铅胁迫对澳洲坚果幼苗生长及生理特性的影响

黄忠权，莫熙宏，覃 奎，李妍浇，王凌晖

（1.崇左市江州区那达林场，广西崇左 532200；2.广西大学 林学院，广西南宁 530004）

随着人类生活范围扩大及经济、社会发展速度加快，土壤重金属污染现象愈加严重，已成为生态环境中不容忽视的问题[1]。金属矿石的大量开采使广西水源和土壤受重金属污染的现象不断出现。铅、镉和锌等重金属元素在百色铝矿复垦区已造成严重污染，达到重度污染水平[2]。研究表明，铅为植物非必需金属元素，低浓度铅对植物生长有轻微促进作用，高浓度铅则显著抑制植物根系生长及芽萌发[3]。高浓度铅除严重毒害植物体外，还会被植物吸收，随食物链富集逐渐进入人体，危害人类健康[4]。不同植物对铅胁迫的抗性不同，筛选对铅有较强抗性的植物，并研究其耐受程度及对铅的吸收及转运已成为铅污染地区植物种植推广中的重要环节。

澳洲坚果（Macadamia integrifolia）俗称夏威夷果，为山龙眼科（Proteaceae）澳洲坚果属乔木，原产于澳洲东南部，是我国华南、西南地区广泛引种栽培的重要经济林油料树种。其种子营养成分丰富，是一种著名的干果，兼具食用、油用价值；其成年植株可作材用。目前，关于澳洲坚果的研究主要集中在开花生物学特性探究[5]、基因表达与生物信息学分析[6]、遗传多样性分析[7]和果实品质评价[8]等方面，对其抗性生理的研究主要有水分胁迫[9-10]、盐胁迫[11]、低温胁迫[12]和耐旱性评价[13]等。关于澳洲坚果对铅胁迫耐受性的研究尚未见报道。本研究对不同浓度外源铅处理下澳洲坚果幼苗的生长及生理特性进行研究，探索其对铅的耐受规律，为广西铅污染地区植物选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在广西壮族自治区广西大学林学院苗圃实验基地（108°22′E，22°48′N）进行。该地属南亚热带季风气候，年均气温21.6 ℃，年均降水量1 304 mm，适宜澳洲坚果幼苗的生长。

1.2 试验材料

试验材料为3年生澳洲坚果实生幼苗，由崇左市江州区那达林场提供。株高为（44.72 ± 10.72）cm，地径为（7.92 ± 1.31）mm；栽培基质为微酸性沙壤土。2020年5月，将澳洲坚果幼苗移栽至黄色无纺布袋（15 cm × 20 cm）中，每袋1 株，每袋装土3 kg。移栽后缓苗3个月，并进行常规管理。

1.3 试验方法

采用单因素完全随机试验设计，随机抽取澳洲坚果幼苗进行编号。参考土壤环境质量标准及胡倩[14]研究中设置的铅浓度，采用乙酸铅（成都金山化学试剂有限公司生产）分析纯试剂为铅源，设置7个铅浓度水平（T1：0 mg/kg、T2：200 mg/kg、T3：400 mg/kg、T4：800 mg/kg、T5：1 200 mg/kg、T6：1 600 mg/kg 和T7：2 000 mg/kg），其中T1 为对照。每处理10 个重复，每重复1株，共70株澳洲坚果幼苗。2020年8月开始处理；每10 天处理1 次，每次每株幼苗添加100 mL 对应浓度水溶液，对照添加同体积的清水，共6次处理。所有处理完成后30天测定指标。

1.4 指标测定

2020年11月，测定幼苗各项生长及生理指标。采用钢卷尺（精确至0.1 cm）测定植株基部至顶芽的垂直高度（株高）；采用电子游标卡尺（精确至0.01 mm）测定土痕处苗木直径（地径）。每处理随机选取3 株健康幼苗，采集其上部第3 ～5 片成熟功能叶，去离子水洗净后放入冰盒，带回实验室并储存于-20 ℃冰箱。采用乙醇-丙酮混合提取法测定叶绿素含量[15]。采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量；采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定可溶性蛋白含量；采用酸性茚三酮法测定游离脯氨酸含量；采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）含量；采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法和愈创木酚比色法分别测定超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性[16]。

1.5 数据处理

采用WPS 2016 软件对各类指标数据进行汇总并制图；采用SPSS 18.0 软件进行方差分析（置信区间为95%），采用Duncan 新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 铅胁迫对澳洲坚果幼苗生长的影响

铅浓度对株高增量影响极显著（P＜0.01），对地径增量影响不显著（表1）。随铅浓度升高，株高和地径增量均呈先升后降的趋势；T3 处理的株高和地径增量均最大，分别为5.28 cm 和1.29 mm；T7 处理均最小，分别为2.70 cm 和0.66 mm。株高增量表现为T3 ＞T4 ＞T2 ＞T5 ＞T1 ＞T6 ＞T7，地径增量表现为T3 ＞T5 ＞T2 ＞T4 ＞T1 ＞T6 ＞T7。

表1 铅胁迫对澳洲坚果幼苗生长的影响Tab.1 Effects of plumbum stress on growth of M.integrifolia seedlings

2.2 铅胁迫对澳洲坚果幼苗生理特性的影响

2.2.1 铅胁迫对澳洲坚果幼苗叶绿素含量的影响

铅浓度对各叶绿素含量均影响极显著（P＜0.01）（图1）。随铅浓度升高，各叶绿素含量均呈先升后降的趋势；T3 处理的叶绿素a、叶绿素b 和叶绿素a+b 含量均最高，分别为1.41、0.81 和2.22 mg/g；T7 处理均最小，分别为0.77、0.42 和1.19 mg/g；均表现为T3 ＞T4 ＞T5 ＞T6 ＞T2 ＞T1 ＞T7。

图1 铅胁迫对澳洲坚果幼苗叶绿素含量的影响Fig.1 Effects of plumbum stress on chlorophyll contents of M.integrifolia seedlings

2.2.2 铅胁迫对澳洲坚果幼苗渗透调节物质含量的影响

铅浓度对可溶性蛋白和游离脯氨酸含量影响极显著（P＜0.01），对可溶性糖含量影响不显著（表2）。随铅浓度升高，可溶性糖含量呈先降后升的趋势，T1 处理的可溶性糖含量最高（0.59%），T4 和T5处理最低（0.47%）；可溶性蛋白和游离脯氨酸含量均呈先升后降的趋势；T6 处理的可溶性蛋白含量最高（0.44 mg/g），T1 处理最低（0.37 mg/g）；T3 处理的游离脯氨酸含量最高（2 119.36 μg/g），T7 处理最低（1 216.19 μg/g）。

表2 铅胁迫对澳洲坚果幼苗渗透调节物质含量Tab.2 Effects of plumbum stress on contents of osmotic regulatory substances of M.integrifolia seedlings

2.2.3 铅胁迫对澳洲坚果幼苗抗氧化酶活性及MDA含量的影响

铅浓度对SOD 和POD 活性及MDA 含量均影响极显著（P＜0.01）（图2 ～4）。随铅浓度升高，SOD和POD活性均呈先升后降的趋势；T4处理的SOD活性最高（869.09 U·g-1·min-1），T3 处理的POD 活性最高（808.00 U·g-1·min-1）；T7 处理的SOD 和POD 活性均最低，分别为851.76 和433.79 U·g-1·min-1。随铅浓度升高，MDA 含量逐渐升高；T7处理的MDA 含量最高（3.13 μmol/g），T1处理最低（1.56 μmol/g）。

图2 铅胁迫对澳洲坚果幼苗SOD活性的影响Fig.2 Effects of plumbum stress on SOD activities of M.integrifolia seedlings

图3 铅胁迫对澳洲坚果幼苗POD活性的影响Fig.3 Effects of plumbum stress on POD activities of M.integrifolia seedlings

图4 铅胁迫对澳洲坚果幼苗MDA含量的影响Fig.4 Effects of plumbum stress on MDA contents of M.integrifolia seedlings

3 讨论与结论

植物在低浓度铅作用下，生长会有一定程度的提升；当浓度升高，超出植物耐受范围时，植物会因受到毒害而出现生长受抑制的情况[17]。本研究中，随铅浓度升高，澳洲坚果幼苗的株高和地径增量均呈先升后降的趋势；在胡倩[14]和李泊玉[17]的研究中，铅浓度对海南风吹楠（Horsfieldia hainanensis）和红花风铃木（Tabebuia impetiginosa）株高和地径的影响趋势与本研究结果一致，均呈先升后降的趋势。T2 ～T5 处理的株高和地径增量均高于T1 处理，表明中、低浓度铅（200 ～1 200 mg/kg）处理下，澳洲坚果幼苗的生长得到促进；T6 ～T7处理的株高和地径增量均低于T1 处理，表明高浓度铅（1 600 ～2 000 mg/kg）处理对澳洲坚果幼苗造成毒害，抑制其生长。澳洲坚果对中、低浓度铅（1 200 mg/kg 以下）胁迫有一定耐受性。

叶绿素是植物进行光合作用的主要原料。研究表明，Pb2+可增强叶绿素酶活性，促使其降解[18]。本研究中，各叶绿素含量均随铅浓度升高呈先升后降的趋势，均在T3 处理时最大。张博宇等[19]、蒋严波等[20]和蒋霞[21]研究表明，黄花风铃木（Handroan⁃thus chrysanthu）、枫香（Liquidambar formosana）和金花茶（Camellia petelotii）的叶绿素含量均在不同浓度铅处理下下降，这可能是由于不同植物对铅胁迫的耐受性不同。低浓度铅（200 ～400 mg/kg）处理下，澳洲坚果幼苗叶绿素含量出现积累；中、高浓度铅（800 ～2 000 mg/kg）处理下，叶绿素含量开始下降；浓度达到2 000 mg/kg 时，叶绿素含量低于对照。说明澳洲坚果幼苗对低浓度铅（400 mg/kg 以下）胁迫有较强的抗性；在中、高浓度铅（800 ～1600 mg/kg）胁迫下，其叶绿素含量降低，但仍有一定抗性；在2 000 mg/kg处理下，其光合作用受阻。

渗透调节物质可通过调节植物体内渗透压维持渗透平衡，保护植物体[22]。可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸为常见的渗透调节物质，此3 项指标可从渗透调节层面反映植物的生理状况[23-24]。本研究结果显示，随铅浓度升高，可溶性糖含量呈先降后升的趋势，与李珊等[25]对栝楼（Trichosanthes kirilowii）的研究结果一致；可溶性蛋白和游离脯氨酸含量均呈先升后降的趋势，与杨艺宁等[26]、张博宇等[19]、蒋严波等[20]和胡倩[14]对洋常春藤（Hedera he⁃lix）、黄花风铃木、枫香和海南风吹楠等植物的研究结果相同。低浓度铅（200 ～400 mg/kg）处理下，澳洲坚果幼苗通过积累可溶性蛋白和游离脯氨酸等渗透调节物质来应对胁迫；中、高浓度铅（800 ～1 600 mg/kg）处理下，游离脯氨酸含量逐渐降低，通过积累可溶性糖和可溶性蛋白含量来应对胁迫；铅浓度为2 000 mg/kg 时，可溶性蛋白和游离脯氨酸含量均下降，通过积累可溶性糖含量来应对胁迫。

抗氧化酶是评价植物在逆境环境中适宜性及耐受性的重要指标。本试验中，SOD 和POD 活性均随铅浓度升高呈先升后降的趋势，与张博宇等[19]和蒋严波等[20]等的研究结果一致；MDA 含量随铅浓度升高逐渐上升。中、低浓度铅（200 ～800 mg/kg）处理下，澳洲坚果幼苗体内的活性氧含量增加，自身防御机制被激活，抗氧化酶活性上升，清除体内过多的活性氧；随铅浓度继续上升（1 200 ～1 600 mg/kg），MDA 含量持续增加，相关酶合成速度下降，但POD和SOD 活性仍高于对照，说明仍有一定抗性；铅浓度为2 000 mg/kg 时，POD 和SOD 活性均低于对照，细胞受损较严重，影响活性氧的清除，植株受损。

综合各个指标，澳洲坚果幼苗对铅胁迫有一定的耐受性，200 ～1 200 mg/kg 处理下，植株生长状况较好；400 mg/kg 处理下，植株生长状况最好。说明澳洲坚果幼苗对1 200 mg/kg 以下的铅胁迫有一定抗性；1 200 mg/kg 以上的铅胁迫会对其造成毒害，抑制其生长。广西区土壤铅含量范围为18.80 ～6 350 mg/kg，几何均值为147.9 mg/kg[27]。澳洲坚果在广西铅污染地区有较好的推广潜力，本研究结果可为广西乃至华南铅污染地区经济林油料植物选择提供参考。