文曉陽(yáng)，饒巍，李春萍，覃德華，郭芳陽(yáng)，王慧，董昆樂(lè)，楊瑞輝，陳明燦

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000；2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所，河南 許昌 461000；3.河南省煙草公司洛陽(yáng)市公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

煙草是重要的經(jīng)濟(jì)作物，2021年我國(guó)煙草行業(yè)實(shí)現(xiàn)工商稅利總額13 581億元。優(yōu)質(zhì)的煙葉原料是煙草行業(yè)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，同時(shí)也是煙區(qū)持續(xù)發(fā)展與否的保障[1，2]?！度珖?guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，目前我國(guó)耕地土壤環(huán)境的污染超標(biāo)率已達(dá)19.4%，其中比較突出的是重金屬污染問(wèn)題[3]。鉛(Pb)是污染最嚴(yán)重的重金屬元素之一，也是有毒重金屬之一。它是植物生長(zhǎng)的非必需元素，一旦土壤含量超標(biāo)，就很難將其去除，從而使一些不能“選擇性自主移動(dòng)”的作物不可避免地受到鉛污染毒害[4]。有研究表明，鉛能夠抑制種子萌發(fā)，降低種子活力，抑制植株生長(zhǎng)，并積累在植株體內(nèi)[5，6]，同時(shí)大氣中的鉛(灰塵中含有的重金屬)元素從葉片氣孔進(jìn)入煙株內(nèi)，也可導(dǎo)致鉛在煙株內(nèi)積累，煙草品質(zhì)隨著鉛含量的增加而下降[7-9]；更為嚴(yán)重的是鉛元素能轉(zhuǎn)化為氣溶膠或金屬氧化物形式，再通過(guò)煙氣進(jìn)入人體，從而造成人類(lèi)生殖障礙[10，11]；過(guò)量的鉛會(huì)損傷腸胃健康、毒害腎臟、損害神經(jīng)，導(dǎo)致高血壓、鉛性貧血，影響人的智力發(fā)育，降低人體免疫力[12]。因此，選擇鉛低積累型煙草品種，降低煙草重金屬含量對(duì)其安全生產(chǎn)極為重要。此外，利用作物的富集作用將土壤中的重金屬轉(zhuǎn)移出去，從而修復(fù)重金屬污染土壤，是一種經(jīng)濟(jì)、有效且對(duì)環(huán)境擾動(dòng)少的途徑[13]。前人在鉛對(duì)煙草生長(zhǎng)及其光合特性影響方面已有較為深入的研究[14，15]，但從多個(gè)基因型及不同鉛濃度脅迫方面研究煙草的鉛吸收運(yùn)轉(zhuǎn)及積累還鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以10個(gè)不同基因型煙草為材料，通過(guò)測(cè)定、分析外源鉛脅迫下煙草的鉛含量、積累量、轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及生物量等，以篩選出低集聚和高富集型煙草品種，為煙草安全生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2021年在河南科技大學(xué)開(kāi)元校區(qū)農(nóng)場(chǎng)(北緯34°35′50″，東經(jīng)112°24′44″，氣壓1 003.8 hPa，海拔77.6 m)進(jìn)行。供試土壤為褐土，其耕層土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試煙草品種為中煙100(G1)、豫煙10(G2)、云煙87(G3)、云煙99(G4)、秦?zé)?6(G5)、豫煙13(G6)、LY1306(G7)、云煙105(G8)、渝金香1號(hào)(G9)、K326(G10)。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

2021年3月初播種育苗，5月19日選取長(zhǎng)勢(shì)整齊一致的煙苗移栽至塑料盆中。塑料盆直徑33 cm，高35.5 cm。每盆裝土15 kg，移栽前施入煙草專(zhuān)用復(fù)合肥(N-P-K＝10-10-25)18 g/盆，旺長(zhǎng)期追施12 g/盆。以醋酸鉛作為外源鉛，設(shè)置0(CK)、500、1 000 mg·kg-1三個(gè)鉛脅迫水平(模擬鉛污染環(huán)境)，每處理重復(fù)5次。煙草生長(zhǎng)期間參照大田生產(chǎn)常規(guī)管理。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

生物量測(cè)定:煙草成熟期(煙苗移栽后135天)取不同基因型煙草各5株，放入105℃烘箱內(nèi)殺青40 min，然后75℃烘干，分別稱(chēng)根、莖、葉生物量。

成熟期煙株根、莖、葉(上部葉、中部葉、下部葉、腳葉)鉛含量測(cè)定:取0.2000 g樣品，用優(yōu)級(jí)純HClO4-HNO3(體積比為1∶4)浸泡2 h后用紅外智能消化爐消解，用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)測(cè)定[16]。

鉛耐性指數(shù)＝外源鉛脅迫下生物量/CK生物量[17]；鉛積累量＝地上部生物量×地上部鉛含量+根部生物量×根部鉛含量；煙草鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(TF)＝C地上部分/C根(式中:C地上部分表示煙草地上部所有組織的平均鉛含量；C根表示煙草根中的鉛含量)[18]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)整理，DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，Origin 2022軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源鉛脅迫對(duì)不同基因型煙草生物量的影響

從表2中可以看出，不同基因型煙草對(duì)鉛脅迫的響應(yīng)不同。與CK相比，G1、G4、G8、G9、G10隨外源鉛脅迫濃度增加，生物量逐漸下降，其他基因型品種呈先增后降趨勢(shì)，高濃度鉛抑制所有品種煙株生長(zhǎng)。G1在不同濃度外源鉛脅迫下均表現(xiàn)出較高生物量，G4生物量則較低，特別是在1 000 mg·kg-1外源鉛脅迫時(shí)，G1生物量是G4的1.7倍。

表2 外源鉛脅迫對(duì)不同基因型煙草生物量的影響 (g/株)

2.2 外源鉛脅迫下不同基因型煙草鉛含量

2.2.1 不同器官鉛含量 從圖1可以看出，隨著外源鉛脅迫濃度的增加，不同基因型煙草根、莖、葉鉛含量呈增加趨勢(shì)；同一鉛濃度脅迫下，不同基因型煙草同一器官鉛含量存在顯著性差異。

從圖1A可以看出，在500、1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G1、G3、G9根系鉛含量較低，而G7根系鉛含量則顯著高于其他品種(P＜0.05)。0、500、1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G7根系鉛含量較G3分別高84%、109%、219%，較G10分別高21%、18%、167%。

從圖1B可以看出，G4、G7在500、1 000mg·kg-1外源鉛脅迫下，莖稈鉛含量均高于其他基因型品種(P＜0.05)，二者差異不顯著，但G4與其他品種差異達(dá)顯著水平；G3莖稈鉛含量在3個(gè)濃度鉛脅迫下表現(xiàn)出相對(duì)較低水平，在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G4、G7莖稈鉛含量分別是G3的1.42倍和1.36倍。

從圖1C可以看出，所有處理中G3葉片鉛含量均最低，1 000 mg·kg-1下顯著低于其他品種；在0、500、1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G10葉片鉛含量較G3分別高33%、61%、104%，較G7分別高33%、43%、50%，中高濃度處理葉片鉛含量顯著高于其他品種。

從圖1D可以看出，所有處理中G7整株平均鉛含量均顯著高于其他品種，在0、500、1 000 mg·kg-1鉛脅 迫 下 較G3分 別 高100%、93%、153%，較G10分別高2%、17%、61%。

圖1 鉛脅迫下不同基因型煙草根系、莖稈及葉片的鉛含量

2.2.2 不同部位葉片鉛含量 從圖2可以看出，在同一鉛濃度脅迫下，煙株不同部位葉片鉛含量不同，從腳葉、下部葉、中部葉到上部葉依次遞減；同一部位葉片鉛含量則隨著外源鉛濃度的增加而升高。在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G10腳葉鉛含量是其下部葉的6.84倍、中部葉和上部葉的11.64倍。

從圖2A可以看出，外源鉛脅迫下，G3腳葉鉛含量較低，而G10腳葉鉛含量顯著高于其他品種，在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下G10腳葉鉛含量是G3的3.9倍。

從圖2B可看出，500 mg·kg-1鉛脅迫下G2、G3下部葉鉛含量較低，G10鉛含量較高；1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G1下部葉鉛含量相對(duì)較高。

從圖2C可看出，不同基因型品種中，外源鉛脅迫下中部葉鉛含量均較低，其中G3、G7、G9中部葉鉛含量相對(duì)較低，而G4、G8、G10鉛含量則相對(duì)較高；500 mg·kg-1鉛脅迫下，G4和G10中部葉鉛含量約為G3的1.84倍。

從圖2D可看出，外源鉛脅迫下上部葉鉛含量均明顯低于其他部位葉片，其中G1、G10上部葉鉛含量相對(duì)較高，G2、G3相對(duì)較低；500 mg·kg-1鉛脅迫下，G10上部葉鉛含量約為G2、G3的2.4倍。

圖2 鉛脅迫下不同基因型煙草不同部位葉片鉛含量

2.3 外源鉛脅迫下不同基因型煙草的耐性指數(shù)、鉛積累量、鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

從圖3可以看出，不同濃度鉛脅迫下G2、G3表現(xiàn)出相對(duì)較高的耐性指數(shù)；G4、G9的耐性指數(shù)相對(duì)較低；G7表現(xiàn)出的耐性不同，500 mg·kg-1水平下較高，1 000 mg·kg-1水平下較低。1 000 mg·kg-1脅迫下，G3的鉛耐性指數(shù)是G4的1.2倍。

圖3 鉛脅迫下不同基因型煙草鉛耐性指數(shù)

從圖4可以看出，不同基因型煙草的鉛積累量均隨著外源鉛濃度的增加而增加，且存在顯著差異。其中G3、G9的鉛積累量較低，G7顯著高于其他品種(G5除外)，1 000 mg·kg-1鉛脅迫下G7鉛積累量是G3的2.1倍，是G9的2.4倍。

圖4 鉛脅迫下不同基因型煙草鉛積累量

從圖5可以看出，除G9、G10外不同基因型煙草的鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)均隨著鉛濃度的增加而降低，G6、G7的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)較低。1 000 mg·kg-1鉛脅迫下G10的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)是G7的3.1倍。

圖5 鉛脅迫下不同基因型煙草鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)

3 討論

煙草生物量一定程度上可以反映重金屬污染對(duì)其產(chǎn)生的影響程度[19]。研究表明，由于煙草遺傳特性的差異，對(duì)重金屬鉛的吸收也存在差異[20，21]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，與CK相比，G1、G4、G8、G9、G10隨外源鉛脅迫濃度的增加，生物量逐漸下降；其他品種的生物量呈先增后降趨勢(shì)，高濃度鉛抑制所有品種煙株生長(zhǎng)；外源鉛脅迫下，G1表現(xiàn)出較高的生物量，而G4生物量則較低。這表明同一鉛濃度脅迫下，不同基因型煙草生物量之間存在顯著差異，同一基因型煙草在不同鉛脅迫水平下其生物量也有較大變化，這與悅飛雪[16]、朱詩(shī)苗[22]等的研究結(jié)果一致。不同基因型煙草對(duì)鉛吸收能力的差異是其對(duì)鉛毒害的敏感性不同所造成[22]。外源鉛脅迫下，G7根系鉛含量均顯著高于其他煙草品種，而葉片鉛含量則相對(duì)較低；G1根系、莖稈鉛含量較低，而葉片鉛含量則相對(duì)較高；G3、G9根、莖、葉鉛含量均處于相對(duì)較低水平，而G10葉片鉛含量則顯著高于其他煙草品種。G3、G7在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下葉片鉛含量分別為10.79、14.73 mg·kg-1；G10在500 mg·kg-1鉛脅迫下葉片鉛含量為10.45 mg·kg-1，在1 000 mg·kg-1鉛脅迫下中部葉片鉛含量為14.59 mg·kg-1，均低于楊永健[23]建立的煙葉中重金屬限量標(biāo)準(zhǔn)。因此，G3、G7在1 000 mg·kg-1及以下鉛脅迫水平下、G10在500 mg·kg-1及以下鉛脅迫水平下，均可用于安全生產(chǎn)；G10在1 000 mg·kg-1鉛脅迫水平下，可取中上部葉片用于安全生產(chǎn)。

耐性指數(shù)是指在重金屬脅迫下，植物生物量與對(duì)照生物量之比，耐性指數(shù)越高則反映該品種對(duì)重 金 屬 脅 迫 的 耐 性 越 強(qiáng)[17]。500、1 000 mg·kg-1外源鉛脅迫下G2、G3的耐性指數(shù)相對(duì)較高。張艷玲等[24]研究發(fā)現(xiàn)，云煙85、云煙87、K326、中煙100這4個(gè)基因型煙草對(duì)重金屬鉛的吸收積累量不一致，但差異不顯著。本研究表明，外源鉛脅迫下G7的鉛積累量顯著高于其他品種(G5除外)；G3、G9鉛積累量顯著低于其他品種。轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)作物將重金屬?gòu)母缔D(zhuǎn)運(yùn)至地上部的能力[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，500 mg·kg-1鉛脅迫下G9的鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)顯著高于其他品種；500、1 000 mg·kg-1鉛脅迫下，G7的鉛轉(zhuǎn)運(yùn)能力顯著低于其他品種，這表明G7對(duì)鉛具有較強(qiáng)的根際阻隔能力。

對(duì)重金屬比較敏感的煙草品種根際對(duì)鉛具有一定的阻隔能力，這類(lèi)基因型煙草可以利用根系細(xì)胞壁的沉淀以及分泌的代謝物質(zhì)來(lái)減少重金屬向地上部運(yùn)輸；重金屬富集能力比較強(qiáng)的品種可能在葉片細(xì)胞中有相對(duì)較強(qiáng)的重金屬解毒機(jī)制，可以把重金屬鉛存儲(chǔ)在細(xì)胞的液泡中，而不會(huì)對(duì)煙草植株產(chǎn)生毒害[26，27]。有研究表明，可以通過(guò)外源硅將根系細(xì)胞壁滯留并通過(guò)液泡區(qū)室化來(lái)抑制鎘向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而降低水稻地上部鎘含量，以達(dá)到減少水稻根系對(duì)鎘吸收的目的[28]。De Bome等[29]把編碼哺乳動(dòng)物金屬硫蛋白的基因轉(zhuǎn)入煙草，結(jié)果這種轉(zhuǎn)基因煙草葉片Cd含量顯著降低，而根系和莖的Cd含量則相對(duì)較高，這改變了普通煙草葉片Cd含量高于其他部位的規(guī)律。關(guān)于重金屬敏感的基因型煙草通過(guò)某些基因控制根系細(xì)胞壁滯留和液泡區(qū)室化來(lái)抑制重金屬向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)，從而降低重金屬鉛含量的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)10個(gè)基因型煙草在不同濃度鉛脅迫下的生物量、鉛含量、鉛積累量、鉛耐性指數(shù)、鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，云煙87(G3)生物量、鉛耐性指數(shù)相對(duì)較高，鉛含量、鉛積累量、鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)相對(duì)較低，是鉛低集聚型的煙草品種；LY1306(G7)根系鉛含量顯著高于其他品種，鉛積累量顯著高于其他品種(G5除外)，但鉛轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)及葉片鉛含量相對(duì)較低，因此LY1306屬于根系鉛積累型煙草，既可用于煙草的安全生產(chǎn)，又可用于輕度鉛污染土壤修復(fù)；K326(G10)在外源鉛脅迫下葉片鉛含量均顯著高于其他品種，且鉛積累量也處于相對(duì)較高水平，屬于葉片鉛富集型煙草品種，因此可用于鉛污染土壤的修復(fù)。