不同浓度镉胁迫对川芎生长及生理特性的影响

关键词：镉胁迫：川芎；生理特性：酶活性：矿质元素

中图分类号：S567.23+9.01 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2024）11-0076-07

土壤镉（Cd）污染是目前许多中药材种植中面临的难题之一。在安全阈值之内，一定浓度的Cd胁迫可促进植株生长，如Cd浓度在0.1～5.0mg/L之间时薄荷株高、叶长和叶宽呈现出一种逐渐上升趋势，但超过安全阈值就会抑制植株生长，例如50 mg/kg Cd浓度下丹参株高、叶片及根系的干物质量均降低。另外，Cd胁迫会影响药用植物中的矿物质元素含量。Das等研究发现，Cd胁迫会影响植物对Ca、Mg、P、K元素和水的吸收和转运。板蓝根和龙葵的主要养分N、P、K含量也会随Cd浓度增加而下降。Cd对药用植物的损害之一是通过破坏其抗氧化能力来破坏植物体内活性氧的动态平衡，导致膜脂过氧化，从而损害膜系统，并引起生理代谢失调，从而影响其正常生长发育。较高浓度Cd胁迫能引起金银花根和叶膜系统中丙二醛（MDA）含量升高。在铁皮石斛幼苗中，镉显著诱导丙二醛和脯氨酸积累。

不同药材的安全阈值不尽相同，目前关于川芎镉污染阈值的相关研究已有报道：何平等利用MaxEnt模型并结合矿产分布特征和土壤镉污染状况重新规划了川芎的生态种植区：裴孟等研究认为土壤团聚体稳定性显著影响川芎根部Cd积累；徐琴等认为栽培土壤pH值越大，川芎中镉含量越低；5mg/kg Cd与500 mg/kg Pb复合处理显著降低川芎根茎和地上部Cd的积累。但关于不同浓度镉胁迫下川芎生长状况及抗氧化酶活性变化方面的研究尚未见报道。

川芎为伞形科植物川芎（Ligusticum， chuanx-iong Hort.）的干燥根茎，具有活血行气、祛风止痛等功效，常用于治疗泌尿系统、呼吸系统、心脑血管及神经系统等疾病。川芎作为临床常用药之一，年需求量10000吨左右（https：//www.zyctd.com/zixun/202/253372.html），但近年来川芎在出口时曾多次因重金属超标问题而被国外销毁，是川芎国际贸易壁垒的主要成因。而在川芎重金属污染中Cd污染问题尤为突出：2008年李晓念对四川彭州敖平镇、都江堰徐渡乡川芎Cd含量进行调查时发现，敖平镇50份样品平均Cd含量为3.40mg/kg，徐渡乡25份样品平均Cd含量为1.20mg/kg;周骁腾等对四川彭州市、都江堰市、什邡市以及成都市等15个样点的川芎根茎样品进行测定，发现其Cd含量均超过《药用植物及制剂进出口绿色行业标准》规定的限量标准0.3 mg/kg，其中样点12（都江堰）和样点3（彭州）分别高达1.19mg/kg和1.57mg/kg，超标3～4倍；张德林等通过分析2004～2017年川芎重金属Cd相关文献的383个数据，发现川芎Cd超标率高达87.99%，可见川芎Cd超标现象十分普遍。

本试验通过研究不同浓度镉胁迫下川芎生长的动态状况、酶活性以及矿质元素含量的变化规律，以探明川芎生长对Cd胁迫的生理响应，从而指导川芎生产，为今后抗镉胁迫研究提供一定的理论基础。

1材料与方法

1.1试验材料

供试川芎苓种由四川省农业科学院经济作物研究所提供。

1.2试验设计

2021年7月20日在汶川县挖取川芎苓种，当年9月9日盆栽于成都市青白江区光明村温室大棚内。花盆规格为：上口径×下口径×高=42cm×28cm×28cm。盆栽基质按农田土：草炭土：珍珠岩：河沙体积比25：4：1：8混匀，每盆装基质19kg，栽种川芎6株。

试验设置5个镉浓度处理，分别为0（CK）、1、3、6mg/kg和10mg/kg，用CdCl₂·2.5H₂O（分析纯试剂）以溶液形式施入土壤并充分混匀，平衡4周待用。所有处理按照川芎常规管理技术统一管理。

1.3测定指标及方法

1.3.1生长指标测定 按照常规管理并做好防病防虫工作和长势记录。于2022年5月收获前，利用直尺、游标卡尺等对川芎3个生长期即苗期（2021年8月至9月下旬）、二次茎叶发生期（2021年2月初至4月中旬）、根茎膨大期（2021年4月中旬至5月下旬）的株高、叶长、叶宽、叶柄长进行测定，其中再在二次茎叶发生期和根茎膨大期对茎粗、节盘直径以及根茎膨大期对根茎重、根重进行测定。

1.3.2叶片酶活性与丙二醛（MDA）含量测定 在二次茎叶发生期，取0.10g新鲜叶片置于10mL离心管中，加入0.05mol/L磷酸缓冲液（pH=7.8）5mL，再添加1%（W/V）聚乙烯吡咯烷酮（PVP），冰浴研磨匀浆，15000r/min离心15min，全部过程均在4℃下操作，所得上清液即为粗酶液。采用南京建成生物工程研究所研制的试剂盒测定超氧化物歧化酶（ SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、谷胱甘肽还原酶（GR）活性以及MDA含量，具体操作步骤按使用说明进行。

1.3.3镉及矿质元素含量测定 取川芎收获期根茎于40℃烘箱中烘干，打粉后过100目筛。称取样品粉末0.200g于微波消解罐内管中，加入10mL硝酸后按照表1中记述的程序进行消解，冷却至室温后过滤，用1%硝酸定容至25 mL，用ICP-OES测定各元素含量。

1.4数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2019、SPSS 25软件进行统计、单因素方差分析及组间差异显著性比较，生长指标每组设置6个重复并计算平均值与标准偏差，酶活性及矿质元素含量测定每组设置3个重复。利用Origin 8以及R软件制图。

2结果与分析

2.1不同浓度镉胁迫对川芎生长的影响

2.1.1对苗期川芎生长的影响 由表2可以看出，与CK相比，镉胁迫对苗期川芎株高、叶柄长均有抑制作用。镉浓度为10 mg/kg时，苗期川芎叶柄长和小叶长较CK显著降低，分别降低11.94%和14.48%，6mg/kg Cd处理对苗期川芎小叶长和小叶宽具有促进作用。

2.1.2对二次茎叶发生期川芎生长的影响 由表3可知，与CK相比，1mg/kg与10 mg/kg Cd胁迫下二次茎叶发生期川芎株高显著降低，分别降低16.04%和8.73%；6mg/kg Cd胁迫对二次茎叶发生期川芎的茎粗和小叶长具有促进作用，分别增加5.87%和2.91%，对其他生长指标影响较小。

2.1.3对收获期川芎生长的影响 由表4可知，不同浓度Cd处理对收获期（即根茎膨大期）川芎生长指标的影响不同，与CK相比，不同浓度Cd胁迫对川芎株高、小叶长和根茎重都具有抑制作用。其中，6 mg/kg Cd胁迫对川芎小叶宽、分蘖数、茎粗、节盘直径具有促进作用，分别增加2.25%、9.09%、7.11%和5.70%;1 mg/kg Cd胁迫能显著抑制川芎株高、叶柄长、小叶长、小叶宽、根茎重，分别降低17.41%、12.95%、15.07%、8.99%和26.16%。综合来看，1mg/kg Cd处理对收获期川芎生长抑制作用最大。

2.2不同浓度镉胁迫对川芎酶活性及MDA含量的影响

2.2.1对川芎酶活性的影响 由图1可知，不同浓度Cd胁迫对川芎SOD、CAT、POD、GR活性都具有促进作用，且这四种酶活性随着Cd浓度增加而增加。其中，SOD、GR活性在Cd浓度为3mg/kg时较CK具有显著性差异，分别增加35.70%和31.96%；CAT、POD、SOD、GR活性在Cd浓度为6mg/kg时较CK分别显著高出45.03%、30.40%、42.26%和69.17%，10mg/kg Cd胁迫下这四种酶活性达到最高，较CK分别显著高出75.90%、36.16%、62.56%和97.73%，其中GR活性增幅最大。

2.2.2对川芎MDA含量的影响 川芎MDA含量随着Cd浓度增加而逐渐升高（图2）。镉浓度为1、3mg/kg和6mg/kg时，与CK相比其MDA含量分别增加13.82%、17.14%、28.08%，但差异不显著；10mg/kg Cd处理下MDA含量达到最高，为30.78 nmol/g，较CK显著高出30.77%。

2.3不同浓度镉胁迫对川芎镉和矿质元素含量的影响

2.3.1对川芎镉含量的影响 由图3可知，川芎中Cd含量与处理土壤的Cd含量呈正相关。随着土壤Cd浓度不断增加川芎中Cd含量也在不断增加，镉浓度为10mg/kg时川芎中Cd含量达到最大值，为10.86mg/kg。说明川芎是镉富集植物，这与前人研究结果一致。

2.3.2对川芎矿质元素的影响 由图4可以看出，与CK相比，川芎Mn、Al、Cu含量在各浓度Cd胁迫下都降低，1mg/kg Cd处理分别降低12.08%、24.22%和21.46%，3mg/kg Cd处理分别降低17.47%、41.03%和7.18%，6mg/kg Cd处理分别降低6.88%、12.08%和1.12%，10 mg/kg Cd处理分别降低2.92%、23.03%和6.70%，且川芎Cu元素含量在1mg/kg Cd处理下显著降低。1mg/kg Cd处理下川芎Ca、K、Mg、P、Zn含量均下降，分别降低13.99%、0.96%、3.99%、3.65%和5.70%，而Cd浓度高于1mg/kg时相比于对照其含量均增加，3mg/kg Cd处理分别增加1.39%、13.23%、5.37%、7.12%和8.33%，6mg/kg Cd处理分别增加0.89%、9.61%、13.54%、8.30%和19.74%，10mg/kg Cd处理分别增加1.71%、8.50%、12.39%、16.32%和16.23%。

3讨论与结论

镉（Cd）对植物生长有毒害作用，导致生长受到抑制和生物量减少，这在丹参、人参等药用植物上已有报道。本研究证实，Cd胁迫对川芎苗期株高、叶柄长具有抑制作用且对叶片数量影响不大，对川芎二次茎叶发生期株高、叶柄长、小叶宽均具有抑制作用，对收获期株高和根茎重具有抑制作用。这与刘湘丹等研究得出的夏枯草、薄荷受到镉污染后株高降低的结论一致。研究还得出，Cd浓度6mg/kg处理对川芎苗期小叶长、小叶宽，二次茎叶发生期茎粗、小叶长以及收获期小叶宽、分蘖数、茎粗、节盘直径均具有促进作用，此结果与0.3 mg/kg Cd处理促进板蓝根叶与根生长且浓度高于1mg/kg则有明显抑制作用的结论有所不同。这可能是由于川芎作为Cd富集植物，对Cd有一定的耐受和转移能力有关。

Cd胁迫下川芎叶片Cd含量增多和膜脂过氧化增强，破坏细胞的渗透平衡。Cd胁迫提高植物中的Cd浓度和活性氧（ROS，如H202）的产生，导致MDA、脯氨酸和可溶性蛋白含量发生显著变化，而抗氧化酶（如POD、SOD、GR和CAT）可以清除Cd胁迫诱导的ROS。本研究中，MDA含量随着镉浓度增加而升高，10mg/kg Cd胁迫下川芎MDA含量显著增加，说明Cd胁迫加剧川芎叶片中活性氧自由基的产生，改变了细胞膜结构和功能；CAT、SOD、GR、POD活性与MDA含量的变化趋势一致。POD和GR可能是H₂O₂分解的主要催化酶，SOD和CAT在调节Cd胁迫引起的细胞内渗透电位中起重要作用，这也是Cd胁迫对川芎危害性不强的原因。

关于Cd胁迫对川芎Cd含量和矿质元素含量影响的研究，张懂懂等研究认为，高浓度Cd胁迫下文山川芎根茎Mg、S、K含量有所增加，Fe、Zn含量降低且受Cd影响最大，而较高浓度Cd胁迫会降低Cu、Mn的吸收。本研究发现，川芎Mn、Al、Cu含量在不同浓度Cd胁迫下都降低，其中1mg/kg Cd胁迫显著降低川芎中的Cu含量。这与前人研究结论有所出入，可能是由取样与地域的差异所致。

综上所述，川芎作为镉富集植物，Cd胁迫对其苗期、二次茎叶发生期、根茎膨大期生长均产生不同影响，引起膜脂过氧化，并诱导抗氧化酶活性升高，以降低对植株的毒害，维持川芎生长。川芎内Cu元素含量则在低浓度镉胁迫下受到显著影响。