苎麻对镉吸收累积特征、生理响应及土壤修复的研究进展

刘婕仪,王继龙,李林林,苏小惠,崔丹丹,王昕慧,刘皖慧,杨瑞芳,佘玮,崔国贤

(湖南农业大学苎麻研究所，湖南 长沙 410128)

苎麻(BoehmerianiveaL.)是荨麻科苎麻属多年生宿根性草本植物，其特点为根系庞大，生长速度快，生物产量高[1]。苎麻是中国特有的纤维作物，在国际上被称为“中国草”[2]。

镉是环境迁移性、中毒性最强的重金属元素之一[3]，土壤中过量的镉易被植物吸收和积累，不仅造成农作物产量和品质下降，还会影响植物的细胞分裂、生长及代谢活动[4]。镉被植株的根系和叶片吸收，而后在各组织上长时间积累，并通过食物链进入人体内，经过长期积累后通常会加快人的衰老，甚至引发各类疾病，因此镉污染对人体健康造成很大的威胁。

近年来有研究[5]指出，苎麻对重金属具有较强的耐受力，是一种较理想的中、轻度重金属污染土壤修复作物，因此利用苎麻防治重金属镉污染方面的研究具有重大意义。目前的研究主要集中在镉的吸收与富集、苎麻对镉污染土壤的修复作用及镉对苎麻生长发育和生理生化影响等方面。本文主要对近十年苎麻在重金属镉污染土壤修复及苎麻对镉胁迫响应研究方面进行综述，旨在为今后苎麻修复镉污染土壤及镉污染防治提供科学依据。

1 苎麻对重金属镉的吸收累积特征

1.1 苎麻对镉的耐受性和累积效应

植物的耐受力可以用Ti(耐受指数)来表示，Ti通常被用来反映植物对不利生长发育环境条件的忍受程度，一般用各处理植物各农艺性状与对照的比值来表示。曹德菊等[6]采用盆栽试验研究苎麻对镉的耐受力和累积效应时发现，在镉浓度为200 mg/kg时苎麻长势情况较好，并在一定程度上有促进作用；当镉浓度增大至900 mg/kg时，植株会产生致命的毒害作用，苎麻地下部会发生腐烂现象；当镉浓度≥1200 mg/kg时，则导致苎麻植株全部死亡。佘玮等[7]通过盆栽试验探索了不同镉浓度对9个苎麻品种吸收累积镉的影响，发现当镉浓度为23～46 mg/L时，石阡竹根麻、宜春红心麻和川苎1号3个品种的地上部生物量均高于对照，在镉污染土壤上种植苎麻，能起到一定的土壤净化作用。付慧琴[8]研究镉胁迫下苎麻不同细度种质的耐受能力，发现苎麻种质的耐镉性与纤维细度存在一定关系，中、高细度苎麻种质的耐镉性大于低细度苎麻种质。有研究[9]表明，重金属镉在不同基因型苎麻植株中分布的部位不同，不同基因型苎麻根、茎、叶3部分的镉含量均存在差异，差异较大的是湘苎二号，其茎部平均含镉量高达11.98 mg/kg，是其根部的4倍多、叶的3倍，而差异较小的是宁都白麻，其茎部的平均含镉量只有叶部的两倍左右，并且略低于根部含镉量；此外，通过比较麻壳、原麻和麻骨含镉量可知，重金属镉主要分布在麻壳中，其镉含量远高于原麻和麻骨，其中麻壳含镉量最高的品种为石阡竹根麻，其镉含量高达74.56 mg/kg，远超出其原麻和麻骨的含镉量。孟桂元等[10]通过分析不同浓度Cd/Sb/Pb复合作用下苎麻的生长响应，及重金属吸收、富集和迁移特征变化的盆栽试验，表明高浓度明显抑制了苎麻的生长，其植株变矮、茎变细及生物量明显减少；而低浓度Cd/Sb/Pb复合处理对苎麻生长及生物量没有明显影响，说明苎麻是目前修复重金属Cd/Sb/Pb 复合污染的理想植物。研究[11]表明，在低浓度镉处理条件下，能够较明显地促进苎麻的生长，在镉浓度达到100 mg/kg时苎麻仍能正常生长发育，说明苎麻对重金属镉有较强的耐受力和吸收富集力。林匡飞等[12]结合盆栽、田间和大田定位试验研究了苎麻吸镉特性及对含镉土壤的改良作用，与众多研究结果一致，在土壤镉含量在100 mg/kg以下时，苎麻农艺性状均有所提升，并且原麻产量有增加趋势；当土壤镉含量达到400 mg/kg时，明显影响苎麻正常的生长发育，使得苎麻生长缓慢，各农艺性状出现急剧下降的现象，原麻减产14.5%。镉在苎麻品种湖北细叶绿各部位含量为根>茎叶>籽实，在茎叶中含量为皮屑>鲜皮>麻骨>原麻。不同麻龄湖北细叶绿的根和茎叶镉含量表现为三龄麻>二龄麻>一龄麻，同龄麻湖北细叶绿三季差异为头麻>三麻>二麻。

1.2 苎麻对镉的富集及转运能力

植物从土壤中吸收、富集重金属，可用富集系数(Bioaccumulation factor，BCF)来反映植物对重金属富集能力的强弱，BCF是指植物地上部分重金属含量与土壤重金属含量的比值，一般来说系数越大，表明植物对该重金属的富集能力越强[13]。林欣等[14]研究表明，镉处理对苎麻的生长产生了明显的抑制作用，4种苎麻品种的株高、茎粗、皮厚和地上部生物量均较CK有明显的降低，并且随处理镉浓度的增加各指标的降低程度增大；各苎麻品种的地上部器官和根部Cd富集量与处理浓度呈正相关，苎麻各器官或部位对镉的BCF大小为茎皮>麻骨>根部>叶片，即苎麻茎皮部的富集能力最强，叶片的富集能力最弱，苎麻根部直接接触土壤中重金属镉，而根部富集镉的能力仅强于叶片，这也说明了苎麻向上转运镉的能力强。戴晓燕[15]研究饲纤兼用苎麻的镉富集性差异与上述研究结果基本一致，不同的是根部的富集系数要强于麻骨，并得出同一饲纤兼用苎麻种质资源纤维部分的镉富集系数仅大于叶片。相比其他重金属，苎麻体内重金属镉含量最高，富集能力和转运能力都较强[16]。苎麻本身具备良好转运能力的条件，因苎麻地上部生物量大，远超出其根量，可以将大量的地下部重金属转移至地上部。转运能力通常用转运系数(Transfer factor,TF)来表示，TF为植物地上部重金属含量与其地下部重金属含量的比值，系数大小与转运能力呈正比，转运能力越强对重金属的修复能力就越强。由图1可知，Cd处理浓度100 mg/kg为临界点，当Cd处理浓度小于100 mg/kg时，苎麻地上部转运系数较CK整体呈增加趋势，表明低Cd浓度处理条件下苎麻对重金属镉转运有一定的促进作用；当Cd处理浓度大于100 mg/kg时，随着浓度的增加苎麻地上部转运系数越来越小，均小于0.8，表明高Cd浓度处理条件下苎麻对重金属镉转运有一定的抑制作用。

图1 不同Cd浓度处理下植株地上部富集系数和转运系数[17]Fig.1 The bioaccumulation factor and transfer factor of ramie under exposure of Cd[17]

1.3 苎麻对重金属镉污染土壤的修复效果

苎麻多功能开发的一个热点是修复重金属镉污染土壤，苎麻地上部生物量大，根部能有效吸收土壤中的重金属镉，经根部传输到苎麻各部位，在一定程度上能够减少土壤镉污染。苎麻耐镉性强，在低浓度镉污染的土壤能正常生长，结合现代苎麻栽培方式扦插育苗能够大幅度提升苎麻成活率，以及苎麻多年生、一年收获3～4次的特点，故苎麻在改善和修复土壤方面存在明显优势[18]。虽然我国苎麻种质资源较为丰富，但不同地区的不同品种在生长情况上也存在着较大差异，对重金属镉污染土壤的修复效果也有明显差异，因此针对不同的镉污染区，应筛选适宜的品种推广种植，以及运用现代作物育种的方法，如杂交育种、人工诱变育种、多倍体育种、基因工程育种、细胞工程育种等育种方法培育在当地修复镉污染土壤最佳的苎麻新品种[19]。利用苎麻修复重金属镉污染的土壤，一方面能很好地修复土壤，而且作为经济作物种植既有一定的收入，也不像粮食、蔬菜等作物通过食物链进入人体，所以苎麻在修复重金属镉污染土壤方面具有得天独厚的优势。

2 镉对苎麻生理生化的影响

2.1 镉对苎麻光合作用的影响

作物生长最基础、最重要的生理活动就是光合作用，而Cd会破坏细胞膜的结构和功能，导致叶绿素及蛋白质的合成受阻，从而使植物的部分气体交换参数值[20]和光合色素含量[21]下降，进而影响作物的正常生长。大量研究表明，镉胁迫下会使苎麻叶片的净光合速率、蒸腾速率等光合指标下降[22]，导致苎麻光合作用强度明显减弱[23]。有研究[24]表明，不同苎麻品种叶片净光合速率的光强反应不尽相同，随光合有效辐射的增强其净光合速率整体呈“S”型趋势，即为“慢-快-慢”的光强反应表现。随着镉处理浓度的增加，苎麻叶片净光合速率逐渐降低。李雪玲等[25]研究发现，苎麻叶片叶绿素含量的下降程度与镉浓度水平呈正相关，在长时间镉胁迫下苎麻叶片胞间CO2浓度显著降低，并明显抑制了苎麻叶片的气孔导度，是降低苎麻光合作用的主要限制因子。研究[26]发现，苎麻赣苎5号在镉胁迫条件下，旺长期其叶片除了胞间CO2浓度呈下降趋势以外，其余的光合指标均呈上升趋势，而在成熟期各光合指标与旺长期恰好相反，两时期下各光合指标与对照相比均达到极显著差异。一龄麻赣苎5号在6个镉胁迫浓度(0、20、60、120、180、240 mg/L)处理下，胁迫21 d时镉浓度为中度处理(60、120 mg/L)下，苎麻叶片的净光合速率较大，镉胁迫49 d时各处理浓度下其净光合速率均有所减小，处理浓度为120 mg/L及以上时，随着浓度的增加净光合速率逐渐减小[27]。

2.2 镉对苎麻抗氧化酶的影响

酶是生物体内由活细胞产生的一种生物催化剂，而抗氧化酶一旦在体内形成氧化物会即刻发挥作用，利用氧化还原作用将过氧化物转换为毒害较低或无害的物质，所以抗氧化酶的存在对降低重金属镉的毒害有重要意义。杨叶萍[28]研究表明，苎麻在镉胁迫条件下，超氧化物歧化酶(SOD)活性和过氧化氢酶(POD)活性表现为根系明显高于叶片，其中POD活性最为明显，高出100倍以上；根系和叶片的SOD活性与受镉胁迫时间呈负相关，且根系SOD活性随镉浓度的增加而整体呈增强趋势，叶片SOD活性随镉浓度的增加而整体呈减弱趋势。长时间(49 d)镉胁迫下，根系和叶片的POD活性随Cd2+浓度增加而逐渐增强，当Cd2+浓度为120 mg/L时，POD活性急剧上升；短时间(21 d)镉胁迫下，根系POD活性在不同梯度镉胁迫下急剧变化，而叶片的POD活性随镉浓度的增加呈稳定缓慢上升趋势。叶片过氧化氢酶(CAT)活性要高于根系，21 d镉胁迫下，根系CAT活性随镉浓度的增加逐渐增强，49 d镉胁迫下，根系CAT活性随镉浓度的增加明显减弱，胁迫时间长短对叶片CAT活性影响不明显。苎麻根系和叶片丙二醛(MDA)含量受镉胁迫时间的影响不大，21 d镉胁迫下，Cd2+浓度分别为60、180 mg/L时，根系和叶片的MDA含量下降幅度巨大。王凯荣等[29]研究发现，苎麻叶片MDA含量与土壤Cd浓度及受冷害程度等逆境的伤害呈正相关，其中镉胁迫下相关系数达到0.96，表明苎麻对镉的毒害反应与其他逆境因子的响应有相似的生理反应基础，可见重金属镉对苎麻抗氧化酶活性及其MDA含量有较大的影响。

2.3 镉对苎麻螯合作用的影响

重金属镉对作物的正常生长发育造成很大的威胁，并且农作物对重金属镉有较敏感的生理反应，故作物在长期受到镉胁迫的环境中会自发的产生相应的抵制机制，来应对逆境造成的不良影响，而螯合作用是作物解除镉毒害最有效的反应机制。

镉对苎麻的螯合作用相关研究较少，与其他作物的螯合作用原理相同，植物体内的螯合素(PC)能与金属离子螯合成较稳定的硫肽复合物，硫肽复合物等在转运蛋白的运输下可以转移到细胞液或者细胞外，形成良好的耐镉性保护反应机制[30]。苎麻对重金属镉的耐受性实质是螯合作用的表现，苎麻的螯合作用使得其具备了成为修复重金属污染土壤的优良材料[31]。苎麻作为纤维经济作物，具有不进入食物链等的特点，故在镉污染土壤修复中存在较大的优势。佘玮等[32]对营养液培养条件下苎麻耐镉性指数及对应的隶属函数值进行聚类分析，将苎麻耐受性分为高耐性、中耐性、低耐性3种，3种耐受性下的苎麻螯合作用也可分为3个等级。有研究[33]报道，镉处理下依靠苎麻的螯合作用进行调控，PCs在将镉从根转运到茎的长距离运输中发挥作用，使镉在根中保持低浓度。Howden等[34]分离了拟南芥cad1突变体，由于这些突变体缺乏PC合成系统而表现出PC合成酶的活性水平降低，使拟南芥对镉的敏感性增加，因此设想将PC合成酶转入苎麻体内，会更大限度提高苎麻对镉的耐受性，鉴于此有相关研究[35]表明，植物本身对重金属有排斥性，可以通过一定排斥反应将其排除体外，从而与体外分泌物结合形成较为稳定的重金属络合物，重金属也可在植物体内与细胞壁结合。

2.4 镉对苎麻区域化作用的影响

区域化作用是通过运输把重金属转移至一些生理代谢缓慢的植物器官或亚细胞区域，能够有效降低重金属镉等的毒害。为了减少镉胁迫对自身生长发育的影响，苎麻体内存在多种途径可增强对镉的耐性，而区域化作用是其保护体系之一[36]。细胞是生物体基本的结构和功能单位，在重金属镉入侵植物细胞的过程中细胞壁担起了第一道防线，使部分重金属镉与细胞壁处的果胶等结合累积而不再进入细胞内，减少了对苎麻的直接伤害[37]；另外直接通过细胞壁的重金属镉进入细胞内，而镉在细胞内能刺激螯合肽的合成，并与之结合形成络合物，在转运蛋白的运输下最终达到植物细胞最大的细胞器液泡[38]，由细胞壁和液泡将重金属镉划分在两个主要的区域，有效降低了重金属镉对细胞其他部分正常生命代谢活动的影响。转运蛋白在重金属进入植物细胞以及对重金属毒害的防御中起重要作用，重金属锌转运调节系统又称锌转运蛋白，重金属镉转运调节系统又称为镉转运蛋白。转运蛋白主要是吸收蛋白和排除蛋白两大类，属于转运金属离子螯合物的跨膜载体，两者在相辅相成的配合下完成对重金属镉的运输，在细胞质膜和液泡膜等形成局部区域化作用[39]。

3 苎麻种植减镉毒害防治措施

3.1 物理防治

种植苎麻的田间镉迁移性差，因此可以采用深耕的方法，减少表层土壤的含镉量，或采用排土客地的方法，把未污染的土壤移至已受污染的土地，覆盖在土地表面或者与土地充分混合，达到降低土壤含镉量、尽可能减少苎麻对镉吸收的目的。消除重金属镉污染还可以采用去除表土的措施来防治，此种消除方式比较彻底，能够很好地防治土壤的镉污染。此外还有清洗法，通常用水把被重金属镉污染的土壤冲离至苎麻根部外层等[40]。

3.2 化学防治

化学防治是指向受重金属镉污染的土壤加入化学试剂，通过化学反应来减少镉含量的措施。有研究[41]报道，酸碱度能够明显影响重金属镉的活性，土壤碱性越强镉活性越弱，最普遍的是施用石灰，提高土壤pH值，每667 m2施25 kg石灰，两年左右可有效降低土壤中重金属镉的活性。添加磷酸盐类、硅酸盐类物质与重金属Cd形成难溶性的磷酸盐、硅酸盐，从而降低土壤中重金属镉的溶解性，减少其在苎麻体内的积累，研究还发现海泡石可以作为重金属镉污染的改良剂，能显著降低镉的有效性[42]。化学防治时效快，操作简单，但是不够彻底，只能在污染程度低的区域小面积采用，否则会造成土壤理化性质的不平衡和土壤板结等问题。

3.3 生物防治

生物防治一般有动物、植物、微生物防治3种途径[43]，结合苎麻多年生生长特性和收获方式，在温度和水分等适宜的条件下，苎麻地里麻骨等残渣一般会滋生出蚯蚓、蛴螬等软体动物，使得种植苎麻的土地通常有丰富的生物活动。苎麻地种植蕨类、苋类、黑麦草等富集植物，也可采用间作的栽培方式，能够有效降低土壤中重金属镉含量。在重金属镉污染的土壤种植苎麻，在一定程度上可提高有机质含量[44]，而有机质可以为微生物提供活动场所，微生物的生命活动可以逐渐改善土壤结构，增强土壤胶体对重金属镉的吸附能力，从而在一定程度上达到对镉污染的防治。生物防治是利用生物对重金属镉的减弱、净化及固定作用降低镉的毒害性[45]，该措施具有无附加污染、生态环保、发挥作用持续的优点。

3.4 肥水防治

苎麻地肥水耦合的田间管理一方面能使苎麻生长旺盛，另一方面对土壤理化性有所改善，降低重金属镉的活性，防治镉毒害的重要方法之一是降低土壤中镉的活性[46]。种植苎麻前可以将土壤进行淹水，Cd在淹水的土壤中会形成难溶性的化合物，控制好土壤水分状况能降低Cd2+的转移，施用有机肥能改良土壤，提供苎麻生长的优质环境，大幅度降低镉污染的程度[47]。施用有机肥后，土壤中活性较高的游离态和交换态Cd能转化为活性较低的有机结合态Cd，同时增加活性氧化物的含量，提高酸性土壤的pH值，进而显著降低苎麻对镉的吸收[48]。

4 讨论与展望

对于重金属镉对苎麻的生理生化研究目前已经取得了一定的进展，但仍存在尚未解决的问题以及待改进之处，在今后的研究工作中，将在苎麻对镉的分子机制方面作更深入的研究，通过现代生物技术手段，降低苎麻对镉的吸收和富集，实现镉污染土壤的无害化苎麻种植[49]。朱守晶[50]研究表明，镉胁迫响应的主要代谢途径是苎麻BnAPX1、BnGR1以及BnPCS1基因的全长cDNA序列，3种基因的表达特征分析是受重金属镉的胁迫，而功能鉴定证明其具有提高苎麻耐镉性的能力。在研究苎麻镉胁迫响应基因的克隆与表达分析中发现，BnMYB1是一个镉应答基因，可能在苎麻对镉胁迫的适应中发挥重要作用[51]；BnMYB3基因能够响应镉胁迫，且表达量随镉胁迫处理时间和处理浓度的增加而显著上升[52]。

苎麻吸附重金属镉的研究中，有大量关于超富集植物的报道。Brooks[53]对超富集植物的定义应符合3个标准：(1)植物地上部分富集的重金属镉含量临界含量标准为100 mg/kg；(2)植株地上部重金属含量要大于地下根部；(3)植株应具有生育期短、地上部生物量大和抗性强等特点。虽然苎麻在高浓度镉胁迫(镉浓度≥100mg/kg)下未达到超富集植物的标准，但苎麻具有每季生育期短、地上部生物量大、根系发达和水土保持能力强等特点，故山坡地种植苎麻来修复土壤重金属污染是较好的选择[54]。综合来看，其在重金属污染土壤修复中的作用不亚于生物量少、生长缓慢的超富集植物，表明苎麻是理想的修复植物。

苎麻修复土壤镉污染的研究处于起步阶段，基础研究欠缺，加之技术瓶颈使之难以取得实质上的突破。针对目前的研究现状，笔者结合前人研究提出以下建议：(1)加快苎麻耐受性品种的筛选与选育，一方面可以从现有的苎麻种质资源中广泛筛选，种植出适合本地区培育的苎麻品种；另一方面还可以应用现代育种技术，培育耐镉能力强的新品种；(2)进一步探索苎麻耐镉的宏观规律和微观机理，特别是分子生物学机理，同时借助转基因技术克隆耐镉基因，并进行相关的转基因研究；(3)进行重金属污染修复利用途径的整体创新，利用苎麻修复镉污染与其他物理、化学、生物和生态方法相结合，从而达到土壤环境治理的目的，进一步延长苎麻的修复期限，从而取得更好的效果。