李德生，何 安，彭 玲，王 碩，王 靜

(天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300381)

土壤重金屬污染是一個嚴(yán)重且普遍存在的問題，尤其是重金屬對農(nóng)田和作物的影響日趨嚴(yán)重[1-2]。由于重金屬具有毒性和不易被生物降解的特性[3-4]，一旦土壤被其污染，會長期停留在土壤中并且對生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的威脅，甚至?xí)ㄟ^食物鏈被人體吸收而致病[1-2，5]，因此解決土壤重金屬污染問題已成為全球性的任務(wù)[6]。不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)，利用植物來治理重金屬污染土壤比物理方法、化學(xué)方法更具有經(jīng)濟(jì)、生態(tài)等效益[7-8]，然而重金屬會對植物的生長和代謝產(chǎn)生不利影響，甚至?xí)?dǎo)致植物死亡。因此植物自身對重金屬的抵抗能力成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

目前，學(xué)者們將研究方向主要集中在重金屬對植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[9]、抗氧化系統(tǒng)[10]的影響方面，但大部分偏向于蔬菜[11]、大型木本植物[12]的研究，很少針對木本蔬菜的研究。日本楤木是一種重要的木本蔬菜，其根系發(fā)達(dá)、抗逆性強(qiáng)、容易栽培[13]。另外，日本楤木的嫩芽中含有9種人體必需的氨基酸和微量元素，含量比人參中的含量高，還具有提高人體免疫力、防治老年性疾病的作用，增強(qiáng)腦功能、延緩衰老等功能，是食用兼藥用于一身的植物。因此，研究重金屬對日本楤木的影響具有重要的意義，能為日本楤木的安全生產(chǎn)提供參考。

本研究采用盆栽試驗(yàn)法，研究單一(Pb、Cd、Zn)及復(fù)合(Cd+Zn、Pb+Zn)重金屬脅迫下，日本楤木體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化，分析重金屬對植物葉片內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖和脯氨酸含量的影響，同時探討重金屬Pb+Zn、Cd+Zn之間的相互關(guān)系，觀察重金屬Zn的添加是否有利于促進(jìn)單一重金屬脅迫(Pb、Cd)下日本楤木葉片內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累。本研究結(jié)果能為日本楤木應(yīng)用于重金屬污染土壤修復(fù)的研究提供一定的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗(yàn)于2014年12月進(jìn)行，將取自天津理工大學(xué)的校園地表土(0～20 cm)置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干處理。風(fēng)干后，將該土壤與購自河北省興農(nóng)生物工程開發(fā)有限公司的營養(yǎng)土以質(zhì)量比20 ∶1的比例進(jìn)行混合，過篩后取小于2 mm部分作為供試土壤。將供試土壤置于直徑20 cm、高15 cm的塑料花盆中，每盆裝土2.5 kg。將大小、長勢一致的二年生日本楤木幼苗扦插于花盆中，并置于溫度為(25±2) ℃，光—暗處理為12 h光照—12 h黑暗，濕度為85%的人工氣候室中進(jìn)行培養(yǎng)。

待幼苗恢復(fù)生長7 d后，將化學(xué)試劑CdCl2·2.5H2O(分析純)、Pb(NO3)2(分析純)、ZnSO4·7H2O(分析純)以溶液的形式均勻地加入供試土壤中進(jìn)行重金屬脅迫處理。每個重金屬共設(shè)4個濃度梯度，每個濃度梯度均設(shè)3個平行樣，并以不加重金屬的空白樣作為對照(表1)。

表1 復(fù)合重金屬污染方案設(shè)計

1.2 指標(biāo)測定及方法

2015年6月進(jìn)行可溶性蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量以及脯氨酸含量的測定，采用的方法分別為考馬斯亮藍(lán)G-250法[14]、蒽酮比色法[15]、乙醇提取法[14]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel 2007軟件進(jìn)行整理，數(shù)據(jù)以平均值表示，并采用Origin 8.5進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要包括脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖等[16-17]。在重金屬或其他脅迫下，植物體內(nèi)的一些物質(zhì)如脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖會積累來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的滲透勢，從而維持水的平衡[18]。另外，植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)還可以保護(hù)參與新陳代謝等重要機(jī)體活動的酶[19]。因此，植物體內(nèi)可以通過自身的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來提高抗脅迫能力。

2.1 可溶性蛋白質(zhì)含量的變化

可溶性蛋白質(zhì)在植物的生長過程中有著至關(guān)重要的作用[20]。大多數(shù)蛋白質(zhì)都是參與植物新陳代謝的酶，因此可溶性蛋白質(zhì)的含量可以表征出植物新陳代謝的強(qiáng)度[21]。在重金屬脅迫下日本楤木葉片內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量的變化如圖1、圖2所示。單一重金屬脅迫下，可溶性蛋白質(zhì)的含量隨著重金屬濃度的增加先增加后減少，其變化趨勢和諶金吾研究的結(jié)果[22]一樣。在土壤中重金屬Cd、Pb、Zn濃度分別達(dá)到0.25、100.00、100.00 mg/kg(T1處理)時，日本楤木葉片內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)的含量達(dá)到最高，分別為對照組的105%、108%、106%。隨著重金屬濃度的增加，可溶性蛋白質(zhì)含量被抑制。當(dāng)重金屬Cd、Pb、Zn分別達(dá)到相應(yīng)的最高濃度時，可溶性蛋白質(zhì)含量分別達(dá)到最低，分別為對照組的80%、89%、93%。在重金屬復(fù)合脅迫下，可溶性蛋白質(zhì)含量均隨重金屬濃度的增加而逐漸降低，當(dāng)復(fù)合重金屬Cd+Zn、Pb+Zn濃度達(dá)到最高時，日本楤木葉片內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量達(dá)到最低，分別為對照組的83.3%、82.5%。由此可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合重金屬脅迫下，日本楤木內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量隨著濃度的增加呈下降趨勢，但變化不明顯。

2.2 可溶性糖含量的變化

植物的光合作用通過體內(nèi)的二氧化碳和水將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，同時產(chǎn)生氧氣和碳水化合物。碳水化合物大多數(shù)是可溶性糖，因此可溶性糖是植物生長和能量的重要來源和物質(zhì)基礎(chǔ)[23-24]，同時在維持植物細(xì)胞滲透平衡中起著關(guān)鍵的作用。可溶性糖含量的變化可以反映植物在逆境脅迫下的適應(yīng)能力。日本楤木對重金屬單一及復(fù)合脅迫下可溶性糖的含量變化如圖3、圖4所示。在重金屬Cd、Pb的脅迫下，日本楤木葉片內(nèi)可溶性糖含量隨著重金屬濃度的增加呈先增加后減少的趨勢，這種變化趨勢和吳桂容等報道的重金屬Cd對桐花可溶性糖含量的變化[25]和鄭世英等研究的鉛脅迫下玉米中可溶性糖含量的變化趨勢[26]一致。同時還可以明顯發(fā)現(xiàn)，受重金屬脅迫后日本楤木葉片內(nèi)可溶性糖含量高于空白對照組。當(dāng)重金屬Cd、Pb的濃度分別達(dá)到5(T3處理)、100(T1處理) mg/kg時，可溶性糖含量分別比對照組高39%、27%。在復(fù)合污染初期，隨著重金屬濃度的增加，可溶性糖含量也隨之升高，當(dāng)土壤中復(fù)合重金屬Cd+Zn、Pb+Zn濃度達(dá)到 1 mg/kg+500 mg/kg(T2處理)、100 mg/kg+100 mg/kg(T1處理) 時，日本楤木葉片內(nèi)的可溶性糖含量達(dá)到最高，分別為對照組的153%、127%。隨后，可溶性糖含量隨重金屬濃度的增加而降低。

2.3 脯氨酸含量的變化

脯氨酸是調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓的一種重要物質(zhì)，脯氨酸含量的增加在一定程度上意味著對逆境脅迫的適應(yīng)性，因此脯氨酸含量常被用來衡量對逆境脅迫適應(yīng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。日本楤木在重金屬單一及復(fù)合脅迫下，葉片內(nèi)的脯氨酸含量變化如圖5、圖6所示。在重金屬Cd的脅迫下，日本楤木葉片內(nèi)脯氨酸含量在脅迫初期呈下降趨勢，當(dāng)土壤中Cd的濃度為0.25 mg/kg時，脯氨酸含量達(dá)到最低，為60.54 μg/g，隨著重金屬濃度的進(jìn)一步增加，脯氨酸含量逐漸增加，當(dāng)重金屬濃度達(dá)到10 mg/kg時，脯氨酸含量達(dá)到最高，比對照組高38%。在重金屬Pb脅迫初期，相比對照組脯氨酸含量變化不是很明顯。當(dāng)土壤中重金屬Pb濃度達(dá)到500 mg/kg時，脯氨酸含量開始增加，當(dāng)重金屬Pb濃度達(dá)到最大時，脯氨酸含量也達(dá)到最高，為對照組的158%。隨著重金屬Zn濃度的增加，日本楤木葉片內(nèi)脯氨酸含量也相應(yīng)增加，當(dāng)濃度達(dá)到最高時，脯氨酸含量也達(dá)到最高，為對照組的152%。在重金屬Cd和Zn復(fù)合脅迫下，脯氨酸含量的變化趨勢和單一重金屬Zn脅迫下的變化趨勢相同。當(dāng)重金屬Cd+Zn的濃度達(dá)到10 mg/kg+1 500 mg/kg 時，日本楤木葉片內(nèi)脯氨酸含量達(dá)到最大，為121.69 μg/g。復(fù)合重金屬Pb+Zn脅迫下脯氨酸含量的變化趨勢和復(fù)合重金屬Cd+Zn脅迫下的變化趨勢一樣，但是當(dāng)Pb+Zn的濃度在100 mg/kg+100 mg/kg(T1處理)、500 mg/kg+500 mg/kg(T2處理)時，日本楤木葉片內(nèi)脯氨酸的含量增長幅度較大。胡春霞等在水培試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，在重金屬Pb和Zn共同脅迫下，蒲公英中脯氨酸含量有明顯的提高[27]，本試驗(yàn)的變化趨勢與之一樣，故推測重金屬的脅迫可能促進(jìn)了脯氨酸的形成，從而降低了日本楤木葉片細(xì)胞的滲透勢來維持細(xì)胞的滲透平衡。

3 結(jié)論與討論

植物主要通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如可溶性蛋白質(zhì)、可溶性糖、脯氨酸等來調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的滲透平衡，間接保護(hù)那些參與新陳代謝的酶，從而增強(qiáng)植物對逆境脅迫的抵抗能力[28-30]。

可溶性蛋白質(zhì)是植物進(jìn)行新陳代謝和檢測生理狀態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[31]。在單一重金屬脅迫下，日本楤木葉片內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)含量均隨著重金屬濃度的增加先增加后減少，這與洪任遠(yuǎn)等的研究[32]類似，說明在脅迫初期，重金屬可能促進(jìn)了絡(luò)合蛋白的產(chǎn)生，從而降低重金屬對植物的毒害，這可能是植物抵抗重金屬毒害的一種解毒機(jī)制。但是蛋白質(zhì)含量的增加是有限的，隨著重金屬濃度的進(jìn)一步增加，加速了蛋白質(zhì)的分解，對合成系統(tǒng)造成了不可挽回的傷害，從而使可溶性蛋白質(zhì)含量下降[33]。然而，在重金屬復(fù)合脅迫下，植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)含量隨著重金屬濃度的增加而逐漸降低，可以推測出復(fù)合重金屬脅迫對蛋白質(zhì)的合成產(chǎn)生了抑制作用。

可溶性糖的提高有助于維持細(xì)胞的新陳代謝，從而提高植物的抗逆境脅迫能力[31]。在重金屬單一及復(fù)合脅迫下，日本楤木內(nèi)的可溶性糖含量隨著重金屬濃度的增加先增加后減少，可能是因?yàn)樵谥亟饘倜{迫初期，由于碳水化合物積累，促進(jìn)淀粉水解，導(dǎo)致可溶性糖含量增加，從而維持細(xì)胞的滲透平衡。然而，隨著重金屬濃度的進(jìn)一步增加，由于水分的缺失，使得葉綠體和類囊體的結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，從而使光合速率受到抑制，光合作用產(chǎn)物減少，因此日本楤木葉片內(nèi)可溶性糖含量降低[34]。在復(fù)合重金屬Pb+Zn的污染下，日本楤木可溶性糖含量要高于相應(yīng)的單一重金屬脅迫下的含量，可能是因?yàn)閺?fù)合重金屬更有利于維持日本楤木葉片內(nèi)細(xì)胞的滲透平衡，還可以推測出重金屬Pb+Zn表現(xiàn)為協(xié)同作用，這與郭曉音研究的復(fù)合重金屬脅迫下，秋茄葉片內(nèi)可溶性糖含量降低，重金屬元素之間表現(xiàn)為拮抗作用這一結(jié)果[9]相反。

脯氨酸是植物體內(nèi)具有親和性的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物抵抗逆境脅迫中發(fā)揮著重要的作用[23-24]。除了單一重金屬Cd脅迫下，日本楤木內(nèi)脯氨酸含量均隨著Cd濃度的增加而增加，這可能是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)的合成速率減慢從而促進(jìn)了脯氨酸的合成，導(dǎo)致脯氨酸含量增加，也可能是因?yàn)橹亟饘偈垢彼嵫趸笢p少而使得脯氨酸的氧化分解減慢，脯氨酸含量增加[16-17，19]。還可以推測出復(fù)合重金屬脅迫下，脯氨酸含量仍然在體內(nèi)積累，故重金屬Pb+Zn、Cd+Zn之間表現(xiàn)為協(xié)同作用。在重金屬Cd脅迫下，隨著重金屬濃度的增加，脯氨酸含量先增加后減少，可能是因?yàn)橹参矬w內(nèi)脯氨酸含量的增長是有限的，當(dāng)植物體內(nèi)的重金屬Cd濃度過高時會對植物產(chǎn)生毒害作用。

綜上所述，在重金屬單一及復(fù)合脅迫下，日本楤木內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)都會得到一定的積累，并且發(fā)現(xiàn)重金屬Zn有助于促進(jìn)日本楤木葉片內(nèi)脯氨酸的積累，但具體情況還需要進(jìn)一步研究。本研究為日本楤木的后續(xù)使用提供了較全面系統(tǒng)的參考。

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