田小霞，毛培春，郭 強(qiáng)，孟 林

(北京市農(nóng)林科學(xué)院北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心，北京 100097)

【研究意義】鎘(Cd)生物毒性較強(qiáng)，不僅難以在土壤中降解[1]，而且易被植物根系吸收，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，影響人類的生命健康，已成為全球農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境中重要的問(wèn)題[2-4]。通過(guò)植物修復(fù)技術(shù)治理土壤重金屬不破壞土壤結(jié)構(gòu)，治理成本低，同時(shí)可改善土壤微環(huán)境，是近年來(lái)研究的熱點(diǎn)[5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】植物生長(zhǎng)在低Cd濃度下不受影響，但在高Cd濃度下，會(huì)抑制植物根的生長(zhǎng)和細(xì)胞分裂，其中，植物根系的生長(zhǎng)情況和活力首先受到鎘污染的毒害，干擾植物對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素和水分的吸收、運(yùn)輸和積累等過(guò)程，從而改變植物體內(nèi)的生理生化代謝過(guò)程[6-7]。目前，關(guān)于重金屬鎘對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究很多，但鎘脅迫下植物是如何通過(guò)影響根系活力和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素變化等過(guò)程對(duì)鎘進(jìn)行解毒的機(jī)理依然不清楚[8-9]。植物對(duì)鎘的解毒機(jī)制可能會(huì)隨植物種類、植物生長(zhǎng)發(fā)育、鎘濃度和處理時(shí)間不同而改變，如黑麥草[10]、龍葵[11]、水稻[12]等在鎘脅迫下，植株中的營(yíng)養(yǎng)元素(Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等)的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配和代謝表現(xiàn)出很大的差異性。馬藺(IrislacteaPall.)是鳶尾科(Iridaceae)鳶尾屬 (Iris)多年生草本宿根植物，生物量大，栽培管理粗放，具有適應(yīng)性強(qiáng)，易繁殖[13]、抗寒、抗旱[14]、耐鹽堿[15]、病蟲害少等特點(diǎn)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】馬藺作為園林植物不進(jìn)入食物鏈，且對(duì)鎘有較強(qiáng)的富集能力，是治理和修復(fù)鎘污染土壤的備選植物之一[16-17]?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】但鎘脅迫下馬藺根系活力和營(yíng)養(yǎng)元素含量變化還需進(jìn)一步研究，本研究采用水培法，對(duì)馬藺幼苗進(jìn)行不同鎘濃度處理，通過(guò)分析馬藺根系活力及對(duì)Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等6種元素的吸收和積累特性，以期為合理調(diào)控污染土壤中礦質(zhì)元素的含量，提高馬藺對(duì)鎘污染土壤的修復(fù)效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料培養(yǎng)及試驗(yàn)處理

供試材料馬藺栽培于北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心種質(zhì)圃，種子為無(wú)性繁殖群體自然結(jié)實(shí)的種子。馬藺種子用40 ℃溫水浸泡48 h，撒播于裝有基質(zhì)(壤土∶草炭=3∶1)的營(yíng)養(yǎng)缽(8 cm×8 cm)中育苗，待苗高約10 cm時(shí)選取長(zhǎng)勢(shì)一致幼苗，用去離子水漂去根系上的土，移入黑色培養(yǎng)盒(20 cm×10 cm×7 cm)中，于光照培養(yǎng)箱(寧波江南儀器廠)中培養(yǎng)，培養(yǎng)條件：光周期16 h(晝)/8 h(夜)，光強(qiáng)約3000 lx，相對(duì)濕度為60 %～80 %。采用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，每4 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液。培養(yǎng)16 d后，開始進(jìn)行鎘脅迫處理，以CdCl2·2.5H2O(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)形態(tài)加入，根據(jù)我們前期的研究結(jié)果，共設(shè)6個(gè)處理水平[18]，即CK(完全營(yíng)養(yǎng)液)，10， 25， 50， 100， 150 mg·L-1。每處理3次重復(fù)，每重復(fù)24株幼苗，每3 d更換一次營(yíng)養(yǎng)液。分別在第0、2、7、12天測(cè)定根系活力。鎘脅迫處理12 d后收獲取樣，分為地上部和根系，置于烘箱105 ℃下殺青15 min，80 ℃下烘干至完全干燥，測(cè)定植株鎘及各礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素含量。

1.2 測(cè)定方法及數(shù)據(jù)處理

根系活力測(cè)定采用 TTC法[19]，植物Cd、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量采用HNO3∶HClO4=4∶1(V∶V)混合酸消解至無(wú)色透明，原子吸收分光光度計(jì)(島津 AA-6300C)測(cè)定。

轉(zhuǎn)移系數(shù)(translocation factor，TF)=地上部(葉)元素含量/地下部(根)元素含量[20]。數(shù)據(jù)用Excel 2010進(jìn)行處理，用 Origin 8.5 制圖，利用SPSS19.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對(duì)馬藺根系活力的影響

根系是植物吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和水分的主要器官，重金屬對(duì)植物的毒害首先在根系上表現(xiàn)出來(lái)。根系活力的大小直接影響馬藺對(duì)鎘的吸收。從圖1可以看出，隨著脅迫時(shí)間的增加，10～50 mg·L-1Cd處理下，根系活力呈先升后降趨勢(shì)；在100、150 mg·L-1Cd濃度處理下，根系活力呈逐漸下降趨勢(shì)；對(duì)照CK的根系活力呈逐漸增加趨勢(shì)。10 mg·L-1Cd脅迫濃度下，處理第7天達(dá)到了峰值，比對(duì)照高出78.23 %；25、50 mg·L-1Cd脅迫濃度下，處理第2天達(dá)到峰值，分別比對(duì)照高101.16 %、104.34 %；處理第12天時(shí)，10和25 mg·L-1Cd處理下的根系活力與CK相比較無(wú)顯著差異，而其他濃度與CK相比較差異顯著，其中高濃度100、150 mg·L-1Cd處理根系活力比對(duì)照降低了94.41 %、95.73 %。

不同小寫字母表示同一濃度不同采樣時(shí)間差異顯著(P<0.05)

不同小寫字母表示不同濃度之間差異顯著(P<0.05)

2.2 鎘脅迫對(duì)馬藺6種營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響

由圖2A可知，隨鎘濃度增加，葉片中Ca含量呈先升后降趨勢(shì)，且Cd處理下葉片中Ca含量均高于對(duì)照，分別比對(duì)照高出10.71 %、8.5 %、5.87 %、0.76 %和0.39 %；隨鎘處理濃度增加，根系中Ca含量呈逐漸下降趨勢(shì)，但Cd處理下根系中Ca含量與對(duì)照相比均無(wú)顯著性差異。由圖2B可知，馬藺葉片和根系中的Mg含量隨Cd處理濃度增加呈先降后升趨勢(shì)，但Cd處理下Mg含量與對(duì)照相比較無(wú)顯著差異。

由圖2C可知，葉片和根系中的Fe含量隨Cd處理濃度增加呈逐漸增加趨勢(shì)，且均與對(duì)照呈顯著差異(P<0.05)，說(shuō)明鎘處理增加了Fe吸收量。由圖2(D)可知，葉片中Mn含量隨Cd處理濃度增加先升后降趨勢(shì)，在10 mg·L-1Cd濃度下Mn含量比對(duì)照增加了3.17 %，與對(duì)照相比較無(wú)顯著差異，其他鎘濃度下葉片Mn含量均低于對(duì)照；根系中Mn含量總體呈逐漸增加趨勢(shì)，且在鎘處理下均與對(duì)照呈顯著差異(P<0.05)，說(shuō)明鎘抑制Mn從根部轉(zhuǎn)移至地上部。葉片中Cu含量呈先降后升趨勢(shì)，根系中含量呈逐漸上升趨勢(shì)(圖2E)。對(duì)Zn而言，葉片中含量呈逐漸下降趨勢(shì)，根系中含量呈先升后降趨勢(shì)(圖2F),與對(duì)照相比較，Cd處理下根系中Zn含量均顯著高于對(duì)照。

圖3 不同鎘濃度對(duì)馬藺營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)移能力的影響

2.3 鎘脅迫對(duì)馬藺6種營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)移能力的影響

由圖3可知，Ca轉(zhuǎn)移系數(shù)隨Cd處理濃度增加整體呈增加趨勢(shì)，10 mg·L-1低鎘濃度處理下Ca轉(zhuǎn)移系數(shù)高于對(duì)照，其他Cd濃度下低于對(duì)照，但值均大于1。Mg轉(zhuǎn)移系數(shù)隨Cd處理濃度增加呈先升后降趨勢(shì)，且在Cd處理和對(duì)照下轉(zhuǎn)移系數(shù)均大于1。鎘處理下Mn、Zn、Cu 3種營(yíng)養(yǎng)元素轉(zhuǎn)移系數(shù)低于對(duì)照，高濃度150 mg·L-1處理下3種元素轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著低于對(duì)照；鎘處理下Fe轉(zhuǎn)移系數(shù)與對(duì)照相比較無(wú)顯著差異。

2.4 馬藺鎘含量及其與其他營(yíng)養(yǎng)元素含量的相關(guān)性

由圖4可知，馬藺地上部和根系Cd含量隨Cd處理濃度增加而呈上升趨勢(shì)。不同Cd濃度處理下，馬藺體內(nèi)Cd含量分布特征基本相同，均表現(xiàn)為根系大于地上部，且在不同Cd濃度下，葉片和根系中Cd含量之間顯著差異(P<0.05)。在Cd處理濃度下，根系體內(nèi)Cd含量的范圍達(dá)到829.39～8944.54 mg·kg-1，地上部Cd含量范圍達(dá)到了200.60～519.76 mg·kg-1，雖然大部分Cd積累在根系，但地上部Cd含量遠(yuǎn)大于100 mg·kg-1，達(dá)到了Cd超富集植物的臨界含量標(biāo)準(zhǔn)。

由表1～2 可以看出，馬藺地上部Cd 含量與Ca、Cu、Zn、Mg、Mn等含量呈負(fù)相關(guān)，其中與Mn含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與Fe含量呈顯著正相關(guān)；馬藺根系Cd含量與Ca含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Cu和Fe含量呈極顯著正相關(guān)，與Zn、Mg、Mn呈不顯著正相關(guān)。

圖4 不同鎘處理對(duì)馬藺根系和葉片中鎘含量的影響

表1 馬藺地上部鎘與營(yíng)養(yǎng)元素含量的相關(guān)性分析

注：*P<0.05；**P<0.01，下同。

表2 馬藺根系鎘與營(yíng)養(yǎng)元素含量的相關(guān)性分析

3 討 論

根系在重金屬脅迫中最先感知到重金屬鎘等有毒物質(zhì)，在植物對(duì)重金屬脅迫的響應(yīng)過(guò)程中起關(guān)鍵作用，當(dāng)根系感受到環(huán)境中重金屬有毒元素后根據(jù)脅迫狀況做出適應(yīng)性反應(yīng)，保持較高的根系活力是植物耐重金屬能力強(qiáng)的表現(xiàn)[21]。根系活力在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中直接影響植株個(gè)體的生長(zhǎng)情況、營(yíng)養(yǎng)水平等。本研究結(jié)果表明，10～50 mg·L-1Cd處理下馬藺根系活力隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈先升后降趨勢(shì)，在處理第7d時(shí)達(dá)到最高值，說(shuō)明短時(shí)間內(nèi)10～50 mg·L-1Cd處理能夠刺激根系組織代謝水平的提高，使得馬藺根系活力大大提高，以適應(yīng)外界的重金屬環(huán)境；長(zhǎng)時(shí)間的10～50 mg·L-1Cd 脅迫，使馬藺根系活力顯著降低，說(shuō)明隨處理時(shí)間延長(zhǎng)，較低濃度Cd脅迫也表現(xiàn)出對(duì)根系代謝的抑制作用。當(dāng)Cd質(zhì)量濃度升高至100和150 mg·L-1時(shí)，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，馬藺根系活力呈顯著下降趨勢(shì)，處理12 d后根系活力比對(duì)照分別降低了94.41 %、95.73 %，這可能是高濃度Cd處理下，馬藺根系細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量的活性氧自由基，增大了細(xì)胞膜透性，細(xì)胞受損，根系活力下降，使得根系的生長(zhǎng)受到明顯抑制，甚至造成了毒害。

礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素能夠直接或間接影響植物不同器官中鎘積累，在植物忍耐鎘毒害方面發(fā)揮著重要的作用[22]。Ca是植物生長(zhǎng)必需的中量礦質(zhì)元素之一，主要以果膠酸鈣形式存在，可維持植物細(xì)胞壁和細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。本研究數(shù)據(jù)顯示，隨著鎘處理濃度增加，馬藺葉片中Ca含量均高于對(duì)照，10、25 mg·L-1Cd處理下顯著高于對(duì)照(P<0.05)，其他濃度處理下差異不顯著；根系中Ca含量雖低于對(duì)照，但與對(duì)照差異不顯著(P<0.05)。隨著鎘處理濃度的增加，馬藺葉片中Ca含量增加，能抑制蛋白中鈣離子被鎘離子替代，利于增加細(xì)胞壁的厚度和穩(wěn)定性，增強(qiáng)細(xì)胞壁對(duì)鎘的區(qū)隔化作用，較好地緩解鎘毒害，這可能是馬藺為保障正常生命活動(dòng)產(chǎn)生的耐受機(jī)制，這與張晗芝等[23]對(duì)鎘脅迫下蓖麻對(duì)鎘及礦質(zhì)元素的積累研究結(jié)果一致。周衛(wèi)等[24-25]也研究表明根部加入外源鈣可提高玉米鈣含量。Mg在植物生理作用中有著不可替代的重要地位，Mg 參與葉綠素的形成，在植物光合電子傳遞鏈中起重要作用。在Cd處理下，馬藺根系和葉片中Mg含量均低于對(duì)照，Cd處理抑制了馬藺對(duì)Mg的吸收，這與徐勤松等[26]的研究結(jié)果一致。

Fe在植物葉綠素合成、細(xì)胞內(nèi)的氧化還原反應(yīng)中起重要作用[27]。本試驗(yàn)結(jié)果表明, 各處理組根系和葉片中Fe含量均高于對(duì)照，這是因?yàn)殡SCd處理濃度增加，馬藺為緩解鎘污染帶來(lái)的毒害，而增加植物體內(nèi)的Fe含量。黃益宗等[27]研究表明，鎘脅迫下供給植物足夠的鐵有利于植物合成更多葉綠素，促進(jìn)植物光合作用，從而緩解植物受到鎘的毒害，本研究與黃益宗等的研究結(jié)果一致。翁南燕等[28]研究表明，Cu-Cd 復(fù)合脅迫顯著地促進(jìn)了小麥幼苗對(duì)Fe 的吸收。徐勤松等[26]研究表明鎘處理下Fe更易于被植物吸收，是由于Cd與EDTA絡(luò)合的穩(wěn)定性高于Fe與EDTA絡(luò)合的穩(wěn)定性，但這不能解釋無(wú)EDTA情況礦質(zhì)元素含量增加的現(xiàn)象。Liu[29]等研究表明，水稻在鎘脅迫下，Mn積累與水稻生育期和組織有關(guān)。Chen等[30]研究發(fā)現(xiàn)，隨鎘處理濃度增加，大麥品種中錳的積累呈增加趨勢(shì)，Mn積累和鎘吸收呈協(xié)同作用。張晗芝等[23]研究表明，鎘脅迫下蓖麻Mn的積累和鎘吸收呈協(xié)同作用。本研究表明，馬藺葉片中Mn含量隨Cd濃度增加呈先升后降趨勢(shì)，與鎘吸收呈不顯著負(fù)相關(guān)，根系中錳含量與鎘吸收呈不顯著正相關(guān)。低濃度Cd處理下Mn含量升高，可能是因?yàn)镸n為了保障葉綠素合成和調(diào)節(jié)一些酶活性以減少鎘脅迫引起的氧化損傷。郭智等[11]研究表明，隨鎘濃度提高，龍葵葉片中Cu積累量先降后升，根系Cu積累量呈增加趨勢(shì)。李君等[31]研究發(fā)現(xiàn)，蓖麻植株中Cu含量隨鎘濃度增加表現(xiàn)為低促高抑。本試驗(yàn)條件下，隨鎘處理濃度增加，馬藺地上部Cu表現(xiàn)為先降后升趨勢(shì)，根系中呈逐漸上升趨勢(shì)，與郭智[11]對(duì)龍葵的研究結(jié)果一致。說(shuō)明低鎘濃度條件下，鎘阻止了Cu從根系運(yùn)輸?shù)降厣喜俊n參與葉綠素和生長(zhǎng)素的合成，同時(shí)是許多酶的組成部分，且Cd和Zn屬同族元素，存在競(jìng)爭(zhēng)位點(diǎn)，兩者間可能發(fā)生交互作用。Zhang 等[32]研究發(fā)現(xiàn)，鎘脅迫影響了不同小麥品種、植株組織對(duì)鋅的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)。張晗芝等[23]研究表明，隨土壤中鎘脅迫濃度的增加，蓖麻莖和葉中鋅含量顯著減少。Küppe等[33]認(rèn)為隨鎘處理濃度增加鋅含量減少可能是鎘通過(guò)鋅轉(zhuǎn)運(yùn)通道進(jìn)入細(xì)胞。本研究發(fā)現(xiàn)，隨鎘處理濃度增加，馬藺根系中的鋅含量顯著高于對(duì)照，但地上部Zn含量則顯著低于對(duì)照，表明鎘阻止了Zn從根系運(yùn)輸?shù)降厣喜俊?/p>

植物中營(yíng)養(yǎng)元素積累與鎘吸收緊密相關(guān)，但是沒(méi)有同一定論。孫建云等[34]報(bào)道鎘脅迫下甘藍(lán)中營(yíng)養(yǎng)元素Mg和Fe的轉(zhuǎn)移系數(shù)顯著低于對(duì)照，鎘脅迫限制了Mg和Fe從根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)。劉媛等[19]研究表明，秋華柳在鎘脅迫處理下Ca、Mg、Mn和Zn轉(zhuǎn)移系數(shù)均高于對(duì)照，而Fe轉(zhuǎn)移系數(shù)與對(duì)照無(wú)顯著差異。本研究中，馬藺在鎘處理下， Mn、Zn、Cu的轉(zhuǎn)移系數(shù)均低于對(duì)照，在150 mg·L-1處理下與對(duì)照差異顯著；Ca、Mg轉(zhuǎn)移系數(shù)呈先升后降趨勢(shì)，在10 mg·L-1時(shí)轉(zhuǎn)移系數(shù)最高，可能是馬藺為了促進(jìn)鎘脅迫引起的地上部葉綠素的合成，保證其光合作用順利進(jìn)行，這與10 mg·L-1處理下馬藺生長(zhǎng)狀況較好的觀察結(jié)果一致。鎘處理下Fe轉(zhuǎn)移系數(shù)與對(duì)照無(wú)顯著差異，可能是因?yàn)楦縁e積累量隨鎘脅迫顯著高于對(duì)照的情況下，地上部Fe含量也在增加，導(dǎo)致Fe轉(zhuǎn)移系數(shù)與對(duì)照無(wú)顯著差異。本研究鎘脅迫處理下，馬藺根系鎘含量可達(dá)到829.39～8944.54 mg·kg-1，地上部鎘含量達(dá)到200.60～519.76 mg·kg-1，馬藺具有將重金屬鎘截留于根系以減少鎘從根系轉(zhuǎn)移到地上部的能力，可見，根系截留Cd是馬藺對(duì)重金屬鎘脅迫的重要耐性機(jī)制之一，然而這也影響了馬藺植株中營(yíng)養(yǎng)元素的吸收與轉(zhuǎn)移。

本研究相關(guān)分析結(jié)果表明，馬藺地上部鐵含量和鎘含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系；而鈣、銅、鋅、鎂和錳含量與鎘含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。表明鐵的積累與鎘吸收是協(xié)同作用，而鈣、銅、鋅、鎂、錳的吸收和鎘吸收是拮抗作用。馬藺根系鈣的吸收和鎘吸收呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，銅、鋅、鎂、鐵、錳吸收和鎘吸收呈正相關(guān)關(guān)系，其中銅和鐵的吸收與鎘吸收呈極顯著正相關(guān)。馬藺作為鎘超富集植物，根系中營(yíng)養(yǎng)元素含量和鎘吸收呈正相關(guān)，表明根系中營(yíng)養(yǎng)元素的吸收受重金屬鎘的影響較小，這與Ali等[35]對(duì)耐性植物蘆葦?shù)难芯拷Y(jié)果一致。Zhang 等[32]研究發(fā)現(xiàn)不同的小麥品種、不同的植株組織影響鎘對(duì)鐵、鋅、銅、鈣和鎂的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)。而劉媛等[19]研究表明秋華柳在鎘脅迫處理下根部鈣、鎂、錳、鋅和鐵5種營(yíng)養(yǎng)元素與鎘積累量呈顯著負(fù)相關(guān)，與本研究的結(jié)果存在一定的差異性。因此，鎘脅迫對(duì)植物營(yíng)養(yǎng)元素吸收是抑制或者是促進(jìn)，很可能受植物的種類、品種和鎘濃度等的影響。

4 結(jié) 論

馬藺在鎘濃度小于等于50 mg·L-1處理下，根系活力隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)呈先升后降趨勢(shì)適應(yīng)重金屬鎘脅迫，以保證馬藺植株的正常生長(zhǎng)。隨著鎘處理濃度的增加，馬藺地上部Mg、Mn、Cu和Zn含量呈顯著降低趨勢(shì)，Ca和Fe含量呈增加趨勢(shì)；根系中的Fe、Mn、Cu、Zn含量呈逐漸增加趨勢(shì)，Ca和Mg含量呈逐漸下降趨勢(shì)。地上部Fe含量和Cd含量呈顯著正相關(guān)，Ca、Cu、Zn、Mg、Mn含量和Cd含量呈不顯著負(fù)相關(guān)；馬藺根系Cu、Zn、Mg、Fe、Mn含量和Cd含量呈正相關(guān)，Ca含量和Cd含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。根系中礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收受重金屬鎘的影響較小，根系鎘含量可達(dá)到829.39～8944.54 mg·kg-1，地上部鎘含量可達(dá)到200.60～519.76 mg·kg-1，因此，馬藺具有較強(qiáng)的耐鎘能力，可作為修復(fù)鎘污染區(qū)(濃度≤50 mg·L-1)的備選修復(fù)植物。