凹凸棒对镉胁迫下菠菜生长生理及镉富集的影响

张 辉 李录山，2 杨晓峰 李华兵 黄 艳 杜宣延 藤 志

（1 攀枝花市农林科学研究院，四川攀枝花 617061；2 甘肃农业大学，甘肃兰州 730070）

镉（Cd）作为继汞和铅之后对环境、动植物和人类危害最大的第3 种重金属元素，主要来源于化工冶炼产生的“三废”和大量使用的农药化肥（何俊瑜 等，2009；徐勤松 等，2009）。镉是一种移动性强、生物毒性大、植物生长非必需且极易被吸收并积累的金属元素（Achakzai &Bazai，2006），进入土壤中的镉，不易随水淋溶和生物降解，有明显的生物富集现象，极易通过食物链进入人体，干扰人类正常的代谢机能（Lin et al.，2007）。已有研究表明，高浓度Cd抑制植物生长（郭锋 等，2014），诱导植物体内活性氧过量积累，破坏植物体内活性氧代谢动态平衡，改变超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性，导致植物体内Cd含量增加（赛闹汪青 等，2018；闫志强 等，2019）。如何缓解或抑制植物Cd毒害已引起人们的广泛关注（俞萍 等，2017）。

凹凸棒粘土（attapulgite，APT）又名坡缕石，是一种具有独特层链状结构的以结晶水合硅酸镁铝为主的天然非金属粘土矿物，是具有高孔道比表面积的链层状矿物（周杰 等，1999；黎珊 等，2013）。其吸附性能较强，不仅能吸附具有恶臭等异味的有机物，对有毒重金属元素也有很强的吸附作用（杨红善 等，2005；任珺 等，2021）。有研究表明，施加凹凸棒有效抑制了水稻和小麦籽粒中的镉富集量（任静华，2017）；镉超标土壤中施入适量的凹凸棒能使芦蒿中镉含量降低（范迪富 等，2007）；凹凸棒还可以与肥料有机结合，提高肥料的利用效率，砂质土壤中加入凹凸棒，可以改变土壤的有机质含量、pH 值、容重等理化性质，改善土壤生态环境（王丽和袁建军，2008；王亚菲和石岩，2016）。综上，凹凸棒作为一种土壤改良剂，既可以改变土壤的理化性质，提高肥料的利用效率，又可以缓解受到重金属胁迫土壤的毒害作用，降低土壤中镉向农作物产品器官的转移效率。

本试验采用盆栽的方式，测定、分析了基质中添加不同比例凹凸棒对Cd胁迫下菠菜生长、抗氧化酶活性和镉富集的缓解作用，以期丰富Cd胁迫下缓解菠菜毒害作用的材料，拓展凹凸棒在蔬菜栽培领域的应用思路，为缓解菠菜重金属毒害提供一定的借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试菠菜品种为火星，一代杂种，耐热性强，生长周期38 d 左右；由甘肃省农业科学院提供。

氯化镉购自源叶生物科技有限公司，为分析纯。

凹凸棒由中国科学院兰州化学物理研究所甘肃省黏土矿物应用研究重点实验室提供。

1.2 试验方法

试验于2020 年6—11 月在甘肃农业大学玻璃温室内进行，采用盆栽的方式。设置5 个处理：凹凸棒/基质（质量比）分别为5%、10%、15%、20%、25%，以不添加凹凸棒、不进行镉胁迫（CK1）及进行镉胁迫、不添加凹凸棒（CK2）为对照（表1），基质为蛭石∶珍珠岩=3∶1（体积比）；每处理3 次重复，每重复20 盆。

表1 试验设计

选择籽粒饱满、大小一致的菠菜种子，温汤浸种后放入铺有双层湿润滤纸的育苗盘内，盖保鲜膜保湿，于人工气候箱内黑暗条件下（25 ± 1）℃进行催芽。待种子萌发露白后，挑选发芽一致的种子播至50 孔穴盘中，每穴4 粒，置于昼/夜为22℃/18 ℃（14 h、10 h），光照强度为8 000 lx，相对湿度为60%的智能型人工气候箱中育苗。待幼苗4 片真叶完全展开时，选取生长势一致、无病虫害的幼苗定植于花盆中（上部内径18 cm，下部内径9 cm），每盆2 株。转移至自然光下生长，每隔6 d 浇灌1 次营养液，营养液浓度随植株生长进行调节，起始浓度为1/8 霍格兰营养液，每隔12 d 营养液浓度增加1 倍，直至标准霍格兰营养液浓度。

缓苗6 d 后，在浇灌营养液时加入浓度为40 μmol·L的CdCl进行中度镉胁迫（前期试验筛选结果）处理，每盆300 mL，间隔6 d 再处理1 次。第2 次镉胁迫处理15 d 后，每处理随机选取5 株，测定株高、茎粗、生物量，取平均值；取功能叶片冷冻保存、备用；每处理随机选择5 盆，每盆取30 g 基质混匀，自然风干。

1.3 项目测定

株高：采用直尺测量茎基部至顶端生长点的距离。

茎粗：采用游标卡尺测定茎基部直径。

生物量：用自来水将植株冲洗干净，滤纸吸干水分，从茎基部剪断，分别称量地上部和地下部鲜质量；然后105 ℃杀青15 min，80 ℃烘干至恒重，分别称量地上部和地下部干质量。

抗氧化酶活性：称取功能叶片0.1 g，置于已预冷的研钵中，加入1 mL 提取液，冰浴匀浆，然后4 ℃、8 000 r·min离心10 min，取上清液，采用苏州科铭生物有限公司生产的试剂盒测定SOD、POD、CAT、APX 活性。

镉含量：分别将植株地上部、地下部干样研磨后过0.25 mm 筛，装入自封袋备用；基质自然风干后，过2 mm 筛，装入自封袋备用。分别称取处理后的菠菜地上部、地下部及基质样品0.5 g 于三角瓶中，加入10 mL HNO-HCl（4∶1）混合液，消煮至少量无色液体后，完全转移至容量瓶过滤并用纯净水定容至50 mL，采用原子火焰光度计（AP1302，上海傲谱分析仪器有限公司）测定Cd含量。

富集系数=植株各部位镉含量/基质镉含量

转运系数=植株地上部镉含量/地下部镉含量

1.4 数据处理

利用Excel 软件处理试验数据，制作图表；运用SPSS 22.0 分析软件进行单因素方差分析，采用Duncan 多重比较法进行差异显著性分析（＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 凹凸棒对镉胁迫下菠菜生长的影响

从表2 可以看出，随着凹凸棒添加量的增加，菠菜的株高、茎粗均呈先增加后降低的变化趋势，当凹凸棒添加量为15%时（T3）株高、茎粗达到最大值，比CK2 分别提高了102.62%和15.78%；各处理的株高、茎粗与CK1 相比较虽有一定程度的降低，但差异均不显著，而与CK2 相比均显著提高。植株地上部、地下部鲜质量和干质量的变化趋势与株高、茎粗大体上一致，除地下部干质量外，亦均在凹凸棒添加量为15%时达到最大值，且与CK2 相比均显著增加。

表2 凹凸棒对镉胁迫下菠菜生长的影响

2.2 凹凸棒对镉胁迫下菠菜叶片中抗氧化酶活性的影响

由图1 可知，菠菜叶片中SOD、POD、APX活性均随着凹凸棒添加量的增加呈先降低后升高的变化趋势，而CAT 活性呈先升高后降低的变化趋势。凹凸棒添加量为15%时，SOD、APX 活性降到最低，SOD 活性显著低于CK2，但显著高于CK1；CAT 活性升至最高，显著高于CK2，且与CK1 差异不显著。POD 活性在凹凸棒添加量为20%时（T4）降到最低，虽仍高于CK1，但差异未达显著水平；而与CK2 相比显著降低。

图1 凹凸棒对镉胁迫下菠菜叶片中抗氧化酶活性的影响

2.3 凹凸棒对镉胁迫下菠菜镉吸收、富集转运的影响

从表3 可以看出，随着凹凸棒添加量的增加，菠菜地上部和地下部的Cd含量均逐渐降低，添加量为20%～25%时（T4～T5）均与CK2 差异显著；地上部和地下部Cd的富集系数也逐渐降低，当添加量增至15%以上（包括15%），与CK2 差异达显著水平；各处理间Cd的转运系数无显著差异。

表3 凹凸棒对镉胁迫下菠菜镉吸收、富集转运的影响

3 讨论与结论

重金属积累会影响植物的正常生理过程，抑制植株的生长发育，降低植株的生物量。镉对植物生长的影响与其浓度有关（龚双姣 等，2010；郝正刚 等，2019），长期持续处于镉胁迫的植物最突出的表现为叶片失绿，生长缓慢，生物量下降等（王冬柏 等，2014；任凌伟，2017）。本试验结果表明，随着凹凸棒添加量的增加，菠菜株高、茎粗、地上部及地下部鲜质量和干质量均呈先增加后降低的变化趋势，说明凹凸棒可以吸附基质中的镉从而降低菠菜对镉的吸收，有效缓解镉胁迫对菠菜生长的影响，并能促进菠菜生物量积累；但是过量的凹凸棒会造成基质板结，基质紧实度增加，透气性不好，不利于菠菜生长。其中，凹凸棒添加量为15%时，菠菜株高、茎粗、地上部鲜质量和干质量、地下部鲜质量均达到最大值。

逆境胁迫对植物伤害的重要机制之一是活性氧（ROS）过量积累，进而导致膜脂过氧化，破坏细胞的正常功能（孙凯宁 等，2017）。ROS 产生后会被植物体内重要的抗氧化酶SOD、POD、CAT、APX 等快速地清除掉，抗氧化酶活性的变化是表征植物氧化压力的重要指标（上官李娜，2008；李铂 等，2020）。SOD 作为抗氧化酶系统的第一道屏障，首先被活性氧激活，它主要参与催化O-.自由基变为HO和O的歧化反应，之后通过POD、CAT、APX 的共同作用，HO进一步分解代谢为水（费维新 等，2018；魏婧 等，2020）。本试验结果表明，镉胁迫下（CK2）菠菜叶片中的SOD、POD、APX 活性显著升高，而CAT 活性显著降低，表明镉胁迫导致叶片细胞的正常功能受损，刺激抗氧化酶的产生以除去镉胁迫产生的活性氧，激发了叶片中SOD、POD、APX 活性的升高，而CAT活性对镉胁迫较为敏感，原因是镉导致了CAT 的活性位点中Fe 被取代（Liu et al.，2010）；随着凹凸棒添加量的增加，菠菜叶片中的SOD、POD、APX 活性呈先降低后升高的变化趋势，这表明凹凸棒有效吸附了基质中的镉，减轻了镉对菠菜根系的毒害，降低了叶片中镉的积累，抗氧化酶的应激反应能力降低，即酶活性降低，进而缓解了镉胁迫对菠菜的伤害，但过量的凹凸棒导致基质透水能力降低，植株处于涝害状态，致使抗氧化酶应激能力增加，酶活性再次升高。

已有研究表明，凹凸棒通过阳离子交换、表面络合吸附、诱导Cd水解沉淀以及静电作用等多种途径降低了基质中镉的生物有效性（杜志敏 等，2012；任凌伟，2017；赛闹汪青，2019）。本试验结果表明，在中度镉胁迫条件下，基质中添加凹凸棒可以使菠菜地上部和地下部Cd含量明显降低，继而缓解了镉胁迫对菠菜的生理学毒性作用，说明镉胁迫下凹凸棒对菠菜生理学代谢的保护作用归因于其降低了组织中镉的生物有效性；植株地上部和地下部Cd的富集系数亦降低，且地下部Cd的富集系数大于地上部，说明镉在菠菜植株内分布的规律是地下部＞地上部，这与已有的研究结果一致（范迪富 等，2007；杨瑞洪，2011）。

综上所述，在镉胁迫下菠菜的株高、茎粗和生物量积累受到明显的抑制，SOD、POD、APX 活性升高，植株地上部及地下部Cd含量明显增加，说明镉胁迫抑制了菠菜的生长。在凹凸棒的介入下，镉对菠菜的毒害作用得到了有效缓解，其中基质中添加15%凹凸棒效果最好，说明添加适宜的凹凸棒可以缓解镉对菠菜生长的胁迫伤害，降低食用器官—叶片中的镉积累量，为缓解菠菜生产中的镉胁迫提供了一种解决方案。