土壤Cr6+胁迫下耐性植物筛选研究

申圆圆 刘健 胡浩东 刘田田 王雪梅

摘 要 采用无二次污染的生态修复方法，对土壤重金属Cr6+污染的修复问题进行研究。通过探索土壤重金属Cr6+对2种经济作物和5种观赏性植物种子的萌发率、根芽长度、叶绿素含量、可溶性蛋白含量、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）的影响研究，找到在土壤Cr6+污染条件下适应性强的耐性经济和观赏修复植物。结果表明：土壤在50 mg·kg-1 Cr6+胁迫下最优修复植物为牵牛花和高羊茅;土壤中25 mg·kg-1 Cr6+胁迫下，优选凤仙、牵牛花和高羊茅进行植物修复。

关键词 Cr6+胁迫;抗逆指标;光合指标;耐性植物

中图分类号：S718.5 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.09.071

土壤是民生之本。土壤受到重金属污染，将直接影响人类的生命健康。随着工业化的发展，重金属污染引起的问题频发，如“痛痛病”“癌症村”等。2014年公布的《土壤污染状况调查公报》表明，全国土壤调查点位的16.1%受到重金属污染，其中耕地部分的污染比例高达19.4%[1]。Cr污染较为严重，对农作物生长发育、产品产量与质量产生了严重影响[2]。Cr6+是一种典型重金属污染物，能够引起一系列疾病。从环境中移除Cr6+或将高毒性Cr6+还原成低毒性Cr3+，对于铬污染治理具有重要意义。土壤一旦受到Cr6+污染将难以自净，而通过物理和化学方法对土壤进行修复费用极高。近年国内外学者研究了生态修复的方法，主要是以草本植物、水生植物、农作物以及小部分木本植物为研究对象，而专门以观赏性花卉为对象的研究十分有限，多数研究对象为单一花卉。例如，李香君等仅探讨玫瑰在重金属铅胁迫条件下的适应反应[3]，未对多种花卉在不同浓度重金属胁迫下的情况进行对比研究。本研究主要探究观赏性植物与经济作物在土壤25 mg·kg-1和50 mg·kg-1 Cr6+胁迫条件下的萌发率、根芽长度、叶绿素含量、可溶性蛋白含量、SOD和POD，找出在不同浓度下耐受性最强的植物，进行土壤Cr6+污染生态修复。这样不但能够改善生态环境，给人们的生活环境带来美感与经济效应，还为人们选取观赏性植物和经济作物进行修复污染土地提供了生态、科技的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 实验材料

觀赏植物牵牛花、茑萝、百日菊、波斯菊以及凤仙等5种植物;禾本科植物高羊茅和狼尾草2种植物。种子购买自北京金地永丰农业科技有限公司。

1.2 实验试剂

重铬酸钾、过氧化氢、甲硫氨酸（Met）、NBT、考马斯亮蓝G-250Solarbio、95%乙醇、85%磷酸、愈创木酚、氢氧化钠、柠檬酸、核黄素、乙二胺四乙酸钠等，上述均为分析纯。牛血清蛋白为生化试剂。

1.3 实验仪器

电热恒温水浴锅、冷冻离心机、离心机、制冰机、光照培养箱、分光光度计、电子精密天平、冰箱。

1.4 实验设计

通过发芽率预实验筛选出萌发率较高的5种观赏植物（牵牛花、百日菊、波斯菊、凤仙、茑萝）和2种经济作物（高羊茅、狼尾草）进行试验。在土壤25 mg·kg-1和50 mg·kg-1 Cr6+胁迫条件下，选取筛选出的5种观赏植物和2种经济作物进行试验。牵牛花、百日菊、波斯菊、凤仙随机选取30粒，茑萝36粒，高羊茅、狼尾草各随机选取40粒。将处理好的种子种入处理好的两种浓度土壤中，7种植物分别设置实验组和空白对照，分别设置3个平行，共84个处理。通过监测种子在Cr6+胁迫下14 d、28 d的存活情况和30 d植物根苗长度、发芽率[4]、叶绿素[5]、可溶性蛋白含量（考马斯亮蓝G-250法）、SOD活性[氮蓝四唑（NBT）光化还原法]、POD活性（愈创木酚法）等指标，找出在不同浓度下耐受性最强的种子幼苗，筛选出在胁迫条件下受Cr6+污染的植物。

2 结果与分析

2.1 Cr6+胁迫对种子萌发的影响

由表1和表2可知，在土壤25 mg·kg-1 Cr6+胁迫条件下，波斯菊、凤仙的萌发率均有促进，其余种子萌发受到抑制不明显。土壤中含50 mg·kg-1Cr6+时，会明显抑制种子萌发。在（14 d）Cr6+50 mg·kg-1胁迫条件下，只有经济作物高羊茅萌发率为32%，接近空白对照组的37%，其余植物实验组发芽率均低于空白对照组。两种胁迫下的差异表明，土壤中Cr6+胁迫浓度越高，对植株危害越大，植物生长状况明显受到抑制。而在低浓度25 mg·kg-1Cr6+胁迫下，部分植物的萌发会受到促进。

2.2 Cr6+胁迫对植物根芽长度的影响

植物苗期生长指标是评价重金属耐性最直观的指标。由图1和图2可知，在土壤25 mg·kg-1 Cr6+胁迫下，波斯菊的苗长抑制程度达到39%，其余植物抑制作用不明显。在Cr6+25 mg·kg-1胁迫下，茑萝的根长促进程度达36%，其余植物根长均受到抑制。波斯菊与狼尾草受到的抑制作用最明显，分别达到74%和71%。这是由于植物根系最先与Cr6+接触，且多数Cr6+主要富集在根部。通常，铬在植物根的积累量是茎和其他组织的10～100倍[6]，转移到地上部的铬总量非常少[7]，因此根系往往最先受到毒害。

2.3 Cr6+胁迫对植物叶绿素的影响

叶绿素是光合作用的重要介质，能使植物合成自身需要的物质。光合作用的强弱和物质合成，与植物体内叶绿素含量密切相关，可以直接影响植物生长发育状况[8]。

因此，叶绿素是研究植物耐性的重要指标。由图3和图4可知，在25 mg·kg-1 Cr6+胁迫下，波斯菊叶绿素a、b、胡萝卜素的合成均受到抑制。其中，胡萝卜素的抑制作用最为明显达到58%，而狼尾草叶绿素a、b、胡萝卜素的含量各促进44%、48%、48%，其余植物叶绿素a、b、胡萝卜素含量变化不明显。由此可知，在25 mg·kg-1 Cr6+胁迫下的狼尾草叶绿素含量更多，能更好地进行光合作用，有利于植物增强耐受性。究其原因，这是由于不同植物在同一胁迫条件下的耐受性程度不同。在25 mg·kg-1 Cr6+的胁迫作用下，波斯菊吸收了部分金属离子，造成合成叶绿素的基因表达发生变化，或抑制了合成叶绿素的酶的活性。蔡新华[9]研究表明，重金属离子被植物吸收后，细胞内的重金属离子作用于叶绿素生物合成途径的几种酶（叶绿素酯还原酶、δ氨基乙酞丙酸合成酶和胆色素脱氨酶）的肽链中富含的部分，改变了它们的正常构型，抑制了酶的活性，阻碍了叶绿素的合成。

2.4 Cr6+胁迫对可溶性蛋白含量的影响

蛋白质是细胞中含量比较丰富的大分子物质，是作物种子中结构和功能较为关键的基础物质之一。可溶性蛋白含量的增加，会增加细胞内的功能蛋白的数量，使植物更好地适应逆境胁迫，在不良环境中生存。因此，可溶性蛋白含量的变化能够反映种子的生长状况，有利于提高植物抗逆性。由图5可知，在25 mg·kg-1 Cr6+胁迫下，牵牛花、凤仙、波斯菊的可溶性蛋白含量明显增加，其中波斯菊可溶性蛋白含量增加为空白对照的3倍，而狼尾草可溶性蛋白含量明显减少58%，其余植物可溶性蛋白含量变化不明显。这表明牵牛花、凤仙、波斯菊的可溶性蛋白含量明显增加与其余植物可溶性蛋白含量变化不明显是对Cr6+胁迫的一种适应表现，而狼尾草可溶性蛋白含量明显减少是Cr6+胁迫超过狼尾草的承受能力，与李秀珍等研究镉胁迫对植物可溶蛋白质的影响规律相同[10]。但是，牵牛花、凤仙、波斯菊的可溶性蛋白含量明显增加，则是由于重金属胁迫下植物细胞中DNA能够转录形成特异性的mRNA。这些mRNA能够参与调节逆境蛋白的合成，并在某一条件下重金属胁迫能够诱导产生大量不同的逆境蛋白[11]。

2.5 Cr6+胁迫对植物SOD的影响

SOD是一种重要的活性氧防御酶，在消除超氧物自由基、减轻脂质过氧化作用和膜伤害方面起着重要作用。SOD活性的提高，能使细胞的渗透调节能力和适应逆境的能力得到提高[12]。在土壤25 mg·kg-1 Cr6+胁迫下，狼尾草和波斯菊SOD含量从375.60 U·g-1、366.19 U·g-1分别减少为245.47 U·g-1、148.70 U·g-1，其余植物SOD含量变化不明显。图6表明，狼尾草和波斯菊在土壤25 mg·kg-1 Cr6+胁迫下已经不能产生足够的SOD对抗逆境环境，这与李香君等人研究的在高铅胁迫处理下玫瑰体内活性氧大量累积超出自身抵御能力，使得SOD酶活性降低的现象一致。而土壤25 mg·kg-1 Cr6+的环境对其他植物影响不大，植物体没有产生超出正常环境下的SOD含量。

2.6 Cr6+胁迫对植物POD的影響

POD广泛存在于植物中且活性较高。该酶能够催化还原H2O2，在氧化其他物质的同时，将H2O2还原为H2O，进而清除细胞内的H2O2，是重要的抗氧化保护酶之一。在土壤25 mg·kg-1 Cr6+胁迫下，茑萝、凤仙和波斯菊POD含量增加，其余植物POD含量变化不明显。由图7可知，虽然茑萝的POD空白对照含量高，但茑萝实验组的POD含量增加最小，为空白对照的1.8倍。凤仙和波斯菊实验组的POD含量则为空白对照的2.7倍和2.8倍。这表明茑萝、凤仙和波斯菊在土壤25 mg·kg-1 Cr6+胁迫下反应非常敏感，为了维持生命活动，大幅度提高了自身的POD含量，其余植物能够较好地适应土壤25 mg·kg-1 Cr6+的环境，POD含量则未发生明显改变。这表明，在此时期茑萝、凤仙和波斯菊体内的代谢旺盛，借此提高了自身耐受性强度。

3 结论

重金属容易被人吸收。本研究筛选出重金属耐受性较强的植物，采用生态修复的方法减缓Cr6+在人体的富集效应。研究结果表明：在土壤50 mg·kg-1 Cr6+条件下，只有牵牛花和高羊茅可以长期生长，其余植物均受到毒害致死;当土壤Cr6+含量接近50 mg·kg-1时，可以选取牵牛花和高羊茅对土地进行净化与装饰，以减缓Cr6+在食物链的富集作用对人体产生危害;当土壤Cr6+含量为25 mg·kg-1条件下，时百日菊、凤仙、高羊茅的萌发率得到促进，茑萝、凤仙为维持生命活动提高自身POD，牵牛花、凤仙的可溶性蛋白含量增加明显;对Cr6+含量为25 mg·kg-1的土壤进行修复时，选取植物的优先顺序为凤仙>牵牛花>高羊茅>茑萝>百日菊。7种优选植物在试验中耐性最好、生命力最强的观赏性植物为牵牛花，经济作物为高羊茅。

参考文献：

[1] 环境保护部，国土资源部.全国土壤污染状况调查公报[EB/OL].（2014-04-17）[2019-02-02].http：//www.gov.cn/foot/site1/20140417/782bcb88840814ba158d01.pdf.

[2] 张艳杰.H2S调控重金属Cr（VI）胁迫下小麦种子萌发的信号机制[D].郑州：河南工业大学，2015.

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[12] 施国新，杜开和.汞、镉污染对黑藻叶细胞伤害的超微结构研究[J].植物学报，2000（42）：373-378.

（责任编辑：刘昀）