作者简介:赵英鹏(1992—),女,辽宁大连人,硕士,主要从事园艺植物栽培生理研究。E-mail: 494026496@qq.com
为探索不同根际pH下,景天三七对重金属铅的忍耐指数和植株各个部位铅含量的积累规律,并找到提高植株对Pb2+耐受性的pH值。在不同根际pH(5、6、7、8)条件下,采用水培试验,研究景天三七在不同铅浓度(0、20、60、100、140 mg·L-1)下对铅积累与铅胁迫的生理响应。结果表明:1)在相同pH条件下,随着铅浓度的增加,景天三七根长、株高和干质量均逐渐减小,生长受到抑制,忍耐指数逐渐下降;叶绿素含量呈现先增加后降低的趋势,谷胱甘肽(GSH)含量和超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性逐渐降低,MDA含量逐渐增加;根、茎、叶中铅含量随着铅浓度的增加而逐渐增加,且铅积累量表现为根>茎>叶。2)在相同Pb2+浓度条件下,随着pH的增加,根长、株高和干质量表现为先增加后降低的趋势;当pH=6时,植株生长较好,忍耐指数最高;忍耐指数、叶绿素含量、GSH含量和SOD、POD、CAT活性均表现出先增加后降低的趋势,且pH=6时达最大值;MDA含量变化则相反,pH=6时达最小值;根、茎、叶的铅含量逐渐降低。综上,景天三七生长受pH及Pb2+浓度的影响,pH影响Pb2+的吸收,根际pH为6时能提高植物对铅的耐受性,且Pb2+为20 mg·L-1时,对铅的耐受性最强。
To explore tolerance index and lead accumulating rule of Sedum aizoon seedlings with different rhizosphere pH levels under lead stress and to find the best pH at which the seedling can improve its tolerance to Pb2+, the multinomial physiological indexes of Sedum aizoon seedlings at different rhizosphere pH levels (5, 6, 7, 8) under different concentrations of Pb2+ (0, 20, 60, 100, 140 mg·L-1) were measured. The results showed as follows: 1) Root length, plant height and dry weight all decreased with the improving of Pb2+ concentration at the same pH level, growth of seedlings were inhibited and tolerance index decreased, chlorophyll contents increased at first and decreased later on, content of GSH and activities of SOD, POD, CAT decreased while content of MDA increased gradually; Lead contents in root, stem and leaf gradually increased with the increase of lead concentration, and the lead accumulation were root>stem>leaf. 2) Root length, plant height and dry weight increased at first and then decreased with the improving of pH values at the same Pb2+ concentration; When the pH was 6, plant grew well with the highest tolerance index; Tolerance index, contents of chlorophyll and GSH, activities of SOD, POD and CAT all increased at first then decreased, and all of them reached the highest value at pH=6; However, MDA content decreased gradually, and reached the lowest value when the pH was 6; Lead contents in root, stem and leaf decreased gradually. In summary, the growth of Sedum aizoon seedling was affected by rhizosphere pH level and Pb2+ concentration, and absorption of Pb2+ was influenced by pH. When the rhizosphere pH was 6, tolerance of plant to lead could be enhanced, absorption reached the maximum when Pb2+ was 20 mg·L-1.
土壤是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源, 土壤酸化是国际社会关注的重要环境问题。我国土壤酸化地区主要是长江以南, 面积较大, 南方大部分土壤的pH值已下降至5.5以下[1]。土壤酸化的成因主要是化肥的过量施用、工业污染以及农药的不科学使用[2]。土壤酸化一方面造成土壤矿物质养分的淋失和重金属元素的释放和活化, 进而影响植物的正常生长[3]; 另一方面, 植物生长过程需从土壤中吸收各种矿质营养, 土壤中一些重金属为植物生命活动所必需的元素, 有些为毒害元素或过量后造成毒害。铅不是植物生长发育所必需的元素, 其通过被动吸收进入植物, 在植物体内不断积累, 积累的铅不仅阻碍植物正常的生长发育, 而且还可以通过食物链的富集作用被人体吸收, 对人类健康造成严重危害。铅是一种常见的重金属污染物, 当植物体内铅积累到一定量时, 会对植物的生理生化造成不利影响[4]。环境中铅主要来源于铅矿石的开采冶炼, 汽车尾气的大量排放以及农业生产中肥料、农药的滥用等[5]。铅在土壤中移动性很小、难降解, 潜在危害极大, 可以通过细胞膜进入细胞内损伤细胞[6], 能造成植物体内超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)活性的不平衡, 引起生理生化过程紊乱, 最终导致植物受到伤害[7]。铅在短时间内能够抑制植物根系的生长发育, 表现为侧根数目减少, 根尖出现扭曲、膨大、变黄和发黑等异常现象。即使是少量的铅进入植物细胞, 也会对其生理过程产生一系列的毒害作用, 包括抑制酶活性, 干扰矿质元素的吸收, 影响水分平衡, 改变激素和生物膜透性等, 使植物生理紊乱, 高浓度的铅最终会导致植物细胞死亡[8]。
目前, 植物在重金属铅胁迫下的生理生态效应研究较多, 但景天属植物对铅胁迫的生理响应研究甚少。景天三七(Sedum aizoon L.)是景天属多年生草本植物, 具有良好的药用价值、食用价值和观赏价值, 具有繁殖能力强、耐修剪、抗逆性强等优点[9], 可作普通盆栽或吊盆栽培, 也可用于模纹图案造景或点缀花坛边缘, 还可作为屋顶绿化植物, 改善屋顶的生态环境, 降温增湿。本试验结合pH和铅对景天三七的影响, 研究景天三七在根际不同pH环境下对铅的积累能力, 探讨景天三七对铅的积累能力及铅胁迫下的生理响应, 为景天三七作为铅污染土壤的修复植物及其在富含铅土壤上的应用提供理论依据。
2016年11月, 于四川农业大学实验室内, 将二年生景天三七用蒸馏水冲洗干净, 选取健壮枝条, 剪成20 cm左右的插条插于珍珠岩中, 放置于大棚预培养20 d, 在枝条长出比较旺盛的根系之后, 挑选生长良好、根长基本一致的扦插苗随机分组进行试验。
用1/4 Hoagland式完全营养液进行水培。用营养液溶解Pb(NO3)2配制成0、20、60、100和140 mg· L-1的培养液, 在每个Pb2+浓度梯度下分别配制pH值为5(W)、6(L)、7(Q)、8(B)的培养液处理景天三七, 处理pH-Pb组合分别为W0、W20、W60、W100、W140; L0、L20、L60、L100、L140; Q0、Q20、Q60、Q100、Q140; B0、B20、B60、B100、B140。共20个处理, 每处理设置3次重复。采用10 cm× 10 cm的黑色塑料钵培养, 每瓶3株, 每瓶培养液100 mL。培养液每2 d更换1次, 每天检测pH变化并及时进行调控。连续处理20 d后采样, 测定相关指标。
植株根长、株高变化量:使用刻度尺测量胁迫前后各处理植株的根长和株高, 根长变化量=胁迫20 d的根长-胁迫前的根长, 株高变化量=胁迫20 d的株高-胁迫前的株高, 单位精确到0.01 cm, 重复3次, 取其平均值[10]。
丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量测定:参照Dixit等[11]的方法, 称取1.0 g根尖, 将其剪碎, 研磨, 离心, 取上清液比色测定吸光值。
叶绿素含量测定:采用浸提法测定叶绿素含量[12]。
抗氧化酶活性测定:取样品根系1.0 g, 加50 mmol· L-1 PBS缓冲液(pH 7.8)、2% PVP、石英砂研磨, 12 000 g离心20 min, 取上清液用于酶活性测定。SOD活性测定采用Sresty等[13]的方法, POD和CAT活性测定采用Cakmak等[14]的方法。
谷胱甘肽(GSH)含量测定:称取0.2 g叶片, 在2 mL 5%冰冻磺基水杨酸中研磨成匀浆, 4 ℃ 10 000 g离心30 min, 取上清液测定[15]。
铅含量测定:处理结束后, 整株收获, 用自来水洗净, 再用去离子水冲洗3次后, 将根、茎、叶分开封装; 于110 ℃杀青15 min, 75 ℃烘干至恒质量, 称量, 粉碎, 过100目筛。称取0.500 g样品, 加入硝酸-高氯酸溶液过夜, 消化至透明, 过滤, 定容至50 mL, 用ICAP 6300型ICP质谱仪测定铅含量。
铅忍耐指数=(处理组根长变化量/对照组根长变化量)× 100;
铅转运系数=地上部分铅含量/根系铅含量。
采用Excel 2013统计软件进行数据处理, 采用DPS进行方差分析(Duncan新复极差法进行多重比较)。
在不同pH和Pb2+浓度条件下, 景天三七并未发生萎蔫、死亡等现象, 说明景天三七对铅具有一定的耐性。由表1可知, 在相同pH条件下, Pb2+为20~140 mg· L-1时, 随着铅浓度的增加, 景天三七根长变化量、株高变化量均逐渐减小; Pb2+为20 mg· L-1时, 景天三七株高变化量显著大于对照组(P< 0.05); Pb2+超过20 mg· L-1时, 景天三七株高变化量显著小于对照组(P< 0.05), 说明Pb2+超过20 mg· L-1时, 对景天三七生长起到一定的抑制作用。Pb2+浓度相同时, 随着pH的增加, 干质量和忍耐指数整体呈现先增加后降低的趋势, 且根长变化量、株高变化量和干质量均在pH=6时达最大值。
根伸长法是一种快速测量植物对重金属耐性的方法, 本试验采用此方法测量景天三七对铅的忍耐指数。由表1可知:在pH相同的条件下, 随着Pb2+浓度的增加, 忍耐指数逐渐下降; 在相同Pb2+浓度下, 随着pH值的增大, 忍耐指数呈先增加后降低的趋势, 当pH=6时达最大值。表明pH为6时, 景天三七对铅有较强的耐受性。
叶绿素含量是反映光合器官和植物生理状况的重要指标, 缺少叶绿素植物不能正常进行光合作用[16]。由表2可知, 在相同pH条件下, 随着Pb2+浓度的增加, 叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量与对照组相比均表现为先增加后降低的趋势, Pb2+为100 mg· L-1, 叶绿素含量最高; Pb2+为140 mg· L-1, pH分别为5、6、7、8时, 叶绿素总量与对照组相比分别降低了1.48%、2.42%、4.33%、4.00%, 与对照组差异均不显著(P> 0.05); Pb2+浓度相同时, 随着pH的增加, 叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量表现为先增加后降低的趋势, pH=6时, 叶绿素含量均达到最大值。由此可知, 重金属铅对景天三七叶绿素合成具有一定影响, 低浓度Pb2+(≤ 100 mg· L-1)能够促进叶绿素的合成。
SOD可以清除超氧负离子对植物的毒性, 是植物体内重要的清除活性氧自由基的酶[17]。由表3可看出, 在相同pH条件下, 随着铅浓度的增加, SOD的活性逐渐降低; Pb2+为140 mg· L-1时, 降低幅度最大, pH分别为5、6、7、8时, 分别降低了11.78%、9.65%、11.48%、10.17%, 显著低于与对照组; Pb2+浓度相同时, 随着pH的增加, SOD的活性先增加后降低, pH=6时SOD的活性达最大值, 各处理之间差异显著。POD、CAT活性变化趋势与SOD活性变化一致。
由表4可看出, 在相同pH条件下, 随着铅浓度的增加, MDA含量逐渐升高, 说明随着铅浓度增加, 景天三七受损伤进一步加强。在相同Pb2+浓度条件下, 随着pH的增加, MDA含量表现为先降低后升高的趋势, 当pH=6时达最小值。表明在铅胁迫条件下, 当pH=6时, 景天三七受伤害程度最小。
谷胱甘肽(glutathione, GSH)是生物细胞中含量最丰富的非蛋白质硫醇化合物, 在植物的氧代谢和抗逆生理中发挥着重要的作用[18]。由表4可看出, 在相同pH条件下, 随着铅浓度的增加, GSH含量逐渐降低, Pb2+为140mg· L-1时, GSH含量最小。在相同Pb2+浓度条件下, 随着pH的增加, GSH含量表现为先增加后降低的趋势, 当pH=6时, GSH含量最高, 且各个处理之间差异显著, 说明景天三七在pH=6时抗逆性较强。
由表5可见, 在相同pH条件下, 随着Pb2+浓度的增加, 根、茎、叶吸收积累的Pb2+含量也随之增加, 且各处理组与对照组之间差异显著, 铅积累量表现为根> 茎> 叶; 在相同Pb2+浓度条件下, 随着pH的增加, 根、茎、叶积累铅含量逐渐降低, 且根、茎、叶铅含量有显著差异。较低的pH值有利于铅的积累, pH=5时, 根、茎、叶铅积累均最多。各处理转运系数均小于1, 说明地上部铅积累比地下部少。
在正常生长条件下, 植物体内生理生化过程都是比较稳定的, 但受到逆境胁迫时, 其内部生理机制会遭到破坏, 当铅积累到一定程度, 会影响植物的生长发育及遗传。植物体内积累过量的Pb2+后, 生物膜的结构被破坏, 植物体内各项代谢过程受到影响, 植物生长速率降低, 严重时会导致植物死亡。铅胁迫对植物的形态伤害表现为根系受到损伤, 地上部生长减缓等[19]。本试验中, 随着Pb2+浓度增加, 根长呈逐渐下降趋势, 植株根系形态发生了明显变化, 侧根数增多且短、根长逐渐缩短, 表现为根部颜色变深(浅黄色、浅褐色), 而株高和干质量也逐渐减小, 叶片逐渐变黄; Pb2+< 100 mg· L-1时, 叶绿素含量高于对照, 说明低浓度铅可暂时促进景天三七叶片叶绿素的合成, 高浓度Pb2+(140 mg· L-1)可抑制叶绿素的合成, 这与鲁先文等[20]、陶玲等[21]的研究结果类似。铅容易影响植物的光合作用过程, 高浓度下Pb2+可取代叶绿素中的Mg2+, 使得叶绿素结构发生破坏, 影响正常光合作用的进行[22]。
根际pH对景天三七的生长亦有影响, 过酸(pH=5)或过碱(pH=8)均抑制了景天三七的生长, pH=6时其生长最好。根际pH影响铅的积累, 在pH为6, Pb2+为20 mg· L-1时, 景天三七对铅的耐受性最强。这与土壤pH对植物吸收镉、锌的影响存在一定差异[23]。
铅能影响植物体内活性氧代谢的平衡, 使植物体内产生大量的氧自由基, 自由基能启动膜脂过氧化过程, 产生大量的活性氧物质, 进而破坏细胞膜的结构, 引起抗氧化保护酶活性的变化[24]。植物体内的SOD、POD、CAT、GSH等抗氧化保护酶系统能清除铅胁迫诱导产生的过多自由基, 防止植物受到氧化伤害[25]。GSH是生物细胞中含量最丰富的非蛋白质硫醇化合物, 在生物体内不同铅胁迫响应途径中, GSH的亲核活性可消除活性氧和重金属等对植物细胞的伤害, GSH还能增强受胁迫植物体内脯氨酸的积累, 降低Pb2+对膜结构和蛋白质的破坏, 增强植物体对铅胁迫的抵抗力[26, 27]。本研究中, 不同pH及Pb2+浓度均影响了GSH含量和SOD、POD、CAT活性。pH为5~8时, GSH含量和SOD、POD、CAT活性呈先增加后降低的趋势, pH=6时达最高值, 说明根际pH=6时, 景天三七具有较强的活性氧清除能力。在相同pH条件下, 随着Pb2+浓度的增加, 这些酶的活性逐渐降低, 说明Pb2+浓度增加使植物体内酶系统功能紊乱, 清除活性氧的能力减弱, 致使膜脂过氧化, 并使酶蛋白氧化变性。膜脂过氧化产物MDA能使膜中的酶蛋白发生交联并失活, 进一步损伤细胞膜的结构和功能, 其含量变化趋势与抗氧化酶活性相反。这说明在不同pH值下, 景天三七体内SOD、POD、CAT、GSH、MDA随Pb2+胁迫均能做出积极响应, 进而有效防止细胞的膜脂过氧化程度, 维持细胞膜的完整性, 减轻重金属胁迫造成的伤害[28]。Pb2+浓度的增加, 进一步钝化了植株保护酶活性, 最终造成活性氧防御系统的瓦解, 致使植物生理代谢紊乱, 加速细胞的衰老和死亡, 对植物体产生毒害作用[29, 30]。
景天三七对铅的富集量随外源铅浓度的增加而增大, 富集于根中的铅含量比茎、叶多, 这与段德超等[31]、王科等[32]的研究结果一致。相同pH条件下, Pb2+为20~140 mg· L-1时, 景天三七根系的富集量是茎、叶的5~20倍; 而在相同Pb2+浓度下, 随着pH值的增加, 根系铅的富集量是茎、叶的5~10倍, 低pH值利于铅的积累。综上, 铅的积累在植物不同器官中有差异, 并受根际pH的影响, 铅进入植物体后绝大部分累积在植物根系, 由于植物自身的吸持、钝化或沉淀作用, 铅向茎、叶运输较困难。
利用铅积累植物可以将土壤中的铅离子通过富集作用转运到植物的根、茎、叶[33]。植物修复的机理主要有根系的吸收、转化、降解与合成, 植物根系分泌物促进土壤微生物对重金属的转化和生物固化, 植物根系的机械阻留, 根系的离子交换和吸附作用[34, 35]。根系是植物吸收营养和水分的主要部位, 植物修复是利用植物根系的物理、化学和生物特性来实现的, 植物内部细胞间的区室化分布以及植物的自身保护机制, 使植物对铅胁迫有一定的自我调节作用[36]。
根据Baker提出的超富集重金属植物的概念, 转运系数< 1不属于超富集重金属植物[37], 普通植物铅富集量一般是10 mg· kg-1[38]。本研究中, 景天三七铅积累量是普通植物的55倍, 转运系数< 1, 说明景天三七不是铅超富集植物。在pH=6, Pb2+为140 mg· L-1, 培养20 d时, 仅出现叶尖变黄, 未出现萎蔫死亡等现象; 不同pH值下, 景天三七对铅的积累及耐受性分析表明, 景天三七不仅具有较高富集特性而且对铅有较高的耐受性, 建议进行景天三七景观绿化栽培, 应用于修复铅污染的土壤时应注意土壤根际pH环境, 以达到该植物在农业及生态环境中的有效利用。
The authors have declared that no competing interests exist.
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