锌镉单一胁迫对景观植物生理生化特性及重金属富集的影响

崔龙雨，时 光，李 刚

（1.亳州学院美术系，安徽亳州 236800；2.亳州职业技术学院建筑工程系，安徽亳州 236800；3.亳州市中药材进出口检测中心，安徽亳州 236800）

近年来，随着我国经济和工农业的飞速发展，重金属的污染进一步加重。众所周知，重金属不仅对人体健康有严重的威胁，还直接导致农作物产量和质量下降，给人类和社会带来一定的影响和危害[1-2]。锌（Zn）和镉（Cd）为同族元素，有相似的环境特性和地球化学行为，重金属离子通过土壤进入植物体内，会对植物产生一定的毒害作用，尤其是当重金属含量超过某一阈值后，会导致植物叶片发黄、生长发育受阻等后果，严重时会使植物死亡[3-4]。黑美人（aglaonema spp）和白掌（spathiphyllum kochii）均属天南星科多年生草本植物，黑美人叶对生且多呈长椭圆形、长卵形，生性强健，耐阴耐湿，易于盆栽观赏。白掌叶长茎短，叶一般呈长圆或近披针形，具有明显的中脉和叶柄，白掌开花时十分美丽，不开花时也是优良的室内盆栽观叶植物。这两种景观植物不仅具有吸收二氧化碳、净化空气的作用，而且也可作为康复疗养的景观植物，对病人的身心健康恢复起到积极有效的作用。目前，人们对黑美人和白掌的研究多集中在栽培技术、组织培养和吸污能力等方面[5-6]，然而有关重金属胁迫对黑美人和白掌生理特性及重金属富集等方面报道尚不多见。本文以黑美人和白掌为研究对象，以不同浓度的重金属硫酸锌（ZnSO4）和硫酸镉（CdSO4）进行单一胁迫，采用水培的试验方法，分析其生理生化特性及重金属富集特征，以期探寻景观植物的生理抗性和植被修复环境的能力，拓宽其环境应用领域，使其产生更多的经济效益和社会效益。

1 材料与方法

植物材料的处理。黑美人和白掌均采购于亳州市花卉市场，选取长势、株高、茎粗等生长状况基本一致的同一批幼苗作为试验样品。经检测，黑美人和白掌叶片的Zn 含量背景值分别为3.95 mg/kg 和4.06 mg/kg，Cd含量背景值均为0.04 mg/kg。试验前进行以下预处理：①脱盆，为使整株植物比较完整地从花盆中脱出，可先用手轻拍花盆的四周，让土壤松动；②去土，用手轻轻把过多的泥土去除；③水洗，将粘在根上的泥土或基质用水洗净，每种供试植株分成14等份备用；④剪去部分老根；⑤加水，将水加至根系相交处；⑥大苗定植，在定植篮中插入植物的根系，注意避免植物根系的损失；⑦固定，用石头将植物固定；⑧检查成品是否固定好。

水培试验。本试验于2019年3月在亳州市中药材进出口检测中心进行。重金属离子以硫酸盐（Zn-SO4、CdSO4）的形式加入，将已经处理好的植物材料用清水培养3 d 后，分别加入锌离子浓度为0、50、100、200、400、800、1 600 mg/L的1/2 Hoagland营养液（样品编号分别为A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7），分别加入镉离子浓度为0、25、50、100、200、400、800 mg/L的1/2 Hoagland营养液（样品编号分别为B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7）。试验设置3 个重复，试验期间定期观察植物叶片的生长状况，并修剪掉老根烂根。分别于处理后的第7 d、14 d、21 d、28 d测定黑美人和白掌体内生理生化指标的含量，于处理30 d后测定植物体内重金属含量。

指标检测。采用分光光度法测定叶绿素含量，用80%的丙酮酸研磨提取后，于663.645 nm处测定光密度，计算叶绿素含量[7]。采用酸性茚三酮法检测游离脯氨酸的指标[7]。使用蒽酮法检测可溶性糖[7]。采用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性。使用考马斯亮蓝染色法检测可溶性蛋白[8]。使用硫代巴比妥酸（TAB）比色法测定丙二醛（MDA）含量[7]。各生理指标的测定均重复3次并取平均值。黑美人和白掌收取后用自来水清洗根系及地上部分的泥土，再用去离子水反复冲洗干净，在110 ℃下杀青15 min，80 ℃烘干至恒重，称重之后将植物粉碎，过100钼筛，用HNO3-HClO4（5∶1，体积比）消煮，植物体内锌、镉含量采用原子吸收光谱法测定。

数据分析。采用SPSS19.0统计分析软件进行数据分析，应用one-Way ANOVA分析各处理间的差异显著性。植物的转运系数（TF）为植物地上部分重金属含量与根系部分重金属含量的商。

2 实验结果与分析

2.1 叶绿素含量的分布特征

叶绿素作为植物光合作用的主要色素，其含量高低对光合作用能力强弱起决定性作用。植物在受到逆境胁迫后，叶片中叶绿素的降低将直接导致光合作用能力下降，从而影响植物的生长。Zn、Cd胁迫对黑美人、白掌中叶绿素含量的影响如图1所示。

图1 （a）锌和（b）镉单一胁迫对黑美人和白掌叶绿素含量的影响

由图1 可以看出，随着Zn2+、Cd2+浓度的升高，黑美人和白掌体内的叶绿素含量均呈先升后降的趋势。Zn胁迫下，当Zn2+浓度为200 mg/L时，黑美人和白掌体内叶绿素含量均表现出最大值，且相对于空白值增幅分别为138.7%和215.3%；在Zn2+的浓度达1 600 mg/L 时，相对Zn2+的浓度为0 时，黑美人和白掌体内叶绿素含量降幅分别为28.6%和1.92%。Cd胁迫下，黑美人在Cd的浓度达100 mg/L处叶绿素含量呈最大值，平均值为（258.4±14）mg/L，且为Cd2+浓度为0时的1.4倍；然而在B6和B7处，叶绿素含量相对于B1分别降低了25.3%和49.9%。白掌在B2处叶绿素含量呈最大值，平均值为（362.8±12.5）mg/L，增幅为263.8%。总体研究表明，重金属Zn和Cd均会对黑美人和白掌的叶绿素含量产生影响，当重金属浓度超出一定的阈值后，植物体内叶绿素的合成减小，对植物生长产生不利影响。

2.2 游离脯氨酸含量的分布特征

表1为Zn、Cd单一胁迫对黑美人和白掌体内游离脯氨酸含量的影响。由表1可以看出，Zn胁迫下，随着Zn2+浓度升高，黑美人和白掌体内游离脯氨酸含量总体呈递增趋势，且差异性显著（P ＜0.05）。处理7 d后，随着处理浓度的升高，黑美人和白掌体内游离脯氨酸含量变化范围分别为（268.7～868.4）μg/g和（241.8～859.9）μg/g，A7相对于A1增长率分别为137.4%和106.0%。类似地，处理28 d后，变化范围分别为（535.8～2 400.6）μg/g 和（677.7～2 820.4）μg/g，样品A7水平下游离脯氨酸含量分别为A1的4.48 和4.16倍。此外，在同一处理水平下，随着时间的持续，黑美人和白掌体内游离脯氨酸含量也呈递增态势。Cd胁迫下，黑美人和白掌体内游离脯氨酸含量均无明显特征，然而在同一处理水平下，游离脯氨酸含量随时间持续而呈递增趋势。总的来说，随着培养时间的持续，黑美人和白掌体内游离脯氨酸含量呈持续累积的状态。

表1 锌镉单一胁迫对黑美人和白掌游离脯氨酸含量的影响/（μg·g-1）

续表1

2.3 可溶性糖含量的分布特征

表2为Zn、Cd胁迫对黑美人和白掌体内可溶性糖含量的影响。由表2可知，随着重金属处理浓度的升高，Zn胁迫下黑美人和白掌体内可溶性糖含量均呈先升后降态势，但是Cd胁迫下可溶性糖含量分布特征不明显。Zn 胁迫下，在培养7 d 时，黑美人体内可溶性糖含量在B3处表现出最高水平，达（0.521±0.01）mmol/L，相对于A1增长率为30.9%。白掌体内可溶性糖含量在A2处表现出最高水平，达（2.109±0.03）mmol/L，增幅为4.61%。二者均在A7处表现出最低值，平均值分别为（0.274±0.03）mmol/L 和（0.971±0.04）mmol/L，相对于A1分别降低31.1%和51.8%。类似地，在培养28 d时，黑美人可溶性糖含量在A3处呈峰值，增幅为30.4%，白掌则在A2处呈峰值，增幅为41.8%，二者均在A7处表现出最低水平，且差异显著（P＜0.05）。Cd胁迫下，不同处理浓度水平下黑美人和白掌可溶性糖含量分布特征不明显。此外，同一处理水平下，随着处时间逐长，可溶性糖含量均呈增长趋势。总体结果表明，低浓度的Zn2+有利于黑美人和白掌可溶性糖的积累，但高浓度胁迫会对可溶性糖含量起抑制作用。

表2 锌镉胁迫对黑美人和白掌可溶性糖含量的影响/（mmol·L-1）

2.4 可溶性蛋白含量的分布特征

可溶性蛋白作为植物细胞的主要渗透物质之一，在受到逆境胁迫时，细胞内可溶性蛋白含量提高，增加细胞渗透势和功能蛋白的数量，有助于维持细胞的正常生理代谢。表3为Zn、Cd胁迫对黑美人和白掌体内可溶性蛋白含量的影响。由表3可以看出，重金属Zn和Cd胁迫下，随着处理浓度的升高，黑美人和白掌可溶性蛋白含量均呈先升后降趋势。Zn胁迫下，如在培养14 d时，黑美人和白掌可溶性蛋白含量均在A3处理水平下表现出最大值，平均分别为（128.6±16.2）mg/g和（129.6±6.6）mg/g，相对于A1增幅分别为29.6%和46.4%。28 d时，黑美人在A5处呈现出最大值，达（140.0±1.4）mg/g，增幅为90.2%，白掌则在A2处呈现出最大值，达（140.6±0.2）mg/g，增幅为23.3%。类似地，Cd胁迫下，黑美人和白掌可溶性蛋白含量也呈先升后降态势，如7 d时，可溶性蛋白含量变化范围分别为（152.8～9.9）mg/g和（139.5～33.4）mg/g，B7相对于B1分别降低92.3%和71.9%。21 d 时可溶性蛋白含量变化范围分别为（136.1～5.3）mg/g 和（82.5～4.7）mg/g，B7相对于B1分别降低91.8%和91.5%。总体表明，低浓度的Zn和Cd有助于黑美人和白掌可溶性蛋白含量的积累，而高浓度重金属会对可溶性蛋白的合成产生抑制作用，导致其含量下降。

表3 锌镉胁迫对黑美人和白掌可溶性蛋白含量的影响/（mg·g-1）

2.5 过氧化物酶活性的分布特征

表4为Zn、Cd胁迫对黑美人和白掌体内过氧化物酶活性的影响。由表4可以看出，随重金属Zn2+和Cd2+浓度的升高，黑美人和白掌体内过氧化物酶活性总体均呈先升后降的态势，且差异性显著（P＜0.05）。Zn胁迫下，培养时间为14 d时，黑美人体内过氧化物酶活性在A4处呈最高水平，为（14 844±38.2）U/（g·min），相对于A1增幅为260.5%，白掌则在A3处呈最高水平，为（4 824±21.6）U/（g·min）。类似地，28 d时，黑美人的过氧化物酶活性在A3处呈现最高水平，增幅为111.3%，白掌则在A2处呈现最大值，增幅为16.0%。Cd胁迫下，培养时间为14 d时，黑美人的过氧化物酶活性在B4表现出最大值，为（10 050±49.4）U/（g·min），增幅为140.6%，白掌则在B3表现出最大值，为（5 884.7±58.4）U/（g·min），增幅为56.6%。28 d时，黑美人在B4呈最高水平，为（33 535±81.1）U/（g·min），增幅为282.8%，白掌则在B3表现出最高水平，为（1 599.6±20.2）U/（g·min），增幅为21.7%。总体研究表明，低浓度的Zn、Cd处理时，过氧化物酶对防止黑美人和白掌受到伤害起到了保护作用，而随着处理浓度的升高，超出植物的耐受性时，过氧化物酶活性受到了抑制。

表4 锌镉胁迫对黑美人和白掌过氧化物酶活性的影响/（U·（g·min）-1）

2.6 丙二醛含量的分布特征

丙二醛是植物在逆境胁迫下细胞原生质膜中不饱和脂肪酸发生氧化作用的产物，测定逆境胁迫条件下丙二醛的累积量，可在一定程度上反映膜脂过氧化程度。表5为Zn、Cd胁迫下，二植物体内丙二醛的含量分布。由表5可以看出，重金属Zn、Cd胁迫下，随着处理浓度的升高，黑美人和白掌体内丙二醛含量总体均呈递增趋势。Zn胁迫下，培养时间为14 d时，黑美人和白掌体内丙二醛含量的变化范围分别为（0.132～1.387）μmol/L 和（0.448～1.290）μmol/L，A7丙二醛含量相对于A1的增长率分别为282.1%和58.8%；类似地，28 d时变化范围分别为（0.237～2.291）μmol/L和（0.383～1.124）μmol/L，A7相对于A1的增幅分别为322.7%和6.24%。Cd胁迫下，培养时间为7 d时，黑美人和白掌丙二醛含量的变化范围分别为（0.062～0.777）μmol/L和（0.475～1.189）μmol/L，B7处丙二醛含量分别为B0的8.44和1.37倍，增长幅度非常显著；类似地，28 d时变化范围分别为（0.541～1.559）μmol/L和（0.758～1.552）μmol/L，增幅分别为188.2%和104.7%。此外，不同处理水平下丙二醛含量呈显著性差异（P＜0.05）。总体研究表明，处理浓度的升高会造成原生质膜脂过氧化程度不断加剧，从而使得丙二醛含量持续升高。

表5 锌镉胁迫对黑美人和白掌丙二醛含量的影响/（μmol·L-1）

续表5

2.7 重金属富集特征

黑美人、白掌根系和地上部分重金属积累量随着处理浓度的增加而增加，并且对Zn和Cd的吸收程度也各不相同，黑美人和白掌对重金属Zn、Cd的积累特征如表6、7所示。

表6 重金属Zn在黑美人和白掌体内的积累分布情况

表7 重金属Cd在黑美人和白掌体内的积累分布情况

由表6、7可知，Zn胁迫处理下，黑美人体内重金属的分布以地上部分为主，地上部分Zn含量普遍高于根系，地上部分Zn积累含量高达15.85 mg/kg，而根系部分Zn积累含量最高为12.41 mg/kg。白掌体内重金属分布则以根系部分为主，根系部分Zn 含量普遍高于地上部分，根系部分Zn 积累含量最高为17.74mg/kg。

回归性及相关性分析表明（表8），黑美人地上部分和根部Zn含量与处理液中的重金属浓度均呈线性回归关系且为极显著正相关，白掌也有相同结论。从转运系数的分布来看，黑美人的转运系数大于1，表明黑美人对Zn2+的积累能力较强且向地上部分运输的能力较强。白掌的转运系数表明，低浓度Zn2+处理有助于Zn2+向上输移，随着处理浓度的升高，Zn2+则主要集中在根部。Cd胁迫下，当Cd2+≤25 mg/L（B2）时，黑美人根系部分重金属积累含量高于地上部分，然而，当Cd2+≥50 mg/L时，地上部分积累量则高于根系，最高达1.24 mg/kg。白掌根系部分Cd2+积累量普遍高于地上部分，最高达1.14 mg/kg。方差分析表明，各处理水平下的地上部分Cd2+积累量呈显著性差异（P＜0.05）。与Zn处理类似，Cd胁迫下，黑美人和白掌地上部分与根系均与Cd2+处理浓度呈线性回归关系，且为极显著正相关关系（P＜0.05）。

表8 植物体内重金属含量与处理浓度的线性回归关系

3 结论与讨论

叶绿素与植物的光合作用有重要关系，其含量高低直接决定了植物光合作用能力的强弱。本研究表明，黑美人和白掌中叶绿素含量随着重金属浓度的升高而呈先升后降趋势，这与徐澜等对于小麦的研究和努扎艾提·艾比布等对于香根草的研究结果相似[9-10]。重金属胁迫会对植物体内叶绿体的合成造成一定的影响，导致植物体内叶绿素的提取量下降，从而对光合作用产生不利影响，同时植物也会因为叶绿素的降解和失活而导致体内叶绿体膜系统的破坏，加速植物的老化，叶片会慢慢变黄[11]。游离脯氨酸也是植物体内重要和有效的胞内渗透调节物质之一，植物在受到逆境胁迫后会在体内积累游离脯氨酸，从而增强自身的环境抵抗力和适应力。逆境胁迫下，植物通过游离脯氨酸的积累调节细胞渗透势，保护原生质，从而提高植物自身的环境适应能力，这也是植物的一种自我防御机制。黑美人和白掌随着重金属Zn2+处理浓度的升高和培养时间的持续，体内游离脯氨酸含量总体均呈递增态势，这与张小艾等对于二月兰、周航飞对于玉米的研究结果类似[12-13]。在重金属胁迫下，黑美人和白掌因细胞外界的渗透势较低而发生失水现象，为避免细胞渗透伤害，细胞会主动积累和吸收一些无机盐和可溶性物质（如甜菜碱、脯氨酸等）来降低胞内渗透势，避免细胞失水，从而减轻伤害。

可溶性糖作为呼吸机制对于植物体内细胞各种生命活动及合成过程中能量的提供起到至关重要的作用，可溶性蛋白作为指示性指标，在植物受到外界胁迫时可及时给予植物自身一定的反馈和指示。本研究表明，随着重金属处理浓度的升高，黑美人和白掌体内可溶性糖、可溶性蛋白含量总体呈先升后降的态势，这与曹莹等对于玉米、刘大林等对于高梁的研究结果类似[14-15]。其原因可能是黑美人在受到Zn2+和Cd2+低浓度胁迫时，由于外界渗透势较低，可能会发生失水现象，这时黑美人和白掌组织细胞通过主动吸收和累积可溶性蛋白、可溶性糖等来调节细胞渗透势，但是当重金属浓度超出一定阈值后，开始损伤植物的细胞组织结构，从而影响植物正常的组织代谢。

重金属胁迫通过引起植物根系活性氧的积累而造成根系组织细胞内膜的损伤和氧化胁迫，进而引起体内抗氧化酶活性的改变，导致植物的生长受阻[16]。植物可以通过过氧化物酶、过养化氢酶和超氧化物歧化酶组成的抗氧化酶系统有效清除体内的活性氧自由基，使得细胞免受活性氧自由基的伤害，提高植物的抗逆性[17]。本研究表明，重金属Zn、Cd胁迫下，黑美人和白掌体内过氧化物酶活性均呈先升后降态势，这与姜宇关于铅胁迫下景观植物的耐性研究结果相似[18]。过氧化物酶广泛存在于植物体内，它对逆境环境的反映十分敏感，重金属Zn2+和Cd2+启动了黑美人和白掌根系的抗氧化酶保护系统并刺激过氧化酶活性的增强，从而在一定程度上减轻活性氧对植物根细胞组织的伤害[19]，然而随着处理浓度的增强，黑美人和白掌体内生物膜脂过氧化加剧，破坏了细胞膜结构的完整性。

丙二醛作为细胞膜脂过氧化的重要产物，起到细胞膜受损程度的指示作用。细胞内可溶性物质一旦外渗，可能会导致细胞内酶及代谢作用的区域发生改变，致使组织细胞代谢紊乱，最直观的体现就是植物生物量下降、叶片发黄、呈受毒害症状[20]。本研究发现，随着处理浓度的升高，黑美人和白掌体内丙二醛含量总体呈递增态势，其原因可能是重金属通过在植物细胞内形成丙二烯氧化物合酶（AOS），直接或间接引起植物细胞组织的损伤，植物体内氧自由基（O2-）的增加会生产过氧羟自由基（-OH，H2O2），进而使得细胞内的脂肪酸转化为膜脂过氧化产物[21]，这可能是黑美人和白掌体内丙二醛含量随着重金属处理浓度的增加而升高的主要原因。

重金属被不同的植物吸收后，有些主要累积在根部，有些则随着植物茎的传递和运输到地上部分。植物体内重金属的运输形式则影响了植物对重金属的抗性和吸收能力、各部位的分布特征以及物质结合形态[22]。本试验研究表明，从总量上来看，黑美人和白掌体内重金属的积累含量随着处理浓度的增加而增加，这与努扎艾提·艾比布等[10]对于香根草的研究、朱志国等[23]对于芦竹的研究结果相似，表明景观植物黑美人和白掌对于重金属均具有一定的富集能力。黑美人地上部分Zn2+的积累含量高于根系，表明黑美人将Zn2+向地上部的运输能力较强。白掌体内Zn2+的积累量主要集中在根部，向地上部位转移相对较少，这与杨艳等[24]对于头花蓼的研究结果相符。Cd2+胁迫下，当处理浓度在25 mg/L及以下时，黑美人根系部分Cd2+积累含量高于地上部分，然而当处理浓度在50 mg/L及以上时，则与之相反，究其原因可能是在低浓度胁迫时，植物通过自身的调节作用，减少重金属地上部分迁移的含量，从而保护植物其他器官免受重金属的毒害，提高根系对重金属的滞留效果，增强植物的自我保护和防御作用[25]；然而随着处理浓度的升高，黑美人地上部分Cd2+的积累含量高于根系，关于其原因有待进一步研究。总体研究表明，黑美人对于重金属具有一定的吸收和积累能力，具有作为土壤重金属Zn、Cd污染植物修复材料的潜力。