鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛生理特性的影響

劉倩鈺, 鄧甜甜, 何金金, 廖飛勇

(中南林業(yè)科技大學(xué)風(fēng)景園林學(xué)院，湖南 長沙 410004)

重金屬污染治理一直是國內(nèi)外環(huán)境保護(hù)的難點(diǎn)及研究熱點(diǎn).我國湖南的鎘、汞、鉛和鉻排放量位居全國首位，且我國的鉛、鎘污染值最高分別達(dá)到1 143和228 mg·kg-1[1-2].《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[3]規(guī)定，土壤中鉛含量大于400 mg·kg-1、鎘含量大于20 mg·kg-1時需要進(jìn)行土壤污染風(fēng)險篩查，鉛含量大于800 mg·kg-1、鎘含量大于47 mg·kg-1時則應(yīng)采取土壤污染風(fēng)險管控或修復(fù)措施.現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，重金屬污染往往是多種重金屬的復(fù)合影響，其毒害機(jī)制更為復(fù)雜[4].有關(guān)植物對鉛、鎘復(fù)合污染土壤的修復(fù)研究已有不少，主要集中在農(nóng)作物、經(jīng)濟(jì)作物等草本植物方面[5-6]，而關(guān)于鉛、鎘復(fù)合污染對木本植物影響的報道較少.木本植物觀賞價值高、生長迅速且生物量大，有利于實(shí)現(xiàn)污染土壤資源化，其吸收積累的重金屬短期內(nèi)不會重新釋放到環(huán)境中[7]；同時，利用生態(tài)位不同的植物優(yōu)化重金屬污染地區(qū)的植物配置，相對于超積累型草本植物群落來說具有更好的生態(tài)效益和景觀效果.因此，木本植物修復(fù)重金屬污染土壤成為潛在的研究熱點(diǎn)[8-10].

紫金牛(Ardisiajaponica)為紫金?？?Myrsinaceae)紫金牛屬(Ardisia)常綠小灌木，具有較強(qiáng)的耐蔭性與生態(tài)適應(yīng)性.其全株均可入藥，植株低矮，枝葉常青，果實(shí)鮮艷且掛果持久，適宜于林下栽植或室內(nèi)盆栽，觀賞性及藥用價值極佳，應(yīng)用前景廣闊[11].目前，紫金牛的相關(guān)研究主要集中在其化學(xué)成分及藥理方面，也有部分關(guān)于其對光照[12-13]、水分[14-15]等生理反應(yīng)的研究.王佳星等[16-17]研究發(fā)現(xiàn)，紫金牛在鉛含量為800 mg·kg-1的土壤中長勢較好，脅迫60 d后，紫金牛的葉綠素(chlorophyll, Chl)含量、PSⅡ最大原初光化學(xué)量子效率(Fv/Fm)和光化學(xué)猝滅系數(shù)(photochemical quenching coefficient, qP)高于對照，植株對于光能的利用能力得到提升，而在鉛含量為1 800 mg·kg-1的土壤中生長受到抑制，但不至死亡；在鎘含量達(dá)到200 mg·kg-1的土壤中仍能生長，脅迫60 d后紫金牛的葉綠素?zé)晒鈪?shù)和可溶性糖(soluble sugar, SS)含量低于對照，但可溶性蛋白(soluble protein, SP)和丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量高于對照.有關(guān)重金屬復(fù)合污染對紫金牛的影響尚未見報道.本試驗(yàn)研究鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛生長及生理特性的影響，并結(jié)合主成分分析篩選紫金牛對鉛、鎘復(fù)合脅迫響應(yīng)的評價指標(biāo)，以期為紫金牛在鉛、鎘污染地區(qū)土地綠化、環(huán)境質(zhì)量提升和土壤改良方面的應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料

以3 a生紫金牛實(shí)生苗為試驗(yàn)材料，種植于湖南長沙中南林業(yè)科技大學(xué)校園內(nèi)，于2019年6月下旬移栽至直徑120 mm、高105 mm的塑料花盆中.栽培基質(zhì)由黃土、營養(yǎng)土、椰糠以體積比1∶1∶1混合而成，黃土取自中南林業(yè)科技大學(xué)校園內(nèi)，其中鉛含量為10 mg·kg-1[18]、鎘含量為0.67 mg·kg-1[19]，與脅迫添加的量相比，可忽略不計(jì).每盆裝干土0.4 kg，苗木1株，下墊托盤，自然光照下常規(guī)管理.移植60 d后選取長勢基本一致的植株進(jìn)行試驗(yàn).

1.2 脅迫處理

表1 鉛、鎘復(fù)合脅迫試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Design of Pb-Cd combined stress experiment

采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，參考《土壤環(huán)境質(zhì)量建設(shè)用地土壤污染風(fēng)險管控標(biāo)準(zhǔn)(試行)》[3]及預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)置6個鉛、鎘污染脅迫水平(表1).以乙酸鉛[Pb(CH3COO)2·3H2O]、硫酸鎘(3CdSO4·8H2O)配制不同濃度的Pb2+、Cd2+溶液施入土壤，每個處理3個重復(fù)，每個重復(fù)3盆植株.處理時將托盤內(nèi)滲漏的液體及時倒回花盆，防止重金屬離子流失.每隔15 d測定各項(xiàng)指標(biāo)，60 d后結(jié)束試驗(yàn).

1.3 指標(biāo)測定方法

用烘干稱重法測定植物組織含水量[16]；采用分光光度法測定Chl含量[20]；采用LI-6400XTR便攜式光合作用測定系統(tǒng)(LI-COR公司，美國)測定熒光參數(shù)[21]；SS含量的測定采用蒽酮比色法，MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸法，SP含量的測定采用考馬斯亮藍(lán)法[22].

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel和SPSS 25.0軟件處理數(shù)據(jù)，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和Duncan′s法檢驗(yàn)各處理組之間差異的顯著性水平(α=0.05)；將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(Z-score法)處理，并進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和主成分分析(principal component analysis, PCA).

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛Chl含量的影響

Chl含量影響植物對光能的吸收及轉(zhuǎn)化能力.表2表明，脅迫處理前，各組紫金牛Chl含量差異不大；15 d后，各處理組Chl含量相較于對照組均有不同程度的上升；30 d后，各處理組Chl含量呈下降趨勢，C3P3組下降至對照組的69.4%；45 d后各處理組Chl含量略有回升，其中，C1P1組略高于對照組；60 d后，C1P1組Chl含量升至對照組的1.22倍，C3P3組Chl含量則下降至對照組的72.5%.

表2 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛Chl含量的影響1)Table 2 Effect of Pb-Cd combined stress on chlorophyll content of A.japonica

2.2 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛熒光參數(shù)的影響

2.2.1 對Fo的影響Fo表示暗下最小初始熒光.表3表明，各處理組的Fo在脅迫期間整體呈先上升后下降的趨勢.脅迫15 d后，各處理組Fo與對照組相比均較高，且差異顯著；隨著脅迫時間的延長，各處理組Fo略微下降，處理60 d后，C1P1、C2P2組Fo顯著低于對照組，說明輕度或中度的鉛、鎘復(fù)合脅迫在一定程度上促進(jìn)了紫金牛的光合作用，而C3P3、C1P3組Fo分別達(dá)到對照組的1.02、1.12倍，電子傳遞受阻.

表3 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛Fo的影響1)Table 3 Effect of Pb-Cd combined stress on Fo of A.japonica

2.2.2 對Fv/Fm的影響Fv/Fm的正常范圍為0.75～0.85.表4表明，處理前各組Fv/Fm為0.754～0.796，在正常范圍內(nèi).鉛、鎘復(fù)合脅迫期間，各處理組Fv/Fm整體呈先降低后升高的趨勢.處理15 d后，除C3P1外，其余各處理組Fv/Fm均低于正常水平；處理30 d后，各處理組Fv/Fm恢復(fù)至正常水平且均高于對照組；處理60 d后，C1P1、C2P2、C3P1組Fv/Fm分別比對照組升高了2.08%、1.82%、1.17%，而C3P3和C1P3組的Fv/Fm則分別比對照組下降了1.69%和3.13%.

表4 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛Fv/Fm的影響1)Table 4 Effect of Pb-Cd combined stress on Fv/Fm of A.japonica

2.2.3 對qP的影響 表5表明，處理15 d后， C1P1組qP為對照組的1.09倍，其余各組qP明顯低于對照組；脅迫至60 d后，C1P1和C2P2組qP高于對照組，分別為對照組的1.08和1.21倍，其余各組qP均低于對照組，其中，C1P3組qP最低，為對照組的92.1%.這說明輕度和中度的鉛、鎘復(fù)合脅迫能促進(jìn)紫金牛對光能的利用.

表5 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛qP的影響1)Table 5 Effect of Pb-Cd combined stress on qP of A.japonica

2.2.4 對ETR的影響 ETR表示光合電子傳遞效率(photosynthetic electron transport rate).表6表明，處理15 d后，除C1P3組外，其余各處理組的ETR值較對照組均有所下降，其中，C3P3組ETR值最低，為對照組的90.8%；處理45 d后，除C1P1組外，其余各處理組ETR值均低于對照組；處理60 d后，各處理組ETR值分別下降至對照組的91.0%、73.6%、70.1%、90.5%、92.3%.

表6 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛ETR的影響1)Table 6 Effect of Pb-Cd combined stress on ETR of A.japonica

2.3 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛植物組織含水量的影響

表7表明，脅迫處理期間，各處理組的植物組織含水量始終低于對照組.處理30 d后，各處理組植物組織含水量略微回升，接近對照，差異均不顯著；處理60 d后，C1P1、C3P1組組的植物組織含水量與對照組差異不顯著，而C2P2、C3P3、C1P3組與對照組差異顯著.

表7 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛植物組織含水量的影響1)Table 7 Effect of Pb-Cd combined stress on water content of A.japonica tissue

2.4 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛SS含量的影響

表8表明，處理15d后，各處理組SS含量呈不同程度的下降；處理30 d后，C1P1、C3P1組的SS含量有所回升，達(dá)到脅迫周期內(nèi)的最高值；處理60 d后，各處理組SS含量均下降，其中C1P3組SS含量最低，僅為對照組的40.45%，說明重度鉛脅迫對紫金牛SS合成的抑制作用更強(qiáng).

表8 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛SS含量的影響1)Table 8 Effect of Pb-Cd combined stress on soluble sugar content of A.japonica

2.5 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛SP含量的影響

表9表明，隨著脅迫時間的延長，各處理組的SP含量整體呈先上升后下降的趨勢.脅迫15 d后，各處理組的SP含量均高于對照組，其中，C3P1組顯著高于對照組；脅迫30 d后，各處理組SP含量均下降，其中，C2P2、C3P3組SP含量最低；脅迫60 d后，C1P1、C2P2、C3P3組與對照組相比，SP含量分別下降了9.74%、9.31%、14.27%，而C1P3和C3P1組則有小幅的回升，為對照組的1.22和1.26倍.

表9 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛SP含量的影響1)Table 9 Effect of Pb-Cd combined stress on soluble protein content of A.japonica

2.6 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛MDA含量的影響

表10表明，脅迫期間各處理組MDA含量均高于對照組.其中，C1P1、C2P2、C3P1組MDA含量整體呈先升高后降低趨勢，處理30 d后MDA含量達(dá)到脅迫期間的最高值；而C3P3和C1P3組MDA含量呈持續(xù)上升趨勢，處理60 d后，其MDA含量分別達(dá)到對照組的1.52和1.40倍.

表10 鉛、鎘復(fù)合脅迫對紫金牛MDA含量的影響1)Table 10 Effect of Pb-Cd combined stress on MDA content of A.japonica

2.7 紫金牛對鉛、鎘復(fù)合脅迫生理響應(yīng)的綜合分析

2.7.1 相關(guān)性分析 表11表明，Chl含量與Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)，F(xiàn)o與qP呈顯著負(fù)相關(guān)；植物組織含水量與SS含量呈顯著正相關(guān)，與MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān).

2.7.2 主成分分析 如表12所示，紫金牛的前兩個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)83.862%.第1主成分貢獻(xiàn)率為54.074%，指標(biāo)包括MDA含量、植物組織含水量、Chl含量、SS含量和Fv/Fm，主要反映鉛、鎘復(fù)合脅迫對細(xì)胞膜透性、光能捕獲及傳遞、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響；第2主成分貢獻(xiàn)率為29.788%，指標(biāo)包括qP、SP含量、Fo和ETR，反映鉛、鎘復(fù)合脅迫對光能的傳遞及轉(zhuǎn)換和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響.綜上所述，MDA含量、植物組織含水量、Chl含量、SS含量和熒光參數(shù)Fv/Fm、qP載荷量較大，是最能反映紫金牛對鉛、鎘復(fù)合脅迫生理響應(yīng)的鑒定指標(biāo).

根據(jù)2個主成分系數(shù)，得到y(tǒng)1、y2的線性組合：

y1=0.408x1-0.202x2+0.396x3+0.114x4+0.329x5+0.408x6+0.396x7-0.024x8-0.437x9

y2=0.068x1+0.505x2+0.081x3-0.538x4+0.418x5+0.012x6+0.007x7+0.514x8+0.068x9

分別以兩個主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)建主成分綜合模型表達(dá)式：

Z=0.540 7y1+0.297 9y2

把不同鉛、鎘復(fù)合脅迫處理下的兩個主成分值代入上式，求出不同處理下各指標(biāo)的綜合得分.除CK(1.746)外，C1P1(0.829)、C3P1(0.357)處理時主成分綜合得分較高，說明輕度鉛、鎘或輕度鉛、重度鎘復(fù)合脅迫對紫金牛各項(xiàng)指標(biāo)的影響較小；C1P3(-0.205)、C2P2(-0.784)的主成分綜合得分次之，說明鉛、鎘復(fù)合脅迫濃度升高，對紫金牛各項(xiàng)指標(biāo)的抑制作用加強(qiáng)；綜合得分最低的是C3P3(-1.944)，說明重度鉛、鎘復(fù)合脅迫嚴(yán)重抑制了紫金牛的生長.

表11 鉛、鎘復(fù)合脅迫下紫金牛的各指標(biāo)相關(guān)性分析1)Table 11 Correlation analysis of the indexes of A.japonica under Pb-Cd combined stress

3 討論

表12 鉛、鎘復(fù)合脅迫下紫金牛各指標(biāo)主成分分析Table 12 Principal component analysis of the indexes of A.japonica under Pb-Cd combined stress

Chl含量的高低可以影響植物對光能的捕獲能力，并能反映植物受重金屬脅迫的毒害程度[23].紫金牛在鉛、鎘復(fù)合脅迫下，體內(nèi)的Chl含量整體呈先上升后下降再上升的趨勢，說明短期內(nèi)的鉛、鎘復(fù)合脅迫能刺激紫金牛合成Chl；脅迫60 d后，輕度鉛、鎘復(fù)合脅迫下紫金牛的Chl含量高于對照組，而重度鉛、鎘復(fù)合脅迫下Chl含量顯著低于對照組，這與李全超等[24]對多花水仙(Narcissustazetta)的研究結(jié)果一致.這說明輕度鉛、鎘復(fù)合脅迫對Chl合成有促進(jìn)作用，而重度鉛、鎘復(fù)合脅迫打破了紫金牛的生理平衡，Chl合成酶活性受到抑制而分解加快，不利于光能的捕獲[25].有研究表明，F(xiàn)o、Fv/Fm、qP、ETR均與植物對重金屬污染的耐性有關(guān)[26-27].脅迫60 d后，輕度及中度鉛、鎘復(fù)合脅迫下，紫金牛Fo均顯著低于對照組，qP則顯著高于對照組，說明輕度及中度鉛、鎘復(fù)合脅迫能刺激傳遞電子增多，植株通過增加熱耗散來進(jìn)行自我保護(hù)，促進(jìn)光合作用.重度鉛、鎘復(fù)合脅迫下，紫金牛Fo顯著上升，可能是由于重金屬離子破壞了PSⅡ反應(yīng)中心，導(dǎo)致電子傳遞受阻，光能的轉(zhuǎn)化及傳遞受到抑制[28-29].而重度鉛、鎘復(fù)合脅迫下，紫金牛的Fv/Fm、qP和ETR整體上呈下降趨勢，在脅迫60 d后降至最低，說明重度鉛、鎘復(fù)合脅迫降低了PSⅡ反應(yīng)中心光化學(xué)轉(zhuǎn)換效率，這與張方靜等[30]對月季(Rosachinensis)及賴金莉等[31]對鼓節(jié)竹(Bambusatuldoides‘Swolleninternode’)的研究結(jié)果一致.

處理60 d后，輕度鉛、鎘復(fù)合脅迫及輕度鉛、重度鎘復(fù)合脅迫下，紫金牛的植物組織含水量雖有下降，但與對照組差異不顯著；重度鉛、輕度鎘復(fù)合脅迫下，紫金牛的植物組織含水量下降顯著，與賴小連等[32]對黃檀(Dalbergiahupeana)幼苗的研究結(jié)果一致.這說明重度鉛、輕度鎘復(fù)合脅迫會導(dǎo)致植物細(xì)胞吸水困難，引起滲透脅迫和水分虧缺.有研究表明，植物在重金屬脅迫環(huán)境中，細(xì)胞會通過積累SS、SP等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的滲透勢，增強(qiáng)自身的抗逆性[33-34].在鉛、鎘復(fù)合脅迫初期，紫金牛的SP含量上升，SS含量在輕度鉛、鎘復(fù)合脅迫和輕度鉛、重度鎘復(fù)合脅迫下先下降后稍有回升，但均隨著脅迫時間的延長而逐漸降低.這說明脅迫短期內(nèi)紫金牛能通過SS和SP的積累調(diào)節(jié)細(xì)胞的滲透勢，但因脅迫時間過長而超過植物本身承受能力后，SS和SP的積累趨于減慢和停止[30].在輕度及中度鉛、鎘復(fù)合脅迫下，紫金牛的MDA含量呈先上升后下降的趨勢；重度鉛、鎘復(fù)合脅迫下，MDA含量持續(xù)上升.這說明當(dāng)植物受到重金屬脅迫后，MDA大量生成，植物細(xì)胞受過氧化損傷加劇，后期重金屬脅迫刺激植物體內(nèi)的保護(hù)酶系統(tǒng)清除活性氧自由基，使MDA濃度下降，而隨著脅迫濃度持續(xù)升高，植物受到的脅迫加劇，超過了保護(hù)酶系統(tǒng)清除限度，導(dǎo)致MDA含量持續(xù)上升[35-36].

對各項(xiàng)指標(biāo)的綜合分析表明，鉛、鎘復(fù)合脅迫與紫金牛的生理指標(biāo)MDA含量、植物組織含水量、Chl含量、SS含量及熒光參數(shù)Fv/Fm和qP之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，這些指標(biāo)可以較好地評價紫金牛對鉛、鎘復(fù)合脅迫的響應(yīng)規(guī)律.

綜上所述，輕度Pb(800 mg·kg-1)和輕度Cd(100 mg·kg-1)復(fù)合脅迫60 d后促進(jìn)了植物生長；輕度Pb(800 mg·kg-1)和重度Cd(500 mg·kg-1)復(fù)合脅迫下植物生長良好；中度Pb(2 000 mg·kg-1)和中度Cd(200 mg·kg-1)復(fù)合脅迫與重度Pb(3 000 mg·kg-1)和輕度Cd(100 mg·kg-1)復(fù)合脅迫下紫金牛生長受到影響；重度Pb(3 000 mg·kg-1)和重度Cd(500 mg·kg-1)復(fù)合脅迫下紫金牛生長受到明顯抑制，30 d后植株個體出現(xiàn)死亡.可見，紫金牛在Pb濃度<800 mg·kg-1且Cd濃度<500 mg·kg-1的脅迫環(huán)境下表現(xiàn)較強(qiáng)的耐受能力，可用于該濃度鉛、鎘復(fù)合污染土壤的修復(fù)，改善環(huán)境質(zhì)量.