鉛脅迫對澳洲堅果幼苗生長及生理特性的影響

黃忠權，莫熙宏，覃 奎，李妍澆，王凌暉

（1.崇左市江州區那達林場，廣西崇左 532200；2.廣西大學 林學院，廣西南寧 530004）

隨著人類生活范圍擴大及經濟、社會發展速度加快，土壤重金屬污染現象愈加嚴重，已成為生態環境中不容忽視的問題[1]。金屬礦石的大量開采使廣西水源和土壤受重金屬污染的現象不斷出現。鉛、鎘和鋅等重金屬元素在百色鋁礦復墾區已造成嚴重污染，達到重度污染水平[2]。研究表明，鉛為植物非必需金屬元素，低濃度鉛對植物生長有輕微促進作用，高濃度鉛則顯著抑制植物根系生長及芽萌發[3]。高濃度鉛除嚴重毒害植物體外，還會被植物吸收，隨食物鏈富集逐漸進入人體，危害人類健康[4]。不同植物對鉛脅迫的抗性不同，篩選對鉛有較強抗性的植物，并研究其耐受程度及對鉛的吸收及轉運已成為鉛污染地區植物種植推廣中的重要環節。

澳洲堅果（Macadamia integrifolia）俗稱夏威夷果，為山龍眼科（Proteaceae）澳洲堅果屬喬木，原產于澳洲東南部，是我國華南、西南地區廣泛引種栽培的重要經濟林油料樹種。其種子營養成分豐富，是一種著名的干果，兼具食用、油用價值；其成年植株可作材用。目前，關于澳洲堅果的研究主要集中在開花生物學特性探究[5]、基因表達與生物信息學分析[6]、遺傳多樣性分析[7]和果實品質評價[8]等方面，對其抗性生理的研究主要有水分脅迫[9-10]、鹽脅迫[11]、低溫脅迫[12]和耐旱性評價[13]等。關于澳洲堅果對鉛脅迫耐受性的研究尚未見報道。本研究對不同濃度外源鉛處理下澳洲堅果幼苗的生長及生理特性進行研究，探索其對鉛的耐受規律，為廣西鉛污染地區植物選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在廣西壯族自治區廣西大學林學院苗圃實驗基地（108°22′E，22°48′N）進行。該地屬南亞熱帶季風氣候，年均氣溫21.6 ℃，年均降水量1 304 mm，適宜澳洲堅果幼苗的生長。

1.2 試驗材料

試驗材料為3年生澳洲堅果實生幼苗，由崇左市江州區那達林場提供。株高為（44.72 ± 10.72）cm，地徑為（7.92 ± 1.31）mm；栽培基質為微酸性沙壤土。2020年5月，將澳洲堅果幼苗移栽至黃色無紡布袋（15 cm × 20 cm）中，每袋1 株，每袋裝土3 kg。移栽后緩苗3個月，并進行常規管理。

1.3 試驗方法

采用單因素完全隨機試驗設計，隨機抽取澳洲堅果幼苗進行編號。參考土壤環境質量標準及胡倩[14]研究中設置的鉛濃度，采用乙酸鉛（成都金山化學試劑有限公司生產）分析純試劑為鉛源，設置7個鉛濃度水平（T1：0 mg/kg、T2：200 mg/kg、T3：400 mg/kg、T4：800 mg/kg、T5：1 200 mg/kg、T6：1 600 mg/kg 和T7：2 000 mg/kg），其中T1 為對照。每處理10 個重復，每重復1株，共70株澳洲堅果幼苗。2020年8月開始處理；每10 天處理1 次，每次每株幼苗添加100 mL 對應濃度水溶液，對照添加同體積的清水，共6次處理。所有處理完成后30天測定指標。

1.4 指標測定

2020年11月，測定幼苗各項生長及生理指標。采用鋼卷尺（精確至0.1 cm）測定植株基部至頂芽的垂直高度（株高）；采用電子游標卡尺（精確至0.01 mm）測定土痕處苗木直徑（地徑）。每處理隨機選取3 株健康幼苗，采集其上部第3 ～5 片成熟功能葉，去離子水洗凈后放入冰盒，帶回實驗室并儲存于-20 ℃冰箱。采用乙醇-丙酮混合提取法測定葉綠素含量[15]。采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量；采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定可溶性蛋白含量；采用酸性茚三酮法測定游離脯氨酸含量；采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量；采用氮藍四唑（NBT）光化還原法和愈創木酚比色法分別測定超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性[16]。

1.5 數據處理

采用WPS 2016 軟件對各類指標數據進行匯總并制圖；采用SPSS 18.0 軟件進行方差分析（置信區間為95%），采用Duncan 新復極差法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗生長的影響

鉛濃度對株高增量影響極顯著（P＜0.01），對地徑增量影響不顯著（表1）。隨鉛濃度升高，株高和地徑增量均呈先升后降的趨勢；T3 處理的株高和地徑增量均最大，分別為5.28 cm 和1.29 mm；T7 處理均最小，分別為2.70 cm 和0.66 mm。株高增量表現為T3 ＞T4 ＞T2 ＞T5 ＞T1 ＞T6 ＞T7，地徑增量表現為T3 ＞T5 ＞T2 ＞T4 ＞T1 ＞T6 ＞T7。

表1 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗生長的影響Tab.1 Effects of plumbum stress on growth of M.integrifolia seedlings

2.2 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗生理特性的影響

2.2.1 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗葉綠素含量的影響

鉛濃度對各葉綠素含量均影響極顯著（P＜0.01）（圖1）。隨鉛濃度升高，各葉綠素含量均呈先升后降的趨勢；T3 處理的葉綠素a、葉綠素b 和葉綠素a+b 含量均最高，分別為1.41、0.81 和2.22 mg/g；T7 處理均最小，分別為0.77、0.42 和1.19 mg/g；均表現為T3 ＞T4 ＞T5 ＞T6 ＞T2 ＞T1 ＞T7。

圖1 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of plumbum stress on chlorophyll contents of M.integrifolia seedlings

2.2.2 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗滲透調節物質含量的影響

鉛濃度對可溶性蛋白和游離脯氨酸含量影響極顯著（P＜0.01），對可溶性糖含量影響不顯著（表2）。隨鉛濃度升高，可溶性糖含量呈先降后升的趨勢，T1 處理的可溶性糖含量最高（0.59%），T4 和T5處理最低（0.47%）；可溶性蛋白和游離脯氨酸含量均呈先升后降的趨勢；T6 處理的可溶性蛋白含量最高（0.44 mg/g），T1 處理最低（0.37 mg/g）；T3 處理的游離脯氨酸含量最高（2 119.36 μg/g），T7 處理最低（1 216.19 μg/g）。

表2 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗滲透調節物質含量Tab.2 Effects of plumbum stress on contents of osmotic regulatory substances of M.integrifolia seedlings

2.2.3 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影響

鉛濃度對SOD 和POD 活性及MDA 含量均影響極顯著（P＜0.01）（圖2 ～4）。隨鉛濃度升高，SOD和POD活性均呈先升后降的趨勢；T4處理的SOD活性最高（869.09 U·g-1·min-1），T3 處理的POD 活性最高（808.00 U·g-1·min-1）；T7 處理的SOD 和POD 活性均最低，分別為851.76 和433.79 U·g-1·min-1。隨鉛濃度升高，MDA 含量逐漸升高；T7處理的MDA 含量最高（3.13 μmol/g），T1處理最低（1.56 μmol/g）。

圖2 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗SOD活性的影響Fig.2 Effects of plumbum stress on SOD activities of M.integrifolia seedlings

圖3 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗POD活性的影響Fig.3 Effects of plumbum stress on POD activities of M.integrifolia seedlings

圖4 鉛脅迫對澳洲堅果幼苗MDA含量的影響Fig.4 Effects of plumbum stress on MDA contents of M.integrifolia seedlings

3 討論與結論

植物在低濃度鉛作用下，生長會有一定程度的提升；當濃度升高，超出植物耐受范圍時，植物會因受到毒害而出現生長受抑制的情況[17]。本研究中，隨鉛濃度升高，澳洲堅果幼苗的株高和地徑增量均呈先升后降的趨勢；在胡倩[14]和李泊玉[17]的研究中，鉛濃度對海南風吹楠（Horsfieldia hainanensis）和紅花風鈴木（Tabebuia impetiginosa）株高和地徑的影響趨勢與本研究結果一致，均呈先升后降的趨勢。T2 ～T5 處理的株高和地徑增量均高于T1 處理，表明中、低濃度鉛（200 ～1 200 mg/kg）處理下，澳洲堅果幼苗的生長得到促進；T6 ～T7處理的株高和地徑增量均低于T1 處理，表明高濃度鉛（1 600 ～2 000 mg/kg）處理對澳洲堅果幼苗造成毒害，抑制其生長。澳洲堅果對中、低濃度鉛（1 200 mg/kg 以下）脅迫有一定耐受性。

葉綠素是植物進行光合作用的主要原料。研究表明，Pb2+可增強葉綠素酶活性，促使其降解[18]。本研究中，各葉綠素含量均隨鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，均在T3 處理時最大。張博宇等[19]、蔣嚴波等[20]和蔣霞[21]研究表明，黃花風鈴木（Handroan?thus chrysanthu）、楓香（Liquidambar formosana）和金花茶（Camellia petelotii）的葉綠素含量均在不同濃度鉛處理下下降，這可能是由于不同植物對鉛脅迫的耐受性不同。低濃度鉛（200 ～400 mg/kg）處理下，澳洲堅果幼苗葉綠素含量出現積累；中、高濃度鉛（800 ～2 000 mg/kg）處理下，葉綠素含量開始下降；濃度達到2 000 mg/kg 時，葉綠素含量低于對照。說明澳洲堅果幼苗對低濃度鉛（400 mg/kg 以下）脅迫有較強的抗性；在中、高濃度鉛（800 ～1600 mg/kg）脅迫下，其葉綠素含量降低，但仍有一定抗性；在2 000 mg/kg處理下，其光合作用受阻。

滲透調節物質可通過調節植物體內滲透壓維持滲透平衡，保護植物體[22]。可溶性糖、可溶性蛋白和游離脯氨酸為常見的滲透調節物質，此3 項指標可從滲透調節層面反映植物的生理狀況[23-24]。本研究結果顯示，隨鉛濃度升高，可溶性糖含量呈先降后升的趨勢，與李珊等[25]對栝樓（Trichosanthes kirilowii）的研究結果一致；可溶性蛋白和游離脯氨酸含量均呈先升后降的趨勢，與楊藝寧等[26]、張博宇等[19]、蔣嚴波等[20]和胡倩[14]對洋常春藤（Hedera he?lix）、黃花風鈴木、楓香和海南風吹楠等植物的研究結果相同。低濃度鉛（200 ～400 mg/kg）處理下，澳洲堅果幼苗通過積累可溶性蛋白和游離脯氨酸等滲透調節物質來應對脅迫；中、高濃度鉛（800 ～1 600 mg/kg）處理下，游離脯氨酸含量逐漸降低，通過積累可溶性糖和可溶性蛋白含量來應對脅迫；鉛濃度為2 000 mg/kg 時，可溶性蛋白和游離脯氨酸含量均下降，通過積累可溶性糖含量來應對脅迫。

抗氧化酶是評價植物在逆境環境中適宜性及耐受性的重要指標。本試驗中，SOD 和POD 活性均隨鉛濃度升高呈先升后降的趨勢，與張博宇等[19]和蔣嚴波等[20]等的研究結果一致；MDA 含量隨鉛濃度升高逐漸上升。中、低濃度鉛（200 ～800 mg/kg）處理下，澳洲堅果幼苗體內的活性氧含量增加，自身防御機制被激活，抗氧化酶活性上升，清除體內過多的活性氧；隨鉛濃度繼續上升（1 200 ～1 600 mg/kg），MDA 含量持續增加，相關酶合成速度下降，但POD和SOD 活性仍高于對照，說明仍有一定抗性；鉛濃度為2 000 mg/kg 時，POD 和SOD 活性均低于對照，細胞受損較嚴重，影響活性氧的清除，植株受損。

綜合各個指標，澳洲堅果幼苗對鉛脅迫有一定的耐受性，200 ～1 200 mg/kg 處理下，植株生長狀況較好；400 mg/kg 處理下，植株生長狀況最好。說明澳洲堅果幼苗對1 200 mg/kg 以下的鉛脅迫有一定抗性；1 200 mg/kg 以上的鉛脅迫會對其造成毒害，抑制其生長。廣西區土壤鉛含量范圍為18.80 ～6 350 mg/kg，幾何均值為147.9 mg/kg[27]。澳洲堅果在廣西鉛污染地區有較好的推廣潛力，本研究結果可為廣西乃至華南鉛污染地區經濟林油料植物選擇提供參考。