铅处理对茴香植株生长及精油组分的影响

2014-07-16肖艳辉何金明潘春香张振明淡豫

生态环境学报 2014年2期

肖艳辉，何金明，潘春香，张振明，淡豫

韶关学院农业科学与工程学院，广东韶关 512005

茴香(Foeniculum vulgareL.)是伞形科茴香属一二年生草本植物，原产地中海地区，现世界各地均有栽培。茴香不仅是一种用途广泛的食用香料，还是一味重要的中草药。茴香全株各器官均含有精油，其精油广泛应用于医药学、化妆品和食品添加剂等方面（何金明，2005）。许多条件，如施肥量、施肥方式、氮源、矿质离子浓度、不同产地等对茴香精油成分的相对含量均有一定影响（KHAN等，1999；Atta-Aly，2001；王羽梅等，2002；SINGH等，2002；任安祥等，2006；吴玫涵等，2001），这均由茴香生长所处的综合生态条件不同所引起的。

随着工业的发展，我国很多耕地受到重金属不同程度的污染。铅为污染重金属元素之一，是植物的非必需元素。目前，关于铅对植物影响的研究主要集中在植物的生理生化方面。铅胁迫能显著抑制玉米地上部分和地下部分的生长，降低了叶片光合色素含量，通过抑制Rubisco活性限制了光合作用，通过抑制叶绿体中了超氧化物歧化酶和抗坏血酸过氧化物酶的活性，以及增加活性氧的产生导致PSI的活性下降，最终造成对整个光合机构的伤害，严重地抑制玉米生长（姚广等，2009）。重金属对植物挥发油的影响报道很少。求红波等（2012）用0.01 mol·L-1铅溶液喷施迷迭香植株后研究重金属铅对迷迭香挥发物的释放中发现，铅处理能抑制萜烯类、酯类挥发物的释放，而使酮类、醇类挥发物的释放增加。由于不同芳香植物的精油的化学组成不同，有的为萜烯类化合物，有的为含氧类化合物，还有的为酯类化合物等，因此，铅处理对不同的芳香植物精油化学组成影响如何，铅质量浓度对芳香植物精油化学组成影响如何，需要更深一步的研究。本研究以茴香为试验材料，采用水培的方式，研究了铅对茴香植株生长、茴香植株对铅的吸收累积及精油组分的影响，以期为茴香对铅污染土壤进行植物修复及其修复后植物的再利用提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

以内蒙古小茴香(Foeniculum vulgareMill.)为试验材料。茴香种子来源为中国茴香产区之一的内蒙古托克托县，种子生产时间为2010年。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

2011年9月13日于韶关学院塑料大棚中播种育苗。采用细沙作为育苗基质，浇透水后，选取籽粒饱满的茴香种子播于育苗盘中。育苗期间，育苗盘放于通风透光处。10月10日，待茴香长至两叶一心时，选取生长健壮、大小一致、无病虫害的植株移栽于水培箱（霍格兰配方，培养液19 L）中，每个水培箱培养24株茴香，确保茴香植株根系完全浸没在营养液中。培养茴香植株期间，不间断供氧。供氧设备为空气压缩泵，功率为80 W，电压220 V/50 HZ，排氧量为90 L·h-1。每箱均安装2个通气砂头，以保证增氧均匀。整个栽培过程在塑料大棚中进行。每隔1 d检测营养液的pH和EC，调整并保持pH在5.5～6.5，每15 d更换一次培养液，保证EC不低于营养液全浓度的1/2。10月18日开始对茴香植株进行不同质量浓度铅处理。铅质量浓度分别为 0（对照）、1 mg·L-1、5 mg·L-1、10 mg·L-1。11月29日开始进行取样分析。

1.2.2 形态指标和生理指标的测定

处理结束后，每个处理随机取样15株，测定株高、真叶数、最大叶长和最大叶宽；随机取5株，称量地上部鲜质量和干质量、地下部鲜质量和干质量，并计算根冠比。

叶片中叶绿素和类胡萝卜素质量分数用比色法测定（郝再彬等，2004）；可溶性糖质量分数用蒽酮比色法测定（李合生等，2000）；可溶性蛋白质质量分数用考马斯亮蓝 G-250法测定（李合生等，2000）；全氮质量分数用凯氏消煮法测定（中国科学院上海植物生理研究所，1999）；全碳质量分数用K2Cr2O7容量法法测定（中国土壤学会农业专业委员会编，1983）。铅质量分数用原子吸收分光光度计（型号：AA7000，岛津）测定。

1.2.3 精油的提取与定量

茴香植株用水洗净，吹干表面水迹，切成 0.5 cm左右的小段，准确称质量150 g，置于1000 mL的圆底烧瓶中，加入600 mL水，用挥发油测定器进行共水蒸馏，微沸蒸馏3 h。蒸馏时用2 mL正己烷（色谱纯）萃取。蒸馏结束后，回收正己烷，用无水硫酸钠干燥，过滤。每处理蒸馏3次，取平均值。精油的正己烷溶液用棕色瓶封装，于-20 ℃下保存。

1.2.4 精油成分分析

在吴玫涵等（2001）方法的基础上，进行适当改进：取茴香精油的正己烷溶液稀释 100倍，进行气质联用仪（Gas Chromatograph / Mass Spectrometer ，GC/MS）分析（Trace GC-2000/DSQ， Thermo Finnigan， USA）。GC条件为： DB5石英毛细管柱（30 m × 0.25 mm ×0.25 µm）；载气为高纯氦（99.999%）；柱流量为1 mL·min-1，不分流；柱前压100 kPa；进样口温度为220 ℃；进样量为1 µL；程序升温为柱温40 ℃，保持 1 min，从 10 ℃·min-1升高到 200 ℃·min-1，保持3 min。MS条件：电离方式为EI；电子能量为 70 eV；接口温度为 210 ℃；离子源温度为200 ℃；流量扫描范围为 50～350m/z；溶剂延迟4.0 min；发射电流为100 µA。在参考前人工作（赵淑平等，1989；赵淑平等，1991；MIMICA-DUKIC等，2003）的基础上，计算成分的保留系数，同时结合NIST（2002）标准谱库进行精油成分鉴定。使用色谱峰面积归一法确定精油成分的相对含量。每样品重复3次。

所得数据采用SPSS软件包进行方差分析，用Duncan’s 新复极差法进行平均数的显著检验。

2 结果与分析

2.1 铅质量浓度对茴香植株形态指标的影响

表1可以看出，随铅质量浓度的增加，茴香株高呈降低趋势，且均显著低于对照；真叶数均低于对照，但仅5 mg·L-1铅质量浓度处理与对照差异显著；最大叶长仅5 mg·L-1铅质量浓度处理低于对照，但各处理之间及与各处理与对照之间差异均不显著；最大叶宽均高于对照，但仅5 mg·L-1铅质量浓度处理与对照差异显著。

表1 铅质量浓度对茴香植株形态指标的影响Table 1 Effect of different Pb concentrations on fennel’s shape index

2.2 铅质量浓度对茴香植株生物量的影响

表2可以看出，随铅质量浓度增加，茴香植株地上部鲜质量和地上部干质量呈降低趋势，且均显著低于对照；地下部鲜质量和地下部干质量均低于对照，但各处理之间及各处理与对照之间差异均不显著；根冠比随铅质量浓度增加呈升高趋势，且均高于对照，但仅铅质量浓度为10 mg·L-1时显著高于对照，其他处理与对照差异均不显著。说明铅处理茴香植株后，不利于茴香植株生物量的积累，但能提高茴香植株的根冠比。

2.3 铅质量浓度对茴香叶绿素、类胡萝卜素质量分数的影响

表3可以看出，随铅质量浓度增加，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b和类胡萝卜素质量分数均呈降低趋势，且均低于对照。1 mg·L-1铅处理与 5 mg·L-1铅处理之间的叶绿素a质量分数和类胡萝卜素质量分数差异不显著，而两个处理的叶绿素a质量分数和类胡萝卜素质量分数均显著高于 10 mg·L-1铅处理，并显著低于对照；1 mg·L-1铅处理与对照及与5 mg·L-1铅处理之间的叶绿素b质量分数差异均不显著，但与10 mg·L-1铅处理则有显著差异，且10 mg·L-1铅处理显著低于对照；各处理之间的总叶绿素质量分数均有显著差异；对叶绿素a/叶绿素 b而言，5 mg·L-1铅处理最高，但与 10 mg·L-1铅处理及对照之间差异不显著，显著高于1 mg·L-1铅处理。

2.4 铅质量浓度对茴香植株碳和氮的影响

表4可以看出，随铅处质量浓度增加，茴香植株中的可溶性蛋白质质量分数大致呈下降趋势，且1 mg·L-1铅处理和 5 mg·L-1铅处理均显著高于对照，而10 mg·L-1铅处理与对照差异不显著；随铅质量浓度增加，可溶性糖质量分数呈下降趋势，除了1 mg·L-1铅处理显著高于对照外，其余铅处理均显著低于对照，且5 mg·L-1铅处理与10 mg·L-1铅处理之间有显著差异；对于全碳质量分数来说，各处理之间及与对照之间差异均不显著；铅处理后，各处理的全氮质量分数均高于对照，但1 mg·L-1铅处理与对照之间差异不显著，其余处理与对照差异显著；但各处理之间差异均不显著。可溶性蛋白质质量分数与全氮质量分数的变化趋势基本一致。

表2 铅质量浓度对茴香植株生物量的影响Table 2 Effect of different Pb concentrations on biomass of fennel plant

表3 铅质量浓度对茴香叶绿素、类胡萝卜素质量分数的影响Table 3 Effect of different Pb concentrations on contents of Chl and CAR in fennel leaves mg·g-1

表4 铅质量浓度对茴香植株碳和氮的影响Table 4 Effect of different Pb concentrations on contents of carbon and nitrogen in fennel plant

表5 铅质量浓度对茴香植株体内铅质量分数的影响Table 5 Effect of Pb concentrations on Pb content in fennel plant

2.5 铅质量浓度对茴香植株铅吸收累积的影响

随铅质量浓度的增加，茴香植株体内的铅质量分数呈增加趋势，但增加的幅度有降低趋势。铅处理后，各处理之间的铅质量分数差异均显著。

2.6 铅质量浓度对茴香精油成分组成比例的影响

表5可以看出，各处理茴香精油成分种类没有差异，各处理均鉴定出18种成分，可鉴定成分的峰面积总和占总峰面积的98%以上，1%以上的主要成分为反式-茴香脑、柠檬烯、莳萝芹菜脑、爱草脑、水芹烯、γ-萜品烯，其中第一主要成分为反式-茴香脑，第二主要成分为柠檬烯。不同铅质量浓度处理后，茴香精油成分相对含量显著高于对照的有月桂烯、柠檬烯、γ-萜品烯、萜品油烯、小茴香酮、爱草脑、莳萝芹菜脑，而成分相对含量显著低于对照的有反式-茴香脑、金合欢烯；不同铅质量浓度处理下的反式-茴香脑的相对含量均显著低于对照，且各处理之间差异均显著，但以5 mg·L-1铅处理最低，而柠檬烯的相对含量均显著高于对照，但各处理之间差异不显著，但以5 mg·L-1铅处理最高。

按照分子结构，茴香精油成分可分为3大类，即单萜类化合物、含氧化合物和倍半萜类化合物，其中单萜类化合物包括α-蒎烯、崁烯、月桂烯、水芹烯、柠檬烯、γ-萜品烯、萜品油烯和3, 4-二甲基-2, 4, 6-辛三烯；含氧化合物包括小茴香酮、爱草脑、葑醇乙酸酯、反式-葑酮乙酸酯、顺式-茴香脑、反式-茴香脑、莳萝芹菜脑；倍半萜类化合物包括古巴烯、合金欢烯和吉玛烯D。不同铅质量浓度处理后，茴香精油单萜类化合物含量均显著高于对照，并以5 mg·L-1铅处理最高，显著高于其他铅处理；含氧化合物含量均显著低于对照，并以5 mg·L-1铅处理最低，显著低于其他铅处理；单萜类化合物与含氧化合物的变化呈现相反趋势；随铅质量浓度的增加，倍半萜类化合物含量呈降低趋势，且均低于对照，但仅5 mg·L-1和10 mg·L-1铅浓度处理显著低于对照，而1 mg·L-1铅质量浓度处理与对照差异不显著。

表6 铅质量浓度对茴香精油成分组成比例的影响Table 6 Effect of different Pb concentrations on essential oil components and proportion in fennel essential oil %

3 讨论

本文研究结果表明，不同铅质量浓度处理后，茴香植株的生长及地上部和地下部生物量累积均受到抑制（表1、表2）。铅能破坏叶绿素的合成，本实验结果也证明了这一点，这可能与Pb2+取代了叶片中Fe2+、Zn2+、Mg2+等元素，抑制了叶绿素前体的合成，破坏了叶绿体微结构有关（LIANG Peng和ARTHUR B PARDEE，1992）。铅处理茴香植株后，茴香的最大叶长和最大叶宽虽然有所增加，但由于茴香叶片中叶绿素含量减少，从而影响了光合作用，使合成的光合产物减少，从而引起了根系生长量与对照相比有所下降。不同铅浓度处理后，茴香植株的根冠比有所提高，这可能是在逆境条件下，茴香植株通过抑制高生长，扩大根冠比来适应铅胁迫的逆境，维持根系的正常生理活动。

在低质量浓度的铅（1mg·L-1）胁迫下，促进了茴香植株体内可溶性糖的积累，表现出对铅的积极响应，但铅质量浓度增加后，可溶性糖含量有所下降，可能是植物受到铅毒害后，植物表现为同化产物的合成速率小于转化、运输速率，碳水化合物的合成路径相对受阻等（刘慧芹等，2012）。Cd能诱导可溶性蛋白质量分数增加，可能是植物抵抗Cd毒害的一种解毒机制（洪仁远等，1991）。吴桂容等也认为，在质量浓度0.5～50 mg·kg-1的Cd胁迫下，植物叶及根中的蛋白质质量分数表现出先升后降的趋势，但均高于对照，说明植物细胞中蛋白质的合成代谢加强，Cd诱导合成更多蛋白质，参与渗透调节，提高植物的抗逆性（吴桂容和严重玲，2006）。本实验也得出了类似结果，可能是由于Pb与Cd均为重金属，对植物生理代谢的影响也相似。随着Pb质量浓度的增加，可溶性蛋白质质量分数有所下降，这可能是由于植物叶片中有70%的蛋白质存在于叶绿体中（潘瑞炽，2004），而高质量浓度铅处理后，叶片内积累过多的Pb破坏了叶绿体，从而导致蛋白质量分数下降。

茴香植株对铅的吸收累积具有一定的潜力，在10 mg·L-1质量浓度下达到了 465.01 mg·kg-1，可以应用在铅污染土壤植物修复方面。精油是一种植物次生代谢产物。植物初生代谢产物的合成和积累影响植物次生代谢。不同铅质量浓度处理后，茴香植株精油中柠檬烯的相对含量显著高于对照，而反式-茴香脑的相对含量则显著低于对照，从而使得不同铅质量浓度处理下的单萜类化合物显著高于对照，而含氧化合物显著低于对照。而求红波等（2012）认为在0.01 mol·L-1铅溶液喷施迷迭香植株后能抑制迷迭香挥发物中萜烯类的释放，这与本实验研究结果不同，这可能是由于铅处理的质量浓度不同造成的，本实验中铅质量浓度较高。本实验结果表明，不同铅质量浓度处理后，有利于茴香植株精油中单萜类化合物的累积，而不利于含氧化合物和倍半萜化合物的累积。

4 结论

（1）铅处理能抑制茴香植株的生长。铅处理后，茴香植株株高显著低于对照，且随铅质量浓度的增加，株高呈显著降低趋势；真叶数均低于对照，但仅5 mg·L-1处理与对照差异显著；各处理的最大叶长与对照差异均不显著；最大叶宽均高于对照，但仅5 mg·L-1处理与对照差异显著。

（2）随着铅质量浓度的增加，地上部鲜质量和干质量均呈逐渐降低趋势，且铅处理后的地上部鲜质量和干质量均显著低于对照；地下部鲜质量和干质量呈逐渐升高趋势，但铅处理后的地下部鲜质量和干质量与对照差异均不显著；根冠比呈逐渐增加趋势，但仅 10 mg·L-1处理显著高于对照。

（3）随着铅质量浓度的增加，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b和类胡萝卜素质量分数均呈降低趋势，且均低于对照，叶绿素a/叶绿素b以5 mg· L-1处理最高，但仅显著高于1 mg· L-1处理。

（4）铅处理后，全氮质量分数与可溶性蛋白质质量分数的变化趋势基本一致，均高于对照；随铅质量浓度的增加，可溶性糖质量分数呈降低趋势，除1 mg·L-1处理显著高于对照外，其余铅处理均显著低于对照；各处理的全碳质量分数与对照差异均不显著。

（5）随铅质量浓度的增加，茴香植株对铅的吸收累积显著增加。

（6）铅处理能影响茴香精油组分，显著降低反式-茴香脑和含氧化合物含量，而显著提高柠檬烯和单萜类化合物含量；随铅质量浓度的增加，倍半萜类化合物含量呈降低趋势，且均低于对照。

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