重金属胁迫对天竺葵生长及生理特性的影响

牟祚民，姜贝贝，潘远智，刘庆林

（四川农业大学风景园林学院，四川 成都 611130）

随着工业发展，重金属污染物对土壤的危害日益加重[1]。铅、镉、铜、锌等重金属污染物一旦在土壤中达到一定浓度，就有可能影响农业生产、损害农作物[2-3]，并可能通过食物链危害人体健康[4]。目前，重金属污染修复技术中，运用物理和化学修复方法常出现废气废液污染和被固定的重金属再次活化等情况[5]，而一些超富集植物进行污染修复时也存在收割时产生二次污染的情况[6]。天竺葵(Pelargonium hortorum)是一种优良的、可替代化学合成香料的天然香料植物[7]，种植在重金属污染的土壤中成株后，被整株移出用于提取香料，不会造成土壤二次污染。以往研究表明，天竺葵对于1 500 mg·kg-1的 Pb2+和 100 mg·kg-1的 Cd2+有较高抗性[3-8]，对于更高浓度的Cd2+、Cu2+和Zn2+的抗性还未见报道。为此，研究了天竺葵在铅、镉、铜、锌单一胁迫下植株的生长情况与生理特性，以期为重金属污染土地的绿化与恢复提供理论参考与借鉴。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验供试天竺葵幼苗由海明园艺提供，发酵土由成都市温江区花木交易中心提供。试验所用分析 纯 Pb(NO3)2、 CdCl2·2.5H2O、 CuSO4·5H2O 和ZnSO4·7H2O购于成都市科龙化工试剂厂。

1.2 试验设计

于2016年8月中旬，在成都市温江区郊外取未开垦的自然土壤，采土范围为距离地表0-20 cm的表层土。捣碎并剔除杂物，过5 mm筛，按照1∶1的比例将发酵土和自然土壤均匀混合，以多菌灵加以消毒，堆积静置45 d， 风干。种植土基本理化性质为 pH 6.6，有机碳 (C)含量 39.35 g·kg-1，全氮 (N)含量 0.75 g·kg-1，全磷 (P)含量 0.57 g·kg-1，全 钾 (K)含 量 3.19 g·kg-1， 总 铜 (Cu)含量 26.82 mg·kg-1，总锌 (Zn)含量 101.22 mg·kg-1，总铅 (Pb)含 量 31.27 mg·kg-1， 总 镉 (Cd)含 量 0.19 mg·kg-1。

2016年10月4日，于四川农业大学成都校区塑料大棚内，将种植土按每盆4.5 kg标准装盆，大棚透光率为80%，温度为(24 ± 3) ℃，相对湿度为76%。盆土分别按相应重金属浓度梯度加入分析纯Pb(NO3)2、CdCl2·2.5H2O、CuSO4·5H2O 和ZnSO4·7H2O混合均匀，浓度设置为 Pb2+(1 000、1 250、1 500 mg·kg-1)， Cd2+(50、 100、 150 mg·kg-1)， Cu2+(200、400、600 mg·kg-1)，Zn2+(600、800、1 000 mg·kg-1)，共计12个处理，同时设置1个不加重金属的对照处理，每个处理重复3次。制盆土含水量为田间持水量的60%。2016年10月15日，选取长势良好且一致的天竺葵植株，除去根部土壤，用清水小心冲洗后，栽植于上面备好的各处理盆中，每盆1株。养护管理中，定期观察植株生长情况，浇水后将溢出的水倒回盆内，防止重金属流失，同时保持土壤含水量基本一致。试验中不喷施农药与追施化肥。

1.3 测定项目与方法

生长120 d后，清点单株叶片数，用游标卡尺测量叶长、叶宽、(主)根长、株高、基径。取中部成熟叶片用于测定生理生化指标。超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法[9]，过氧化氢酶(CAT)采用紫外吸收法[9]，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法[9]，其中酶活性均以每分钟OD值变化0.01作为一个酶活力单位(U)。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定[9]。细胞膜相对电导率采用DDS-608多功能电导率仪(方舟科技)测定，计算参照李合生的方法[10]，以浸泡24 h的叶片浸提液电导率为R1，沸水浴加热后的叶片浸提液电导率为R2，相对电导率=R1/R2。叶绿素含量采用丙酮提取法测定[10]，游离脯氨酸含量采用磺基水杨酸法测定[11]。

采用破坏性收获法进行天竺葵生物量测定。用蒸馏水将植株洗净后，将样品分为根、茎、叶三部分，在105 ℃ 烘箱内杀青30 min，再在 75 ℃ 下烘干至恒重，分别计算单株天竺葵根、茎、叶及单株生物量[12]。

1.4 数据分析

使 用 Microsoft Excel 2003 软 件 整理 原 始 数 据 ，使用SPSS 20.0软件对天竺葵各项生长指标、生物量、叶绿素含量、叶片相对电导率、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量、抗氧化酶活性进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，最小显著性差异检验采用LSD法，显著性水平设定为α = 0.05[13]。制表采用 Microsoft Excel 2003。

2 结果与分析

2.1 重金属胁迫对天竺葵生长的影响

随着Pb2+、Cd2+、Cu2+浓度的升高，对各项生长指标的抑制作用增强，其中对根长影响较明显(表1)。4种重金属最高浓度处理下，叶片数均显著低于对照(P＜0.05)，而其余处理与对照组差异不显著(P ＞ 0.05)。除最低浓度Pb2+处理外，其余处理下，天竺葵的叶长均显著低于对照。Cd2+和最低浓度Pb2+处理对叶宽没有显著影响，其余处理下叶宽均显著低于对照。Pb2+和Cu2+对根长的抑制作用较其他金属更为明显。Pb2+和Cu2+处理下株高显著低于对照，而 600 和 800 mg·kg-1的 Zn2+对株高有显著促进作用。Cu2+和最高浓度的Cd2+对基径有显著抑制作用，Zn2+对基径有显著的促进作用。在Pb2+低于 1 000 mg·kg-1和 Zn2+低于 800 mg·kg-1处理下，植株没有出现明显萎黄，其余处理下基部2～3片叶出现不同程度的萎黄脱落。

表1 重金属胁迫对天竺葵生长的影响Table 1 Effect of heavy metals on growth of Pelargonium hortorum

2.2 重金属胁迫对天竺葵生物量的影响

随着4种重金属浓度的升高，植株生物量均呈下降趋势，最高浓度的Pb2+、Cd2+、Cu2+和Zn2+处理下总生物量与对照相比分别下降46.48%、62.50%、39.84% 和 39.84%，Zn2+低于 800 mg·kg-1时对生物量影响不显著(P ＞ 0.05)。Cd2+处理下根茎比上升，Pb2+、Zn2+处理下根茎比变化不显著 (P ＞ 0.05)，Cu2+处理下根茎比显著下降 (P＜0.05)(表 2)。

2.3 重金属胁迫对天竺葵叶绿素含量的影响

4种重金属处理下叶绿素含量与对照相比均上升。随着Pb2+、Cd2+和Cu2+浓度的升高叶绿素含量呈先上升后下降的趋势，随着Zn2+浓度升高呈上升趋势 (表 3)。

表2 重金属胁迫对天竺葵生物量的影响Table 2 Effect of heavy metals on biomass of Pelargonium hortorum

表3 重金属胁迫对天竺葵叶绿素含量的影响Table 3 Effect of heavy metals on chlorophyll content of Pelargonium hortorum

2.4 重金属胁迫对天竺葵叶片相对电导率、可溶性蛋白含量、游离脯氨酸含量的影响

天竺葵叶片相对电导率均随重金属浓度上升而显著上升(P＜0.05)，可溶性蛋白和游离脯氨酸含量在各重金属胁迫下也显著高于对照(P＜0.05)。随着Pb2+浓度的升高可溶性蛋白和游离脯氨酸含量呈先升高后下降趋势。随着Cd2+浓度的升高，游离脯氨酸含量变化趋势为先升高后下降，而可溶性蛋白含量呈显著上升趋势(P＜0.05)，随着Cu2+、Zn2+浓度的升高可溶性蛋白含量呈先升高后下降趋势，游离脯氨酸含量呈上升趋势(表4)。

表4 重金属胁迫对天竺葵叶片相对电导率、可溶性蛋白和游离脯氨酸含量的影响Table 4 Effects of heavy metals on leaf relative conductivity, soluble protein and free proline content of Pelargonium hortorum

2.5 重金属胁迫对天竺葵抗氧化酶活性的影响

在4种重金属胁迫下，3种抗氧化酶活性均显著高于对照 (P＜0.05)(表 5)。随着 Pb2+浓度升高，CAT、POD、SOD活性均呈先上升后下降趋势，且差异显著 (P＜0.05)。随着 Cd2+浓度升高，CAT 和SOD活性显著上升(P＜0.05)，而POD活性呈先上升后下降趋势，且差异显著(P＜0.05)。随着Cu2+浓度升高，CAT和POD活性显著上升(P＜0.05)，SOD活性呈先上升-下降-上升趋势，且差异显著(P ＜0.05)。随着Zn2+浓度升高CAT和POD活性呈先上升后下降趋势，且差异显著(P＜0.05)。SOD活性呈上升-下降-上升趋势，且差异显著 (P＜0.05)。

3 讨论与结论

重金属胁迫对植物的伤害常表现为根系受损伤及地上部生长减缓[14]。贾玉华等[3,15]研究发现，在1 500 mg·kg-1Pb2+和 50 mg·kg-1Cd2+复 合 条 件 下 ，天竺葵的株高、地上及地下干重都呈下降趋势，植株没有出现萎黄、死亡等胁迫症状。陈杰[8]研究发 现 ， 天 竺 葵 在 100 mg·kg-1Cd2+胁 迫 下 生 长 减缓、干重降低，对Cd2+的耐性较强但积累能力较弱。与以上结果相似，本研究发现，4种重金属处理下天竺葵生物量均下降，但未出现植株死亡，说明植株对4种重金属均具有一定的耐性。浓度低于1 000 mg·kg-1的 Pb2+和 浓 度 低 于 800 mg·kg-1的Zn2+胁迫下植株没有出现明显萎黄，其他处理基部2～3片叶萎黄脱落情况明显，说明植株对4种重金属的耐性有差异。与以往对天竺葵的研究不同的是，随着Cd2+胁迫浓度增加，植株根茎比提高，这与金丝草(Pogonatherum crinitum)适应高浓度Pb2+胁迫的策略相同[14]。在本研究设置的重金属浓度梯度下，根据总生物量下降程度表明天竺葵对Cu2+、Zn2+胁迫的耐性强于 Pb2+、Cd2+。

表5 重金属胁迫对天竺葵抗氧化酶活性的影响Table 5 Effect of heavy metals on antioxidant enzyme activity of Pelargonium hortorum

天竺葵叶片的相对电导率随着4种重金属浓度的升高而增大,说明4种重金属均对天竺葵的细胞膜造成了伤害。其原因可能是大量重金属离子进入植物体内与细胞膜蛋白的巯基或磷脂分子层的磷脂类物质反应，造成膜蛋白的磷脂结构改变，膜系统遭受破坏，透性增大，使细胞内一些可溶性物质外渗，从而导致相对电导率增大[15-16]。在不同的胁迫情况下,叶片细胞膜受到破坏的程度不同，分析可知4种重金属对天竺葵细胞膜伤害能力依次为 Cd2+＞ Cu2+＞ Pb2+＞ Zn2+。

光合生理的变化可以衡量植物对重金属的耐受性[17]，叶绿素含量可以反映植物光合作用能力的强弱。本研究中4种重金属胁迫下，叶绿素含量均显著高于对照，这与何翠屏和王慧忠[18]研究结果相同。随着重金属胁迫浓度提高，叶绿素含量总体呈先上升后下降趋势，这与黄凯丰[19]的研究结论相近，可能是低浓度重金属刺激了叶绿素合成，而随浓度升高，叶绿素受到的破坏加剧。

植物在遭受逆境时会积累大量可溶性蛋白和游离脯氨酸。本研究中4种重金属胁迫下，天竺葵叶片可溶性蛋白和游离脯氨酸含量均显著高于对照。POD、CAT和SOD是植物体内参与淬灭活性氧过程的重要活性酶[20]，本研究中4种重金属胁迫下CAT、POD、SOD活性均显著高于对照，3种酶活性呈不同的变化趋势，随着重金属浓度升高一般呈先上升后下降趋势，这与徐学华等[21]的研究结论一致。说明低浓度重金属胁迫刺激了植物体对超氧阴离子的分解，而随重金属浓度升高，酶活性受到破坏。随着 Cu2+、Zn2+胁迫浓度的升高，SOD活性呈上升-下降-上升趋势，与之类似，在徐卫红等[22]的研究中POD活性也出现过相同变化趋势，其原因还有待进一步研究。