不同菊科植物耐铅性和富集特征比较研究

宣 斌,王 济,蔡雄飞,胡丰青,段志斌

（贵州师范大学地理与环境科学学院,贵阳550025）

铅（Rb）是造成重金属污染的元素之一,且可能是人类致癌物质之一[1]。土壤铅污染会使生态系统的正常功能遭到破坏,对人类健康和生态系统造成巨大威胁,治理和修复铅污染土壤迫在眉睫。近年来,植物修复以其低成本、土壤生态破坏小、不造成二次污染等优点而成为国际环境修复学界的研究热点[2-4]。植物修复技术的基础和关键是重金属耐性植物和超富集植物（Hyper-accumulators）的筛选。花卉植物在污染土壤修复方面具有广阔的应用前景[5]。与非观赏性植物相比,利用花卉植物进行铅污染土壤修复,不仅能降低土壤中铅含量,同时还能达到美化环境的目的。菊科植物作为草本类花卉植物有着见效快、投入低、存活率高、适种面广、收益大等优势,将成为未来Rb污染土壤修复的首选植物[6]。

目前,对于不同菊科植物在铅胁迫条件下的耐性及富集特征尚缺乏系统的对比研究。本研究通过室内盆栽胁迫试验,比较6种菊科植物对铅的耐性及富集特性,既可以筛选净化铅污染环境的景观化材料,又可以积累铅植物毒理资料,充实耐铅植物基因库,为未来基因工程强化植物修复技术提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

于2016年4月在贵州师范大学相宝山采集三脉紫菀（Aster ageratoides Turcz.）、黑心菊（Rudbeckia hirta L.）、硫华菊（Cosmos sulphureus Cav.）、血皮菜（Gynura bicolor（Roxb.ex Willd.）DC.）、金盏菊（Calendula officinalis L.）、三叶鬼针草（Bidens pilosa L.）6种植物种子。供试土壤的基本理化性质为pH 7.36,有机质 31.24 g∕kg,全氮 213.52 mg∕kg,有效磷 4.53 mg∕kg,速效钾 4.27 mg∕kg。

1.2 试验方法

设置 Rb（NO3）2含量分别为 0（CK）、500 mg∕kg、1000 mg∕kg、1500 mg∕kg、2000 mg∕kg,按 2% 加入生物肥拌匀,与土样充分混匀后,装入15 cm×18 cm（直径×高）的花盆中,保持田间持水量80%,老化2个月后用于盆栽试验。将采集的植物种子置于4℃冰箱中低温催化,播种前,用体积分数10%的H2O2浸泡10 min,去离子水冲洗后置于培养皿中在（25±1）℃培养箱里催芽。选用萌发整齐的种子栽植在穴盘中,每孔1株,待长出两片真叶后,选取长势均匀的幼苗,移栽进花盆中,每盆5株为1个处理,设5个重复,其间进行常规肥水管理。

1.3 项目测定与数据处理

生物量测定:将生长3个月的植物样品按地上部和地下部分离,先用自来水冲洗去除黏附于植物样品上的泥土和污物,再用蒸馏水冲洗2—3遍,滤纸吸干表面水分后在105℃下杀青30 min,然后70℃烘干至恒重。

铅含量测定:将烘干后的植物样品粉碎备用,过100目（孔径为0.143 mm）尼龙筛,混匀。采用HNO3∕HCLO4（V∕V=5∕1）在高温、高压下（180 ℃和160 Ra）用密闭的聚四氟乙烯罐消煮至澄清。 消煮后的溶液洗至100 mL容量瓶中,用高纯水定容,采用原子吸收分光光度计（ZEEnit700R）测定植物铅含量。

数据分析采用SRSS 22.0和Excel 2007,显著性差异检测采用Duncan’s新复极差法,图表制作用Origin 9.0完成。相应的富集系数（Enrichment coefficient,EC）和转运系数（Translocation factors,TF）计算公式如下:富集系数=植物体重金属含量∕土壤中重金属含量;转运系数=植物地上部重金属含量∕植物地下部同种重金属含量。

2 结果与分析

2.1 6种菊科植物对Pb的耐性分析

6种植物在土壤铅含量为500 mg∕kg时,地上部干重没有显著变化,说明此处理下植株未受到Rb毒害。三脉紫菀、黑心菊、硫华菊在土壤铅含量为1000 mg∕kg处理下,血皮菜、金盏菊和三叶鬼针草在土壤铅含量为2000 mg∕kg处理下,植物地上部干重显著减少,而三脉紫菀在土壤铅含量为2000 mg∕kg处理时已死亡（表1）。结果表明:随着基质Rb含量的增加,6种菊科植物地上部干重呈现下降的趋势。

表1 不同Pb含量处理对6种植物地上部分干重的影响Table 1 Shoot dry weight under different Pb concentrations g·株 -1

耐性指数（TI）为处理组与对照组地上部干重的比值,一般认为TI＞0.5时,植物在此条件下长势良好,对胁迫具有较好的耐受性[7]。根系耐性指数（RTI）为各处理与对照组根系平均长度的比值,一般而言在中毒浓度下,RTI＞0.9表明植物根系没有受到明显的抑制作用[8]。因此,TI和RTI可作为衡量植物重金属耐性的重要指标。

计算不同Rb含量处理下植物地上部和根系耐性指数（表2）,发现硫华菊、血皮菜和金盏菊在所有含量处理下,TI均大于0.5,且RTI均大于0.9,说明以上3种植物对Rb胁迫具有较好的耐性。6种植物TI和RTI具有一致性,均随着含量浓度的增加而不断减小。黑心菊在处理含量为1000 mg∕kg时其TI值逐渐小于0.5,而在处理含量为2000 mg∕kg时,其TI和RTI值均小于标准值,说明其受Rb胁迫较为严重。

表2 不同Pb含量处理下6种植物地上部和根系耐性指数Table 2 Shoot and Root tolerance indexes under different Pb concentration treatments

2.2 6种菊科植物对Pb吸收的分异特性

对6种植物地上部和地下部Rb含量进行方差分析（图1）,发现硫华菊、三脉紫菀、血皮菜和三叶鬼针草地上部分Rb含量均随着土壤Rb含量的增加而增加,表现出明显的浓度效应。从金盏菊和黑心菊地上部Rb含量先增加后下降的趋势来看,这种浓度效应并不是一直增长,而是随着土壤Rb含量增加到一定浓度,植物开始出现抑制效应,体内Rb含量增速变缓甚至出现负增长。在初始含量处理时,地上部Rb含量与地下部Rb含量差异不显著,随着土壤Rb含量增加,大部分植物的地下部Rb含量远远大于地上部Rb含量,植物器官积累Rb表现出明显的根＞茎＞叶的分异特性[9]。

图1 不同Pb含量处理下6种植物地上部和地下部铅含量Fig.1 Shoot and root Pb accumulation under different Pb concentration treatments

除硫华菊和三叶鬼针草,金盏菊、黑心菊、三脉紫菀和血皮菜在土壤铅含量1000 mg∕kg和1500 mg∕kg处理下的植株地上部Rb含量没有显著变化;硫华菊在土壤Rb含量大于500 mg∕kg,三叶鬼针草在土壤Rb含量大于1000 mg∕kg时,地上部Rb含量与对照组相比显著增加。金盏菊、黑心菊和三叶鬼针草地下部Rb含量在1000 mg∕kg处理时开始下降,而三脉紫菀和血皮菜随着Rb含量的增加,地下部Rb含量呈现不断上升的趋势,说明其根系具有较强的Rb吸收能力。

Rb超富集植物必须满足地上部Rb吸收量临界值大于1000 mg∕kg,而6种植物中只有黑心菊和三脉紫菀满足条件。三脉紫菀在1500 mg∕kg时地上部Rb含量才超过临界值,且其在土壤 Rb含量为

2000 mg∕kg时已死亡;而黑心菊在土壤Rb含量为500 mg∕kg处理下,地上部Rb含量已超过临界值,在土壤Rb含量为1000 mg∕kg处理下达到最大,最大含量值为1783 mg∕kg。

2.3 6种菊科植物对Pb的富集和转运特性

富集系数（EC）常用来衡量植物重金属积累能力和修复潜力的大小,是指植株地上部与土壤中相应重金属含量的比值,富集系数越大,植物富集能力越强[10]。从表3可以看出,随着Rb处理含量的不断增大,6种植物的富集系数呈现下降的趋势。黑心菊在Rb处理为500 mg∕kg和1000 mg∕kg时富集系数均＞1,说明其对低浓度Rb具有较强的富集作用;而其他5种植物地上部Rb富集系数均＜1,表明这些植物会通过自身的排斥机制来阻止Rb元素上移,以减少对植物生理系统的伤害。转运系数（TF）则是地上部与地下部重金属含量的比值,代表了植物向上转移重金属的能力[11]。在处理为500 mg∕kg时,黑心菊和血皮菜的转运系数较高,分别为1.72和1.22,这是因为植物在Rb低含量环境下,根部的Rb主要分布在细胞壁上,通过植株内的离子转运蛋白能把根系暂时存储的Rb装载到木质部导管,使Rb易向上运输和富集[12]。而其他植物的转运系数普遍在0.3左右,向上转移重金属的能力普遍不强。

表3 不同Pb含量处理下植物Pb富集和转运系数Table 3 Enrichment coefficient and translocation factors under different Pb concentration treatments

3 结论与讨论

超富集植物是指能超量吸收重金属并能将其不断转移到地上部的植物[13-14],一般具有3个特征:1）临界含量特征,植物体内重金属临界含量定为:Zn、Mn 为 10000 mg∕kg,Rb、Cu、Ni、Co、As 为 1000 mg∕kg,Cd为100 mg∕kg;2）具有富集和转运系数特征,即富集和转运系数均大于1;3）具有一定的耐性能力。

本次试验的6种植物中,只有黑心菊在500 mg∕kg Rb处理下能同时满足以上条件。以往发现的超富集植物生物量小,生长缓慢,重金属迁移总量相对不高。植物地上部重金属的累积总量是评价植物修复重金属污染土壤潜力的重要指标[15-16]。土壤修复潜力指数即植物重金属地上部累积总量,是指植株地上部重金属含量与该植株地上部生物量之积[17]。通过修复潜力指数计算可知,当土壤Rb含量为500 mg∕kg时,黑心菊地上部Rb累积总量最高为2.507 mg∕株。而王红旗等[18]对铅超富集植物羽叶鬼针草的研究表明,地上部Rb累积总量最高仅为0.3262 mg∕株,说明黑心菊作为Rb超富集植物具有更佳的修复潜力。

有研究表明,植物对细胞内重金属解毒的主要方式是通过螯合作用固定金属离子或降低其生物毒性[19-20]。随着Rb处理浓度的增加,黑心菊的富集和转运系数分别从2.29、1.72降至0.27、0.34,说明耐性植物对重金属的累积存在耐受阈值,这可能与植物自身的解毒机制相关。重金属在植物组织水平上主要分布在表皮细胞、亚表皮细胞和表皮毛中,在细胞水平上主要存在于质外体和液泡中[21],一旦外界重金属浓度超过叶片细胞结构和生理功能所能承受的极限,就会对细胞质和细胞器以及抗氧化酶保护系统中各种生理代谢活动产生危害,从而抑制植物生长。因此,当前的铅超富集植物研究急需破解植物铅解毒机制,从而找到合理的对抗植物铅毒害的方法,并增强超富集植物的铅吸收能力。对于已筛选出的重金属耐性植物,可以进一步研究植物重金属强耐受性关键基因及关键基因的克隆,从而构建植物转基因体系,使超富集植物在重金属土壤污染的修复中发挥更大的作用。