镉胁迫对两种蔊菜生长的影响及其在植物体内的积累和转运特性

关 萍，金 恺，袁蕴宁，曲 波，邵美妮，许玉凤

（1.沈阳农业大学a.生物科学技术学院，b.林学院，沈阳110161；2.辽宁省高速公路运营管理有限责任公司，沈阳110000）

随着社会工农业的迅速发展，环境污染日趋严重，而重金属镉（Cd）污染在环境污染中最为突出，为“五毒”元素之一，其主要来源于化肥和农药的施用、工业废水和污水的灌溉、矿山开采、大气沉降等[1]。 Cd 能通过根系吸收而在植物中积累，然后通过食物链进入人体，危害人体健康[2]。

Cd 不是植物生长的必需元素，当土壤中Cd 含量较低时，对植物生长影响较小，甚至有促进作用，但高浓度的镉对植物生长具有抑制作用[3]。镉胁迫能通过抑制根尖细胞的分裂和伸长而影响根系生长[4],阻碍叶片中叶绿素的合成，进而抑制光合作用[5],使酶的活性发生改变，造成膜损伤[6]。 镉胁迫还能抑制根系对钾、钠、镁、锌、铁、钙等营养元素的吸收[7-8]。 镉胁迫最终会造成植物叶片变黄，生长缓慢，植物体矮小，作物产量和品质下降，严重时植物会死亡[9-10]。 植物对重金属镉的毒害作用具有一定的耐性，主要通过抑制根系对镉的吸收和向地上部分转移[11]、增强镉在植物细胞内外的络合与螯合作用[12-13]、促进细胞壁的滞留固定作用[14]以及液泡的区隔化作用[15]等方式降低镉的毒害作用。 不同的植物种类对Cd 的吸收和转运能力不同，对其耐受性也具有一定差异。

植物修复技术是对重金属污染土壤进行修复的重要措施，是一种绿色、安全、生态、环保的治理土壤技术。土壤中的重金属经过植物根系的吸收和转运，储存在根部以上的器官中，收获后从污染地转移出去，再集中处理，从而降低土壤中重金属含量。 超富集植物最初由WITHER 和BOORKS[16]提出，是指对重金属的吸收能力超强，但植物自身不受毒害的物种和基因型。 镉的超富集植物通常具备：(1)地上部分镉积累的临界值为100mg·kg-1；(2)地上部分的转运系数（TF）＞1；(3)地上部分的富集系数(BCF)＞1；(4)具有较强的耐镉性，在镉污染的土壤上生长，无明显的毒害症状，地上生物量没有显著下降。 理想的超富集植物，应该还具有根系发达、生长快、生物量大等特点[17]。 目前，有文献报导的镉超富集植物约有30 余种，以一年生草本植物居多，但能在实践中应用的种类却很少。 主要是因为它们一般生长缓慢，生物量低，限制了其应用。 因此，筛选具有实际应用价值的镉超富集植物具有非常重要的意义。

欧亚蔊菜（Rorippa sylvestris）和两栖蔊菜（Rorippa amphilia）为十字花科多年生草本植物。 两栖蔊菜原产欧洲，2006 年首次在大连绿化带草坪中发现。 欧亚蔊菜原产欧洲和亚洲西南部，在我国新疆伊宁有分布，沈阳地区于2015 年首次在沈阳农业大学校园草坪中发现[18]。 两栖蔊菜和欧亚蔊菜在草坪中形成优势群落，由于其横走侧根非常发达，根蘖繁殖能力极强，因此，具有很强的入侵性，分别被认定为外来入侵植物和区域性入侵植物。利用入侵植物生命力强的特点，若种植在重金属污染土壤中，可以起到修复作用[19]。多年生草本植物具有一次性种植，多次收获的特点，修复土壤成本低，见效快。 栽培试验和野外调查发现，两种蔊菜形态解剖学上为总状花序、小花数量多、黄色鲜艳，具有较高的观赏价值。 同时，具有生长快、耐修剪、耐践踏、生态幅宽、抗逆性强等特点，也是非常优良的园林地被植物。因此，本试验通过盆栽方法，研究镉胁迫下两种蔊菜在形态和生理上的响应特点，分析镉的吸收和转移特性，评价两种蔊菜的耐镉性和富集镉的能力，以期为镉污染的农田土壤和废弃矿山等生态修复中提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

本试验在沈阳农业大学植物培养室内进行。 栽培土壤理化性质如表1。

表1 土壤的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the soil

1.2 方法

于2018 年3 月中旬，分别称取5kg 供试土壤，装入花盆（直径13cm×深10cm）中。 镉处理浓度设为5 个梯度：0（CK），50，100，200，400mg·kg-1，10 个重复。 镉（CdCl2·2.5H2O，分析纯）以水溶液的形式加入到土壤中，放置1 个月后待用。 4 月末，于校园内，挖取两栖蔊菜与欧亚蔊菜生有1 个根蘖幼苗的根段，长3cm，直径3mm，栽植于穴盘中缓苗生长。 10d 后，选取生长一致的幼苗，移植于事先装好土的花盆中，每盆3 株，昼/夜温度为:25℃/18℃，光周期为:12h 光照/12h 黑暗，人工浇水，使土壤含水量保持在85%。 处理10d 后，进行指标测定。

1.3 指标测定

采用直尺法测量株高；采用丙酮乙醇混合液浸提法测定叶绿素含量；利用叶绿素荧光仪(Pam-2000)测定荧光参数。 上午8∶00～11∶00 测定光化学效率（Fv/Fm）、光合电子传递速率(ETR)、非光化学猝灭系数（NPQ）等指标[20]。

最大净光合速率（Pn）的测定：选择晴朗无风天气，利用Li-6800 光合仪测定。 每处理选择3 株，每株选择1片健康向阳叶片，测定3 次，取平均值。

生物量的测定：样品收获时，根系用蒸馏水洗净，表面水分用吸水纸吸干，然后分成根、茎和叶3 部分，装入信封，先杀青30min（105℃），然后烘干（75℃），记录干重。

植株镉含量的测定与富集系数和转运系数的计算[15,21]：取烘干后的样品300mg，用HNO3-HClO4消化，体积比为5∶1。 采用电感耦合等离子体原子发射光谱仪ICP-AES（IRIS IntrepidII）测定镉含量。

采用软件Excel 2017 进行处理数据，统计软件SPSS 进行单因素方差分析和Duncan 多重比较分析显著性。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对两种蔊菜生长的影响

由表2 可知，镉胁迫影响了两种蔊菜的生长，随着土壤中镉胁迫浓度的升高，两种蔊菜的株高呈逐渐下降趋势，与对照比，各处理差异均显著；生物量呈先上升后下降趋势。 镉浓度低于100mg·kg-1时，两种蔊菜生物量与对照比差异不显著。

表2 镉胁迫对两种蔊菜生长的影响Table 2 Effect of Cd stress on the growth of two species of Rorippa

2.2 镉胁迫下两种蔊菜叶片叶绿素含量的变化

由图1 可知，随着土壤中镉浓度的增加，叶绿素含量呈逐渐减少的趋势，各处理之间差异不显著，但与对照比，各处理差异显著（p＜0.05）。

2.3 镉胁迫下两种蔊菜净光合速率的变化

两种蔊菜的最大净光合速率随着土壤中镉胁迫浓度的增加呈逐渐下降的趋势 （图2）。 在镉浓度低于100mg·kg-1时两栖蔊菜下降幅度较大，在镉为400mg·kg-1时降至最低值，除100mg·kg-1和200mg·kg-1差异不显著外，其他各处理间差异均显著（p＜0.05）。 欧亚蔊菜在镉浓度为50mg·kg-1时下降幅度较大，除50 mg·kg-1和100mg·kg-1外，差异均显著（p＜0.05）。

图1 镉胁迫对两种蔊菜的叶绿素含量的影响Figure 1 Effect of Cd stress on the chlorophyll content of two species of Rorippa

图2 镉胁迫对两种蔊菜最大净光合速率（Pn）的影响Figure 2 Effect of Cd stress on the Pn of two species of Rorippa

2.4 镉胁迫对两种蔊菜叶绿素荧光参数的影响

由图3 可知，随着土壤中镉浓度的增加，两种蔊菜的最大光合效率（Fv/Fm）逐渐减少，当镉浓度低于100 mg·kg-1时，各处理与对照比差异不显著，当镉浓度高于100mg·kg-1时各处理与对照比差异显著（p＜0.05）；光合电子传递速率（ETR）随着土壤中镉浓度的增加而逐渐降低，当土壤中镉浓度高于100mg·kg-1时各处理与对照比差异显著（p＜0.05）；相反，非光化学淬灭系数（NPQ）随着镉浓度的增加逐渐升高，当镉浓度高于100mg·kg-1时与对照比差异显著（p＜0.05）。

图3 镉胁迫下两种蔊菜叶绿素荧光参数的变化Figure 3 Effects on Chlorophyll fluorescence parameters of two species of Rorippa under Cd stress

2.5 镉胁迫对两种蔊菜富集系数和转运系数的影响

由表3 可知，随着镉浓度的增加，两种蔊菜的根、茎、叶及地上部分镉含量逐渐增多，各处理间差异显著；当土壤中镉浓度为50mg·kg-1时，1kg 的地上部分含镉量为129.41mg（欧亚蔊菜）和119.66mg（两栖蔊菜），都超过100mg；除对照外，两种蔊菜地上富集系数和地下富集系数呈现增加的趋势，且均大于1，两栖蔊菜地上富集系数为1.64～2.90，地下富集系数为3.01～5.32；欧亚蔊菜地上富集系数为2.59～4.17，地下富集系数为1.78～2.88；欧亚蔊菜的地上转运系数都大于1，为1.42～4.75，各处理间差异不显著（p＞0.05）；而两栖蔊菜在镉浓度低于50mg·kg-1时，地上转运系数大于1，为1.24，高于该浓度时，转运系数都小于1。除对照外，欧亚蔊菜的转运系数均高于两栖蔊菜。

表3 镉胁迫对两种蔊菜富集系数和转运系数的影响Table 3 Effect of different Cd treatments on BCFs and TFs of 2 species of Rorippa

2.6 镉胁迫下两种蔊菜不同器官镉的分配系数

由图4 可知，当镉浓度＜100mg·kg-1时，两栖蔊菜根的分配系数逐渐增加，但根系的分配系数＜地上（茎、叶）的分配系数；当镉浓度为100mg·kg-1时，根的分配系数是51.85%，为最大值，高于地上（茎、叶）的分配系数；当镉浓度＞100mg·kg-1时，根的分配系数逐渐减小，且低于地上部分（茎和叶）的分配系数。 除对照外，欧亚蔊菜根系中的镉分配系数随着镉浓度的增加逐渐增大，最高值出现在镉浓度为400mg·kg-1时，此时分配系数为33.70%，地上（茎、叶）的分配系数最低，但地上部分（茎和叶）镉的分配系数始终高于地下根系的分配系数。 与两栖蔊菜相比，运转到欧亚蔊菜地上部分的镉更多，利于通过割除地上部分而将镉清除。

图4 两种蔊菜不同器官中镉的分配系数Figure 4 Cadmium distribution coefficients in different organs of 2 species of Rorippa

3 讨论与结论

镉是一种有毒重金属，它不仅影响植物的生长，而且严重时还会造成植物死亡。 镉胁迫能影响意大利苍耳（Xanthium italicum）的生长，随着Cd2+浓度的增加，其株高、叶面积和生物量等均呈下降的趋势[22]。 当镉浓度＜10%时，黄麻（Corchorus capsularis）根长、株高和生物量降幅较小，当镉浓度＞20%时对生长具有明显的抑制作用[23]。 本研究结果表明，土壤中镉胁迫抑制了两种蔊菜株高的生长，低镉对其生物量影响较小，甚至有些微的促进作用，而高浓度的镉降低了生物量的积累。

最大净光合速率（Pn）可以有效反映植物的耐镉性，叶绿素荧光可以有效地反映植物对光能利用的重要信息[24]。在该研究中，土壤中镉胁迫使两种蔊菜叶片的最大Pn下降，其原因可能是叶绿素含量减少导致。随着土壤镉胁迫浓度的升高，两种蔊菜的Fv/Fm逐渐降低，说明镉胁迫降低了PSII 对光能的利用效率，产生了光抑制；NPQ 呈现上升的趋势，而ETR 呈现下降的趋势，说明镉胁迫使叶片的光合系统受到损伤，与甘龙等[25]研究镉胁迫对一年蓬(Erigeron annuus)叶绿素荧光参数的影响结果一致。

植物根系对镉的吸收、富集以及向地上部分的转运能力可以用富集系数(BCF)与转运系数(TF)来表示，该指标可以评价植物应用于生态修复的潜力[26]。植物的种类、生物量和发育阶段等均会影响镉在植物体内的积累[27]。除对照外， 两种蔊菜的根、 茎、 叶中含镉量都很高， 均在88.79～2136.79mg·kg-1； 地上部分含镉量为119.66～1666.01mg·kg-1，均大于100mg·kg-1；地上BCF 为1.64～4.17，地下BCF 为1.78～5.34，均大于1.0；欧亚蔊菜的地上TF 为1.62～3.31，均大于1.0，两栖蔊菜则是当镉浓度为50mg·kg-1时大于1.0，其余的都小于1.0，欧亚蔊菜的TF 高于两栖蔊菜。与两栖蔊菜相比，欧亚蔊菜更适合作为清除土壤中镉污染的植物，割除其地上部分即可去除大量镉。

富集镉的植物可以通过一些适应机制以减轻镉污染土壤对植物的毒害作用，但不同物种之间具有差异。作为铅锌矿区镉污染土壤的修复植物-马缨丹（Lantana camara），其根系BCF＞1.0；当镉含量＜150mg·kg-1时，地上部（茎、叶）BCF＞1.0，但TF＜1.0[28]。蓖麻（Ricinus communis）是我国重要的能源作物和油料作物，具有较高的镉富集能力，但是镉从根系向茎的转移能力较弱。细胞液泡区隔化作用与细胞壁滞留固定作用是应对重金属镉胁迫的重要机制，耐镉机制类似的植物还有秋茄（Kandelia obovata）[15]。植物根系吸收的镉也可以积累在细胞的可溶性组分中，以此方式对过量的镉起到解毒的作用，如水烛（Typha angustifolia）与美洲商陆（Phytolacca americana）[29-30]。本研究中的两种蔊菜对镉的富集能力都很强，均为超富集植物，欧亚蔊菜比两栖蔊菜富集能力更强。有关两种蔊菜对镉的耐受性和富集特性的机理有待于后续研究。