陳良，隆小華，鄭曉濤，劉兆普

（南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院 江蘇省海洋生物學重點實驗室，江蘇 南京210095）

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，農(nóng)田土壤中重金屬污染日益嚴重。我國受重金屬污染的耕地面積近2 000萬hm2，約占耕地面積的1／5，其中鎘（Cd）污染耕地占1 133萬hm2［1］。鎘是一種毒性很強的重金屬，土壤中的鎘不僅會對農(nóng)作物產(chǎn)生毒害作用，如抑制植物光合作用和蒸騰作用、干擾植物的代謝過程、加速植物衰老、影響農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)，而且能通過食物鏈進入人體從而引發(fā)多種疾?。?］。對于大面積受中、低度重金屬污染的土壤，在中國的現(xiàn)實情況下要實行休耕是不現(xiàn)實的，并且仍有許多農(nóng)田的土壤污染情況不明，無法進行有針對性的休耕［3］。如此大面積污染土壤采用傳統(tǒng)的物理和化學方法均因經(jīng)濟或技術等原因難以實施，目前基本處于未修復狀態(tài)。利用植物的超量富集作用以去除污染土壤中超標重金屬的植物提取修復技術具有操作簡單，經(jīng)濟上和技術上能夠大面積實施等優(yōu)點，是一項十分有前途的修復技術［4］。

Cd脅迫下，不同植物反應不同，近年來有關水稻（Oryzasativa）、小麥（Triticumaestivum）、玉米（Zea mays）、蔬菜等對Cd脅迫的反應及生理生化方面的研究已有較多的報道［5－8］，盡管利用植物作為Cd污染環(huán)境修復材料的研究很多，但關于利用植物修復Cd污染土壤的實例還極少報道。菊芋（Helianthustuberosus）適應性強，為耐寒、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿植物，根系發(fā)達，生物量極大，在全球的熱帶、溫帶、寒帶以及干旱、半干旱地區(qū)都有菊芋的分布和栽培，在我國很多省區(qū)都可栽培［9］。在試驗中發(fā)現(xiàn)菊芋植株中Cd含量較高，進一步利用砂培盆栽濃度梯度試驗就2種菊芋對不同濃度Cd脅迫下幼苗生物量、光合特征參數(shù)及對Cd富集效果進行了比較和研究，為利用菊芋對Cd污染土壤生物修復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試菊芋為不同品系的南芋5號（NY5）和南芋2號（NY2），采于南京農(nóng)業(yè)大學江蘇大豐“863”中試基地。

1.2 試驗設計

本試驗于2010年4月25日－2010年5月30日在南京農(nóng)業(yè)大學牌樓溫室中進行。菊芋塊莖用自來水及蒸餾水沖洗干凈后，經(jīng)0.05%殺真菌劑進行表面滅菌。滅過菌的具有芽眼的菊芋塊莖切片播于周轉箱中裝有石英砂且下部有孔的塑料盆缽中，周轉箱存有一定深度的培養(yǎng)液，隔天換培養(yǎng)液，每次都充分淋洗石英砂，以保證培養(yǎng)條件的均一性，自然光照。待塊莖萌發(fā)后用1／2Hoagland營養(yǎng)液澆灌。至三葉期時進行疏苗移栽，每盆保留1棵，每個處理3盆。待6葉期時進行處理，設置0，5，25，50，100和200mg／L 6個Cd濃度，處理時直接將固體形態(tài)的CdCl2·2.5H2O溶于1／2Hoagland營養(yǎng)液中，充分攪拌混勻，進行澆灌。處理期間隔天更換營養(yǎng)液，更換時應注意不讓營養(yǎng)液沾到植株地上部分，處理3周后采樣進行檢測。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 生物量測定 將菊芋幼苗從塑料盆中取出，用去離子水沖去砂粒，再用吸水紙吸干后隨機選取3片倒5功能葉分別測定葉長和葉寬，然后用直尺測定株高、根長、直徑，用稱重法測總鮮重、根鮮重、地上鮮重，經(jīng)110℃殺青10min后于60℃烘干至恒重測定總干重、根干重、地上干重。根冠比＝根干重／地上干重。

1.3.2 葉綠素a（Chl a）、葉綠素b（Chl b）、總葉綠素（Chl）與類胡蘿卜素（Car）的測定 采用王學奎［10］的方法。每個處理選取3株，取第4片功能葉，將整個葉子剪碎，分別稱取0.1g，置于10mL容量瓶內(nèi)，加95%乙醇定容至10mL。將各個處理搖勻置于避光處，過夜。待第2天殘渣完全變白后，分別在665，649和470nm測定吸光值。按如下公式計算各色素含量：

式中，W為樣品鮮重（g）。

1.3.3 光合作用參數(shù)的測定 采用英國PP－System公司CIRAS－1型全自動便攜式光合測定系統(tǒng)測定凈光合速率（net photosynthetic，Pn）、氣孔導度（stomatal conductance，Gs）、蒸騰速率（transpiration rate，Tr）、細胞間隙CO2濃度（inter－celluar CO2concentration，Ci）等光合作用參數(shù)，水分利用效率（water use efficiency，WUE）＝Pn／Tr，氣孔限制值（stomatal limitation，Ls）為［1－（Ci／Ca）］計算所得（Ca為空氣中 CO2濃度）［11］。測定過程采用生物效應燈為光源，光量子通量密度（photon flux density，PFD）為1 176～1 184μmol／（m2·s），葉面積2.5 cm2，大氣溫度17.3～18.2℃，Ca變化范圍為394.2～398.1μL／L。

1.3.4 Cd富集吸收量的測定 植物根、莖和葉干樣過20目篩（20孔／645.16mm2），采用HNO3－HClO4法進行消化（二者體積比為87∶13），利用電感耦合等離子體光譜發(fā)生儀（inductive coupled plasma emission spectrometer，ICP）測定其中的Cd含量，每個樣品重復3次。

生物富集率（bioconcentration factor，BCF）和轉移系數(shù)（translocation factor，TF）按以下公式計算［12］：

1.4 統(tǒng)計分析

利用Microsoft Excel軟件、SPSS 16.0軟件進行試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，采用Duncan檢驗進行顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度Cd對2種菊芋生物量的影響

Cd對菊芋幼苗生長具有顯著的抑制作用（表1）。在Cd的脅迫下，2種菊芋的葉長都表現(xiàn)為下降趨勢，不同的是NY5的葉長總體下降趨勢較NY2平緩一些。NY5葉長在25和50mg／L的Cd濃度下差異不大，分別為對照的65.53%和68.42%；NY2的葉長在100和200mg／L Cd處理時顯著低于對照，僅為對照的53.84%和50.31%。葉寬與葉長趨勢基本類似。在Cd脅迫下，株高和根長顯著低于對照，但隨濃度增大，NY2減少量明顯大于NY5。NY5對照組直徑甚至低于NY2，僅為NY2的80%，但在5～200mg／L的Cd范圍內(nèi)，NY5直徑的減少量為0.11cm，NY2則為0.22cm，是NY5直徑變化量的2倍。

2種菊芋根干重、地上干重以及全株干重與表1中5個指標保持著高度相似性，但受到Cd脅迫以后，NY5變化量更小一些（表2）。在5mg／L時，根冠比均達到最大，較對照分別增大了32.89%和65.42%。但隨著濃度的增大，根干重的降低幅度大于地上部干重，在最高濃度200mg／L時根冠比較對照分別下降了13.3%和32.3%。而NY5在Cd脅迫下，根冠比相對于NY2變化幅度小。

表1 不同濃度Cd對2種菊芋生物量的影響Table 1 Effects of different Cd concentrations on growth for two H.tuberosus varieties seedling

表2 不同濃度Cd對2種菊芋干重及根冠比的影響Table 2 Effects of different Cd concentration on dry weight and the root／shoot of two H.tuberosus varieties seedling

2.2 不同Cd濃度對2種菊芋幼苗葉片色素（Chla、Chlb、Chl與Car）含量的影響

在Cd脅迫下，2種菊芋葉片中葉綠素含量變化趨勢都呈先降后升的趨勢（圖1）。NY5總葉綠素含量在100 mg／L Cd濃度時達到最低值，僅為對照組含量的33.18%，而NY2總葉綠素含量在25mg／L的Cd濃度下即達到最低點，是對照的23.08%。NY5葉片的類胡蘿卜素含量處理組都高于對照，在5mg／L Cd處理時最高，為對照的1.70倍；而NY2總體呈下降趨勢，除50mg／L以外，其他濃度時類胡蘿卜素含量都低于對照，分別是對照的73.11%，83.56%，59.00%和32.30%。

圖1 不同Cd濃度對2種菊芋葉綠素及類胡蘿卜素含量的影響Fig.1 Effects of different Cd concentrations on the Chl and Car content in two H.tuberosus varieties seedling

2.3 不同Cd濃度對2種菊芋光合作用參數(shù)的影響

2種菊芋的Pn較對照組顯著下降（圖2），NY5在5，25，50，100和200mg／L時分別是對照的77.98%，49.33%，41.47%，36.30%和25.93%；而NY2除在25mg／L時與對照組差異不顯著外，其他Cd濃度下均顯著低于對照。Gs的變化趨勢與Pn類似，NY5在各個Cd處理濃度下均低于NY2；NY5的Gs隨Cd濃度增加而降低，NY2的Gs在25mg／L Cd處理時與對照差異不顯著。NY2的Ci在Cd脅迫下變化不大，而NY5的Ci在低濃度Cd（5～50mg／L）脅迫下與對照差異不顯著，在高濃度（100和200mg／L）Cd脅迫下顯著低于對照。Tr在100和200mg／L Cd脅迫時顯著下降，NY5和 NY2分別只有對照的45.42%，23.95%和30.77%，22.23%。

WUE和Ls的變化趨勢極其相似，NY5在50mg／L Cd處理下，WUE和Ls均達到最低值，分別是對照的25.00%和36.80%；NY2的WUE相對穩(wěn)定，除在5mg／L時顯著低于對照外，其他Cd濃度下與對照差異不顯著，而其Ls除在5mg／L Cd處理時略微低于對照外，之后隨著濃度的增加，不斷增大（圖2）。

圖2 不同Cd濃度對2種菊芋凈光合速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用效率及氣孔限制值的影響Fig.2 Effects of different Cd concentrations on the Pn，Gs，Ci，Tr，WUE and Ls in two H.tuberosus varieties seedling

2.4 不同Cd濃度下Cd在2種菊芋根、莖、葉的富集情況

2種菊芋體內(nèi)Cd含量隨著Cd濃度的升高而顯著增大，根部明顯高于葉片與莖部，說明根部是Cd主要富集器官，對Cd的富集能力大于莖和葉。BCF隨著Cd濃度的升高而顯著下降，而TF因品種的不同而有所差異，NY5的TF隨著Cd濃度的增加呈先增后降的趨勢，并在50mg／L Cd處理下，TF達到最大值，而NY2的TF則隨著Cd濃度的升高而不斷下降（表3）。

3 討論

Cd作為一種植物非必需的元素，會嚴重阻礙植物生長發(fā)育，2種菊芋的生物量都隨著Cd濃度的增加而減少，尤其在高濃度Cd處理下，葉長、葉寬、株高、根長、直徑以及各部分干重的減少量更大，表明Cd脅迫不但能抑制菊芋的生長，且隨著濃度的增加抑制作用增大。盡管菊芋受Cd脅迫的生物量顯著下降，但仍可以在高達200 mg／L的Cd濃度下存活，可見，菊芋對Cd脅迫有良好的耐性。Cd對2種菊芋生物量的抑制作用為：株高＞葉長＞根長；NY2＞NY5。這說明菊芋根部對Cd的耐受性最大，葉片次之，莖最小，而且NY5對Cd的耐性明顯強于NY2。

表3 不同Cd濃度下Cd在2種菊芋根、莖、葉中的富集量Table 3 Cd content in root，shoot and leaf of two H.tuberosus varieties seedling under different Cd concentration

Cd是毒性最強的重金屬元素之一，植物受到Cd脅迫時，光合作用會受到抑制，葉綠體受到破壞，抑制光合酶的活性和葉綠素的合成，光合效率降低，葉綠素總量和光合作用都呈下降趨勢［13，14］。在Cd的脅迫下，NY5、NY2葉綠素a和b含量都明顯下降，不過NY2的下降速度明顯高于NY5，說明NY5葉片較NY2對鎘的耐性更高一些。Car含量的下降在一定程度上影響活性氧的清除，如果產(chǎn)生的活性氧過多來不及清除，就會對光合機構造成傷害，包括對作用中心D1蛋白的破壞和葉綠素的降解［15］，而2種菊芋Car的變化趨勢恰恰驗證了這一觀點，所以在Cd的脅迫下，NY5能夠通過增加葉片中Car的含量來緩解Cd的抑制作用。

凈光合速率直接反映了單位葉面積的光合同化能力［11］，是反映植物對Cd脅迫的響應以及鑒定植物耐Cd能力的有效生理指標。隨著Cd濃度的增大，2種菊芋光合作用參數(shù)如Pn、Gs、Tr顯著下降，NY2的Pn在高濃度（100和200mg／L）Cd脅迫下，顯著低于NY5，這進一步說明NY2對Cd的耐性不如NY5，Pn的下降與2種菊芋各生理參數(shù)有密切的聯(lián)系，尤其與光合作用場所（葉片）的生理狀況聯(lián)系緊密，葉片中各色素（Chl與Car）含量直接影響光合速率，在高濃度（100和200mg／L）Cd脅迫下，NY5可以通過諸如增加葉片中Car含量以及其他機制來提高對Cd的耐性，從而維持NY5的Pn在較高的水平。在大多數(shù)情況下，氣孔導度的下降將造成CO2供應受阻進而使植物的光合速率下降［16，17］，而本試驗中，胞間CO2濃度變化不大，而氣孔限制值隨著Cd濃度的不斷升高而增大。這說明Cd脅迫并不能通過限制氣孔導度來降低胞間CO2濃度，而Gs的下降與Ls的升高應該會減弱Tr，也間接說明Pn減弱的主要原因是非氣孔限制，即由葉肉細胞光合活性下降引起的，這也與葉綠素含量下降相吻合。水分利用效率即水分生產(chǎn)率，是顯示作物水分吸收利用過程效率的一個指標［18］，Cd脅迫條件下，植株脫水嚴重，為適應此逆境，植株水分利用效率及氣孔限制值增加，以達到減少水分散失的目的，在一定程度上有利于緩解水分失衡，從而提高植株的耐鎘性。

已有研究表明，大豆（Glycinemax）［19］、甘藍（Brassicaoleracea）［20］、小白菜（Brassicarapa）［21］、蘿卜（Raphanussativus）、豌豆（Pisumsativum）［22］與水葫蘆（Eichhorniacrassipes）［23］等品種對 Cd吸收存在差異，不同品種植物的遺傳特性差異決定其對重金屬元素的吸收量，本試驗也驗證了前者的研究結果，雖然2種菊芋對Cd都有較強的富集作用，但NY5的Cd含量、生物富集系數(shù)以及轉移系數(shù)都高于NY2，隨著Cd濃度升高，BCF降低，表明Cd脅迫的加劇減弱了Cd的生物富集效率，而TF小于1說明菊芋根部是主要的Cd富集器官，從根部向地上部運輸轉移Cd的能力較小。一般來說，植物修復重金屬污染的效率取決于2個方面，即植物體對環(huán)境中重金屬的吸收富集能力以及該種植物生物量的大?。?4］。雖然本試驗中TF較小，但菊芋生物量巨大，具有其他植物無法比擬的優(yōu)勢，以25mg／L Cd濃度為標準，NY5葉、莖、根中Cd含量分別達141.90，174.79和1 344.70 mg／kg，種植一季，NY5可從Cd污染土壤轉移1 000g以上的Cd。因此，應用菊芋修復重金屬污染具有較大的潛力與可行性。

本研究通過對2種菊芋在不同濃度Cd脅迫下的光合特征和根、莖、葉三部分對Cd富集效果進行研究和對比，證明菊芋對Cd具有較強的吸收和富集效果，而NY5比NY2富集Cd的能力更強，但利用菊芋修復Cd污染環(huán)境還需根據(jù)污染環(huán)境的具體情況進行進一步研究。

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