廖 潔，何 潔，莫磊興，王天順，蔣文艷

(廣西農業(yè)科學院農產品質量安全與檢測技術研究所，廣西 南寧 530007)

【研究意義】重金屬污染土壤中的污染元素可通過農作物根的吸收運輸?shù)狡淇墒秤貌糠郑涍^食物鏈傳遞，最終影響人體健康[1-2]。鎘(Cd)并不是植物生命活動的必需元素，但容易被植物吸收、運輸和累積，其通過傷害光合作用、呼吸作用和營養(yǎng)代謝等抑制植物生長，甚至導致植物死亡[3]。重金屬污染下一些氨基酸含量的變化對植物重金屬抗性有重要生理意義[4]。甘蔗是中國第一大糖料作物，也是世界上食糖生產的最主要原料，甘蔗對Cd脅迫具有較強的抗性和積累能力，探討Cd在甘蔗體內的蓄積及其對甘蔗游離氨基酸含量的影響，對甘蔗耐受 Cd 脅迫機制及甘蔗進行土壤Cd污染修復提供依據(jù)?！厩叭搜芯窟M展】相關研究發(fā)現(xiàn)，Cd在植物中的吸收和積累會引起一系列形態(tài)、生理和生物化學特性的變化[5]，植物在受到重金屬脅迫時，體內能夠合成一系列濃度為毫摩爾級的代謝物，尤其是氨基酸類物質，如脯氨酸(Pro)和組氨酸(His)等，因此，氮代謝是植物對重金屬脅迫的主要反應[6]，而氨基酸的變化情況可以反映出其體內氮代謝的情況。楊居榮和蔣婉茹[7]研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下小麥體內氨基酸發(fā)生了變化；孫秀梅等[5]研究發(fā)現(xiàn)，Cd脅迫下擬南芥中檢測到的大部分氨基酸類化合物發(fā)生變化，李元等[8]通過大田模擬試驗研究發(fā)現(xiàn)Cd污染導致蛋白水解，氨基酸含量增加?！颈狙芯壳腥朦c】甘蔗耐Cu、Cd及Se等金屬脅迫的能力較強，是一種很有潛力的土壤修復作物[9]，然而，關于Cd等重金屬的脅迫對甘蔗游離氨基酸含量的影響的研究報道較少?！緮M解決的關鍵問題】通過研究不同外源高濃度Cd污染下甘蔗體內Cd的吸收、游離氨基酸含量的變化及各變化間的相互聯(lián)系，對Cd的毒理進行探討和分析，為進一步研究甘蔗Cd脅迫耐受機制及其對污染土壤的修復提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 試驗材料 供試土壤于2016年3月16日采集于廣西農業(yè)科學院試驗田，pH 5.2，有機質含量 13.0 g/kg，水解性氮 78.4 mg/kg，有效磷 102.0 mg/kg，速效鉀 90.0 mg/kg。供試甘蔗品種為新臺糖22號。

1.1.2 儀器設備 電子天平(A&D Company，Limited)；pH計(上海精密科學儀器有限公司產)；高速冷凍離心機(德國SIGMA公司產)；PinAAcle 900T原子吸收光譜儀(美國Perkin Elmer公司產)；S433D氨基酸分析儀(德國Sykam公司產)。

1.2 試驗方法

采用桶栽試驗(膠桶高34 cm，口徑32 cm，在桶邊開4個對稱的排水小孔)，每桶裝磚紅壤土20 kg，重金屬Cd采用氯化鎘[Cd(Cl)2·2.5H2O]添加濃度(以純Cd計)分別為0、25、50和100 mg/ kg，其相對應的處理分別表示為CK(對照)、Cd 25、Cd 50和Cd 100。隨機區(qū)組設計，3次重復，共計15桶。甘蔗按常規(guī)方式種植，于2016年4月初將母種甘蔗按芽分節(jié)，每個蔗節(jié)有一個芽，每盆種植3個蔗節(jié)。自處理后，施用復合肥料5 g，在拔節(jié)期再補施5 g復合肥，同時根據(jù)天氣狀況，不定期澆等量的水，為了防止Cd污染物滲漏損失，在盆下放置塑料托盤并將Cd滲漏液倒回盆中。于2017年1月5日收獲。在甘蔗成熟期取植物樣品測定Cd以及蔗汁游離氨基酸含量。

1.3 測定項目及方法

甘蔗成熟收獲時，將地上部莖和葉分開收獲，對于每桶收獲的葉片和部分蔗莖經處理用于重金屬Cd的測定，另一部分蔗莖用于榨汁過濾測定游離氨基酸。

甘蔗重金屬Cd測定方法：甘蔗的莖和葉經105 ℃殺青，70 ℃下烘干至恒重，測定各樣品的干重。烘干的樣品粉碎過20目篩，取0.2 g左右的樣品，采用采用國家標準GB 5009.15-2014[10]微波消解法測定，甘蔗樣品經硝酸和過氧化氫消解后利用原子吸收分光光度法測定甘蔗Cd總量。

游離氨基酸的測定：用干凈的布將甘蔗表面的灰塵及雜質擦掉，壓榨過濾。取1 mL甘蔗汁，加入10 mL 80 %乙醇，混勻，靜置5 min，10 000 r/min離心10 min，取上清液過0.22 μm微孔濾膜，經全自動氨基酸分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有指標的檢測數(shù)據(jù)均重復3次，采用Excel 2016和SPSS 22.0 進行平均值和標準差的運算，LSD法顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 Cd污染對甘蔗生長的影響

土壤中Cd污染對蔗芽破土產生了明顯的抑制作用，Cd 100和Cd 25處理的蔗芽破土時間比對照晚一些，且其抑制作用隨著土壤中Cd濃度的增加而增大。Cd 25和Cd 50處理的甘蔗生長正常，葉片保持鮮綠，但是葉尖較對照稍黃，Cd 100處理生長受到明顯抑制，蔗苗長勢較短小，甘蔗呈現(xiàn)重金屬毒害癥狀，具體表現(xiàn)為葉片黃化、邊緣卷曲、植株矮小和莖節(jié)短小，可見毒害程度隨著莖葉Cd含量增加而加深。

2.2 Cd在甘蔗體內各器官中的含量

從表1可知，甘蔗莖和葉的Cd含量隨著土壤中Cd濃度的增加而增加；除了Cd 25 處理下甘蔗葉含量比甘蔗莖略高，其他濃度下甘蔗不同部位Cd含量大小表現(xiàn)為：甘蔗莖>甘蔗葉。3個施Cd處理的甘蔗莖中Cd的含量顯著高于CK，各處理甘蔗莖和葉中Cd含量的高低順序依次是：Cd 100>Cd 50>Cd 25>CK，隨著Cd濃度的不斷增加，甘蔗植株莖葉的Cd含量均顯著增加，莖葉受到毒害不斷加重，嚴重影響其生長發(fā)育。將甘蔗莖及甘蔗葉Cd含量與Cd脅迫濃度做雙變量相關性分析，它們的相關系數(shù)分別為0.911**(**代表P<0.01，下同)和0.913**，說明甘蔗莖和葉Cd含量與Cd脅迫濃度均呈極顯著正相關。

表1不同Cd濃度處理下甘蔗莖和葉Cd含量
Table 1 The Cd content in sugarcane stems and sugarcane leaves under different treatments

Cd處理Cdtreatment甘蔗莖(mg/kg)Sugarcanestems甘蔗葉(mg/kg)Sugarcaneleaves00 067±0 02c0±0 00c252 2±0 44c2 67±0 82b509 6±0 36b6 64±1 52b100103 3±6 7a65 30±4 6a

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差，同列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達顯著性水平(P<0.05)。
Note:Data mean ± SD. Different lower case letters in the same column indicate significant at 0.05 level.

2.3 Cd對甘蔗汁游離氨基酸種類與含量的影響

用氨基酸全自動分析儀測定不同Cd濃度處理下對常見的17種游離氨基酸的影響，結果見表2。在對照處理中，甘蔗汁中17種游離氨基酸的種類齊全，1000 mL蔗汁中含游離氨基酸3480 mg。不同種類氨基酸含量有較大的差異，其中絲氨酸(Ser)含量最高，為2.904 mg/mL，半胱氨酸(Cys)含量最低，為0.004 mg/mL，不同濃度的Cd處理均不改變甘蔗汁中氨基酸的種類組成，但對其含量產生了影響。

由表2可知，Cd脅迫改變了甘蔗汁中游離氨基酸含量，甘蔗汁游離氨基酸總含量在Cd 25處理下降低，但是隨Cd處理濃度增加而增大，在 Cd 50下比對照增加了32.50 %，Cd 100處理下，總氨基酸含量顯著增加，比對照增加了139.20 %。但各種游離氨基酸含量變化的趨勢存在一定的差異，其中精氨酸(Arg)、亮氨酸(Leu)及賴氨酸(Lys)含量隨Cd處理濃度增加而增加，Cd 100處理下顯著增加，增幅分別達1700.00 %、333.33 %及827.30 %；在 Cd 25處理下，蘇氨酸(Thr)、絲氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、纈氨酸(Val)、蛋氨酸(Met)、異亮氨酸(Ile)、酪氨酸(Tyr)及組氨酸(His)含量有所降低，而后在 Cd 50處理下含量升高，Cd 100時大部分氨基酸含量顯著增加；丙氨酸(Ala)、半胱氨酸(Cys)及苯丙氨酸(Phe)在 Cd 25和Cd 50脅迫下，氨基酸含量比對照有所下降，在 Cd 100時升高；脯氨酸(Pro)含量隨著Cd脅迫濃度的增加而降低，在Cd 100脅迫下有所升高，但是仍比對照低33.30 %。

3 討 論

(1)Cd脅迫使得甘蔗地上部莖葉的Cd含量顯著增加。本研究在分析Cd脅迫對甘蔗莖葉的影響時發(fā)現(xiàn)甘蔗不同器官受Cd脅迫的影響存在差異，除了Cd濃度為25 mg/kg的處理下甘蔗葉含量比甘蔗莖略高之外，其他濃度處理下甘蔗不同器官Cd含量均表現(xiàn)為甘蔗莖>甘蔗葉，莖部受Cd脅迫影響較大，表明甘蔗不同器官受Cd脅迫影響是存在差異的。

表2 不同Cd處理下甘蔗汁中游離氨基酸的含量Table 2 Content of 17 free amino acids in sugarcane juice in different Cd groups (mg/mL)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標準差，同行數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達顯著性水平(P<0.05)。
Note:Data are mean ± SD. Different lowercase letters in the same line indicate significant at 0.05 level.

(2)本研究發(fā)現(xiàn)甘蔗中不同種類氨基酸含量有較大差異，其中Ser含量最高，這與黃艷等[11]研究的常見果蔬中游離氨基酸含量的測定研究中甘蔗汁中Ser含量最高結果是一致的。不同濃度的Cd處理均不改變甘蔗汁中氨基酸的種類組成，但對其含量產生了影響。本研究發(fā)現(xiàn)Arg、Leu、Lys、Phe、Asp、Glu、Gly、His、Lie、Met及Cys等氨基酸在Cd脅迫下會在甘蔗組織中積累。相關研究表明，植物體內游離氨基酸中的羧基、氨基、巰基和酚基等功能團能與金屬離子結合，形成穩(wěn)定的螯合物，對有毒重金屬具有鈍化和解毒作用；游離氨基酸中的Pro、Glu和Cys還是植物螯合肽合成前體，而植物螯合肽被認為對植物重金屬耐性起重要作用[12-14]。本研究發(fā)現(xiàn)Pro含量在Cd濃度為25 mg/kg時先降低，而后隨著脅迫濃度的升高而增加，但是略低于對照樣品的濃度，這與程旺大等[15]研究發(fā)現(xiàn)幾個不同品種的水稻Pro受Cd脅迫呈抑制效應結果相近，孫秀梅[6]等研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫濃度為50 mg/kg時擬南芥Pro比對照低，當脅迫達到100 mg/kg時其含量是對照樣品的1.5倍多，與本研究結果有相似之處，與張金彪等[16]研究發(fā)現(xiàn)的Cd可引起小草莓體內游離Pro累積的結果不一致。程旺大等[15]研究發(fā)現(xiàn)Cd脅迫下水稻籽粒游離氨基酸含量的變化存在較大的基因型差異。結合前人研究結果及本研究結果，作物Pro含量的變化情況可能與作物種類及其基因型差異有關。

4 結 論

Cd脅迫下甘蔗莖葉中的Cd含量顯著增加，其生長發(fā)育受到嚴重影響。Cd脅迫可改變甘蔗體內游離氨基酸的含量，對甘蔗氮代謝造成嚴重影響。

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