母表示同一濃度不同采樣時間差異顯著(P<0.05)

不同小寫字母表示不同濃度之間差異顯著(P<0.05)

2.2 鎘脅迫對馬藺6種營養元素含量的影響

由圖2A可知，隨鎘濃度增加，葉片中Ca含量呈先升后降趨勢，且Cd處理下葉片中Ca含量均高于對照，分別比對照高出10.71 %、8.5 %、5.87 %、0.76 %和0.39 %；隨鎘處理濃度增加，根系中Ca含量呈逐漸下降趨勢，但Cd處理下根系中Ca含量與對照相比均無顯著性差異。由圖2B可知，馬藺葉片和根系中的Mg含量隨Cd處理濃度增加呈先降后升趨勢，但Cd處理下Mg含量與對照相比較無顯著差異。

由圖2C可知，葉片和根系中的Fe含量隨Cd處理濃度增加呈逐漸增加趨勢，且均與對照呈顯著差異(P<0.05)，說明鎘處理增加了Fe吸收量。由圖2(D)可知，葉片中Mn含量隨Cd處理濃度增加先升后降趨勢，在10 mg·L-1Cd濃度下Mn含量比對照增加了3.17 %，與對照相比較無顯著差異，其他鎘濃度下葉片Mn含量均低于對照；根系中Mn含量總體呈逐漸增加趨勢，且在鎘處理下均與對照呈顯著差異(P<0.05)，說明鎘抑制Mn從根部轉移至地上部。葉片中Cu含量呈先降后升趨勢，根系中含量呈逐漸上升趨勢(圖2E)。對Zn而言，葉片中含量呈逐漸下降趨勢，根系中含量呈先升后降趨勢(圖2F),與對照相比較，Cd處理下根系中Zn含量均顯著高于對照。

圖3 不同鎘濃度對馬藺營養元素轉移能力的影響

2.3 鎘脅迫對馬藺6種營養元素轉移能力的影響

由圖3可知，Ca轉移系數隨Cd處理濃度增加整體呈增加趨勢，10 mg·L-1低鎘濃度處理下Ca轉移系數高于對照，其他Cd濃度下低于對照，但值均大于1。Mg轉移系數隨Cd處理濃度增加呈先升后降趨勢，且在Cd處理和對照下轉移系數均大于1。鎘處理下Mn、Zn、Cu 3種營養元素轉移系數低于對照，高濃度150 mg·L-1處理下3種元素轉移系數顯著低于對照；鎘處理下Fe轉移系數與對照相比較無顯著差異。

2.4 馬藺鎘含量及其與其他營養元素含量的相關性

由圖4可知，馬藺地上部和根系Cd含量隨Cd處理濃度增加而呈上升趨勢。不同Cd濃度處理下，馬藺體內Cd含量分布特征基本相同，均表現為根系大于地上部，且在不同Cd濃度下，葉片和根系中Cd含量之間顯著差異(P<0.05)。在Cd處理濃度下，根系體內Cd含量的范圍達到829.39～8944.54 mg·kg-1，地上部Cd含量范圍達到了200.60～519.76 mg·kg-1，雖然大部分Cd積累在根系，但地上部Cd含量遠大于100 mg·kg-1，達到了Cd超富集植物的臨界含量標準。

由表1～2 可以看出，馬藺地上部Cd 含量與Ca、Cu、Zn、Mg、Mn等含量呈負相關，其中與Mn含量呈顯著負相關，與Fe含量呈顯著正相關；馬藺根系Cd含量與Ca含量呈極顯著負相關，與Cu和Fe含量呈極顯著正相關，與Zn、Mg、Mn呈不顯著正相關。

圖4 不同鎘處理對馬藺根系和葉片中鎘含量的影響

表1 馬藺地上部鎘與營養元素含量的相關性分析

注：*P<0.05；**P<0.01，下同。

表2 馬藺根系鎘與營養元素含量的相關性分析

3 討 論

根系在重金屬脅迫中最先感知到重金屬鎘等有毒物質，在植物對重金屬脅迫的響應過程中起關鍵作用，當根系感受到環境中重金屬有毒元素后根據脅迫狀況做出適應性反應，保持較高的根系活力是植物耐重金屬能力強的表現[21]。根系活力在植物生長發育過程中直接影響植株個體的生長情況、營養水平等。本研究結果表明，10～50 mg·L-1Cd處理下馬藺根系活力隨脅迫時間的延長呈先升后降趨勢，在處理第7d時達到最高值，說明短時間內10～50 mg·L-1Cd處理能夠刺激根系組織代謝水平的提高，使得馬藺根系活力大大提高，以適應外界的重金屬環境；長時間的10～50 mg·L-1Cd 脅迫，使馬藺根系活力顯著降低，說明隨處理時間延長，較低濃度Cd脅迫也表現出對根系代謝的抑制作用。當Cd質量濃度升高至100和150 mg·L-1時，隨脅迫時間的延長，馬藺根系活力呈顯著下降趨勢，處理12 d后根系活力比對照分別降低了94.41 %、95.73 %，這可能是高濃度Cd處理下，馬藺根系細胞內產生大量的活性氧自由基，增大了細胞膜透性，細胞受損，根系活力下降，使得根系的生長受到明顯抑制，甚至造成了毒害。

礦質營養元素能夠直接或間接影響植物不同器官中鎘積累，在植物忍耐鎘毒害方面發揮著重要的作用[22]。Ca是植物生長必需的中量礦質元素之一，主要以果膠酸鈣形式存在，可維持植物細胞壁和細胞膜的穩定性。本研究數據顯示，隨著鎘處理濃度增加，馬藺葉片中Ca含量均高于對照，10、25 mg·L-1Cd處理下顯著高于對照(P<0.05)，其他濃度處理下差異不顯著；根系中Ca含量雖低于對照，但與對照差異不顯著(P<0.05)。隨著鎘處理濃度的增加，馬藺葉片中Ca含量增加，能抑制蛋白中鈣離子被鎘離子替代，利于增加細胞壁的厚度和穩定性，增強細胞壁對鎘的區隔化作用，較好地緩解鎘毒害，這可能是馬藺為保障正常生命活動產生的耐受機制，這與張晗芝等[23]對鎘脅迫下蓖麻對鎘及礦質元素的積累研究結果一致。周衛等[24-25]也研究表明根部加入外源鈣可提高玉米鈣含量。Mg在植物生理作用中有著不可替代的重要地位，Mg 參與葉綠素的形成，在植物光合電子傳遞鏈中起重要作用。在Cd處理下，馬藺根系和葉片中Mg含量均低于對照，Cd處理抑制了馬藺對Mg的吸收，這與徐勤松等[26]的研究結果一致。

Fe在植物葉綠素合成、細胞內的氧化還原反應中起重要作用[27]。本試驗結果表明, 各處理組根系和葉片中Fe含量均高于對照，這是因為隨Cd處理濃度增加，馬藺為緩解鎘污染帶來的毒害，而增加植物體內的Fe含量。黃益宗等[27]研究表明，鎘脅迫下供給植物足夠的鐵有利于植物合成更多葉綠素，促進植物光合作用，從而緩解植物受到鎘的毒害，本研究與黃益宗等的研究結果一致。翁南燕等[28]研究表明，Cu-Cd 復合脅迫顯著地促進了小麥幼苗對Fe 的吸收。徐勤松等[26]研究表明鎘處理下Fe更易于被植物吸收，是由于Cd與EDTA絡合的穩定性高于Fe與EDTA絡合的穩定性，但這不能解釋無EDTA情況礦質元素含量增加的現象。Liu[29]等研究表明，水稻在鎘脅迫下，Mn積累與水稻生育期和組織有關。Chen等[30]研究發現，隨鎘處理濃度增加，大麥品種中錳的積累呈增加趨勢，Mn積累和鎘吸收呈協同作用。張晗芝等[23]研究表明，鎘脅迫下蓖麻Mn的積累和鎘吸收呈協同作用。本研究表明，馬藺葉片中Mn含量隨Cd濃度增加呈先升后降趨勢，與鎘吸收呈不顯著負相關，根系中錳含量與鎘吸收呈不顯著正相關。低濃度Cd處理下Mn含量升高，可能是因為Mn為了保障葉綠素合成和調節一些酶活性以減少鎘脅迫引起的氧化損傷。郭智等[11]研究表明，隨鎘濃度提高，龍葵葉片中Cu積累量先降后升，根系Cu積累量呈增加趨勢。李君等[31]研究發現，蓖麻植株中Cu含量隨鎘濃度增加表現為低促高抑。本試驗條件下，隨鎘處理濃度增加，馬藺地上部Cu表現為先降后升趨勢，根系中呈逐漸上升趨勢，與郭智[11]對龍葵的研究結果一致。說明低鎘濃度條件下，鎘阻止了Cu從根系運輸到地上部。Zn參與葉綠素和生長素的合成，同時是許多酶的組成部分，且Cd和Zn屬同族元素，存在競爭位點，兩者間可能發生交互作用。Zhang 等[32]研究發現，鎘脅迫影響了不同小麥品種、植株組織對鋅的積累和轉運。張晗芝等[23]研究表明，隨土壤中鎘脅迫濃度的增加，蓖麻莖和葉中鋅含量顯著減少。Küppe等[33]認為隨鎘處理濃度增加鋅含量減少可能是鎘通過鋅轉運通道進入細胞。本研究發現，隨鎘處理濃度增加，馬藺根系中的鋅含量顯著高于對照，但地上部Zn含量則顯著低于對照，表明鎘阻止了Zn從根系運輸到地上部。

植物中營養元素積累與鎘吸收緊密相關，但是沒有同一定論。孫建云等[34]報道鎘脅迫下甘藍中營養元素Mg和Fe的轉移系數顯著低于對照，鎘脅迫限制了Mg和Fe從根部向地上部的轉運。劉媛等[19]研究表明，秋華柳在鎘脅迫處理下Ca、Mg、Mn和Zn轉移系數均高于對照，而Fe轉移系數與對照無顯著差異。本研究中，馬藺在鎘處理下， Mn、Zn、Cu的轉移系數均低于對照，在150 mg·L-1處理下與對照差異顯著；Ca、Mg轉移系數呈先升后降趨勢，在10 mg·L-1時轉移系數最高，可能是馬藺為了促進鎘脅迫引起的地上部葉綠素的合成，保證其光合作用順利進行，這與10 mg·L-1處理下馬藺生長狀況較好的觀察結果一致。鎘處理下Fe轉移系數與對照無顯著差異，可能是因為根部Fe積累量隨鎘脅迫顯著高于對照的情況下，地上部Fe含量也在增加，導致Fe轉移系數與對照無顯著差異。本研究鎘脅迫處理下，馬藺根系鎘含量可達到829.39～8944.54 mg·kg-1，地上部鎘含量達到200.60～519.76 mg·kg-1，馬藺具有將重金屬鎘截留于根系以減少鎘從根系轉移到地上部的能力，可見，根系截留Cd是馬藺對重金屬鎘脅迫的重要耐性機制之一，然而這也影響了馬藺植株中營養元素的吸收與轉移。

本研究相關分析結果表明，馬藺地上部鐵含量和鎘含量呈顯著正相關關系；而鈣、銅、鋅、鎂和錳含量與鎘含量呈負相關關系。表明鐵的積累與鎘吸收是協同作用，而鈣、銅、鋅、鎂、錳的吸收和鎘吸收是拮抗作用。馬藺根系鈣的吸收和鎘吸收呈顯著負相關關系，銅、鋅、鎂、鐵、錳吸收和鎘吸收呈正相關關系，其中銅和鐵的吸收與鎘吸收呈極顯著正相關。馬藺作為鎘超富集植物，根系中營養元素含量和鎘吸收呈正相關，表明根系中營養元素的吸收受重金屬鎘的影響較小，這與Ali等[35]對耐性植物蘆葦的研究結果一致。Zhang 等[32]研究發現不同的小麥品種、不同的植株組織影響鎘對鐵、鋅、銅、鈣和鎂的積累和轉運。而劉媛等[19]研究表明秋華柳在鎘脅迫處理下根部鈣、鎂、錳、鋅和鐵5種營養元素與鎘積累量呈顯著負相關，與本研究的結果存在一定的差異性。因此，鎘脅迫對植物營養元素吸收是抑制或者是促進，很可能受植物的種類、品種和鎘濃度等的影響。

4 結 論

馬藺在鎘濃度小于等于50 mg·L-1處理下，根系活力隨脅迫時間延長呈先升后降趨勢適應重金屬鎘脅迫，以保證馬藺植株的正常生長。隨著鎘處理濃度的增加，馬藺地上部Mg、Mn、Cu和Zn含量呈顯著降低趨勢，Ca和Fe含量呈增加趨勢；根系中的Fe、Mn、Cu、Zn含量呈逐漸增加趨勢，Ca和Mg含量呈逐漸下降趨勢。地上部Fe含量和Cd含量呈顯著正相關，Ca、Cu、Zn、Mg、Mn含量和Cd含量呈不顯著負相關；馬藺根系Cu、Zn、Mg、Fe、Mn含量和Cd含量呈正相關，Ca含量和Cd含量呈極顯著負相關。根系中礦質營養元素的吸收受重金屬鎘的影響較小，根系鎘含量可達到829.39～8944.54 mg·kg-1，地上部鎘含量可達到200.60～519.76 mg·kg-1，因此，馬藺具有較強的耐鎘能力，可作為修復鎘污染區(濃度≤50 mg·L-1)的備選修復植物。