湘烟5号对植烟土壤镉耐受力响应研究

李迪秦 王 青 胡亚杰 王 艳 王妍妮 钟 仪 刘铭晖 丁春霞

（1湖南农业大学农学院，410128，湖南长沙；2广西中烟工业有限责任公司，530001，广西南宁）

镉（Cd）是在自然界广泛分布的植物非必需元素，由于工业“三废”、化肥施用量和固体废弃物日益增加，严重污染了土壤、水体及农产品，因此降低Cd污染危害成了当务之急[1]。我国植烟区域土壤中大约有12.4%的面积Cd含量超标[1]，烟草是一种富集重金属的作物，对有害金属有一定的耐受性[2-5]，在Cd污染胁迫下烟株根系生长受到抑制，烟株体内光合色素受到破坏造成光合速率下降，丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量显著增加，超氧化物歧化酶（superoxide dimutase，SOD）和过氧化氢酶（catalase，CAT）活性降低，质膜透性增大，烟株生长受到显著抑制，影响正常生长发育[5-6]；同时，烟叶产量[7]、主要化学成分含量[6]和香气物质含量[6-7]等指标下降，影响烟叶及卷烟制品安全性[8-9]，我国烤烟中部叶Cd平均含量达2.95mg/kg，且49.1%的烟叶样品Cd含量≥2.00mg/kg[1，9-10]。但前人关于烤烟品种对有害金属耐受性的相关研究报道极少，本研究旨在通过探讨烤烟品种对Cd的耐受性，为选择适宜植烟区及烟叶安全优质生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料及方法

试验于2018年在湖南省长沙市湖南农业大学耘园基地进行，使用水稻耕作土壤，经风干过筛后装盆，每盆30kg。塑料盆钵直径30cm，高40cm。供试土壤有效态Cd含量0.32mg/kg，pH值6.5。供试烟草品种为湘烟5号（种子由中国烟草总公司湖南省公司提供），于2017年12月26日播种，2018年3月28日移栽到塑料盆中。施用烟草专用基肥和追肥，施总氮 150kg/kg（N∶P2O5∶K2O=1.0∶0.8∶2.3），65%作基肥（磷肥全作基肥），其余在移栽后15和45d分2次施完，每次施用余量的50%。

试验设置A、B、C、D和E 5个处理，Cd浓度分别为0、2.0、4.0、6.0和8.0mg/kg，以处理A为对照。每个处理3次重复，每个处理30盆，盆栽管理同大田规范管理。参照GB 15618-2018，各处理液于移栽后15d以模拟污灌方式一次性施入。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 主要农艺性状指标测定 每个处理在栽后45、60、75、90d分别测定烟株最大叶的长与宽、株高、茎围和有效叶片数，并计算最大叶叶面积（长×宽×0.6345），具体操作参照YC/T 142-2010。

1.2.2 烟叶主要生理生化指标测定 在栽后30、45、60、75、90d进行测定。用SPAD-502叶绿素仪测定烟株最大叶的SPAD值，每个处理测定5株；每个重复取生长一致的5株的最大叶，用剪刀或刀片取主脉两边中间位置4cm×4cm面积叶片，用液氮处理后置于冰盒带回，在室内测定其CAT、SOD和过氧化物酶（peroxidase，POD）活性及MDA、游离脯氨酸和可溶性糖含量，参照李合生[11]方法测定CAT活性，参照张宪政[12]方法测定SOD活性；参照邹奇[13]方法测定POD活性、MDA以及脯氨酸含量；参照汤绍虎等[14]方法测定可溶性糖含量；余下的叶片用于测定主要化学成分含量及干物质积累量。

1.2.3 干物质积累量测定 于移栽后90d，每个处理取5株生长发育基本一致的烟株，将根系全部挖出洗净后，将根系、茎和叶分开剪下，同一个处理同一小区的根茎叶装同一个袋，室内105℃杀青60min，78℃烘干，称取各部分（根系、茎秆和叶片）干物质量。

1.3 数据处理

采用Excel 2010和SPSS 17.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 对烟草生长发育的影响

由图1可知，移栽后45～90d，植株主要农艺性状指标均表现为处理A＞B＞C＞D＞E。其中，处理E株高显著低于处理A、B和C，处理D与E间、A与B和C间均无显著差异；处理E茎围和最大叶长度显著低于其余4个处理，处理A、B、C与D间无显著差异；处理E最大叶宽显著低于处理A、B和C，处理A、B和C间无显著差异；最大叶面积在移栽后45～75d表现为处理E显著低于其余4个处理，在移栽后90d表现为处理A＞B＞C＞D＞E，处理E显著低于其余4个处理，处理A、B和C间、处理C与D间均无显著差异。在同一时期内，随着有效态Cd浓度的增加，烟株主要农艺性状指标均表现出降低的趋势；同一指标不同生育时期，株高和叶数表现出“低－高－低”的趋势，其余指标均表现出由低到高的变化趋势。由此表明，Cd对烟株生长发育有较强的抑制作用，烟株的有效态Cd最大耐受浓度为6.0mg/kg。

图1 移栽后各处理主要农艺性状Fig.1 Agronomic indexes of different treatments after transplanting

2.2 对主要生理指标的影响

2.2.1 对烟叶SPAD值的影响 由图2分析可知，同一处理中随着生育期的推进，植株最大叶SPAD值呈下降趋势，在同一时期内随着有效态Cd浓度的增加植株最大叶的SPAD值呈下降趋势，其中在移栽后45和60d，处理E较其余4个处理显著降低了11.99%～20.89%；移栽后75和90d，处理D显著低于处理A与B，处理E显著低于处理A、B与C。

图2 移栽后各处理最大叶SPAD值Fig.2 SPAD values of the max-leaf of different treatments after transplanting

2.2.2 对主要保护性酶活性的影响 植物体内CAT、POD和SOD是保护植物细胞免受氧自由基伤害的抗氧化酶，其活性高低与植物抗性强弱密切相关[15]。从图3可知，相同处理间，随着生育时期的推进，烟株最大叶片的CAT、POD和SOD活性呈“低－高－低”的变化趋势，移栽75d时达到最大值。同一生育期内，CAT活性表现为各处理间均有显著差异，处理A最大，处理E最小，随着有效态Cd施用浓度的提高，CAT活性显著降低，可见Cd对烟叶CAT活性具有较明显的抑制作用；移栽后45、60和90d，各处理间POD活性有显著差异；移栽后75d，处理A、B与C间无显著差异；当有效态Cd施用量超过处理D时，POD活性显著低于处理A。同时期各处理间的SOD活性有显著性差异，其中处理D最大，处理E最小。

图3 移栽后各处理最大叶酶活性Fig.3 Enzyme activities of the max-leaf of different treatments after transplanting

2.3 对MDA、脯氨酸及可溶性糖含量的影响

从图4可知，在移栽后45～90d，各处理间MDA含量有显著性差异，且MDA含量随着有效态Cd施用浓度的增加而增加。处理E各生长时期脯氨酸含量均为最高，其次分别为处理D、C和B，处理A最小，各处理间有显著差异，表明随着有效态Cd浓度的增加，其对烟株的抑制作用和对细胞的损害程度增大。

图4 移栽后各处理最大叶MDA和脯氨酸及可溶性糖含量Fig.4 MDA, proline, and soluble sugar contents of the max-leaf of different treatments after transplanting

相同浓度有效态Cd处理下，烟株最大叶可溶性糖含量随着生育期的推进呈“低－高－低”变化趋势，在移栽后75d达到最大值，之后开始急速下降。不同浓度的有效态Cd处理，最大叶的可溶性糖含量随着生育进程的推进同样呈“低－高－低”变化趋势。当有效态Cd浓度为4.0mg/kg时，可溶性糖含量达到最高值；当有效态Cd浓度超过6.0mg/kg，可溶性糖含量急剧下降，且低于处理A。

2.4 对烟株干物质积累量的影响

由图5可知，移栽后90d，随着土壤中有效态Cd浓度的增加，烟株的根、茎、叶以及总干物质量都呈下降趋势，同处理不同部位干物质量为叶＞茎＞根；同部位不同处理干物质量均为处理A＞B＞C＞D＞E，且处理E显著低于其他处理；与处理A相比，处理E的烟株根、茎、叶及总干物质积累量分别下降27.8%、31.3%、21.7%和25.5%。

图5 移栽后90d各处理根茎叶干物质积累量Fig.5 Root, stem, leaf and total dry matter amounts of different treatments 90d after transplanting

3 讨论

3.1 不同Cd浓度处理对烤烟生长发育特性的影响

烟草是易富集Cd等有害金属的作物，Cd对烟株生长发育有着重要的影响。较低有效态Cd浓度环境有利于其生长，但环境中较高的有效态Cd浓度则会强烈抑制其生长发育，表现为烟株的叶片数和叶面积降低，根系长度下降，导致其生长受到较大的抑制[16-18]。本研究表明，烟株叶片数、叶面积和株高等主要农艺性状随着有效态Cd浓度增加而下降，当土壤有效态Cd浓度超过6.0mg/kg时，生长受到明显抑制，表明此浓度为烟株保持正常生长发育前提下对土壤环境有效态Cd的最大耐受浓度。

SOD和POD是生物体内清除氧自由基和过氧化物、抑制自由基对膜脂的过氧化作用以及避免膜的损伤和破坏的重要酶，CAT是清除细胞内过氧化氢的一种保护膜结构的酶[16-17]，它们在植物生长发育进程中起着重要的保护作用，有利于植物抵御不良环境影响。有研究表明，当土壤有效态Cd浓度增加时，烟株CAT活性会受到较强抑制，影响叶绿素合成[3，18]；Cd胁迫下SOD活性呈先增加后降低的趋势，当有效态Cd浓度超过一定量时，其活性会受到一定程度的抑制，导致活性下降[19]；POD活性、MDA和脯氨酸含量与有效态Cd浓度呈正相关，但叶绿素含量与其呈高度负相关，当有效态Cd浓度超过一定范围，会导致MDA含量显著升高，表明叶片细胞膜系统受到了严重破坏[19-20]。本研究也同样表明，随着土壤环境中有效态Cd浓度的增加，叶片SPAD值，CAT、POD和SOD活性下降，而MDA和脯氨酸含量上升；当土壤有效态Cd浓度达6.0mg/kg时，植株细胞膜系统受到严重损坏，导致酶等生理活性物质发生显著变化，生长发育严重受阻。产生这一现象的原因，可能是Cd影响或干扰了MDA和脯氨酸形成，降低了POD、CAT和SOD的活性，导致细胞正常代谢受阻或抑制，相关生理生化指标产生异常，从而影响其正常生长发育。

3.2 不同Cd浓度处理对烤烟干物质积累量的影响

相关研究表明，Cd胁迫下作物生长发育会受到不同程度影响，导致作物生物量及干物质积累量显著降低[16，21]。本研究也进一步证明，Cd对烟叶可溶性糖含量及根、茎、叶各部位干物质积累量均有不同程度的影响，可溶性糖含量及干物质积累量随着有效态Cd浓度提高而显著降低。这可能是因为Cd影响了烟株MDA和脯氨酸形成以及POD、CAT和SOD功能的正常发挥，抑制了烟叶的光合作用，导致干物质积累量降低。

4 结论

Cd对烟草的生长发育有较明显的影响。随着土壤中有效态Cd浓度的提高，湘烟5号主要农艺性状指标在同一时期均有不同程度的下降，叶片的SPAD值及CAT、SOD和POD活性显著降低，MDA和脯氨酸含量显著增加；尽管烟草属于富集Cd作物，但当土壤有效态Cd浓度大于6.0mg/kg时，细胞膜系统会受到严重损坏，导致烟草植株生长发育严重受阻，受Cd胁迫症状较为明显，即土壤中有效态Cd浓度6.0mg/kg为本试验材料对Cd的最大耐受浓度。