王博

摘要：通過(guò)人工模擬Cd污染土壤，探究在不同Cd濃度和處理時(shí)間下白芍根部Cd積累的特性，以及通過(guò)添加水楊酸、脫落酸、鋅和硅等外源添加物，對(duì)白芍根部Cd含量的影響。結(jié)果表明，隨著土壤中Cd濃度的上升，根部Cd積累量顯著上升。水楊酸和脫落酸處理不會(huì)降低根部Cd含量，高濃度的鋅和硅降低了植株根部Cd含量。

關(guān)鍵詞：白芍；鎘；水楊酸；脫落酸；外源添加物

中圖分類號(hào)：S567.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-1463（2017）06-0015-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.06.006

Effects of Exogenous Additives on the Accumulation of Cd in the Roots of Paeonia lactiflora

WANG Bo

（Public Scientific Research Platform， Zhejiang Chinese Medicine University， Hangzhou Zhejiang 310053， China）

Abstract：The Cd accumulation in roots of Paeonia lactiflora Pall are studied by simulation of Cd polluted soil in different concentrations and treatment time. It is researched that the exogenous substances， including salicylic acid， abscisic acid， zinc and silicon， influenced on Cd accumulation in roots of Paeonia lactiflora Pall. The result shows that the Cd content at roots have a significant improvement with the increasing of Cd content in soil. Among 4 Exogenous additives， the SA and the ABA can not cause the reduce of Cd in roots， the high concentration of the zinc and silicon can reduce the Cd concentration in roots.

Key words： P. lactiflora Pall；Cadmium；Salicylic acid；Abscisic acid；Exogenous additives

白芍為毛茛科植物，其入藥部位根具有斂陰養(yǎng)血，收汗緩中、柔肝止痛、平抑肝陽(yáng)之功效。近年來(lái)隨著諸如白芍總苷膠囊等一系列中成藥的開(kāi)發(fā)和問(wèn)世，應(yīng)用范圍愈加廣泛。但中藥安全性也不容忽視，尤其重金屬污染是目前研究的重點(diǎn)，《中國(guó)藥典》專門對(duì)白芍中重金屬Cd限量標(biāo)準(zhǔn)做了嚴(yán)格規(guī)定[1 ]。Cd是環(huán)境中廣泛存在且具有潛在毒害作用的重金屬污染物之一，易于被植物吸收積累 [2 - 3 ]。若以Cd污染的白芍入藥，會(huì)在人體內(nèi)積累并對(duì)人體健康造成嚴(yán)重威脅，例如導(dǎo)致鈣代謝失調(diào)、腎功能損傷等。有研究表明，一些外源物質(zhì)能夠有效改善重金屬脅迫下植物的生長(zhǎng)發(fā)育狀況，并可能降低植物內(nèi)重金屬含量[4 - 5 ]。但這些研究主要集中在水稻、小麥等農(nóng)作物以及擬南芥等模式植物，采用中草藥為材料來(lái)探究如何降低Cd積累方面的研究未見(jiàn)報(bào)道。筆者以白芍為研究對(duì)象，在模擬Cd超標(biāo)土壤中探究白芍的Cd吸收特性，然后分別添加外源水楊酸、脫落酸、ZnSO4·7H2O和Na2SiO3，經(jīng)不同時(shí)間處理后，通過(guò)原子吸收光譜測(cè)定白芍根部Cd積累量，探索外源物質(zhì)對(duì)白芍中Cd積累量的影響，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1 材料與方法

1.1 供試設(shè)備與材料

主要儀器為微波消解儀（CEM-MARS）、原子吸收光譜儀（AA-7000）、分析天平。主要試劑為水楊酸、脫落酸、Na2SiO3、ZnSO4·7H2O、CdCl2。實(shí)驗(yàn)材料為白芍苗（購(gòu)買于眾協(xié)藥材種苗種植基地）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 白芍植株培育 將購(gòu)買的白芍幼苗移栽在盛放營(yíng)養(yǎng)土的花盆中，每隔5 d澆水1次，在溫室中培養(yǎng)120 d后選取長(zhǎng)勢(shì)良好且大小均一的植株用于實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 樣品處理 土壤自然風(fēng)干后磨碎，過(guò)2 mm篩，將過(guò)篩土壤放入干凈的花盆中，每盆裝7 kg。準(zhǔn)確稱量CdCl2固體，配制成Cd濃度分別為25、50 mg/kg的土壤基質(zhì)。加入Cd后進(jìn)行30 d的土壤老化，使土壤中各種形態(tài)的Cd濃度達(dá)到穩(wěn)定。在土壤老化過(guò)程中，向土壤澆灌超純水至土壤含水量為60%，當(dāng)土壤風(fēng)干至干透后，重復(fù)以上過(guò)程4次。

選取白芍植株分別移栽在未經(jīng)Cd處理的對(duì)照組土壤中及Cd濃度為25、50 mg/kg的土壤中，每組處理3次重復(fù)，每5 d澆水1次。在處理15、30 d時(shí)，分別采集白芍植株根部測(cè)定Cd2+含量。

1.2.3 樣品Cd含量測(cè)定 剪取白芍根部樣品烘至恒重，打成細(xì)粉過(guò)40目篩。準(zhǔn)確稱取不同處理的粉末樣品2 g置于四氟乙烯消解罐中，加硝酸10 mL和雙氧水2 mL浸泡過(guò)夜，次日轉(zhuǎn)移于微波消解儀內(nèi)進(jìn)行消解，消解完成后繼續(xù)緩慢加熱濃縮至3 mL左右，冷卻后加入超純水定容至25 mL。將獲得的澄清樣品存儲(chǔ)于4 ℃冰箱，利用石墨爐—原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定Cd含量。特征波長(zhǎng)為228.8 nm[6 - 7 ]，其中原子吸收法儀器參數(shù)為波長(zhǎng)228.8 nm、狹縫0.7 nm、燈電流10 mA、干燥溫度110 ℃/30 s、灰化溫度950 ℃/20 s、原子化溫度 1 600 ℃/5 s。

1.2.4 外源物質(zhì)處理對(duì)Cd積累的影響研究 選取白芍植株種植在含Cd濃度為25 mg/kg的土壤中，同時(shí)在土壤中分別添加不同濃度的外源物質(zhì)，15 d后測(cè)定根部重金屬Cd含量。不同外源物質(zhì)處理方法詳見(jiàn)表1[8 - 9 ]。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 利用SPSS軟件中ANOVA 方差分析評(píng)價(jià)不同處理間差異的顯著性，采用excel作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫下白芍根部Cd的積累

配制10 ug/L的Cd標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照不同濃度進(jìn)行稀釋，以進(jìn)樣濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，獲得線性方程為A=0.006 1C+ 0.000 5，相關(guān)系數(shù)r為0.999 3。測(cè)定處理組和實(shí)驗(yàn)組白芍中Cd積累量，結(jié)果表明（表2），植株在正常土壤中培養(yǎng)15、30 d后，其根部Cd含量分別為0.09±0.03、0.07±0.01 mg/kg，符合中國(guó)藥典中規(guī)定的Cd限量標(biāo)準(zhǔn)（Cd≤0.3 mg/kg）。隨著Cd處理濃度的增加，植株根部Cd積累量顯著增加（p<0.05），但處理時(shí)間對(duì)鎘積累的影響并不顯著（圖1）。

2.2 不同外源物質(zhì)處理下根的Cd含量

選取Cd濃度為25 mg/kg和15 d的處理?xiàng)l件，在處理之初同時(shí)分別添加不同濃度的水楊酸（SA）、脫落酸（ABA）、ZnSO4·7H2O和Na2SiO3。通過(guò)圖2可以看出，水楊酸和低濃度的脫落酸處理對(duì)根部Cd的積累幾乎沒(méi)有影響，而100 mg/kg的脫落酸反而增加了Cd含量（p < 0.05）；200 mg/kg的Zn和2 000 mg/kg的Si處理下根部Cd含量較對(duì)照組顯著下降（p < 0.05）。

3 小結(jié)與討論

對(duì)白芍Cd吸附特性的初步探究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤中加入Cd后，Cd會(huì)被植株吸收富集，并且根部的Cd積累量隨著濃度增加而增加，但并沒(méi)有呈隨著處理時(shí)間的增加有明顯上升的趨勢(shì)。不同濃度的外源水楊酸（SA）對(duì)白芍根部Cd積累量無(wú)顯著影響；脫落酸（ABA）沒(méi)有降低植株根部的Cd積累量，甚至在100 mg/kg的處理下，根部Cd含量反而上升。這可能是由于它改變了Cd在植株不同部位的分布情況，減少了Cd向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)，最終導(dǎo)致根部Cd含量反而升高。外源添加Zn可以降低白芍根部Cd含量，即Zn對(duì)Cd的吸收表現(xiàn)出拮抗作用，高濃度的Si降低了植株根部Cd含量。

目前中草藥重金屬污染現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，Cd作為生物毒性極強(qiáng)的重金屬元素，通過(guò)食物鏈會(huì)在人體內(nèi)富集并帶來(lái)嚴(yán)重危害[10 ]。土壤是中草藥重金屬污染的主要來(lái)源之一，因此通過(guò)模擬土壤重金屬Cd超標(biāo)探索白芍的Cd吸附特性，并通過(guò)添加外源物質(zhì)探究是否會(huì)降低Cd積累量，可為今后降低白芍Cd積累提供一定的理論基礎(chǔ)。由于白芍以根作為入藥部位，因此本研究?jī)H對(duì)根部重金屬積累量做了探究。重金屬積累和轉(zhuǎn)運(yùn)規(guī)律與溫度、土壤pH等環(huán)境因子均有關(guān)，為了更好的模擬室外種植環(huán)境，本研究除定期補(bǔ)充水分外其余培養(yǎng)條件均不作任何人工干預(yù)。

已有研究表明，Cd會(huì)阻礙植物生長(zhǎng)，引起氧化脅迫[11 ]，對(duì)植物體內(nèi)酶活性[12 ]、氣孔開(kāi)閉和營(yíng)養(yǎng)吸收[13 ]、光合作用效率[14 ]和基因組穩(wěn)定性[15 ]均有影響。根系可通過(guò)被動(dòng)吸收中的陽(yáng)離子交換完成對(duì)Cd的吸收，Cd在根表面吸附時(shí)間越長(zhǎng)結(jié)合成不可逆大分子的比例就越高，吸收量也就越大。但之前研究Cd積累量和時(shí)間的關(guān)系時(shí)，分別是以1 h和24 h作為短時(shí)間和長(zhǎng)時(shí)間去衡量的。本研究中，Cd處理時(shí)間較長(zhǎng)，可能達(dá)到了植物生長(zhǎng)可耐受范圍內(nèi)的飽和量。為了更好的適應(yīng)環(huán)境，降低Cd含量，通過(guò)調(diào)節(jié)體內(nèi)某些生理生化反應(yīng)來(lái)加強(qiáng)自身的Cd脅迫作用。

水楊酸作為植物生理和代謝過(guò)程中的重要調(diào)節(jié)因子，能在調(diào)節(jié)植物Cd脅迫方面發(fā)揮重要作 用 [16 - 17 ]。有報(bào)道表明，SA介導(dǎo)植物對(duì)Cd的吸收有不確定性，SA可能通過(guò)與Cd結(jié)合形成復(fù)合物，使Cd鈍化或刺激植物螯合肽與Cd結(jié)合來(lái)緩解Cd對(duì)植物的毒害[18 ]。此外SA可能會(huì)促進(jìn)Cd在細(xì)胞壁中的積累而減少它在細(xì)胞質(zhì)中的積累，從而降低Cd對(duì)植物的毒害性。根據(jù)以上機(jī)理推測(cè)，SA可能通過(guò)促進(jìn)一系列生理反應(yīng)促進(jìn)Cd形成復(fù)合物并以此降低Cd對(duì)植株的毒害性[19 ]，但并沒(méi)有降低植株對(duì)Cd的吸收。脫落酸作為一種抗脅迫激素在植物抗逆生理反應(yīng)中發(fā)揮重要作用。有研究表明，當(dāng)植物受到Cd脅迫后，脫落酸會(huì)通過(guò)影響植物對(duì)鎘的吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)增強(qiáng)其Cd耐受性，例如它能降低水稻對(duì)Cd的吸收[5 ]，或者改變Cd在不結(jié)球白菜不同部位的分布[20 ]。目前針對(duì)Zn和Cd互作機(jī)理還沒(méi)有一致的結(jié)論，即二者之間可能存在拮抗作用，也可能存在協(xié)同作用[21 ]。外源添加Zn會(huì)降低Cd的吸收，可能是由于細(xì)胞膜上載體蛋白會(huì)優(yōu)先轉(zhuǎn)運(yùn)鋅，當(dāng)大量鋅與載體蛋白結(jié)合后，使之與Cd結(jié)合概率減少[22 - 23 ]。Si可以緩解水稻、小麥等的Cd毒害，減少植物地上部分和根中的Cd含量。對(duì)于Si抑制Cd吸收的機(jī)理有不同觀點(diǎn)，一是認(rèn)為Si作用于土壤影響土壤中Cd形態(tài)從而減少有效態(tài)Cd量[24 ]，另有觀點(diǎn)認(rèn)為它直接作用于植物，通過(guò)影響植物的生理生化過(guò)程降低對(duì)Cd的吸收[25 ]。

參考文獻(xiàn)：

[1] 權(quán)春梅，曹 帥，劉耀武. 四大產(chǎn)地白芍中重金屬含量的測(cè)定[J]. 黑河學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，5（4）：120-122.

[2] SANDALIO L M，DALURZO H C，G？譫MEZ M，et al.Cadmium-induced changes in the growth and oxidative metabolism of pea plants[J]. Journal of Experimental Botany，2001，52（364）：2115-2126.

[3] HASSAN M J，ZHANG G S G. Influence of cadmium toxicity on growth and antioxidant enzyme activity in rice cultivars with different grain gadmium accumulation[J]. Journal of Plant Nutrition，2005，28（7）：1259-1270.

[4] GORDANA DRAZIC，NEVENA MIHAILOVIC. Modification of cadmium toxicity in soybean seedlings by salicylic acid[J]. Plant Science，2005，168（2）：511-517.

[5] 孫仲秧. 外源脫落酸緩解水稻Cd毒害的生理機(jī)制研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2006.

[6] 權(quán)春梅，曹 帥，張霄翔. 白芍中重金屬含量的測(cè)定[J]. 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（3）：251-254.

[7] 曹 帥，王文建，權(quán)春梅，等. 芍藥與土壤中重金屬含量相關(guān)性研究—以亳芍藥為例[J]. 文山學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，29（3）：11-14.

[8] 楊 暉，趙 鸝，張 龍，等. 外源添加物降低Cd脅迫下香菇體內(nèi)Cd含量及對(duì)酶活性的影響[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào)，2015，29（1）：183-191.

[9] 陳翠芳，鐘繼洪，李淑儀，等. 施硅對(duì)白菜體內(nèi)鎘的分布及其吸收遷移的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2008，31（7）：89-92.

[10] VERBRUGGEN N，HERMANS C，SCHAT H. Mechanisms to cope with arsenic or cadmium excess in plants[J]. Current Opinion in Plant Biology，2009，12（3）：364-72.

[11] CHO U H，SEO N H. Oxidative stress in Arabidopsis thaliana，exposed to cadmium is due to hydrogen peroxide accumulation[J]. Plant Science，2005，168（1）：113-120.

[12] 肖清鐵，王經(jīng)源，鄭新宇，等. 水稻根系響應(yīng)鎘脅迫的蛋白質(zhì)差異表達(dá)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào)，2015，35（24）：8276-8283.

[13] DONG J，WU F，ZHANG G. Influence of cadmium on antioxidant capacity and four microelement concentrations in tomato seedlings （Lycopersicon esculentum）.[J]. Chemosphere，2006，64（10）：1659-66.

[14] PARMAR P，KUMARI N，SHARMA V. Structural and functional alterations in photosynthetic apparatus of plants under cadmium stress[J]. Botanical Studies，2013，54（1）：2757-2770.

[15] 何俊瑜，任艷芳，王陽(yáng)陽(yáng)，等. Cd對(duì)小麥根尖細(xì)胞的遺傳損傷效應(yīng)[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，18（3）：830-834.

[16] KAWANO T，BOUTEAU F. Crosstalk between intracellular and extracellular salicylic acid signaling events leading to long-distance spread of signals[J]. Plant Cell Reports，2013，32（7）：1125-1138.

[17] HOOYKAAS P J，HALL M A，LIBBENGA K R. Biochemistry and molecular biology of plant hormones[M]. Elsevier，1999.

[18] DRAZIC G，MIHAILOVIC N. Modification of cadmium toxicity in soybean seedlings by salicylic acid[J]. Plant Science，2005，168（2）： 511-517.

[19] BAI X，DONG Y，KONG J，et al. Effects of application of salicylic acid alleviates cadmium toxicity in perennial ryegrass[J]. Plant Growth Regulation，2015，

75（3）：695-706.

[20] 錢海勝，陳亞華，王桂萍，等. Cd在不結(jié)球白菜中的積累及外源脫落酸對(duì)Cd積累的影響[J]. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，31（4）：61-65.

[21] 原海燕，黃蘇珍，郭 智，等. 鋅對(duì)Cd脅迫下馬藺生長(zhǎng)、Cd積累及生理抗性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，18（9）：2111-2116.

[22] SASAKI A，YAMA J N，MA J F. Overexpression of OsHMA3 enhances Cd tolerance and expression of Zn transporter genes in rice[J]. Journal of Experimental Botany，2014，65（20）：6013-6021.

[23] LI S L，WANG H X，WU Y S. Antagonistic effects of zinc on cadmium in water hyacinth[J]. Acta Scientiae Circumstantiae，1990，10（2）：249-254.

[24] 陳曉婷，王 果，梁志超，等. 鈣鎂磷肥和硅肥對(duì)Cd、Pb、Zn污染土壤上小白菜生長(zhǎng)和元素吸收的影響[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)：自然版，2002，31（1）：109-112.

[25] 高柳青，楊樹(shù)杰. 硅對(duì)小麥吸收鎘鋅的影響及其生理效應(yīng)[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2004，20（5）：246-246.

（本文責(zé)編：陳 偉）