李春萍，覃德華，文曉陽，饒 巍，王玉潔，徐國偉，陳明燦

（1.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471000；2.河南省洛陽市煙草公司，河南 洛陽 471000）

【研究意義】鎘（Cadmium，Cd）是環(huán)境中毒性較強的重金屬元素之一［1］，隨著工業(yè)的發(fā)展，其周圍農(nóng)田土壤鎘污染嚴重［2］。據(jù)全國土壤污染狀況調(diào)查公報顯示，我國鎘的點位超標率為7.0%［3］。鎘是植物生長過程中的非必要元素［4］，超過一定限度會導(dǎo)致植物細胞損傷，正常生理代謝受阻，影響植物生長［5］及作物的產(chǎn)量和品質(zhì)［6］。煙草作為我國重要的經(jīng)濟作物之一［7］，優(yōu)質(zhì)煙葉原料是煙草行業(yè)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)［8］。鎘在煙株中過量累積勢必對其生長發(fā)育［9］、抗氧化酶活性［10］、光合作用［11］及其品質(zhì)［12］造成影響。鎘具有半衰期長、高遷移性和易被作物吸收富集的特點［13］，而烤煙是易積累鎘的作物，主要積累在葉片中［14］，煙葉對鎘的富集系數(shù)可達5～10［15］。吸煙是人體攝入Cd 的重要途徑之一，煙草中70%的Cd 在卷煙燃吸過程中以氣溶膠的形式進入到煙氣中［16］，通過煙氣進入人體，如果吸食的煙葉中鎘含量較高則會對人體器官造成一定的毒害作用，且這種毒害是不可逆的［15］。【前人研究進展】目前關(guān)于煙草對鎘毒害的響應(yīng)多為單一濃度處理或單一品種的響應(yīng)。如劉義新等［17］研究了質(zhì)量濃度為15.0 mg/L 的Cd（NO3）2·4H2O（以純Cd 計）污染處理下K326 及云煙87 對鎘脅迫的響應(yīng)；岳昊等［18］研究了在2 mg/kg 鎘濃度下8 個不同品種煙草對鎘的耐性差異；柴冠群等［19］研究了中度鎘污染下5 個烤煙品種的吸收差異。劉躍東等［11］研究了甲霜靈與鎘復(fù)合污染對中煙100 生長和光合特性的影響；羅勇等［9］以DR5 Gus 云煙87 轉(zhuǎn)基因純合株系作為供試材料研究不同鎘濃度對煙草幼苗生長的影響；閆晶等［20］研究了鎘脅迫對吉煙9 號、吉煙10 號、延曬六號種子萌發(fā)和煙苗生長發(fā)育的影響。

【本研究切入點】植煙區(qū)土壤鎘污染嚴重，生產(chǎn)安全無污染煙葉迫在眉睫，關(guān)于多濃度梯度、多品種及全時期、多指標對鎘毒害的響應(yīng)及吸收規(guī)律亟待解決。【擬解決的關(guān)鍵問題】本試驗探討10 個煙草品種對鎘脅迫的生長發(fā)育、抗氧化性、光合參數(shù)及鎘吸收積累的變化差異及鎘對其毒害作用，篩選耐鎘型和敏鎘型煙草品種，為不同植煙區(qū)煙草品種的選育及生產(chǎn)無污染、優(yōu)質(zhì)煙葉提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021 年在河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)場大棚進行，試驗地土壤基礎(chǔ)理化指標：pH 值8.02、有機質(zhì)含量14.15 mg/kg、堿解氮含量66.1 mg/kg、速效磷含量6.45 mg/kg、速效鉀含量115.51 mg/kg、土壤鎘含量0.24 mg/kg。供試10 個煙草品種分別為中煙100、豫煙10 號、云煙87、云煙99、秦?zé)?6、豫煙13、LY06、云煙105、渝金香1、K326。

1.2 試驗方法

試驗采用盆栽方法，盆栽用塑料盆高35 cm，直徑34 cm，每盆裝土15 kg，外源鎘為醋酸鎘［Cd（CH3COO）2·2H2O］（分析純）。試驗設(shè)3 個鎘濃度水平，分別為0 mg/kg（CK）、3 mg/kg（Cd3）、10 mg/kg（Cd10），每個處理5株重復(fù)，隨機區(qū)組排列。煙苗移栽前施入煙草專用復(fù)合肥30 g/盆及相應(yīng)濃度的鎘與土壤混勻熟化30 d 后，于5 月中旬選擇生長健壯、長勢一致的煙草幼苗移栽至盆中，每盆1 株，煙草生長期間按常規(guī)進行統(tǒng)一管理。

1.3 測定項目及方法

農(nóng)藝性狀：煙株農(nóng)藝性狀的調(diào)查方法參考YC/T 142—2010，于移栽后75 d（旺長期），分別測定煙株的株高、莖圍、葉片數(shù)、最大葉面積（最大葉長×最大葉寬×0.6345）。

生理指標：于移栽后75 d 取樣測定。葉綠素含量采用乙醇提取法、脯氨酸（Pro）含量采用茚三酮顯色法、超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四挫光還原法、過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法、丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定。

光合作用參數(shù)：于移栽后75 d，使用便攜式光合測定儀（L i-6400XT）測定葉片凈光合速率（Photosyntheti，Pn）、氣孔導(dǎo)度（Stomatal conductance，Gs）、胞間CO2濃度（Intercellular CO2concentration，Ci）、蒸騰速率（Transpiration rate，Tr）等光合作用參數(shù)。

根、莖、葉全鎘含量：采用硝酸-高氯酸混酸消煮，電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測定煙株根、莖、葉的全鎘含量。

試驗數(shù)據(jù)采用 DPS19.0 進行方差分析，圖表制作采用 Microsoft Excel 2013 和Origin 2021 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對不同品種煙草生長發(fā)育的影響

2.1.1 鎘脅迫對不同品種煙草農(nóng)藝性狀的影響 由表1 可知，Cd 脅迫下，煙株各項農(nóng)藝性狀隨著鎘濃度的增加大部分品種呈下降趨勢且下降程度均不同。3 mg/kg 鎘處理后，各品種煙草株高均降低，其中豫煙13、云煙105、豫煙10 號降幅較低；中煙100、云煙87、渝金香1 號、K326 莖圍降低，其他品種莖圍均有不同程度的升高；除云煙105、K326 葉片數(shù)略有升高外，其他品種葉片數(shù)均減少；云煙99、K326 最大葉面積升高，其他品種均有不同程度降低，其中渝金香1 號降幅最大、為33.57%。10 mg/kg 鎘處理后，所有品種株高、葉片數(shù)、最大葉面積均降低；秦?zé)?6、豫煙13、LY06 的莖圍增加，其他品種莖圍降低。表明3 mg/kg 濃度鎘對云煙99、秦?zé)?6、豫煙13、云煙105 的生長有利，但對其他品種均表現(xiàn)為抑制作用；10 mg/kg 鎘處理除對個別品種莖圍有促進作用外，對其余各項農(nóng)藝性狀均表現(xiàn)為抑制作用。

表1 鎘脅迫對烤煙農(nóng)藝性狀的影響Table 1 Effect of cadmium stress on agronomic traits of flue-cured tobacco

2.1.2 鎘脅迫對不同品種煙草生物量的影響 植物干質(zhì)量是反映其生長狀況最直觀的指標。由圖1 可知，隨著鎘濃度的升高，不同煙草品種生物量大部分呈下降趨勢。當(dāng)鎘濃度為3 mg/kg 時，云煙105 生物量略有升高，其余品種均降低，其中中煙100、豫煙10 號降幅較大，分別為22.16%、28.39%。當(dāng)鎘濃度為10 mg/kg時，所有品種生物量均降低，其中中煙100、豫煙10 號、LY06 降幅較大，分別為29.98%、29.94% 和30.37%，云煙105 生物量降幅最低為0.48%。10 個品種中，鎘脅迫對中煙100、豫煙10 號的生物量影響最大。

圖1 鎘脅迫對不同品種煙草生物量的影響Fig.1 Effect of cadmium stress on biomass of different tobacco varieties

2.2 鎘脅迫對不同品種煙草生理生化指標的影響

2.2.1 鎘脅迫對不同品種煙草光合作用參數(shù)的影響 由表2 可知，煙草的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）隨鎘濃度的升高整體呈降低趨勢，胞間CO2濃度（Ci）隨鎘濃度的升高而增加，不同品種間存在差異。在3 mg/kg 鎘脅迫下，云煙87、云煙99、秦?zé)?6 葉片的Pn降幅較高，分別為27.5%、26.5%、26%，豫煙13、LY06、云煙105 的Pn值顯著高于其他品種；LY06 的Gs值最高、為0.29 mol/m2·s；LY06、云煙105 的Tr略有升高；云煙105 的Ci增幅最高、為40.6%，LY06 增幅最低、為1.11%。在10 mg/kg 鎘脅迫下，除豫煙13 的葉片Pn降幅較小外，其他品種均較CK 大幅下降，其中中煙100 降幅最大、為44.1%；中煙100、K326 的Gs值顯著低于其他品種，分別為0.13、0.14 mol/m2·s；LY06 的Tr降幅較小，其他品種的Tr降幅在29%～63.3%范圍內(nèi)，其中中煙100 降幅最大、為CK 的63.3%；云煙105 的Ci增幅最高、為CK的48.9%。

表2 鎘脅迫對烤煙光合作用參數(shù)的影響Table 2 Effect of cadmium stress on photosynthetic parameters of flue-cured tobacco

2.2.2 鎘脅迫對不同品種煙草葉綠素含量的影響 由圖2 可知，鎘脅迫對煙草葉片葉綠素含量造成一定的負面影響，其中LY06、云煙105 葉片葉綠素含量略有升高，其他品種均隨著鎘濃度的升高而降低。在3 mg/kg 鎘脅迫下，中煙100、秦?zé)?6 降幅較高，分別為40%、44%；渝金香1 號的葉綠素含量顯著高于其他品種、為2.70 μg/g，豫煙10 號的葉綠素含量最低、為1.61 μg/g。在10 mg/kg 鎘脅迫下，中煙100、云煙87 葉片葉綠素含量降幅較高，分別為40%、44%；秦?zé)?6 的葉綠素含量顯著高于其他品種、為2.17 μg/g；云煙87、K326 的葉綠素含量顯著低于其他品種，分別為1.42、1.45 μg/g。

圖2 鎘脅迫對不同品種煙草葉綠素含量的影響Fig.2 Effect of cadmium stress on chlorophyll contents of different tobacco varieties

2.2.3 鎘脅迫對不品種同煙草MDA 含量的影響 由圖3 可知，隨著鎘濃度的升高，云煙87、云煙99、秦?zé)?6、豫煙13、云煙105 的葉片MDA 含量隨之升高，中煙100、豫煙10 號、LY06、渝金香1 號、K326 的MDA 含量則先升高后降低。在3 mg/kg 鎘脅迫下，云煙99、渝金香1 號增幅較高，分別為202%、200%；豫煙13 增幅較低、為CK 的51%。在10 mg/kg 鎘脅迫下，云煙99 的葉片MDA 含量增長較大、為CK 的3.58倍，K326 增長較小、為CK 的1.46 倍。

圖3 鎘脅迫對不同品種煙草MDA 含量的影響Fig.3 Effect of cadmium stress on MDA contents of different tobacco varieties

2.2.4 鎘脅迫對不同品種煙草葉片SOD 活性、POD 活性的影響 由圖4 可知，秦?zé)?6、LY06的SOD 活性隨著鎘濃度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，其他品種均隨著鎘濃度的升高而升高。在3 mg/kg 鎘濃度下，中煙100、云煙99 的SOD活性增幅較高，分別為CK 的140%和150%；豫煙10 號、云煙87 的SOD 活性增幅較低，分別為CK 的43%、41%。在10 mg/kg 鎘濃度下中煙100、云煙99 的SOD 活性增幅較高，分別為220%、252%，豫煙10 號、秦?zé)?6 的SOD 活性增幅較低，分別為96%、74%。由圖5 可知，豫煙10 號、云煙87、秦?zé)?6、LY06、渝金香1 號的POD 活性隨著鎘濃度的增加先升高后降低，中煙100 隨著鎘濃度的升高POD 活性略有下降，其他品種的POD 活性隨著鎘濃度的升高而升高。在3 mg/kg 鎘脅迫下，渝金香1 號的POD 活性增幅最大、為220%，豫煙13、云煙105 的POD 活性增幅較小，分別為CK 的34%、32%；在10 mg/kg 鎘脅迫下，K326 的POD 活性增幅最高、為CK的144%，云煙87、LY06 的POD 活性增幅較小，分別為CK 的35%、30%。綜上，除秦?zé)?6、活性來抵抗鎘毒害。

圖4 鎘脅迫對不同品種煙草SOD 活性的影響Fig.4 Effect of cadmium stress on SOD activity of different tobacco varieties

圖5 鎘脅迫對不同品種煙草POD 活性的影響Fig.5 Effect of cadmium stress on POD activity of different tobacco varieties

2.3 鎘脅迫對不同品種煙草鎘吸收規(guī)律的影響

2.3.1 鎘脅迫對不同品種煙草不同部位鎘含量的影響 由圖6～圖8 可知，不同鎘濃度添加水平下煙株葉部鎘含量明顯大于莖部和根部。隨著鎘濃度的增加，煙草各部位鎘含量的變化趨勢在不同時期表現(xiàn)不同，除云煙87、云煙99、K326 的葉部鎘含量，豫煙13 莖部鎘含量，云煙87、云煙99、K326 的根部鎘含量隨生育期后移一直升高外，其余大部分品種的煙株根莖葉中鎘含量在整個生LY06 外，其他品種均通過增強SOD 活性來抵抗鎘脅迫的傷害，體現(xiàn)出一定的耐鎘性；隨著鎘濃度的升高秦?zé)?6、LY06 通過提升自身的SOD 活性已不足以抵抗該傷害，所以SOD 活性先升高后降低。除中煙100 外其余各品種都通過增強POD育期呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，并在旺長期達到最大值。在3 mg/kg 鎘脅迫下，中煙100、LY06的根部鎘含量在旺長期達到最大值，均為33.33 mg/kg；中煙100、豫煙10 號的莖部鎘含量在旺長期達到較高值，分別為17.78、18.58 mg/kg；豫煙10 號的葉部鎘含量在旺長期達到最大值、為60.27 mg/kg，云煙87、K326 的鎘含量較低，分別為38.88、39.23 mg/kg。在10 mg/kg 鎘脅迫下，秦?zé)?6 的根部鎘含量在旺長期達到最大值、為51.67 mg/kg；豫煙10 號的莖部鎘含量在旺長期達到最大值、為36.4 mg/kg；中煙100、豫煙13 的葉片鎘含量在旺長期達到最大值，分別為109.3、101.3 mg/kg，其中云煙105 的葉片鎘含量（62.75 mg/kg）顯著低于其他品種。

圖6 鎘脅迫對不同品種煙草根部Cd 含量的影響Fig.6 Effect of cadmium stress on Cd contents in roots of different tobacco varieties

圖7 鎘脅迫對不同品種煙草莖部Cd 含量的影響Fig.7 Effect of cadmium stress on Cd contents in stems of different tobacco varieties

圖8 鎘脅迫對不同品種煙草葉部Cd 含量的影響Fig.8 Effect of cadmium stress on Cd content in leaves of different tobacco varieties

2.3.2 鎘脅迫對不同品種煙草鎘富集系數(shù)的影響 富集系數(shù)是衡量植物對重金屬積累能力的重要指標之一。富集系數(shù)越大，說明植物地上部對重金屬吸收積累能力越強［21］。由表3 可知，旺長期和成熟期葉片的鎘富集系數(shù)隨著鎘濃度的升高先增加后降低，并在3 mg/kg 的鎘濃度時葉片的富集系數(shù)達到最高。整個生育期中，各品種的富集特性呈現(xiàn)不同的規(guī)律。在3 mg/kg 鎘脅迫下，大部分品種在旺長期富集系數(shù)達到最高，其中豫煙10號的富集系數(shù)顯著高于其他品種、為18.6，是CK的3.1 倍；云煙87、K326 的富集系數(shù)顯著低于其他品種，分別為12.00、12.11。在10 mg/kg鎘脅迫下，除云煙87、云煙99、豫煙13 富集系數(shù)在成熟期達到最高外，其他品種都在旺長期達到最高，其中旺長期中煙100 富集能力最強，云煙105 富集能力最弱，中煙100富集系數(shù)為云煙105的1.61倍；成熟期豫煙13 的富集能力顯著高于其他品種、為10.1，是CK 的2.25 倍，而中煙100、云煙105 的富集能力顯著低于其他品種，均為6.1。

表3 鎘脅迫對煙草葉片鎘富集系數(shù)的影響Table 3 Effect of cadmium stress on cadmium enrichment coefficient in tobacco leaves

3 討論

植物對鎘的吸收積累與多種因素有關(guān)，如不同鎘濃度處理［22］、其他重金屬離子拮抗作用［23］、施肥方式［24］、土壤類型［25］等，且鎘的吸收積累及敏感程度與遺傳因素緊密相關(guān)［26］，并在不同作物及不同基因型之間存在差異［27-28］。本試驗中，10 個不同煙草品種來自南北煙區(qū)，來源廣泛且存在較大遺傳差異，為煙草對鎘脅迫響應(yīng)及吸收規(guī)律評價提供了必要條件，不同品種煙草的農(nóng)藝性狀、光合參數(shù)、抗氧化酶、鎘含量及富集規(guī)律在不同濃度鎘處理下的響應(yīng)均存在不同程度的差異。

鎘對煙草生長的影響表現(xiàn)為“低促高抑”［29］。低濃度（2 mg/kg）鎘對煙株生長有一定的促進效果，隨著鎘濃度的升高，則會抑制煙株的生長，減少煙株干物質(zhì)的積累［10］。本試驗中，3 mg/kg 鎘脅迫對豫煙10 號、云煙99、秦?zé)?6、豫煙13、云煙105 的生長有促進作用，而對其他品種均表現(xiàn)為抑制作用；10 mg/kg 鎘脅迫除對個別品種莖圍有促進作用外，對其他農(nóng)藝性狀均表現(xiàn)為抑制作用，其中在旺長期鎘脅迫對中煙100、豫煙10 號的影響最大，對鎘的敏感性較強。

鎘對植物的光合作用具有明顯的抑制效果，會降低葉綠素含量，破壞光合結(jié)構(gòu)［30］。本試驗中，隨著鎘濃度的升高，各煙草品種葉片葉綠素含量、Pn、Gs、Tr整體呈現(xiàn)降低趨勢，而Ci隨著鎘濃度的升高而增加，這與前人研究結(jié)果一致［11］。其中在旺長期鎘脅迫對LY06、云煙105 光合作用的影響較小，對中煙100 的影響較大。

MDA 是細胞膜脂過氧化的產(chǎn)物之一，其含量高低在一定程度上反映脂膜過氧化作用程度［31］。本試驗中，隨著鎘濃度的升高，大部分煙草品種的MDA 含量呈現(xiàn)增加的趨勢，部分品種的MDA含量在高鎘濃度下降低但仍高于對照。

重金屬脅迫會導(dǎo)致植物生成大量的活性氧，而植物體內(nèi)的抗氧化酶則會清除活性氧，抵抗重金屬對植物的毒害作用［32］。SOD 是清除植物體內(nèi)活性氧的第一線防御酶，POD 是過氧化物酶的總稱［33］，二者為植物清性氧清除機制的重要組成部分。本研究結(jié)果表明，隨著鎘濃度的升高，大部分煙草品種通過增加自身SOD、POD 活性抵抗鎘脅迫帶來的傷害，體現(xiàn)一定的耐鎘性，但在10 mg/kg 的高濃度鎘脅迫下，中煙100、秦?zé)?6、LY06 通過提升自身的SOD 活性或POD 活性已不足以抵抗此種傷害，其SOD、POD 活性先升高后降低，具體原因還需要進一步研究。

植物根部吸收土壤中的重金屬鎘后大多積累在根部，較少向上運轉(zhuǎn)遷移，一般植物的鎘含量為地下部＞地上部［34］。但煙草吸收的鎘大多貯藏在葉片中［28］，有些煙草品種的葉片鎘含量可以達到100 mg/kg 以上［14］。本試驗中，隨著鎘濃度的升高，不同煙草品種根莖葉鎘含量均隨之增加，且葉＞莖＞根，這與前人研究結(jié)果一致［35］；有研究表明煙草整個生育期鎘含量變化趨勢為先降低后增加［10］，本試驗中大部分品種鎘含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，并在旺長期達到最高值，少部分鎘含量隨生育期后移一直增加，這可能是由于品種不同或地區(qū)差異性導(dǎo)致此規(guī)律不盡相同；煙草葉片對鎘的富集系數(shù)在整個生育期中先升高后降低，在旺長期達到最高值，可能是由于旺長期煙葉的生長達到最旺盛的狀態(tài)，莖葉生長迅速，土壤中的鎘也快速向上運轉(zhuǎn)富集。其中中煙100、豫煙10 號、豫煙13 的葉片鎘含量及富集系數(shù)較高，對鎘脅迫比較敏感，云煙87、云煙105、K326 的葉片鎘含量及富集系數(shù)較低，對鎘脅迫的抗性較強。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，低濃度鎘脅迫對部分煙草品種生長有促進作用，隨著鎘濃度的升高，大部分煙草生長發(fā)育受到抑制，干質(zhì)量降低，且不同品種對鎘脅迫的敏感度不同，供試品種中煙100、豫煙10 號對鎘脅迫較敏感，云煙105 對鎘耐性較強。隨著鎘脅迫濃度升高，煙草葉片葉綠素含量、Pn、Gs、Tr整體呈現(xiàn)降低趨勢，Ci呈增加趨勢，對云煙105 的影響較小，對中煙100 的影響較大；葉片SOD 活性、POD 活性、MDA 含量整體升高，部分品種SOD、POD 活性先升高后降低，中煙100、秦?zé)?6、LY06 抵抗鎘脅迫的能力較弱；根莖葉鎘含量增加，且葉＞莖＞根。煙草整個生育期中，葉片鎘含量及富集系數(shù)在旺長期達到最高值，其中中煙100、豫煙10 號、豫煙13 的葉片鎘含量及富集系數(shù)較高，云煙87、云煙105、K326 的葉片鎘含量及富集系數(shù)較低，表明中煙100、豫煙10 號、豫煙13 屬于敏鎘型品種，云煙87、云煙105、K326 屬于耐鎘型品種。