镉胁迫对苗期曼陀罗生长及镉富集的影响

杨海涛　张彪　杨素勤　位高生　师振亚

摘要：采用砂培试验，研究了10 d的镉胁迫对苗期曼陀罗生长、叶绿素SPAD值、镉转运富集的特征。结果表明，05 mg/L镉处理下，株高、叶绿素SPAD值相比对照增加了7.47%、7.55%，生长没有受到抑制。随着介质中的镉浓度的提高，曼陀罗根和茎的镉含量随之增加，最高可达874.05、556.90 mg/kg，但叶片镉含量在镉处理 ≥ 2.5 mg/L后增加不明显。在镉胁迫下，曼陀罗根、茎、叶对镉的富集系数均大于1，表现出较强的富集能力。在相同镉水平下，曼陀罗镉含量从高到低依次为：根>茎>叶，转运系数（茎/根；叶/根）均小于1。表明曼陀罗对镉有较强的耐性，根部对镉有较强的滞留能力，进而限制过多的镉向叶片转运，减少镉对叶片的毒害，可能是曼陀罗耐受镉胁迫的生理机制之一。

关键词：曼陀罗；镉；富集系数；生长；叶绿素；土壤修复

中图分类号： Q945.78；S567.21+9.01 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0309-03

目前，在对镉污染土壤的各种修复方法中，植物修复被认为是一种安全、成本低且易被接受的方法，已被国内外广泛应用[1-3]。植物修复的关键是选取合适的修复物种，至2011年，已发现的镉超富集植物仅5种[4]。相对于数量少、生物量小的镉超富集植物，那些具有耐镉性强、生物量大或富集转运能力强、经济效益高等特点的植物，在修复镉污染土壤过程中具有相对优势，日益被人们重视[5-8]。

曼陀罗（Datura stramonium L.）别名洋金花、山茄子、狗核桃等，为茄科曼陀罗属一年生直立植物，高0.5～1.5 m，在中国各地均有分布[9]。同时，曼陀罗是一种草本药用植物，其种子含油量约为28%，也是潜在能源植物[10-11]。研究表明，曼陀罗对镉具有较强的富集能力[12]。调查发现，豫北某铅锌冶炼厂周围野生曼陀罗的镉含量高于同等生境条件下其他植物，且不产生毒害。由于曼陀罗适应性强，生物量大，具有一定经济效益，可作为一种镉污染土壤的修复植物。目前，曼陀罗的研究主要集中在医学和园艺方面，而有关其对镉富集转运特性的研究较少，因此，本试验研究曼陀罗在不同浓度镉胁迫下生长适应能力及其对镉的富集转运特性，为曼陀罗修复镉污染土壤提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验所用种子采自豫北某铅锌冶炼厂周边的野生曼陀罗。选择大小均匀、饱满的曼陀罗种子，经消毒、冲洗、浸泡后播于蛭石基质的穴盘中。出苗后，先以1/2浓度的Hoagland营养液浇灌2 d，再用全营养液浇灌，待长出7～8张真叶后，选择长势一致的幼苗，移入装有石英砂的方口花盆中长 12 cm、宽12 cm、高12 cm，盆底有孔），以3CdSO4·8H2O作为镉源进行胁迫处理，镉浓度分别为：0（对照）、0.5、2.5、5、10、15 mg/L，共6个处理，每个处理设置4次重复，每天早晚浇灌镉胁迫营养液，为防止盐分累积，每隔2 d用去离子水冲洗介质，再用相应镉胁迫营养液进行浇灌。

试验在培养室中进行，温度为28 ℃/20 ℃、光/暗周期为14 h/10 h ，光照强度为300～420 μmol/（m2·s），相对湿度为50%～60%。胁迫时间为10 d。

1.2 样品测定

试验期间对曼陀罗进行形态观察，采样时分别测定株高、茎基宽、叶长、叶宽、完全展开叶叶绿素SPAD值（SPAD-502叶绿素仪）。收获后，先用水冲洗，再用去离子水冲洗4次，吸干植株表面水分，分离曼陀罗的根、茎、叶，分别称其鲜质量，再将根部浸泡于20 mmol/L的EDTA-2Na溶液中15 min，去掉根系表面的镉[13]，并用水和去离子水分别冲洗4次，于105 ℃ 的烘箱内杀青30 min，70 ℃下烘干至恒重，分别测定各器官干质量。

镉的测定：采用HNO3-HClO4消化法（体积比3 ∶ 1）制备待测液，用原子吸收光谱法测定镉含量。

1.3 数据分析

生长指数：叶重比=叶片干质量/植株总干质量；茎重比=茎干质量/植株总干质量；根重比=根系干质量/植株总干质量；根冠比=地下部干质量/地上部干质量[14]。

富集系数（BCF）=茎（叶、根）镉含量/胁迫液镉含量；转运系数（TF）=茎（叶）镉含量/根部镉含量。

试验数据用SPSS 19.0 进行分析。

2 结果与分析

2.1 镉对曼陀罗生长状况的影响

2.1.1 干质量和含水率 从表1可以看出，当镉浓度为 0.5 mg/L 时曼陀罗各器官的含水率和干质量与对照相比无显著变化。当镉处理浓度由 0.5 mg/L继续增加后，曼陀罗各器官的干质量和含水率均呈减小趋势。需要指出的是，镉对曼陀罗各器官干质量的胁迫程度敏感于其含水率，当镉浓度为15 mg/L时，曼陀罗根和叶的干质量显著低于10 mg/L 镉处理。

2.1.2 生长指数 不同浓度镉处理对苗期曼陀罗生长指数的影响见表2，不同浓度镉处理对根重比和根冠比影响不大。当镉处理≥10 mg/L时，与对照比较，曼陀罗叶重比显著下降，茎重比显著上升。

2.1.3 农艺性状 镉胁迫10 d后，曼陀罗株高、茎基宽、叶长、叶宽变化见表3。与对照比较，当镉浓度为0.5 mg/L处理时，茎基宽、叶长和叶宽显著变化，株高显著高于对照。当镉处理 ≥ 2.5 mg/L时，其株高、茎基宽、叶长、叶宽相比对照均呈降低趋势，且随着镉胁迫水平的升高趋于稳定。

2.2 镉对曼陀罗叶绿素SPAD值的影响

叶绿素SPAD值与叶片中叶绿素含量具有良好的相关性，可以方便快速确定植物叶绿素含量，用于衡量作物光合作用对环境的反应，了解植物的生长状况[15]。从图1可以看出，当镉浓度为0.5 mg/L处理时曼陀罗叶片SPAD值显著高出对照7.55%。当镉浓度≥ 2.5 mg/L处理时，各处理SPAD值均显著低于对照，镉浓度15 mg/L处理时SPAD低于对照1583%，随着镉胁迫水平的增加，曼陀罗叶片SPAD值趋于稳定。表明0.5 mg/L 镉浓度能提高曼陀罗叶绿素含量，提高光合效率，有利于曼陀罗干质量、株高的增加。当镉浓度处理≥2.5 mg/L 时，其叶绿素含量降低，光合效率受到抑制。endprint

2.3 曼陀罗各器官镉含量和富集转运系数

2.3.1 不同器官镉含量 由图2可以看出，曼陀罗根、茎、叶中镉含量范围分别为111.09～874.05、83.23～556.90、33.50～82.12 mg/kg。随着镉胁迫水平的增加，曼陀罗根、茎中镉含量呈增加趋势，当镉处理≥2.5 mg/L时，叶片中镉含量无明显增加。相同镉胁迫水平下，曼陀罗各器官镉含量从高到低依次表现为根>茎>叶。

2.3.2 富集系数和转运系数 转运系数反映了植物对体内重金属的转运能力，转运系数越低，重金属从植物根部向地上部转运能力越弱，根滞留重金属能力越强[16]。从表4可以看出，不同浓度镉处理下，曼陀罗根、茎、叶的富集系数均大于1，表明曼陀罗对镉有较强的富集能力，随着镉胁迫水平的增加，曼陀罗各器官富集系数总体上呈减小趋势。不同镉浓度处理下，地上部的转运系数均小于1，以苗期曼陀罗从根向叶片转运镉的能力较弱，当镉处理浓度由 0.5 mg/L 继续增加后，叶转运系数趋于稳定。

3 讨论与结论

镉是毒性最强、易被植物吸收的非必需元素，当镉进入植物体内并积累到一定程度，可以破坏叶绿体的发育和结构、降解叶绿素、抑制光合速率、细胞分裂等[17-19]，对植物产生毒害作用。本试验结果，在0.5 mg/L 镉胁迫下，曼陀罗无明显的毒害症状，各器官干质量和含水率无明显减少，而茎干质量、株高、叶绿素SPAD值有所增加，表明0.5 mg/L 镉对曼陀罗幼苗生长表现出一定的刺激作用。这一现象在其他植物研究中也有所体现，任艳芳等研究表明，水培条件下 1 μmol/L 镉对莴苣幼苗株高、根长等产生一定的促进作用，10～100 μmol/L 镉对莴苣幼苗生长具有明显抑制作用，且随着浓度的增加抑制程度加重[20]。本研究中的镉处理浓 度≥2.5 mg/L 时，随着镉浓度的增加，曼陀罗受到镉的毒害症状依次加重，干质量、叶绿素SPAD值下降，生长明显受到抑制。这可能是高浓度镉胁迫下，曼陀罗体内的镉含量剧增，对体内的生理生化反应产生毒害作用，导致叶片中叶绿素的生物合成受阻，同时植物为了躲避镉的毒害，需要消耗有效能量来保持细胞的正常功能，从而导致生长速率减慢、植株矮小、叶绿素含量降低等症状[21]。本研究叶片镉含量远低于根和茎，这可能与胁迫时间短有关，随着胁迫时间的增加，叶片镉含量是否有所增加，还需要进一步验证。

叶片是植物进行光合作用的重要器官，外界镉通过根部吸收、茎秆装载运输到达叶片，产生毒害作用，直接影响植物生长。本研究中曼陀罗茎镉含量最高可达556.90 mg/kg，对镉有较强的富集能力，经田间验证后可作为修复土壤镉污染的潜在植物。在相同镉水平下，曼陀罗各器官镉含量从高到低依次表现为根>茎>叶，且富集系数均大于1，转运系数也均小于1。方继宇等盆栽试验表明，随着盆栽土壤镉浓度的增加，马缨丹各器官中镉的含量逐渐增加，表现为根>茎>叶，且其转运系数小于1，马缨丹的根部对镉有较强滞留能力，限制过多的镉向地上部器官的转运，减少镉对地上部的毒害[22]。随着供镉水平的增加，曼陀罗根茎中镉含量逐渐增加，而曼陀罗叶片镉含量与根茎不同，在 2.5 mg/L镉处理时最高，随着镉胁迫水平的增加不再明显增加，叶富集系数下降呈稳定趋势，叶转运系数保持稳定。表明在本试验条件下曼陀罗通过根部滞留过多的镉来限制镉向地上部的运输，从而减轻镉对植物地上部器官的毒害，缓解镉对植物生命活动的影响，这可能是曼陀罗耐受镉胁迫的生理机制之一。

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