趙串串, 熊夢(mèng)琪, 溫懷峰, 王 雪, 張楚朋, 張開(kāi)宇, 何家梁, 王星宇

(陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

1984年，聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署提出12種具有全球性意義的危險(xiǎn)化學(xué)物質(zhì)，其中Cadmium(Cd)被列為首位.Cd作為毒性最大的元素之一，對(duì)土壤生物活性、動(dòng)植物新陳代謝以及人類(lèi)健康有極大的風(fēng)險(xiǎn)，且具有強(qiáng)而不可逆轉(zhuǎn)的積累趨勢(shì).研究表明，植物長(zhǎng)期暴露于Cd環(huán)境下，導(dǎo)致Cd通過(guò)根系從土壤進(jìn)入植物體內(nèi)，破壞葉綠體的結(jié)構(gòu)，同時(shí)阻礙葉綠素的合成[1,2]，使葉綠素含量顯著減少[3]，減弱植物光合作用；進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)[4].基于外源強(qiáng)化措施[5,6]，使植物保持較高的光化學(xué)效率，提高其對(duì)Cd的富集轉(zhuǎn)移能力，是植物修復(fù)效應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)[7].

水楊酸(SA)[8]是一種廣泛存在于植物體內(nèi)的內(nèi)源性植物激素，能夠通過(guò)改變Cd在樣株各器官的分布，通過(guò)礦質(zhì)元素調(diào)節(jié)誘導(dǎo)樣株形成一定的抗逆性，實(shí)現(xiàn)緩解Cd(濃度6 mg/kg)對(duì)樣株的毒性，促進(jìn)光合生長(zhǎng).脯氨酸 (Pro)是植物體內(nèi)水溶性最大的氨基酸，是干旱、高溫、高鹽、冰凍、紫外光照射和重金屬等逆境脅迫下植物體內(nèi)積累的主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[9].目前,外源SA和Pro在小麥、玉米[10]和番茄[11]等作物方面研究較多.木本植物具有生物量大、根系發(fā)達(dá)、對(duì)Cd耐性好、經(jīng)濟(jì)可行等優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于Cd污染土壤的修復(fù)具有良好的前景[12].研究表明，白樺 (BetulaPlatyphyllaSuk.)對(duì)逆境脅迫具有較好的適應(yīng)性和較強(qiáng)的調(diào)控能力[13].本文以2 年生白樺為研究對(duì)象，通過(guò)盆栽試驗(yàn)，探究Cd處理下外源水楊酸 (SA)和脯氨酸(Pro)對(duì)白樺 (BetulaPlatyphyllaSuk.) 幼苗光合與轉(zhuǎn)移Cd的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究對(duì)象

試驗(yàn)材料2年生白樺幼苗采自青海省門(mén)源縣仙米林場(chǎng).2019年3月上旬采集后，將其栽種于直徑15 cm、高25 cm的塑料盆中，土壤質(zhì)量約5 Kg，每盆3株幼苗.土壤采集于陜西科技大學(xué)試驗(yàn)區(qū)，室內(nèi)自然風(fēng)干10 d，去除雜質(zhì)，研磨過(guò)100目篩得供試土樣.取適量土樣測(cè)定理化性質(zhì)，結(jié)果如表1所示.

表1 供試土壤理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果

苗木移栽后，每周對(duì)所有供試植株統(tǒng)一澆蒸餾水，消除水分脅迫的影響，20天后選擇長(zhǎng)勢(shì)均勻的盆栽苗木進(jìn)行Cd脅迫處理和外源處理.外源噴施每周一次，每周日傍晚給樣株葉面噴施等量的去離子水或不同濃度的外源物，以葉面剛好完全打濕為標(biāo)準(zhǔn)，每次對(duì)所有供試植株進(jìn)行統(tǒng)一管理，采用重量差減法使各處理組保持相同的土壤含水量.

1.2 實(shí)驗(yàn)處理及儀器

將CdCl2·2.5H2O(AR)與去離子水配成母液，然后稀釋成所需的處理濃度，施入相應(yīng)的盆栽土壤中.設(shè)定土壤Cd濃度為10 mg/kg，SA和Pro處理濃度設(shè)定為0.1 mmol/L、0.5 mmol/L和1 mmol/L 3組，分別記為10 Cd、10+0.1 SA、10+0.5 SA、10+1 SA、10+0.1 Pro、10+0.5 Pro、10+1 Pro.共7組處理，每個(gè)處理設(shè)定3個(gè)重復(fù).采用LI-6400XT(LI-COR Inc.,Lincoln,Nebraska,USA)測(cè)定光合作用氣體交換參數(shù).脅迫10周后于09∶00～11∶30時(shí)段進(jìn)行測(cè)定.實(shí)驗(yàn)前選取大小相似，長(zhǎng)勢(shì)相近的葉片3枚作為實(shí)驗(yàn)樣本，每片樹(shù)葉測(cè)定3次.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用LI-6400XT便攜式光合作用快速測(cè)定儀，基于標(biāo)準(zhǔn)透明葉室(type 6400-00)測(cè)定氣體交換參數(shù).將分析頭夾在葉片合適位置，使葉片充滿(mǎn)葉室，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄主要?dú)怏w交換參數(shù)：凈光合速率(Pn)，氣孔導(dǎo)度(Gs)，胞間CO2濃度(Ci)，蒸騰速率(Tr).

白樺葉片葉綠素含量測(cè)定依據(jù)Elsayed等[14]采用分光光度法測(cè)定白樺葉片的葉綠素a和葉綠素b.

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將白樺收獲后洗凈，在105 ℃ 下殺青30 min后，在60 ℃下烘干至恒重.使用分析天平分別測(cè)定白樺地上部分和根樣品的重量后將其破碎.Cd含量的測(cè)定采用火焰原子吸收法.白樺對(duì)Cd的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)(Translocation factor，TF)[15]、耐受性指數(shù)(TI)[16]和累積量通過(guò)公式(1)～(3)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

W=Ci*Dw

(3)

式(1)～(3)中：TF為轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)；Cs和Cr分別為植物地上部分和根系部分Cd含量，μg/ mg；TI為植物對(duì)鎘的耐受性指數(shù)，%；Wf1和Wf0分別為處理組和對(duì)照組植物的平均鮮重，mg；W為累積量，μg；Ci為植物體內(nèi)Cd的含量，μg/ mg；Dw為植物干重，mg.

1.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差.采用SPSS20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以P<0.05水平進(jìn)行單因素方差分析(Analysis of variances)(ANOVA)，用Origin 8.6進(jìn)行繪圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 噴施SA和Pro對(duì)白樺葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

外源噴施處理對(duì)白樺苗木光合氣體交換參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析如表2所示.由表2可知，與單獨(dú)Cd處理相比，外源噴施處理顯著提高了白樺葉片光合相關(guān)參數(shù)指標(biāo)；外源噴施c(SA)為0.5 mmol/L下，樺樹(shù)葉片Pn較對(duì)照組顯著提高10.05%，Gs顯著提高31.58%.單因素方差分析表明，外源噴施SA處理作為獨(dú)立因子時(shí)對(duì)光合參數(shù)均有顯著影響，顯著促進(jìn)了Pn、Gs和Tr的上升，降低了Ci值.外源Pro噴施處理作為獨(dú)立因子時(shí)顯著促進(jìn)了Pn和Gs的上升，降低了Ci值；僅對(duì)Tr無(wú)顯著影響.

2.2 噴施SA和Pro對(duì)白樺生物量及TI的影響

噴施SA和Pro對(duì)白樺生物量的影響如圖1所示.由圖1可知，噴施SA和Pro顯著增大了白樺地上部分的生物量(P<0.05).10 mg/kg Cd處理下，當(dāng)噴施0.5 mmol/L SA和Pro時(shí)，白樺地上部分生物量達(dá)到最大為24.13 g和23.66 g，較10 Cd分別增大了11.50%和9.32%.SA和Pro對(duì)白樺根部生物量的促進(jìn)效果整體較弱，10 mg/kg Cd處理下，僅當(dāng)噴施0.5 mmol/L SA時(shí)，白樺根部的生物量達(dá)到最大為7.779 g；其它處理均無(wú)顯著變化(P<0.05).

(a)地上部分生物量

(b)根部生物量圖1 噴施SA/Pro對(duì)白樺生物量的影響

SA/Pro能調(diào)節(jié)氣孔導(dǎo)度，促進(jìn)葉片碳的羧化作用，提高水分利用效率，從而提高植株生長(zhǎng)量的累積[17].學(xué)術(shù)界對(duì)于光合速率的限制[18]主要?dú)w因于氣孔因素和非氣孔因素兩個(gè)因素氣孔限制，氣孔因素是由部分氣孔關(guān)閉導(dǎo)致，而非氣孔因素是由光合活性下降導(dǎo)致[19].本研究中，10 mg/kg Cd處理屬于氣孔因素限制，氣孔作為空氣和水蒸氣的通路，在碳同化、呼吸、蒸騰作用等氣體代謝中起到關(guān)鍵作用[20].分析原因，噴施SA和Pro，可能是減弱了白樺幼苗生長(zhǎng)期的光合午休現(xiàn)象，緩解了氣孔限制因素，促進(jìn)生物量的積累.

噴施SA和Pro對(duì)白樺TI的影響如圖2所示.由圖2可知，各組處理下白樺干重的耐受性指數(shù)均大于1，即表示各組處理均有利于白樺的生長(zhǎng).其中，10 mg/kg Cd處理下，當(dāng)噴施0.5 mmol/L SA和Pro時(shí)，白樺的TI最大為1.16和1.10，較10 Cd處理增大了11.54%和5.77%.韓鷹等[21]研究了路易斯安娜鳶尾對(duì)重金屬鎘的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，明確了SA預(yù)處理可明顯緩解重金屬對(duì)樣株的傷害，發(fā)現(xiàn)礦質(zhì)元素的積累調(diào)節(jié)是其毒害緩解和促進(jìn)轉(zhuǎn)移的重要原因.

圖2 噴施SA/Pro對(duì)白樺TI的影響

表2 噴施SA/Pro對(duì)白樺氣體交換參數(shù)的影響

2.3 噴施SA和Pro對(duì)白樺葉綠素含量影響

噴施SA和Pro對(duì)白樺葉綠素含量的影響如圖3所示.由圖3可知，噴施SA和Pro使白樺葉綠素含量顯著增多(P<0.05).10 mg/kg Cd處理下，噴施SA和Pro處理，白樺葉綠素含量顯著增多(P<0.05).當(dāng)噴施0.5 mmol/L SA和Pro時(shí)，白樺葉片葉綠素a含量較10 Cd單獨(dú)處理分別增多了11.71%和9.76%；白樺葉片葉綠素b含量較10 Cd分別增多了9.79%和8.54%.

(a)葉綠素a含量

葉綠素參與光合作用中光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化，在植物光合作用中起著關(guān)鍵性的作用[22].本研究中10 mg/kg Cd處理，噴施SA和Pro，葉綠素含量均有顯著增高.說(shuō)明外源物SA和Pro有助于維持白樺葉片葉綠素含量及其構(gòu)成的穩(wěn)定性，可能是外源物維持了類(lèi)囊體膜的穩(wěn)定性，優(yōu)化了光合電子傳遞途徑，從而提高了能量利用效率.這與高明遠(yuǎn)等[23]在白榆幼苗上的研究結(jié)果基本一致.

2.4 噴施SA和Pro對(duì)白樺體內(nèi)Cd分布影響

噴施SA和Pro對(duì)白樺體內(nèi)Cd分布的影響如圖4所示.由圖4可知，10 mg/kg Cd處理單獨(dú)處理下，白樺地上部分Cd含量?jī)H為36.56%；噴施SA和Pro后，白樺地上部分Cd含量占比顯著增加(P<0.05)，其中當(dāng)噴施0.5 mmol/L SA和Pro時(shí)，白樺地上部分Cd含量占比達(dá)到最高為70.86%和69.71%.分析原因，外源物噴施使得樣株地上部分Cd含量均高出根部含量，有效促進(jìn)Cd從根部向地上的轉(zhuǎn)移.與Drazic等[8]對(duì)大豆幼苗的研究結(jié)論一致，SA是通過(guò)改變Cd在樣株各器官的分布實(shí)現(xiàn)緩解效應(yīng).

2.5 噴施SA和Pro白樺Cd轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的影響

噴施SA和Pro對(duì)白樺TF的影響如表3所示.由表3可知，白樺對(duì)Cd的TF隨著SA和Pro處理濃度的增大呈先增大，后減小的趨勢(shì).10 mg/kg Cd處理下，當(dāng)噴施0.5 mmol/L SA和Pro時(shí)，白樺的TF也達(dá)到了最大值為2.46和2.30，較10 Cd分別提高了3.24和2.97倍.

Drazic等[8]報(bào)道了SA緩解Cd(6 mg/kg)脅迫對(duì)大豆幼苗的研究，SA能促進(jìn)大豆對(duì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)移.張永超等[24]認(rèn)為重金屬主要積累在植物地下部分，向地上部分轉(zhuǎn)移的量較低.本研究中，噴施SA和Pro后，白樺地上部分Cd含量占比顯著增加(P<0.05).當(dāng)噴施0.5 mmol/L SA和Pro時(shí)，白樺地上部分富集的Cd含量達(dá)到最大，分別為61.34和54.50 mg/kg；白樺地上部分Cd含量占比達(dá)到最高，分別為70.86%和69.71%.

2.6 噴施SA和Pro白樺對(duì)Cd累積量的影響

噴施SA和Pro對(duì)白樺Cd累積量的影響如表4所示.由表4可知，噴施SA和Pro使白樺Cd累積量顯著增大(P<0.05).其中，10 mg/kg Cd處理下，當(dāng)噴施0.5 mmol/L SA時(shí)，單株白樺幼苗Cd累積量最高為1676.45μg，較10 Cd單獨(dú)處理提高了2.29倍；當(dāng)噴施0.5 mmol/L Pro時(shí)，單株白樺幼苗Cd累積量最高為1 447.75μg，較10 Cd單獨(dú)處理提高了1.84倍.分析原因，噴施SA和Pro，顯著增加了白樺樣株Cd地上部分的含量，實(shí)現(xiàn)其對(duì)Cd的吸收和轉(zhuǎn)移.

表3 噴施SA和Pro對(duì)白樺TF的影響

表4 噴施SA和Pro對(duì)單株白樺幼苗Cd累積量(μg)

3 結(jié)論

(1)10 mg/kg Cd處理對(duì)白樺幼苗無(wú)顯著脅迫現(xiàn)象，本研究中影響光合速率的因子主要是氣孔因素.噴施SA和Pro后，白樺幼苗葉片的Gs和Pn顯著提高；Ci顯著降低；地上部分Cd占比顯著增加(P<0.05).與單獨(dú)10 mg/kg Cd處理組相比，噴施SA和Pro顯著增加了白樺樣株Cd地上部分的含量(P<0.05).

(2)當(dāng)噴施0.5 mmol/L SA和Pro時(shí)，白樺地上部分富集的Cd含量達(dá)到最大值為61.34 mg/kg和54.50 mg/kg；白樺的TF呈現(xiàn)最大值為2.46和2.30，較10 Cd單獨(dú)處理分別提高了3.24和2.97倍.SA和Pro可有效調(diào)控白樺幼苗葉片的光合特征參數(shù)，使得幼苗能夠維持較高的光化學(xué)效率，Cd呈現(xiàn)較好的轉(zhuǎn)移效應(yīng).