吳玉潔,封曉輝,張 睿,李 靜,劉小京**

(1.河北省土壤生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院鹽堿地資源高效利用工程實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心 石家莊 050022; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

鎘(Cd)是一種植物生長(zhǎng)的非必需重金屬元素,對(duì)大多數(shù)生物具有較高的毒性,當(dāng)土壤中總Cd含量超過8 mg·kg或可溶性鎘超過0.001 mg·kg時(shí),即會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害,其毒性比其他重金屬元素高2～20倍。并且,由于Cd具有遷移能力強(qiáng)、易被作物根系吸收并在果實(shí)中積累的特點(diǎn),會(huì)影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量并嚴(yán)重威脅到人類的健康。隨著我國(guó)沿海地區(qū)工農(nóng)業(yè)發(fā)展和城市建設(shè)等人類活動(dòng)影響,部分地區(qū)土壤中Cd等重金屬含量已明顯超標(biāo),迫切需要修復(fù)。植物修復(fù)因其具有成本低、易實(shí)施,并具有美學(xué)價(jià)值等特點(diǎn)而備受關(guān)注。傳統(tǒng)的植物修復(fù)技術(shù)一般采用甜土植物,但這類植物很難在受污染的鹽堿土壤中生長(zhǎng)。鹽生植物具有特殊的解剖結(jié)構(gòu)和生理特性,能夠適應(yīng)鹽漬環(huán)境,其對(duì)高鹽或重金屬脅迫具有較高的耐受性,如減少鹽或重金屬進(jìn)入根系或限制向地上部運(yùn)輸、通過鹽腺把吸收的鹽或重金屬分泌到體外或通過主動(dòng)運(yùn)輸把鹽或重金屬區(qū)隔化到液泡當(dāng)中等,因此,其在重金屬污染的鹽堿土壤修復(fù)中愈來愈受到重視。雖然鹽生植物對(duì)重金屬有較高的耐性,但對(duì)于重金屬污染土壤的修復(fù),人們更希望重金屬能夠在地上部積累,通過收獲帶走進(jìn)行焚燒處置或在經(jīng)濟(jì)可行的情況下進(jìn)行重金屬元素提取。已有研究表明,鹽生植物鹽地堿蓬()和堿蓬()對(duì)Cd有較高的地上部富集效應(yīng),且鹽分的增加能夠促進(jìn)Cd的吸收,具有修復(fù)Cd污染土壤的潛力。盡管鹽地堿蓬和堿蓬同是藜科(Chenopodiaceae)堿蓬屬的一年生聚鹽型鹽生植物,但兩種植物的生境不同,鹽地堿蓬一般生長(zhǎng)在低洼潮濕的高鹽環(huán)境,而堿蓬適應(yīng)于干燥且pH較高的環(huán)境。鹽堿地微地形的變化可導(dǎo)致土壤鹽分的變化,由于兩種植物類似,許多文章在書寫時(shí)把鹽地堿蓬和堿蓬的中文名稱混淆,目前尚未對(duì)鹽、Cd及其互作對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬生長(zhǎng)和Cd吸收的比較研究。因此,本研究采用水培試驗(yàn)方法,比較分析了鹽地堿蓬和堿蓬在NaCl、Cd及其互作處理下的生長(zhǎng)和Cd吸收差異,并探討了鹽對(duì)鹽生植物Cd吸收的調(diào)控機(jī)制,以期為利用鹽生植物修復(fù)鹽堿區(qū)重金屬污染土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)處理

供試植物為鹽地堿蓬和堿蓬,種子采于河北省海興縣鹽堿地(117°32′～117°58′E,38°19′～38°29′N)。將種子播種到基質(zhì)(泥炭和蛭石比例為1∶1)中。待長(zhǎng)齊8葉時(shí),選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗,移栽于1/2霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液(pH 5.8～6.2)的水培燒杯(1 L),燒杯外包裹鋁箔紙用于遮光,每個(gè)燒杯中放置20株幼苗,緩苗10 d后開始處理。試驗(yàn)設(shè)置鹽(NaCl)和鎘(Cd)兩個(gè)因素,每個(gè)因素兩個(gè)水平。根據(jù)文獻(xiàn)資料[10],鹽處理設(shè)0 g·LNaCl (S)和10 g·LNaCl (S),Cd處理設(shè)0 mg·LCd (Cd)和5 mg·LCd (Cd)。鹽和Cd分別用分析純NaCl和分析純CdCl·2.5HO (含Cd量49.1%)的形式施入。各處理的培養(yǎng)液均在1/2霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液基礎(chǔ)上配置而成。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì),共4個(gè)處理,以SCd處理為對(duì)照,每個(gè)處理5次重復(fù),兩種植物共計(jì)40盆,隨機(jī)擺放在室內(nèi)培養(yǎng)架上,光照15 h·d,溫度(25±2)℃。試驗(yàn)每7 d更換一次培養(yǎng)液,定期通氣。試驗(yàn)21 d后采收所有試驗(yàn)材料并測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.2 取樣方法及指標(biāo)測(cè)定

采樣分地上部和地下部,用蒸餾水反復(fù)多次沖洗根系,用吸水紙吸水后,分別稱地上部和根鮮重,之后置于烘箱105 ℃殺青1 h,并于75 ℃烘干至恒重。葉片肉質(zhì)化程度為葉片鮮重和干重的比值,根冠比為地下部干重和地上部干重的比值。將地上部樣品粉碎研磨后,稱0.3 g樣品加6 mL濃硝酸,過夜后放置在消解箱中消解2 h,取出后加0.5 mL高氯酸再開放式消煮2 h至溶液變成透明黃豆大小液滴,冷卻后定容至50 mL。利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS,Thermo SCIENTIFIC,USA)測(cè)定消煮液中Cd濃度。Na、K、Ca和Mg利用原子吸收光譜儀(WYX-420C,JASCO Corporation,Japan)測(cè)定。采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖的含量,用茚三酮顯色法測(cè)定脯氨酸含量。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019和SPSS 21軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用多因素方差分析和鄧肯(Duncan’s test)進(jìn)行方差分析和多重比較,＜0.05為差異顯著,＜0.01為差異極顯著,用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)對(duì)Cd濃度和其他離子濃度進(jìn)行相關(guān)分析。利用Origin 2019b作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽和Cd互作對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬生長(zhǎng)的影響

生物量是植物對(duì)脅迫反映最直觀的體現(xiàn)。不同鹽、Cd處理對(duì)鹽地堿蓬、堿蓬的生長(zhǎng)差異如表1所示。多因素方差分析結(jié)果表明,在本試驗(yàn)條件下兩種植物地上部生物量、地下部生物量和總生物量以及根冠比之間均有極顯著的差異(＜0.01); 鹽或Cd對(duì)兩種植物地上部生物量、地下部生物量和總生物量以及根冠比均有顯著的影響(＜0.01),Cd對(duì)兩種植物葉片肉質(zhì)化程度影響顯著(＜0.05); 兩種植物的地下部生物量和根冠比對(duì)鹽分的響應(yīng)差異極顯著(＜0.01); 兩種植物的地上部生物量、總生物量和根冠比對(duì)Cd的響應(yīng)差異顯著(＜0.05或＜0.01); 鹽和Cd互作極顯著影響兩種植物的地下部生物量和根冠比(＜0.01)、顯著影響葉片肉質(zhì)化程度(＜0.05); 兩種植物的根冠比對(duì)鹽和Cd互作的響應(yīng)差異極顯著(＜0.01)。說明鹽地堿蓬和堿蓬的生長(zhǎng)存在顯著差異,鹽或Cd均顯著影響兩種植物的生長(zhǎng),且兩種植物對(duì)鹽和Cd的響應(yīng)存在明顯不同。

表1 鹽和Cd互作處理對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬生長(zhǎng)的影響Table 1 Effects of salt,Cd and their interaction on the growth of Suaeda salsa and Suaeda glauca

從表1可以看出,堿蓬的生物量顯著大于鹽地堿蓬(＜0.05),無鹽條件下施Cd (SCd)與不施Cd(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬的地上部生物量、地下部生物量和總生物量、葉片肉質(zhì)化程度和根冠比分別降低51.2%、80.0%、57.1%、26.7%、61.9%和45.3%、68.6%、48.7%、29.1%、41.2%,說明Cd抑制兩種植物的生長(zhǎng),降低葉片肉質(zhì)化程度和根冠比,且Cd對(duì)鹽地堿蓬的抑制作用大于堿蓬,特別是對(duì)根的抑制更明顯。無Cd條件下施鹽(SCd)與不施鹽(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬的地上部生物量分別增加19.0%和7.9%,鹽地堿蓬地下部生物量有減少趨勢(shì)但差異不顯著,但堿蓬地下部生物量顯著減少42.9% (0.05),最終總生物量分別增加12.2%和0.8%,根冠比分別減少28.6%和47.1% (0.05); 施鹽對(duì)鹽地堿蓬葉片肉質(zhì)化程度影響不明顯,但堿蓬的葉片肉質(zhì)化程度顯著降低17.7% (0.05),說明施鹽可促進(jìn)兩種植物地上部的生長(zhǎng),且對(duì)鹽地堿蓬地上部生長(zhǎng)的促進(jìn)作用顯著大于堿蓬,但顯著抑制堿蓬地下部的生長(zhǎng)且顯著降低堿蓬的葉片肉質(zhì)化程度。鹽鎘互作處理(SCd)與鹽處理(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬生物量均顯著降低(0.05),但是與無鹽Cd處理(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬的地上部生物量、地下部生物量、總生物量、根冠比和葉片肉質(zhì)化程度分別增加57.6%、120.0%、65.1%、50.0%、15.2%和12.6%、-10.0%、10.7%、-20.0%、13.0%,說明施鹽顯著緩解了Cd對(duì)鹽地堿蓬生長(zhǎng)的抑制作用,特別是對(duì)Cd抑制鹽地堿蓬根生長(zhǎng)的緩解作用更為明顯,對(duì)堿蓬地上部的生長(zhǎng)有一定的緩解作用,但有抑制堿蓬根系生長(zhǎng)的趨勢(shì)。

2.2 鹽對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬地上部Cd吸收的影響

多因素方差分析結(jié)果表明,鹽處理對(duì)兩種植物地上部Cd吸收具有極顯著影響(＜0.01),但兩種植物間差異不顯著。從圖1可以看出,鹽處理使鹽地堿蓬和堿蓬地上部Cd含量分別降低83.5%和79.9%。無鹽Cd處理(SCd)下堿蓬的Cd含量較鹽地堿蓬低9.0%,有鹽Cd處理(SCd)下堿蓬地上部對(duì)Cd的吸收有大于鹽地堿蓬的趨勢(shì),但差異均不顯著。

2.3 鹽地堿蓬和堿蓬地上部離子吸收和Cd積累對(duì)鹽、Cd及其互作的響應(yīng)

多因素方差分析結(jié)果表明(表2),在本試驗(yàn)中物種間和鹽、Cd處理下鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na、K含量均差異極顯著(＜0.01),但3因素間的交互作用對(duì)地上部Na含量影響不顯著; 除物種與鹽互作外,其他互作對(duì)K含量的影響顯著; 而物種、鹽處理、Cd處理及其交互作用對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬地上部K/Na則具有顯著的影響。圖2A表明,無鹽(SCd和SCd)處理下鹽地堿蓬地上部Na含量顯著高于堿蓬(0.05),但K含量顯著低于堿蓬(0.05); 施鹽顯著促進(jìn)鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na吸收(0.01),顯著降低地上部K的吸收(0.01)。施Cd進(jìn)一步促進(jìn)了兩種植物地上部Na的吸收(圖2A):無鹽條件下施Cd (SCd)與不施Cd (SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na含量分別增加了66.1% (＜0.05)和83.4%; 有鹽條件下施Cd (SCd)與不施Cd(SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na含量分別增加4.1%和6.0% (0.05)。與地上部Na含量變化不同,無鹽條件下施Cd (SCd)顯著降低地上部K的含量和K/Na比(圖2B,2C),與不施Cd (SCd)相比,鹽地堿蓬、堿蓬地上部K含量和K/Na比分別降低29.9%、57.5% (0.05)和9.4%、49.5% (0.05); 有鹽條件下施Cd (SCd)與不施Cd (SCd)相比,鹽地堿蓬和堿蓬地上部K含量和K/Na均無顯著變化(圖2B,2C)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),雖然兩種植物地上部Cd含量相近(圖1),但地上部Na、K離子積累對(duì)Cd的響應(yīng)不同。從鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na/Cd比、K/Cd比結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖3),在Cd處理下鹽地堿蓬地上部Na/Cd比高于堿蓬,而堿蓬K/Cd比高于鹽地堿蓬,但差異均不顯著; 施鹽顯著提高鹽地堿蓬和堿蓬的Na/Cd比(圖3A)和K/Cd比(圖3B)(＜0.01)。上述結(jié)果表明,兩種植物地上部Na和K含量不同,且對(duì)鹽和Cd處理下的響應(yīng)不同,鹽地堿蓬地上部依靠積累更多的Na來調(diào)控Cd的吸收,而堿蓬地上部依靠積累更多的K來調(diào)控Cd的吸收。

圖1 鹽處理對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬地上部Cd含量的影響Fig.1 Effects of salt treatment on shoot Cd content of Suaeda salsa and Suaeda glauca

表2 鹽鎘互作處理下鹽地堿蓬和堿蓬離子含量的三因素方差分析Table 2 Three-way ANOVA of salt-Cd interactions on ions content of two plants

圖2 鹽鎘互作處理對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na+(A),K+(B)含量和K+/Na+比(C)的影響Fig.2 Effects of salt-Cd interactions on shoot Na+(A),K+ (B)contents and K+/Na+ ratio (C)in Suaeda salsa and Suaeda glauca

圖3 鹽處理對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na+/Cd比(A)和K+/Cd比(B)的影響Fig.3 Effects of salt treatment on shoot Na+/Cd ratio (A)and K+/Cd ratio (B)of Suaeda salsa and Suaeda glauca

2.4 鹽、Cd及其互作對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬地上部脯氨酸和可溶性糖積累的影響

脯氨酸和可溶性糖作為大多數(shù)鹽生植物的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在抵抗逆境脅迫時(shí)發(fā)揮著重要作用。多因素方差分析結(jié)果表明(表3),在本試驗(yàn)條件下,物種間、鹽處理、Cd處理及其互作處理對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬地上部脯氨酸含量無顯著影響,而物種間、鹽處理、Cd處理以及鹽與物種互作對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬地上部可溶性糖含量的影響均顯著(＜0.01,＜0.05),而其他互作處理間差異均不顯著。

表3 鹽鎘互作處理下兩種植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的三因素方差分析Table 3 Three-way ANOVA of salt-Cd interactions on two osmotic regulators of two plants

從圖4A可以看出,無鹽條件下,堿蓬地上部脯氨酸含量高于鹽地堿蓬,施Cd有進(jìn)一步提高兩種植物地上部脯氨酸含量的趨勢(shì),但均差異不顯著; 施鹽有提高兩種植物地上部脯氨酸含量的趨勢(shì),鹽和Cd互作維持脯氨酸在較高水平,但均差異不顯著。從圖4B可以看出,無鹽條件下,鹽地堿蓬地上部可溶性糖含量顯著高于堿蓬(＜0.05),施Cd進(jìn)一步提高地上部可溶性糖含量,且堿蓬的地上部可溶性糖增加顯著(＜0.05); 施鹽顯著降低鹽地堿蓬地上部可溶性糖含量,鹽、Cd互作比鹽處理有增加趨勢(shì),但鹽處理和鹽Cd互作處理對(duì)堿蓬地上部可溶性糖含量影響不顯著。兩種植物相比,堿蓬更趨向于積累有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來適應(yīng)鹽Cd逆境脅迫。

圖4 鹽鎘互作處理對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬地上部脯氨酸(A)和可溶性糖(B)含量的影響Fig.4 Effects of salt-Cd interactions on shoot proline (A)and soluble sugar (B)contents of Suaeda salsa and Suaeda glauca

3 討論

鹽地堿蓬和堿蓬同為藜科堿蓬屬物種,具有同步的物候特征,但由于其生境不同,兩者之間也存在一定的不同,例如:鹽地堿蓬通常分布在沿海沼澤地區(qū),耐鹽耐澇能力強(qiáng),在低養(yǎng)分條件下適應(yīng)性強(qiáng),通常處于演替前期,但競(jìng)爭(zhēng)能力差; 而堿蓬通常處于演替后期,競(jìng)爭(zhēng)能力較強(qiáng),并且主要分布于遠(yuǎn)離海洋的陸地或高地,因此耐鹽能力差,但耐堿能力更強(qiáng),故兩種植物對(duì)于緩解Cd處理造成的生長(zhǎng)抑制的調(diào)控機(jī)制也可能存在差異。

由于Na、K具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu),兩種離子在進(jìn)入細(xì)胞時(shí)存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。在本試驗(yàn)中鹽處理顯著促進(jìn)鹽地堿蓬和堿蓬地上部Na吸收,顯著降低地上部K的吸收,并且由于鹽地堿蓬更耐鹽,因此鹽地堿蓬地上部Na含量顯著高于堿蓬,但K含量顯著低于堿蓬,而且Cd會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)鹽地堿蓬和堿蓬對(duì)Na的吸收。這與陳柯罕的研究結(jié)果一致,在相同鹽濃度下,隨著Cd濃度的增加,鹽地堿蓬根、莖、葉中的Na均顯著增加,并且在莖葉中表現(xiàn)更為顯著。此外,鹽處理使鹽地堿蓬地上部Na/Cd高于堿蓬、而K/Cd則低于堿蓬,表明較高的Na/Cd、K/Cd分別是鹽地堿蓬和堿蓬緩解Cd造成的生長(zhǎng)抑制的主要因素。

鹽分(NaCl)是鹽生植物生長(zhǎng)必不可少的條件之一,并且能夠有效地緩解植物所受到的逆境脅迫。在本研究中,結(jié)合生物量和Cd含量的關(guān)系(表1、圖1)分析,Cd處理顯著抑制了兩種植物地上、地下部的生長(zhǎng),增加NaCl能顯著緩解這種生長(zhǎng)的抑制,這與已有的研究結(jié)果一致:添加適量NaCl,能夠使低量Cd脅迫下堿蓬、濱藜()、互花米草()、紅匍晝花()等鹽生植物的生物量增加,但在高量Cd脅迫下則仍表現(xiàn)為抑制生長(zhǎng)。脯氨酸和可溶性糖可作為大多數(shù)鹽生植物的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),在鹽、重金屬等非生物脅迫下發(fā)揮著重要作用。在本試驗(yàn)中,鹽和Cd的施入促進(jìn)了鹽地堿蓬和堿蓬對(duì)Na的吸收,使葉肉細(xì)胞內(nèi)Na含量增加,促進(jìn)了脯氨酸、可溶性糖含量的增加,從而能夠增加細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié),維持細(xì)胞正常代謝,提高植物的抗逆性,這與之前的研究結(jié)果一致。

王亞男等、陳雷等通過盆栽試驗(yàn)均表示,在同一Cd濃度處理下,添加NaCl會(huì)促進(jìn)鹽地堿蓬對(duì)Cd的吸收,并且鹽地堿蓬對(duì)Cd的積累會(huì)隨著NaCl濃度的增加而增加,這與本試驗(yàn)得出的結(jié)論有所不同,這可能與培養(yǎng)介質(zhì)不同有關(guān),本文采用水培的方法,與盆栽之間存在介質(zhì)的差異,Cd脅迫后的土壤在添加NaCl后會(huì)顯著降低根際土壤中的pH,活化土壤中的Cd,增加土壤中可提取態(tài)Cd的濃度,根系分泌物能夠與重金屬絡(luò)合從而增加其生物有效性,并且一些根際微生物也會(huì)參與活化土壤重金屬,從而能促進(jìn)植株對(duì)Cd的吸收。此外,Na等鹽分離子會(huì)與Cd通過競(jìng)爭(zhēng)植物根系表面吸收結(jié)合位點(diǎn)從而降低植物對(duì)Cd的吸收。在本試驗(yàn)中,Na與Cd之間存在著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,這可能是本試驗(yàn)中NaCl的添加反而降低了Cd濃度積累的另一個(gè)原因。

4 結(jié)論

5 mg·LCd處理對(duì)鹽地堿蓬和堿蓬的生長(zhǎng)及滲透調(diào)節(jié)均有顯著影響,尤其對(duì)根部的抑制更為顯著,并且對(duì)鹽地堿蓬的脅迫程度要顯著大于堿蓬。施鹽能夠緩解Cd對(duì)生長(zhǎng)的抑制,且對(duì)鹽地堿蓬的緩解作用大于堿蓬,特別是對(duì)Cd抑制鹽地堿蓬根系生長(zhǎng)的緩解作用更為明顯。鹽地堿蓬和堿蓬分別通過維持較高的Na/Cd和K/Cd緩解Cd對(duì)兩種植物生長(zhǎng)的抑制,可溶性糖的積累對(duì)于維持堿蓬在脅迫條件下的生長(zhǎng)作用更為明顯。綜上,鹽、Cd及其互作處理對(duì)兩種近緣堿蓬屬鹽生植物的差異主要體現(xiàn)在Na、K的吸收積累以及生物量方面,而在Cd吸收方面則無顯著性差異。