李 蕾，張小樂(lè)，孫世中，賈昱靖，郭嘉航，唐光美，張福瓊，黃晶心，官會(huì)林

(云南師范大學(xué) 能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

隨著工業(yè)“三廢”排放量日益上升，污水灌溉導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬污染嚴(yán)重、土壤生產(chǎn)力下降[1]、農(nóng)產(chǎn)品污染等諸多問(wèn)題.據(jù)統(tǒng)計(jì)中國(guó)重金屬污染耕地約占16.67%[2].重金屬污染對(duì)植物體內(nèi)活性氧代謝系統(tǒng)有重要影響，進(jìn)而影響種子萌發(fā)[3]，植物生長(zhǎng)發(fā)育[4]；重金屬脅迫下植物葉綠素含量降低，抑制植物光合作用[5]，甚至造成線粒體受損，呼吸作用降低，植物細(xì)胞死亡[6]，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量下降.鉛、鎘是最常見(jiàn)的兩種土壤重金屬污染物.鉛進(jìn)入人體后將對(duì)消化系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)造成損害，尤其是兒童對(duì)鉛吸收率更高，易感性強(qiáng)[7].鎘由食物鏈進(jìn)入人體后主要貯存于腎和肝中，可造成腎臟、肝臟受損，長(zhǎng)期攝入將導(dǎo)致脊柱畸形、骨骼軟化、內(nèi)分泌失調(diào)等[8].目前全球人口在不斷增加，土壤重金屬污染加劇，可用耕地面積不斷減少[9].如何綜合利用受重金屬污染的耕地是目前亟待解決的問(wèn)題.

重金屬污染農(nóng)耕地的綜合利用方法包括重金屬原位鈍化、農(nóng)藝措施消減重金屬積累等[10]，其中利用抗性品種是一種重要方法.植物抗性是植物在不同環(huán)境條件下演化而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了不同類型和不同程度的適應(yīng)的結(jié)果[11].在重金屬污染的農(nóng)耕地上種植具有重金屬抗性的品種，能有效降低重金屬對(duì)植物的影響.研究不同基因型小麥對(duì)硒、鉛和鎘脅迫的響應(yīng)差異中發(fā)現(xiàn)，抗性品種的產(chǎn)量和千粒重均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)敏感品種，且其體內(nèi)重金屬含量并未超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12].因此，在全國(guó)耕地重金屬污染背景下，抗性品種應(yīng)用是一種經(jīng)濟(jì)有效且不危害人類健康的措施[13].

大量研究表明重金屬通常積累在植物細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)中[14]，在脂肪細(xì)胞中積累較少[15]，油料作物不易重金屬超標(biāo)，超標(biāo)的油料作物也還能通過(guò)制作燃料柴油、航空煤油等被利用.這使得油料作物在重金屬污染耕地綜合應(yīng)用中有著明顯的價(jià)值.花生（Arachis hypogaeaL.）是世界上種植面積最多、產(chǎn)量最高、油品質(zhì)量較好的油料作物[16].目前人類培育的花生品種包括多個(gè)品系，研究發(fā)現(xiàn)不同基因型花生對(duì)鎘脅迫的響應(yīng)存在顯著性差異，具體表現(xiàn)在莖葉生物量、根系生物量、葉綠素含量、根系活力以及根分泌物含量的差異[17]；研究不同花生品種對(duì)鉻的吸收差異及調(diào)控措施發(fā)現(xiàn)，來(lái)自不同地域347 個(gè)品種對(duì)重金屬的富集能力差異較大[18]；在對(duì)不同濃度鎘污染下多個(gè)花生品種籽粒鎘含量的研究中發(fā)現(xiàn)，花生籽粒重金屬含量均隨著土壤重金屬濃度的增加而增加，且不同品種增長(zhǎng)趨勢(shì)不同[19].研究8 個(gè)花生品種對(duì)鉛、鎘吸收分配規(guī)律表明，其花生籽仁的鉛、鎘含量、富集與分配存在顯著差異，且不同花生品種對(duì)重金屬的富集特性是影響花生籽仁重金屬含量的主要原因[20]；研究鉛脅迫對(duì)花生生理特性的影響中發(fā)現(xiàn)，隨著鉛濃度升高，花生葉片葉綠素a、b 降低，細(xì)胞中活性氧積累[21].據(jù)此我們推測(cè)不同花生品種對(duì)重金屬污染物的抗性不同，而目前該方面的研究較少.

綜合上述背景，本文研究不同花生品種在重金屬脅迫下的生長(zhǎng)狀況、生理變化，以此來(lái)選擇重金屬耐性較高花生品種，適合在重金屬污染農(nóng)田中種植，為重金屬污染農(nóng)田的綜合利用提供一定的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料本研究使用的土壤為綠化用地土壤，經(jīng)測(cè)試未發(fā)現(xiàn)重金屬污染物超標(biāo)現(xiàn)象.選用中國(guó)目前廣泛種植、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較大的3 個(gè)花生品種：產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)的黑豐一號(hào)，綜合抗性高的紅花12 號(hào)，抗旱性較強(qiáng)的濰花八號(hào)進(jìn)行研究.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2019 年10―12 月在昆明市云南師范大學(xué)校區(qū)進(jìn)行.選取籽粒飽滿、大小一致的3 種花生種子，用0.1% HgCl2溶液消毒10 s，去離子水反復(fù)沖洗，均勻播在鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，每皿5 粒種子作為1 個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理含3次重復(fù).本試驗(yàn)共設(shè)置7 個(gè)處理組，包括空白對(duì)照組（CK），根據(jù)中國(guó)耕地表層土壤重金屬污染狀況[22]設(shè)置鉛、鎘污染處理.其中鉛的質(zhì)量濃度梯度為5、10、20 mg·L?1，鎘的質(zhì)量濃度梯度為1、5、10 mg·L?1，每個(gè)處理添加重金屬溶液10 mL 使種子萌發(fā)，CK組添加等量去離子水.25 ℃恒溫培養(yǎng)15 d 后計(jì)算萌發(fā)率.

將備用土壤混勻過(guò)5 目篩（孔徑4 mm），而后分裝至63 個(gè)上口外徑11 cm，高10 cm 的塑料盆缽中，每盆裝土290 g.分別添加鉛溶液使土壤中鉛質(zhì)量比分別達(dá)到5、10、20 mg·kg?1；添加鎘溶液使土壤中鎘質(zhì)量比分別達(dá)到1、5、10 mg·kg?1；CK 組添加等量去離子水.在培養(yǎng)皿中以去離子水萌發(fā)150顆花生種子，各處理分別種植萌發(fā)狀況一致的花生幼苗，每盆種植5 株花生作為1 個(gè)重復(fù)，每個(gè)處理設(shè)置3 次重復(fù).將盆缽放入人工氣候箱中，設(shè)置為25 ℃，濕度為60%，光照度為1 000 lx，保證每天16 h的光照和8 h 的黑暗處理，2 d 澆水1 次，試驗(yàn)周期為1 個(gè)月.

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)及方法 當(dāng)胚根與種子等長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)度達(dá)到種子長(zhǎng)度一半時(shí)，認(rèn)定種子已萌發(fā).連續(xù)觀察各組花生萌發(fā)情況直至各品種CK 的發(fā)芽率不再變化，計(jì)算各品種在不同處理下的萌發(fā)率，萌發(fā)率=供試種子的發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù)×100%.葉綠素含量（單位：SPAD）的測(cè)定采用葉綠素儀SPAD?502 Plus（KONICA MINOLTA,Japan），在生長(zhǎng)中期測(cè)定每盆中5 株花生的第3 伸展葉的葉綠素，并求均值作為1 個(gè)重復(fù).種植1 月后收獲植物，使用游標(biāo)卡尺測(cè)量花生幼苗莖基直徑；用直尺由幼苗莖底部測(cè)量至最長(zhǎng)莖頂部為株高；用自來(lái)水沖洗幼苗根部土壤，晾干表面水分，測(cè)量其生物量；采集花生幼苗新鮮葉片，采用鄰苯三酚自氧化法測(cè)定超氧化物歧化酶(SOD)活性（U·mL?1）[23]；采用茚三酮顯色法測(cè)定脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)[24]；采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶(POD)活性（U·g?1·min?1）[25].

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表繪制，用R 軟件（版本號(hào)：3.6.2）通過(guò)單因素方法分析統(tǒng)計(jì)土壤中不同重金屬含量下不同品種的花生種子萌發(fā)率、葉綠素含量、莖基直徑、株高、生物量、超氧化物歧化酶活性、過(guò)氧化物酶活性和脯氨酸的差異.

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬對(duì)不同品種花生種子萌發(fā)率的影響由圖1 可見(jiàn)，在含不同質(zhì)量濃度鉛、鎘溶液處理下3 種花生種子萌發(fā)率存在顯著差異（P<0.05）.5、10、20 mg·L?1鉛質(zhì)量濃度下濰花八號(hào)的萌發(fā)率均高于另 外2 種花生品種.鎘質(zhì)量 濃度為1、5 mg·L?1時(shí)，濰花八號(hào)的萌發(fā)率顯著高于另外2 種品種.這說(shuō)明3 種花生中濰花八號(hào)種子的萌發(fā)對(duì)鉛污染（5、10、20 mg·L?1）和中低濃度的鎘污染（1、5 mg·L?1）有更高的抗性.

圖1 不同質(zhì)量濃度重金屬脅迫下花生萌發(fā)率Fig.1 Germination ratio of peanut under different concentrations of heavy metals

2.2 重金屬對(duì)不同品種花生幼苗生長(zhǎng)的影響由圖2 可見(jiàn)，在土壤中不同質(zhì)量比的鉛、鎘處理下不同花生品種株高呈顯著差異（P<0.05）.花生幼苗株高隨重金屬離子質(zhì)量比的升高而逐漸降低.5、10、20 mg·kg?1鉛質(zhì)量比下，濰花八號(hào)株高均為最高；1、5 mg·kg?1鎘質(zhì)量比下，濰花八號(hào)株高顯著高于另2 種花生.說(shuō)明3 種花生中濰花八號(hào)幼苗株高對(duì)鉛污染（5、10、20 mg·kg?1）、中低質(zhì)量比鎘污染（1、5 mg·kg?1）有更高抗性.不同質(zhì)量比鉛、鎘處理下3 個(gè)品種花生莖基直徑有顯著性差異（P<0.05）（圖2）.花生幼苗莖基直徑隨重金屬質(zhì)量比增加而減小.鉛質(zhì)量比0、5、10 mg·kg?1處理下，濰花八號(hào)莖基直徑顯著高于另2 種；鎘離子質(zhì)量比1、5、10 mg·kg?1處理下，濰花八號(hào)莖基直徑均高于另2 種.說(shuō)明3 個(gè)品種花生中濰花八號(hào)莖基直徑對(duì)鎘污染（1、5、10 mg·kg?1）及中、低質(zhì)量比鉛污染（5、10 mg·kg?1）更具抗性.不同鉛、鎘質(zhì)量比處理下不同品種花生幼苗生物量有顯著性差異（P<0.05）（圖2）.花生單株生物量隨重金屬質(zhì)量比升高而降低.5、10、20 mg·kg?1鉛質(zhì)量比，1、5、10 mg·kg?1鎘質(zhì)量比下濰花八號(hào)生物量均最高，說(shuō)明3 種花生品種中濰花八號(hào)幼苗生物量對(duì)鉛（5、10、20 mg·kg?1）、鎘（1、5、10 mg·kg?1）具有更高抗性.不同鉛、鎘質(zhì)量比處理下3 個(gè)品種花生葉片葉綠素有顯著性差異（P<0.05）（圖2）.花生葉綠素隨重金屬質(zhì)量比增加而降低.5、10、20 mg·kg?1鉛質(zhì)量比和1、5、10 mg·kg?1鎘質(zhì)量比處理下濰花八號(hào)幼苗葉綠素含量均高于另2 種花生.在此鉛、鎘質(zhì)量比下濰花八號(hào)幼苗葉綠素具有更高抗性.

圖2 不同處理下花生幼苗得的株高、莖基直徑、生物量、葉綠素含量Fig.2 Plant height,stem base diameter,single biomass and chlorophyll content of peanut seedlings under different treatments

2.3 重金屬對(duì)不同品種花生幼苗抗氧化酶活性、脯氨酸含量的影響由圖3 可見(jiàn)，不同鎘質(zhì)量濃度處理下3 種花生幼苗超氧化物歧化酶（SOD）活性、過(guò)氧化物酶(POD)活性和脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著性差異（P<0.05）.不同品種花生SOD、POD 活性和脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著鎘質(zhì)量比的增加而增加，且濰花八號(hào)上述指標(biāo)顯著高于另2 種花生.不同質(zhì)量比鉛處理下不同花生品種幼苗脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)有顯著性差異（P<0.05）.花生脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著重金屬質(zhì)量比的增加而增加.5、10 mg·kg?1鉛質(zhì)量比處理下，濰花八號(hào)幼苗脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高.

3 討論

種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)期是植物對(duì)環(huán)境脅迫較為敏感的時(shí)期,因此通過(guò)研究種子在脅迫條件下其萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)的特征可以在一定程度上反映植物對(duì)脅迫的耐性[26].本研究結(jié)果顯示，不同含量鉛、鎘脅迫下，3 種花生種子萌發(fā)率，幼苗生物量、株高、莖基直徑、葉綠素含量均呈不同程度下降趨勢(shì).重金屬主要是通過(guò)抑制種子內(nèi)脫氫酶、蛋白酶、淀粉酶和酸性磷酸酯酶的活性[27]，影響植物種子的萌發(fā).由于鉛、鎘不是植物生長(zhǎng)必需元素，在植物體內(nèi)積累將會(huì)影響細(xì)胞分裂和生長(zhǎng)，干擾營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和分配[28-29].導(dǎo)致植物對(duì)養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸能力降低，養(yǎng)分缺乏、相關(guān)代謝過(guò)程和物質(zhì)成分的紊亂，表現(xiàn)出缺素癥狀[30]，嚴(yán)重抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育[31]，且隨脅迫時(shí)間增強(qiáng).并且用鉛和鎘處理植物使得葉綠體結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著的變化，破壞了葉綠體膜系統(tǒng)，降低葉片葉綠素含量[32]，影響植物光合作用.袁敏等[33]、秦建橋等[34]、黃芳等[35]、Jamali 等[36]、弭寶彬等[37]也有類似研究結(jié)果.本研究結(jié)果顯示土壤中鉛、鎘含量增加，對(duì)花生種子萌發(fā)和生長(zhǎng)發(fā)育抑制作用增強(qiáng).產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是重金屬含量增加，誘導(dǎo)植物體內(nèi)超氧陰離子和羥基自由基等大量產(chǎn)生，嚴(yán)重干擾保護(hù)酶的活性，造成代謝紊亂，抑制植物生長(zhǎng)[38].這與鉛、鎘脅迫下火炬樹種子萌發(fā)[39]和黑麥草（Lolium perenne）種子脅迫[40]的研究結(jié)果相似.

本研究結(jié)果顯示不同品種花生對(duì)重金屬鉛、鎘的抗性存在差異.5、10、20 mg·kg?1鉛質(zhì)量比下，濰花八號(hào)的萌發(fā)率比值均高于另外2 種花生品種；鎘質(zhì)量比為1、5 mg·kg?1時(shí)，濰花八號(hào)的萌發(fā)率顯著高于另外2 種品種.在不同濃度鉛、鎘污染下，濰花八號(hào)株高、莖基直徑、幼苗生物量、葉綠素含量均顯著高于另2 個(gè)品種花生.由研究結(jié)果可知3個(gè)品種花生中濰花八號(hào)對(duì)鉛（5、10、20 mg·kg?1）、中低質(zhì)量比的鎘（1、5 mg·kg?1）具有更高抗性.植物品種間的耐性差異與其內(nèi)源抗氧化酶系統(tǒng)的變化及膜脂過(guò)氧化程度密切相關(guān)[41].重金屬脅迫誘導(dǎo)植物體產(chǎn)生活性氧物質(zhì)，導(dǎo)致植物遭受氧化脅迫，引起膜脂過(guò)氧化，損傷生物膜[42]，造成葉綠體和線粒體等細(xì)胞器功能受損，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡[43].SOD、POD 是活性氧清除系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的抗氧化酶，能清除植物體內(nèi)各種環(huán)境壓力下產(chǎn)生的活性氧自由基，減輕對(duì)生物膜系統(tǒng)的損害，保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能.植物體內(nèi)抗氧化酶活性的提高能增強(qiáng)植物對(duì)多種氧化脅迫的抗性[44].脯氨酸作為植物胞質(zhì)中的滲透調(diào)節(jié)劑，在穩(wěn)定生物大分子的結(jié)構(gòu)、降低細(xì)胞的酸度、消除氨的毒性和調(diào)節(jié)細(xì)胞作為能量庫(kù)的方面起著重要的作用，在一定程度上反映了植物的抗逆性.有研究表明，重金屬污染通常會(huì)誘導(dǎo)植物合成一系列代謝產(chǎn)物如脯氨酸，并且隨著重金屬濃度的增加，脯氨酸的積累會(huì)急劇增加[45].本試驗(yàn)結(jié)果顯示：在一定濃度鉛、鎘脅迫下，3 個(gè)品種花生SOD 活性、POD 活性、脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體呈上升趨勢(shì).隨著鎘含量增加，濰花八號(hào)SOD 活性均顯著高于另2 種花生；1、5 mg·kg?1鎘質(zhì)量比下，濰花八號(hào)POD 活性最高；隨著鉛、鎘質(zhì)量比增加，濰花八號(hào)幼苗脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均最高.這與鉛、鎘脅迫對(duì)花生種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響基本一致，這可能是由于鉛脅迫下花生葉片脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)增高，穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)花生抗性；在鎘脅迫下花生葉片中SOD 活性、POD 活性以及脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，細(xì)胞清除活性氧自由基能力增強(qiáng)，提高了花生對(duì)氧化脅迫的抗性.不同花生品種抗性差異是花生體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)與代謝產(chǎn)物抵抗鉛、鎘脅迫的能力不同導(dǎo)致的.

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)濰花八號(hào)在一定濃度鉛、鎘污染下有更高的萌發(fā)率、株高、莖基直徑、生物量和葉綠素含量，具有更高重金屬抗性.其重要原因是鉛、鎘脅迫下濰花八號(hào)有更高SOD、POD 活性和脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)，更能抵抗氧化脅迫、維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能，進(jìn)而增強(qiáng)花生抗性.這意味著濰花八號(hào)可用于鉛、鎘污染農(nóng)耕地的綜合利用.