牵牛对重金属镉富集能力的研究

贺超，曾永强，杨雨时，王春玲，潘春香*，庞琢

（1.韶关学院英东农业科学与工程学院，广东韶关512005；2.呼和浩特市土壤肥料工作站，内蒙古呼和浩特010020）

牵牛对重金属镉富集能力的研究

贺超1，曾永强1，杨雨时1，王春玲1，潘春香1*，庞琢2

（1.韶关学院英东农业科学与工程学院，广东韶关512005；2.呼和浩特市土壤肥料工作站，内蒙古呼和浩特010020）

以牵牛为材料，采用砂培法展开了不同浓度的镉对牵牛生长、生物量累积、叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白质及不同器官镉累积等的研究.结果表明：微量的镉可以促进牵牛的生长，但浓度过高会抑制牵牛的生长状况.地上干物率、地下干物率、全株干物率均以3.0 mg/kg时值最大，且与最小值之间差异显著，叶绿素、叶绿素b含量远低于对照，随着镉浓度升高，叶绿素含量表现先降再升；可溶性糖含量经镉处理后显著下降，各组处理之间差异极显著；可溶性蛋白质含量高于对照，呈先增后降趋势，镉浓度1.0 mg/kg时达最大值；牵牛各器官镉含量随着镉浓度增大而基本呈升高趋势，全株镉含量以4.0 mg/kg时高达2 180 ug/g，地上部镉含量高达1 010 ug/g，运转系数0.86，各器官重金属镉含量的分布情况为根＞茎＞叶片.说明牵牛花不仅对镉有较强的耐性，而且具有较强的镉富集能力和运转能力，在镉污染地区有广阔的应用价值.

镉；牵牛；富集能力

镉作为重金属中毒性和迁移性最强的一种，会对人类及动植物的健康造成极大的威胁［1］.有研究者认为从花卉中筛选修复植物是完全可行的［2］.利用花卉植物进行修复土壤重金属污染，不仅能够美化环境，而且不会进入食物链，不会对人体健康造成危害.因此，利用花卉植物修复土壤重金属污染的研究也逐渐引起了科学界的重视.吴桐等对矮牵牛等19种花卉植物对铅的富集特征进行了研究［3］.结果表明：供试花卉植物在试验的铅胁迫水平下都具有较强的耐性.牵牛（Pharbitis nil（L.）Choisy）是一种我国南北方广泛种植的草本花卉，其来源广泛、易于种植、便于推广之优点使其具有着广阔的应用前景.本试验选用红花牵牛作为研究对象，研究在重金属镉的单一条件影响下牵牛各个生理部位对镉的吸附能力以及耐性.

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验材料为网购的优良红花牵牛花卉种子.

1.2 实验设计

为了排除土壤中固有元素对实验的影响，实验采用砂培盆栽进行.设置重金属镉浓度分别为0.0 mg/kg（CK）、0.5 mg/kg、1.0 mg/kg、2.0 mg/kg、3.0 mg/kg、4.0 mg/kg 6个处理.将各处理浓度定期加入营养液中，与营养液一同加入到植物盆栽中，最后分析植物（根、茎、叶）重金属的含量，进而分析其耐受性和富集性.试验于2015年10月至2016年3月在韶关学院英东农业科学与工程学院试验大棚中进行.

1.3 实验步骤

2015年10月2日，选择种子饱满，大小相近的牵牛种子播种到花盆中（口径15 cm，高20 cm，每盆播种8粒种子），植株约2片真叶时定苗，每盆留4株，2015年12月2日，将所有盆栽牵牛花平均分成6组进行培养.苗高约15 cm左右时开始按照设置的6个处理进行重金属镉处理，每次处理量为100 mL（用100 mL烧杯注入花盆中），之后每3 d处理一次，连续处理6次.为了让植物更好地吸收水分、养分和重金属，将每组花盆放置在71 cm×45 cm×17cm的塑料箱中.营养液配方选用日本园试通用配方，牵牛花第1片真叶之前采用0.5倍配方，真叶长出之后用标准日本园式配方.

2016年1月20日对牵牛的株高、叶片数、叶长、叶宽、根长、地上和地下部分的鲜重和干重等进行了测量.在2016年1月21日开始进行牵牛花根、茎、叶的生理指标及重金属镉含量的测定.

1.4 测定方法及统计分析

1.4.1 生理指标的测定

叶绿素含量测定采用比色法［4］；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法［5］；可溶性蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝G-250法［5］；重金属镉的测定采用石墨炉原子吸收分光光度法［6］.

1.4.2 统计分析

实验所得数据均采用SPSS 22.0软件包进行方差分析，用Duncan’s新复极差法进行平均数的显著检验［7］.

2 结果与分析

2.1不同重金属镉浓度处理后牵牛外部形态的变化

牵牛株高、叶片数和叶宽均以镉浓度为0.5 mg/㎏时值最大，但除叶片数和叶宽在0.5 mg/㎏与4.0 mg/㎏两个处理之间差异显著外，其余各处理之间差异均不显著.可见，镉浓度在0.5 mg/㎏下，可以促进牵牛植株生长，而当浓度达到1.0 mg/㎏之后，随着镉浓度的增加，逐渐抑制牵牛的生长.叶宽和根长均以CK值最大，且根长的CK与2.0 mg/㎏、3.0 mg/㎏、4.0 mg/㎏之间差异极显著，0.5 mg/㎏处理与1.0 mg/㎏、2.0 mg/㎏、3.0 mg/㎏、4.0 mg/㎏之间差异显著.说明重金属镉对牵牛的根系生长发育有明显的抑制作用.而对叶长的影响较小，各处理之间差异不显著（见表1）.

表1 不同镉浓度处理后牵牛外部形态的变化

2.2 不同重金属镉浓度处理后牵牛生物量的变化

不同重金属镉浓度处理后牵牛的地上鲜重、地上干重和全株干重均以CK值最大，但只有地上干重的CK与1.0 mg/kg处理之间差异显著，其它各处理之间差异均不显著；地下鲜重、地下干重和全株鲜重均以0.5 mg/kg值最大，但各处理间差异均不显著；地上干物率、地下干物率和全株干物率均以3.0 mg/kg值最大，只有全株干物率3.0 mg/kg与1.0 mg/kg之间差异显著，其余各处理间差异均不显著（见表2）.说明，重金属镉处理对牵牛的生物量影响较小，而从另一个角度说明，牵牛对重金属镉胁迫有较强的抗性.

2.3 不同重金属镉浓度处理后牵牛各生理指标的变化

叶绿素a、叶绿素b以及叶绿素总量均以CK值最大，且均随着镉浓度增而呈显著含量下降趋势.其中CK的叶绿素a和总叶绿素含量与各种镉浓度处理之间差异达极显著水平，叶绿素b为CK和0.5 mg/kg与3.0 mg/kg处理之间差异极显著（见表3）.可见，即使微量的重金属镉即可植物光合作用起到抑制作用.

表2 在不同重金属镉含量下牵牛生物量的变化

可溶性糖含量以CK值最高，且基本呈随着镉浓度增大呈先下降（2.0 mg/kg时下降到最低值，之后又开始上升）再升高趋势.各组处理之间差异达极显著水平.可溶性蛋白质含量以1.0 mg/kg值最大，之后随着镉浓度升高而呈下降趋势.1.0 mg/㎏处理与其它处理间差异达极显著水平，CK与最高浓度4.0 mg/kg含量最低，二者之间差异不显著，但其它处理与二者之间差异达极显著水平（见表3）.

表3 不同重金属镉浓度处理后牵牛生理指标的变化

2.4 不同重金属镉浓度处理后牵牛各器官镉含量的变化

由表4可见，重金属镉在牵牛根、茎、叶各器官中的分布均呈现随着镉浓度增大先升高（2.0 mg/kg开始下降）再下降再升高的趋势，且各处理之间差异均达显著、甚至极显著水平.其中根中以2.0 mg/kg、3.0 mg/kg值最大，二者与CK、0.5 mg/kg和1.0 mg/kg三个处理之间差异极显著，4.0 mg/kg与CK和0.5 mg/kg之间差异极显著，CK、0.50 mg/kg和1.0 mg/kg三者之间差异极显著.表明，牵牛花对重金属镉的积累能力较强.茎中镉含量以4.0 mg/kg时最高，CK、0.5 mg/kg、1.0 mg/kg和3.0 mg/kg四个处理之间差异极显著；2.0 mg/kg与CK、0.50 mg/kg和1.0 mg/kg三者之间差异极显著.叶片以2.0 mg/kg值最大，CK、0.5 mg/kg、1.0 mg/kg和3.0 mg/kg四个处理之间差异极显著.

表4 在不同重金属镉含量对牵牛个生理部位镉含量的变化

总之，牵牛各器官镉含量随着镉浓度增大而基本呈升高趋势，全株镉含量以4.0 mg/kg时高达2 180 ug/g，地上部镉含量高达1 010 ug/g，运转系数（S/R）值（地上部镉含量与地下部镉含量之比）0.86，各器官重金属镉含量的分布情况为根＞茎＞叶片.说明，牵牛不仅对镉有较强的耐性，而且具有较强的镉富集能力和运转能力.

3 结论与讨论

3.1 不同镉浓度处理对牵牛生长的影响

有研究表明，低浓度镉对茴香的生长及生物量有促进作用，但高浓度的镉则会显著影响其生长和生物量的累积［8］.在薄荷上的研究表明，所有镉浓度处理下，薄荷的株高均低于对照［9］.本实验的结果与前者结论一致，即微量的镉含量可以促进牵牛的生长，但是浓度过高会抑制牵牛的生长.镉浓度在0.5 mg/kg下，促进牵牛植株生长，表现为株高、叶片数和叶宽都表现值最大，而当浓度达到1.0 mg/kg之后，随着镉浓度的增加，逐渐抑制牵牛的生长.镉浓度对牵牛地上、地下部鲜重和干重影响不大，各处理间差异不明显，但地上干物率、地下干物率、全株干物率均以3.0 mg/L时值最大，且与最小值之间差异显著，说明该浓度有利于干物质的积累.

3.2 不同镉浓度处理对牵牛生理指标的影响

镉胁迫下，各组处理的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量显著低于CK，且随着镉浓度升高呈逐渐降低趋势，但当镉浓度达到4.0 mg/kg时，叶绿素含量出现反弹现象，但同样远低于对照.何梨香等人在圆叶决明上的研究也得出类似结果，镉胁迫抑制圆叶决明叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的合成，镉浓度升高，叶绿素含量逐渐降低，处理之间达显著差异水平［10］.

大麦根内可溶性糖含量对重金属的胁迫非常敏感，在较低浓度下其含量就有明显下降［11］，李春荣在烤烟叶片中Cd2+、Ni2+、Pb2+、Hg2+处理后可溶性糖含量大幅下降［12］.本研究结果为可溶性糖含量以CK值最高，且基本呈随着镉浓度增大呈先下降（2.0 mg/kg时下降到最低值）再升高趋势.可能是由于重金属破坏了牵牛的光合作用系统，造成了体内不溶性糖和蛋白质的分解以及运输受阻有关［13］.但肖艳辉等在薄荷上的实验却得出相反结论，表现为随着镉浓度升高，可溶性糖含量上升，在5 mg/L时达到了最大值［19］.不同研究材料得出截然不同的研究结果，可能与研究材料、取样时期有关.因此，关于在重金属胁迫下植物可溶性糖含量的变化还有待于进一步深入研究.

粗梗水蕨叶中蛋白质含量随着Cd2+浓度的升高而降低，重金属处理下叶蛋白含量都低于对照组［14］，表明升高的Cd2+离子抑制了植物的生理生化过程，降低了蛋白质的合成速度.本实验得出了相反的结论，重金属镉处理的牵牛根、茎、叶及全株可溶性蛋白质含量都高于对照，但呈增后降趋势，镉浓度1.0 mg/kg时达最大值.分析其原因可能是，重金属镉在进入牵牛体内后，牵牛产生了对重金属镉的特异性抗体，抗体多为蛋白质，因此蛋白质含量会在镉浓度为4.0 mg/kg时都会高于对照.然而，重金属镉对于植物是微量元素，大量重金属镉存在于牵牛花的体内，会影响到牵牛的生理代谢，对重金属镉的抗体在增加，但其他蛋白质受到重金属镉的影响，含量随着镉浓度的增加而逐渐减少，导致在镉浓度达到1.0 mg/kg时出现峰值.

3.3 不同镉浓度处理后牵牛各各器官镉含量的分布

有研究表明，在重金属离子浓度较低（20 mg/kg）条件下，牵牛的富集能力顺序为Cd2+＞Cr6+＞Hg2+，转运能力∶Cr6+＞Cd2+＞Hg2+；而在重金属离子浓度较高（50 mg/kg）条件下，牵牛的富集能力顺序为Cr6+＞Hg2+＞Cd2+，转运能力∶Cr6+＞Cd2+＞Hg2+［15］.本研究也得出了类似的结果，牵牛各器官镉含量随着镉浓度增大而基本呈升高趋势，全株镉含量以4.0 mg/kg时高达2 180 ug/g，地上部镉含量高达1 010 ug/g，运转系数（S/R）值为0.86，各器官重金属镉含量的分布情况为根＞茎＞叶片.说明，牵牛花不仅对镉有较强的耐性，而且具有较强的镉富集能力和运转能力，在镉污染地区有广阔的应用价值.

参考文献：

［1］向涛.草本花卉对镉污染土壤修复研究[D].重庆：重庆大学，2014.

［2］周霞，林庆昶，李拥军，等.花卉植物对重金属污染土壤修复能力的研究[J].安徽农业科学，2012，40（14）：8133-8135.

［3］吴桐，李翠兰，邵泽强，等.几种花卉植物对土壤中铅富集特征的研究[J].吉林农业大学学报，2012，34（3）：305-310，315.

［4］李合生，孙群，赵世杰.植物生理生化实验原理和技术[M].北京：高等教育出版社，2000：172-174.

［5］郝再彬，苍晶，徐仲.植物生理实验[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004：46-49.

［6］中国科学院上海植物生理研究所，上海市植物生学会.现代植物生理学实验指南[M].北京：科学出版社，1999：133-134.

［7］杨清清，郭滕达，廖良才.《SPSS应用实践》实验课程教学研究[J].当代教育理论与实践，2012，4（8）：272-273.

［8］肖艳辉，何金明，潘春香，等.镉处理对茴香镉吸收累积与生理指标的影响[J].江苏农业科学，2011，39（1）：430-432.

［9］肖艳辉，何金明，潘春香，等.镉处理对薄荷植株生长及镉吸收累积的影响[J].江苏农业科学，2013，41（3）：159-160，359．

［10］何梨香，黄运湘，黄楚瑜，等.圆叶决明对镉胁迫的生理响应[J].草业学报，2016，25（2）：198-204.

［11］张义贤，张丽萍.重金属对大麦幼苗膜脂过氧化及脯氨酸和可溶性糖含量的影响[J].农业环境科学学报，2006，25（4）：857-860.

［12］李春荣.Pb、Cd及其复合污染对烤烟叶片生理生化及细胞显微结构的影响[J].植物生态学报，2000，22（4）：238-242.

［13］孙赛初，王焕校.水生维管植物受镉污染后的生理生化变化及受害机制初探[J].植物生理学报，1985，11（2）：426-431.

［14］张继飞，陈青云，吴名，等.重金属镉对粗梗水蕨生长及叶片中蛋白质含量的影响[J].江汉大学学报（自然科学版），2011，39（4）：92-94.

［15］侯静.重金属抗性花卉筛选及牵牛对镉、铬、汞积累特性的研究[D].大连：辽宁师范大学，2012.

Research on the Tolerability ofPharbitis nilto the Heavy Metal Cadmium

HE Chao1，ZENG Yong-qiang1，YANG Yu-shi1，WANG Chun-ling1，PAN Chun-xiang1*，PANG Zhuo2
（1.Yingdong College of Agricultural Science and Engineering，Shaoguan University，Shaoguan 512005，Guangdong，China；2.Soil and Fertilizer Workstation Hohhot，Hohhot 010020，Inner Mongolia,China）

This experiment adopted the Pharbitis nil as research material，and it applied the sandy culture method to study the effects of Cd concentration on the Pharbitis nil’s growth，contents of biomass，chlorophyll，carotenoid，soluble sugar，soluble protein and the Cd accumulations in different organs.The results showed that∶a small amount of Cd concentration could promote the Pharbitis nil’s growth，but the growth may be harmed with excessive Cd concentration.However，the above-ground dry weight，under-ground dry weight and total plant dry weight all reached the highest when the Cd concentration was 3.0mg/kg，and the difference between the maximum value and minimum value was significant；contents of chlorophyll a，chlorophyll b and carotenoid were all much lower than the control group，and the chlorophyll showed the trend of decreasing first and then of increasing with the improvement of Cd concentration；the soluble sugar contents in the whole plant showed significant decrease after Cd treatment，and difference between each treatment groups were very significant，and the differences among root，stem and leaf were significant；the soluble protein contents in the root，stem，leaf and the whole plant were all higher than the control group，the contents showed the trend of increasing first and then of decreasing，which reached the highest when the Cd concentration was 1.0 mg/kg；the Cd contents in different organs of Pharbitis nil showed the trend of increasing with the improvement of Cd concentration，and the Cd contents in the whole plant reached 2 180 ug/g and that in the above-ground part reached 1010ug/g under the concentration of 4.0 mg/kg，and the stream factor was 0.86.Cd concentrations in different organs were∶root＞stem＞leaf，which illustrated that the Pharbitis nil not only had strong tolerance to Cd，but also had strong Cd enrichment and running ability，which shall have wide application value in the Cd polluted area.

heavy metal cadmium；Pharbitis nil；enrichment

X173

A

1007-5348（2017）06-0059-05

（责任编辑：邵晓军）

2017-03-20

内蒙古自治区科技计划项目（201502052）；广东省大学生创新训练计划建设项目（201410576030）.

贺超（1994-），男，贵州贵阳人，韶关学院英东农业科学与工程学院学生；研究方向：园艺植物栽培.*通讯作者.