龍俊霞++陳慧瓊++陳曉東

摘要 采用水培方式，在精確控制光照及溫濕度的人工氣候室中進行不同濃度鎘處理（0、1、2、4 mg/L）對紫葉生菜生長以及水分和礦質(zhì)營養(yǎng)元素吸收的影響試驗。水培試驗以小單元的方式進行，即1個培養(yǎng)罐種植1株生菜。結(jié)果表明，隨營養(yǎng)液中鎘離子濃度的增加，生菜葉片發(fā)黃萎蔫現(xiàn)象加劇，鮮重顯著降低。紫葉生菜可以在低濃度鎘處理組（1 mg/L）生長，高濃度鎘處理組（2、4 mg/L）紫葉生菜的生長被嚴重抑制；低濃度鎘處理對紫葉生菜每日耗水量抑制不顯著，高濃度隔處理的紫葉生菜每日耗水量顯著降低；低濃度鎘處理紫葉生菜對Ca、Mg吸收抑制不顯著，對K的吸收基本不受影響，高濃度鎘處理下植株對Ca、K、Mg的吸收顯著降低；1 mg/L鎘處理組營養(yǎng)液中64.3%的鎘離子被植物體吸收，2、4 mg/L高濃度鎘處理組對營養(yǎng)液中鎘離子的吸收也較少，分別為26.5%、12.9%。

關(guān)鍵詞 鎘；紫葉生菜；生長；礦質(zhì)營養(yǎng)

中圖分類號 S636.9 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）23-0057-03

Abstract A hydroponic experiment was carried out to determine the effects of different cadmium does（0，1 mg/L，2 mg/L，4 mg/L） on growth，water and nutrition absorption of purple lettuce.Plants were grown in a phytotron where the light，temperature，relative humidity were controlled precisely.Each lettuce was grown in a unit pot with nutrient solution singly.The results showed that purple lettuce was sensitive to cadmium stress.As the cadmium concentration increased，there is a significant decrease in fresh weight，and the leaves are wilting.The lettuce can grow under low cadmium stress（1 mg/L），being restrained severely under high cadmium stress（2 mg/L，4 mg/L）.Water consumption was significant decreased under high cadmium.Under low cadmium conditions，the effects on calcium and magnesium absorption were not significant，and potassium kalium absorption is not affected.The absorption of these three mineral nutrients was significant decreased under high cadmium.In 1 mg/L cadmium stress group，64.3% cadmium was absorbed by lettuce.In 2 mg/L and 4 mg/L cadmium stress group，the absorption of cadmium was 26.5% and 12.9% respectively.

Key words cadmium；purple lettuce；growth；mineral nutrition

隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，受礦產(chǎn)開發(fā)、金屬冶煉、市政垃圾、過度施肥等人類活動的影響，土壤鎘污染愈發(fā)嚴重[1-2]。鎘對人類健康的危害主要表現(xiàn)為致突變、致癌效應(yīng)以及對神經(jīng)系統(tǒng)的危害[3]。鎘是植物生長的非必需元素，但是鎘像其他營養(yǎng)元素一樣容易被植物吸收[4]。鎘對植物的光合作用、蒸騰作用、酶活性、礦質(zhì)營養(yǎng)吸收以及膜的結(jié)構(gòu)和功能等多種生理過程有毒害作用，并最終表現(xiàn)為生物量降低[5-7]。礦質(zhì)營養(yǎng)對植物細胞結(jié)構(gòu)和功能的構(gòu)建與維護有重要作用，鎘對礦質(zhì)營養(yǎng)吸收和轉(zhuǎn)運的限制是影響植物新陳代謝及其他生理過程的關(guān)鍵因素之一[8]。鎘對植物吸收礦質(zhì)元素的影響在多種作物種類的研究中都有報道，如水稻[9]、小麥[10]、西紅柿[11]、生菜[12]等，鎘對植物吸收礦質(zhì)元素的干擾因植物種類和基因型而異，目前機理尚不清楚。

生菜（Lactuca sativa L.）富含多種維生素及抗氧化物質(zhì)，尤其紫葉生菜的花青素含量較高。由于紫葉蔬菜具有獨特的營養(yǎng)成分，其營養(yǎng)價值高于普通綠色蔬菜，市場前景較好，是未來蔬菜品種的發(fā)展方向之一[13]。目前，重金屬鎘對紫葉生菜生長影響的文獻報道較少。因此，本研究以紫葉生菜為材料，為鎘污染環(huán)境中紫葉生菜的種植提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與生長條件

供試材料為紫葉生菜。選取籽粒飽滿的生菜種子均勻播于育苗盤中，置于人工氣候室中萌發(fā)。播后30 d，生菜長至有6片真葉的幼苗，挑選長勢相同的32株幼苗定植。

人工氣候室環(huán)境參數(shù)：光照為紅藍光，波長分別為650 nm和460 nm，光合有效輻射300 μmol/（m2·s）；光周期為14 h/10 h（光照/黑暗）；溫度為20/18 ℃（光照/黑暗）；相對濕度為70%，24 h。

1.2 試驗設(shè)計

采用單元水培的方式，即1個培養(yǎng)罐培養(yǎng)1株生菜，視為一個分批培養(yǎng)單元。將32株生菜幼苗定植于Hoagland營養(yǎng)液中，同時開始鎘脅迫處理。試驗根據(jù)鎘濃度的不同設(shè)4個處理，分別為0、1、2、4 mg/L，記為A、B、C、D組，每組8株生菜。以Cd（NO3）2的形式添加鎘離子，鎘處理35 d后采收生菜。endprint

營養(yǎng)液配方：大量元素為Ca（NO3）2 1 000 mg/L、KH2PO4 200 mg/L、KNO3 1 000 mg/L、MgSO4 500 mg/L，微量元素為Fe-EDTA 20 mg/L、H3BO3 2.5 mg/L、ZnSO4 2 mg/L、MnSO4 2.13 mg/L、CuSO4 0.2 mg/L、NaMoO4 0.02 mg/L。

1.3 測定項目與方法

鎘處理過程中定時取樣，取樣周期為4 d。為避免誤差，每次取樣在一天中的同一時刻即14：00開始。

1.3.1 生菜鮮重動態(tài)測量。將植株取離培養(yǎng)罐，用紙巾吸干根部水分，置于天平上稱量（去除定植棉、定植籃質(zhì)量）。

1.3.2 營養(yǎng)液中Ca、K、Mg、Cd離子濃度動態(tài)變化。先將培養(yǎng)罐中營養(yǎng)液用純水補充至800 mL（初始營養(yǎng)液體積），然后取10 mL，用于分析營養(yǎng)液中大量營養(yǎng)元素Ca、K、Mg離子濃度以及重金屬Cd的離子濃度，采用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法（ICP-AES）進行測定。

1.3.3 生菜最終鮮重、干重及植株干物質(zhì)中Ca、K、Mg元素含量。采收時測生菜最終鮮重，然后放于105 ℃烘箱殺青30 min，移至70 ℃烘箱繼續(xù)烘干至恒重后得干物質(zhì)，稱量每株生菜干重。取5 g研磨后的干物質(zhì)放入馬弗爐，550 ℃加熱灰化6 h。用5%HCl溶解灰化物，過濾并稀釋，用ICP-AES定量檢測元素含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel和Origin 8.0軟件進行處理，選用平均值和標準差進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度Cd處理對紫葉生菜鮮重增長及水分的影響

植物生長受抑制是重金屬脅迫最普遍的癥狀，由圖1、圖2可知，隨著鎘處理濃度的增加，生菜鮮重增長顯著降低，葉片黃蔫現(xiàn)象逐漸加?。籅組（Cd 1 mg/L）與A組（Cd 0 mg/L）增長趨勢相同，B組在各個生長期鮮重都小于A組，最終鮮重A組106.13 g，B組92.92 g；C組（Cd 2 mg/L）與D組（Cd 4 mg/L）鮮重增長緩慢，其中C組在鎘處理25 d后鮮重有增長趨勢，說明生菜對鎘脅迫有一定的適應(yīng)性調(diào)整，最終鮮重33.05 g；D組鮮重變化較小，最后枯萎，最終鮮重3.87 g。鎘處理35 d后收樣，A、B、C、D組最終干重分別為10.48、7.61、3.06、0.34 g（表1），與A組相比，B、C、D組降幅分別為27.4%、70.1%、96.8%。植物吸收的水分中只有1%～5%的水分參與植物體構(gòu)建以及維持生理過程，其余水分都通過蒸騰作用散失。所以耗水量在一定程度上可以說明植物的蒸騰作用。生菜蒸騰作用強度變化趨勢（圖3）與生菜鮮重變化基本一致，對照組（Cd 0 mg/L）生菜蒸騰作用明顯強于鎘處理組，且蒸騰作用隨營養(yǎng)液中鎘濃度的增大而減弱。其中1 mg/L Cd處理組生菜在后期蒸騰作用逐漸增強，逐漸趨于對照組生菜的蒸騰作用。2 mg/L鎘處理組后期耗水量明顯增加，這與鮮重的變化趨勢一致。

2.2 不同濃度Cd處理組營養(yǎng)液中鎘離子含量隨時間的變化趨勢

本試驗中含鎘處理組（B組、C組與D組）鎘離子的初始濃度不同，統(tǒng)一把初始濃度定義為100%。由圖4可知，隨生菜生長，B組（1 mg/L）生菜對營養(yǎng)液中鎘的消耗量明顯高于另外2組。最終營養(yǎng)液中鎘離子濃度為初始濃度的35.7%；C組和D組由于受高濃度鎘的毒害作用，其生長發(fā)育受到顯著抑制，其對鎘的吸收也顯著下降。C組、D組前期對Cd離子的消耗區(qū)別不明顯，后期C組生菜隨鮮重增長對Cd離子的吸收增加。D組營養(yǎng)液中鎘消耗一直比較緩慢，可能與生菜生長基本停滯有關(guān)。最終營養(yǎng)液中C組與D組Cd離子濃度分別為初始濃度的73.5%、87.1%。

2.3 不同濃度Cd處理組營養(yǎng)液中Ca、K、Mg 3種元素濃度隨時間變化趨勢

由圖5～7可知，在生菜生長過程中Ca、K、Mg的消耗情況A組（Cd 0 mg/L）>B組（Cd 1 mg/L）>C組（Cd 2 mg/L）>D組（Cd 4 mg/L）。低濃度鎘處理紫葉生菜對Ca、Mg的吸收影響不顯著，對K的吸收基本不受影響。高濃度鎘處理的紫葉生菜對3種元素的吸收都顯著降低。鎘處理35 d收樣后，測得紫葉生菜干物質(zhì)中鎘處理組（B、C、D組）Ca、K、Mg含量都高于對照組（A組）（表2）。這種濃度增加可能是由于鎘處理組生菜產(chǎn)量被顯著抑制的結(jié)果，這種現(xiàn)象被Marchner稱為“濃度效應(yīng)”[14]。

通過比較元素在植物干物質(zhì)中的預(yù)期濃度值（Expected actual concentration，EAC）與樣品測量得到的濃度值，可以檢驗鎘處理生菜干物質(zhì)中元素濃度增加是否是濃度效應(yīng)[15]。

處理組元素EAC=（對照組干重×對照組濃度）/處理組干重，通過該公式計算得到的EAC值小于實際測量濃度值（表2）時為“濃度效應(yīng)”。以B組Ca濃度為例（表2）：

EAC Ca=（10.48×7.41）/7.61=10.20（小于11.07 mg/g），因此B組生菜干物質(zhì)中Ca離子濃度增加為“濃度效應(yīng)”。

通過該方式計算（數(shù)據(jù)沒有列出來），B組、C組、D組鎘處理生菜干物質(zhì)中Ca、K、Mg的EAC值都高于實際測量值，因此處理組元素濃度高于對照組的現(xiàn)象為“濃度效應(yīng)”，是生菜生長受抑制，干物質(zhì)增長顯著降低的結(jié)果。

3 結(jié)論與討論

鎘是對植物生長有毒害作用的元素，其毒害作用通常表現(xiàn)為植株根系生長受阻、葉片黃化、生育期延遲以及品質(zhì)降低等。本研究結(jié)果表明，紫葉生菜對鎘脅迫比較敏感，隨營養(yǎng)液中鎘濃度增加，葉片黃化嚴重，鮮重顯著降低。紫葉生菜在1 mg/L低濃度鎘處理組可以生長，在2、4 mg/L鎘處理組生長嚴重被抑制，直至生長停滯。高濃度鎘脅迫直接或間接影響植物的多種生理過程，如呼吸作用、光合作用、細胞伸長、氮代謝、礦質(zhì)營養(yǎng)、酶活性等，這一系列生理過程失調(diào)最終導(dǎo)致植物長勢差，生物量小。鎘脅迫下生物量減少的現(xiàn)象，在其他種類植物研究中也有發(fā)現(xiàn)，如小麥[16]、煙草[17]、太陽花[18]等。鎘對植物生長的影響也存在品種和基因差異。劉志華等對4個大白菜品種的研究中發(fā)現(xiàn)，低濃度鎘（5 μmol/L）對鎘耐性強品種的生長有促進作用，對耐性差的品種有抑制作用[19]。本研究中2 mg/L鎘處理組，在鎘處理25 d以后，其鮮重增長以及水分吸收有明顯升高，推測是經(jīng)過一段時間脅迫處理，紫葉生菜觸發(fā)了一定的適應(yīng)性生理響應(yīng)，對鎘的耐性增加。這種現(xiàn)象在對不同基因型水稻的研究中也有發(fā)現(xiàn)，隨著水稻生育進程發(fā)展鎘對生長的抑制作用逐漸減弱[20]。endprint

鎘脅迫下，植物對鎘的吸收與生物量成顯著正相關(guān)，同時也受根部活力以及根部培養(yǎng)介質(zhì)中鎘的濃度的影響[21]。本研究結(jié)果表明，1 mg/L鎘處理組營養(yǎng)液中大部分鎘被紫葉生菜吸收。而隨著鎘處理濃度增加，植株對鎘的吸收顯著降低，推測是由于高濃度鎘處理下紫葉生菜的生長被顯著抑制所致。

鎘脅迫可以干擾植物對多種礦質(zhì)元素以及水的吸收和轉(zhuǎn)運。本研究中，低濃度鎘處理紫葉生菜對Ca、Mg的吸收影響不顯著，對K的吸收基本沒有影響。高濃度鎘處理紫葉生菜對3種元素的吸收都顯著降低。與本研究結(jié)果相似，鎘脅迫下大白菜地上部分Ca、Mg、K的吸收受到較強的抑制，抑制程度存在品種差異[19]。在對籽粒莧的研究中發(fā)現(xiàn)，籽粒莧對K的吸收、轉(zhuǎn)運沒有受到鎘處理的影響，但其對Ca、Mg的吸收受抑制[8]。而在對不同水稻基因型的研究中發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫可以促進水稻對Ca的吸收，抑制水稻對Mg、K的吸收，耐性強的品種其Ca含量增幅較耐性弱的品種大，而Mg、K沒有類似現(xiàn)象[20]。鎘脅迫下植物表現(xiàn)出的元素吸收紊亂，可能與鎘脅迫導(dǎo)致的膜脂過氧化增加，細胞膜通透性被破壞有關(guān)[22]。也可能與鎘通過細胞膜上其他必需元素的載體通道進入植物體產(chǎn)生的拮抗作用有關(guān)[23-24]。研究發(fā)現(xiàn)，鎘可以抑制H+-ATP酶的活性（一種重要的跨膜運輸?shù)鞍踪|(zhì)載體）[25]。鎘脅迫干擾植物元素吸收的機理尚不完全清楚，還需進一步研究確定。本研究中，鎘處理組紫葉生菜干物質(zhì)中Ca、Mg、K元素的濃度高于對照組相應(yīng)元素的含量，經(jīng)計算屬于“濃度效應(yīng)”，是生菜生長受抑制，干物質(zhì)增長顯著降低的結(jié)果。

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