馬塵揚(yáng)

（成都七中嘉祥外國語學(xué)校，四川 成都 610000）

銫脅迫對(duì)蠶豆幼苗莖、葉中非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)分配的影響

馬塵揚(yáng)

（成都七中嘉祥外國語學(xué)校，四川 成都 610000）

用濃度為0～200 mg·L-1含Cs+溶液澆灌盆栽蠶豆，模擬放射性137Cs隨雨水沉降到土壤造成的污染，對(duì)蠶豆幼苗生長特性和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）分配的影響，以探究Cs+脅迫下蠶豆幼苗的碳供應(yīng)狀況。結(jié)果顯示，不同Cs+澆灌處理對(duì)蠶豆發(fā)芽率、葉面積無顯著影響（p＞0.05），也不會(huì)導(dǎo)致矮化；蠶豆莖的NSC含量隨著Cs+濃度的升高顯著降低，降低幅度達(dá)26.38%～44.00%，而葉中的NSC無顯著性變化。結(jié)果表明，本試驗(yàn)設(shè)定的Cs+濃度澆灌不會(huì)對(duì)蠶豆萌發(fā)和地上部分生長特性產(chǎn)生明顯的毒害作用；蠶豆葉中NSC含量沒有發(fā)生顯著變化，而莖中NSC含量顯著降低，可能是Cs+脅迫影響了NSC從“源”到“庫”（即從葉到莖）的運(yùn)輸或轉(zhuǎn)化。

銫；非結(jié)構(gòu)性碳水化合物；蠶豆；核素污染

放射性核素在工業(yè)、能源、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，且可通過降雨等途徑沉降到土壤被植物吸收，進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)，甚至危害人類生命健康[1]。土壤放射性核素污染的治理一直是個(gè)大難題。近年來，植物修復(fù)技術(shù)為土壤中放射性核素污染的防治提供了新思路，即利用植物能夠忍耐或超量富集某種或某些化學(xué)元素的特性清除環(huán)境中的重金屬或核素污染[2]。

銫的4種同位素中133Cs比較穩(wěn)定，137Cs具有極強(qiáng)的放射性，137Cs是放射性塵埃和核廢料的重要元素之一[3]。核工業(yè)或核事故排放的137Cs塵?？呻S雨水沉降到土壤，且長期保留，可能會(huì)對(duì)植物造成毒害。研究表明，植物對(duì)137Cs的富集機(jī)制與133Cs無顯著差異[4]，因此，本試驗(yàn)含133Cs的氯化銫溶液作為處理因素模擬137Cs沉降到土壤造成的污染。

蠶豆（Vicia faba Linn）是我國栽培較廣的農(nóng)作物之一，其種子可作為蔬菜、糧食食用，莖、葉可作為飼料或綠肥，地上部分應(yīng)用價(jià)值高，常作為植物對(duì)環(huán)境脅迫響應(yīng)研究的模式植物。研究顯示，蠶豆對(duì)Cs+的蓄積能力表現(xiàn)為根＞葉＞莖[5]，Cs+從根部向地上部分轉(zhuǎn)移較困難[6]。

碳水化合物是植物進(jìn)行光合作用的主要產(chǎn)物，按其結(jié)構(gòu)可分為結(jié)構(gòu)性碳水化合物（SC）和非結(jié)構(gòu)性碳水化合物（NSC）兩類。NSC則主要含可溶性總糖和淀粉，主要參與植物的生命代謝活動(dòng)，其含量通常反映植物碳代謝的收支平衡，對(duì)植物生長發(fā)育有重要影響[7]。NSC還能表征植株對(duì)環(huán)境脅迫的響應(yīng)，許多環(huán)境因素都能影響植物體內(nèi)NSC含量分配的變化[8]。近年來，關(guān)于植物NSC含量分配的研究主要集中于生態(tài)系統(tǒng)中NSC季節(jié)性變化，群落建成的NSC分配變化等[9，10]和NSC含量分配對(duì)營養(yǎng)脅迫[11]、干旱脅迫、溫度和CO2脅迫[12]等環(huán)境脅迫的響應(yīng)。當(dāng)前，從NSC分配變化的角度研究植物對(duì)重金屬、核素等脅迫的生理響應(yīng)還鮮有報(bào)道。

因此，本試驗(yàn)用不同濃度Cs+澆灌盆栽蠶豆，模擬137Cs隨雨水沉降到土壤造成的污染，著眼于蠶豆幼苗地上部分（莖、葉）的生長和NSC含量分配對(duì)土壤Cs+脅迫的響應(yīng)，為用蠶豆修復(fù)放射性污染土壤的可行性和安全性提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料處理與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料

蠶豆購自四川農(nóng)科種業(yè)有限公司。選取飽滿的種子，用3%的H2O2浸泡消毒15 min，用蒸餾水沖洗干凈，待水分瀝干后播到盆中，室溫培養(yǎng)。本試驗(yàn)所用土壤理化性質(zhì)及銫的背景值如表1所示。

1.1.2 主要試劑與儀器

氯化銫（CsCl）、蒽酮（C14H10O）、葡萄糖（C6H12O6）、淀粉[（C6H10O5）n]、濃硫酸（H2SO4）、硝酸（HNO3）、高氯酸（HClO4）等，以上試劑均為AR（分析純）級(jí)。

HI850R型離心機(jī)，TAS-990型火焰原子吸收分光光度計(jì)，BioMate*3S分光光度計(jì)，AR223CN型電子天平（精確至 0.001 g）。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本 研 究 用 濃 度 分 別 為 25 mg·L-1、50 mg·L-1、100 mg·L-1、200 mg·L-1的 Cs+溶液澆灌盆栽蠶豆，模擬Cs+隨雨水沉降到土壤造成的污染，以蒸餾水澆灌（Cs+0 mg·L-1）作為對(duì)照，每2～3 d澆灌1次，澆灌至播種后40 d，測定蠶豆生長指標(biāo)，并剪取莖、葉樣本測定Cs+含量和NSC含量。

1.2.2 試驗(yàn)方法

用火焰原子吸收光度計(jì)法測定蠶豆體內(nèi)的Cs+含量[13]；采用蒽酮比色法測定蠶豆莖、葉的可溶性總糖和總淀粉的含量[14]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用SPSS 18.0進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）及相關(guān)分析，用Origin 9.0做圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)蠶豆萌發(fā)及生長特性的影響

2.1.1 發(fā)芽率

處理組（25～200 mg·L-1）與對(duì)照組（0 mg·L-1）的發(fā)芽率無顯著性差異(p＞0.05)，且均達(dá)到90%以上（圖1），這表明較高濃度的Cs+沉降到土壤也不會(huì)對(duì)蠶豆的萌發(fā)產(chǎn)生毒害，可能是蠶豆厚厚的種皮保護(hù)了胚的萌發(fā)。

圖1 Cs+脅迫對(duì)蠶豆發(fā)芽率的影響

2.1.2 株高

由圖2看出，Cs+處理下蠶豆幼苗株高在一定程度上變高，在濃度為 25 mg·L-1時(shí)顯著高于對(duì)照，但濃度高于50 mg·L-1后與對(duì)照差異不顯著，表明銫脅迫下蠶豆幼苗沒有出現(xiàn)矮化癥狀。

2.1.3 葉面積

用不同濃度的Cs+澆灌，蠶豆葉面積有所增大（圖3），但處理組與對(duì)照組并無顯著性差異（p＞0.05），這表明試驗(yàn)所設(shè)定的Cs+濃度（25～200 mg·L-1）范圍沉降到土壤中不會(huì)對(duì)蠶豆葉片外形生長產(chǎn)生顯著影響。

圖2 Cs+脅迫對(duì)蠶豆苗株高的影響

圖3 Cs+脅迫對(duì)蠶豆葉面積的影響

2.2 蠶豆莖、葉銫富集量比較

隨著Cs+濃度的增加，蠶豆莖、葉對(duì)Cs+的富集量顯著增加（p＜0.05），當(dāng)濃度達(dá)到 200 mg·L-1時(shí)，蠶豆莖、葉 Cs+富集量最高，分別達(dá)到 0.114 mg·g-1DW、0.133 mg·g-1DW（圖 4）。還可看出，在相同處理下，蠶豆葉中Cs+含量高于莖中的，在50 mg·L-1處理下，莖、葉中Cs+含量比莖高32.53%，差異達(dá)到最大。

圖4 蠶豆莖、葉Cs+富集量

2.3 非結(jié)構(gòu)性碳水化合物在莖、葉中的分配

2.3.1 可溶性總糖

蠶豆葉和莖中可溶性總糖含量隨Cs+升高均呈現(xiàn)下降的趨勢（圖 5）。濃度為 100 mg·L-1、200 mg·L-1處理下，葉中可溶性糖含量與對(duì)照組比較下降了35.05%和12.91%；在 25 mg·L-1、100 mg·L-1、200 mg·L-1處理組下，莖中可溶性糖含量分別比對(duì)照低45.15%、38.25%、42.39%。在Cs+脅迫下，莖、葉中可溶性糖含量比值更?。▓D 5b），在濃度為 25 mg·L-1和 200 mg·L-1時(shí)特別顯著。以上結(jié)果表明，Cs+脅迫可引起蠶豆莖、葉中可溶性糖含量降低，且莖的減少幅度更大。

圖5 不同Cs+處理下蠶豆莖、葉可溶性總糖含量

2.3.2 淀粉

如圖6所示，蠶豆葉中淀粉含量隨Cs+濃度的升高變化不顯著（p＞0.05），而莖中淀粉含量會(huì)顯著下降（圖6a）。在不同濃度 Cs+處理下（25～200 mg·L-1），莖中淀粉含量與對(duì)照相比下降幅度為19.95%～43.27%。這表明Cs+脅迫會(huì)降低莖中淀粉含量，且會(huì)降低莖、葉淀粉含量比值（圖6b）。

2.3.3 NSC總量

如圖7所示，葉中的NSC總含量隨Cs+濃度的升高無顯著性變化（p＞0.05）；在不同濃度Cs+處理下（25～200 mg·L-1），蠶豆莖中NSC含量呈現(xiàn)顯著性降低趨勢（p＜0.05），分別比對(duì)照組降低 44.00%、26.38%、30.89%、28.73%。在不同濃度Cs+澆灌后，葉中NSC含量顯著高于莖。在濃度為 25 mg·L-1、50 mg·L-1、200 mg·L-1處理下，葉中NSC含量比莖中含量分別高52.97%、19.14%和17.24%，這表明Cs+脅迫可能影響了NSC由葉到莖的轉(zhuǎn)運(yùn)。

圖6 不同Cs+處理下蠶豆莖、葉淀粉含量

圖7 銫脅迫下蠶豆莖、葉NSC含量

2.4CS+富集量與NSC含量的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析顯示（表2），在葉和莖中Cs+含量和NSC含量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.359和-0.249，但相關(guān)性不顯著（p＞0.05），表明在Cs+脅迫下兩者存在較弱的負(fù)相關(guān)性。

表2 蠶豆葉、莖銫富集量與NSC含量的pearson相關(guān)系數(shù)

3 討論

植物萌發(fā)和外觀形態(tài)對(duì)外界環(huán)境脅迫有敏感的響應(yīng)。張紅霞等[15]研究顯示，用不同強(qiáng)度的UV-B輻射脅迫使蠶豆幼苗矮化達(dá)50%以上，葉面積和干物質(zhì)量顯著減少。付倩[16]等發(fā)現(xiàn)Sr2+脅迫會(huì)顯著降低蠶豆的發(fā)芽率，根和芽伸長受到明顯抑制。

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，用不同濃度Cs+（25～100 mg·L-1）澆灌，不會(huì)顯著降低蠶豆的發(fā)芽率，對(duì)幼苗地上部分的生長特性（株高、葉面積）也無顯著性影響。這可能是由于蠶豆較厚的種皮保護(hù)胚不受Cs+毒害，順利發(fā)芽，土壤環(huán)境可改變部分Cs+的化學(xué)形態(tài)，緩解Cs+對(duì)作物的毒害作用[17]。隨著Cs+濃度的增加，蠶豆幼苗莖、葉對(duì)Cs+的富集量顯著增加，但富集量并不高，最高僅分別為0.114 mg·g-1DW、0.133 mg·g-1DW；在同一濃度 Cs+處理下，葉中Cs+含量高于莖。

有證據(jù)表明，蠶豆根對(duì)Cs+的富集能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出莖和葉，根細(xì)胞可通過阻滯作用將Cs+固定在細(xì)胞壁上[18]，在一定程度上降低Cs+對(duì)莖、葉的毒害作用，這也能很好解釋本試驗(yàn)結(jié)果顯示的蠶豆地上部分生長特性對(duì)Cs+脅迫響應(yīng)不顯著的結(jié)論。

植物常會(huì)打破其體內(nèi)NSC含量的分配格局來對(duì)環(huán)境脅迫作出響應(yīng)?？扇苄蕴呛偷矸凼侵参颪SC的主要成分，可溶性總糖主要由葉光合作用產(chǎn)生，轉(zhuǎn)運(yùn)到各器官；淀粉則是光合產(chǎn)物在植物體內(nèi)重要的儲(chǔ)存物質(zhì)，兩者可以相互轉(zhuǎn)化，以應(yīng)對(duì)外界脅迫[19]?？扇苄钥偺呛偷矸酆恳蚬δ芎蜕硪饬x不同在植物不同器官的分配不同。一般情況下，葉片作為NSC的“源”，其可溶性糖含量高于根、莖；而莖的淀粉含量高于葉片。可溶性糖含量和淀粉含量對(duì)外界環(huán)境的響應(yīng)也有可能不同。

在本研究中，蠶豆莖、葉可溶性糖含量均隨Cs+濃度的升高呈現(xiàn)下降趨勢，但莖中含量下降幅度更大；葉中淀粉含量隨Cs+濃度的升高變化不顯著，而莖中淀粉含量大幅下降。蠶豆葉中NSC總量并無顯著性變化，而莖NSC總量則顯著性降低，Cs+富集量與NSC含量呈現(xiàn)微弱的負(fù)相關(guān)性。

綜上所述，在本試驗(yàn)所設(shè)定的Cs+脅迫范圍內(nèi)沒有對(duì)蠶豆萌發(fā)和地上部分生長特性產(chǎn)生明顯的毒害作用。Cs+脅迫下，葉中NSC含量無顯著變化，莖中則顯著減少，這可能是Cs+脅迫改變了NSC從“源”到“庫”（即葉到莖）的運(yùn)輸或轉(zhuǎn)化，改變NSC在植物體內(nèi)的分配格局，以提高對(duì)Cs+的耐受性。

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