镉对3株不同地点生长的大麻生长及矿质元素吸收的影响

孙红艳，戴华鑫，卫怡颖，王宇娜，王国辉

1. 太原科技大学化学与生物工程学院，太原 030021 2. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州 450001

镉对3株不同地点生长的大麻生长及矿质元素吸收的影响

孙红艳1,*，戴华鑫2，卫怡颖1，王宇娜1，王国辉1

1. 太原科技大学化学与生物工程学院，太原 030021 2. 中国烟草总公司郑州烟草研究院，郑州 450001

为了研究镉胁迫对不同大麻生长的影响，以来自山西的大麻M1和来自甘肃的大麻M2、M3为材料，通过土培盆栽试验，研究了镉胁迫对大麻SPAD值、光合参数、不同组织碳水化合物含量和矿质元素含量的影响及不同地点株间差异。结果表明：镉胁迫显著降低大麻SPAD值，及其光合能力，且不同植株间存在显著差异，M1受抑制严重；镉胁迫使大麻地上部蔗糖和总可溶性糖含量显著升高，根系、叶片和籽粒淀粉含量显著降低。镉含量分析结果显示，镉主要滞留在根系中，其中M1镉积累量最高；镉胁迫显著抑制了大麻M1根系对锰和铜元素的吸收，同时也影响了其在地上部各器官的分配和积累，降低了M3对锌元素的吸收。镉对大麻的影响因大麻不同植株间及组织部位而异。

镉胁迫；大麻；光合参数；碳水化合物；矿质元素

我国是人口大国，但近年来由于工业的高度发达及生产技术的不断进步，导致自然界中各种污染物(比如重金属、染料及有机物等)大量进入到人类赖以生存的环境中，农业可耕种面积不断减少，农作物产量和品质均受到不同程度的影响；其中，重金属是影响农业生产的重要因素之一，而且是一个持续的环境问题。镉是毒害最强的重金属之一，低剂量镉即可被植物根系吸收，并可通过食物链进入人体，危害人类健康。土壤是农业生产的基本生产资料，如何减少日益严重的重金属镉对土壤的污染，进而对土壤进行修复还原利用的问题亟待解决。

传统的土壤重金属污染的修复方法普遍为物理、化学的方法，例如淋洗法、排土填埋法、物理分离法和电化学法等[1]。这些方法虽然具有较好的效果，但其成本高，对环境扰动大，并易造成二次污染。植物修复是一种相对较新的清除环境污染物的方法，利用植物吸收、积累环境中的重金属或污染物，降低其毒害；该技术安全，成本低廉，已是近十年来主要的环境重金属治理技术[2]。大麻(Cannabis sativa L.)是一种多用途的一年生草本植物，其生长速度快、抗逆性强、生物量大，在亚洲和欧洲广泛栽培；国内外大量研究表明大麻对重金属具有较强的抗性和富集能力，是一种非常理想的可以修复土壤重金属的候选植物[3-4]。本研究在模拟土壤镉污染和对照条件下，采用盆栽土培的方式，对来自甘肃和山西的3株野生大麻的生长状况，光合特性及大麻不同组织中矿质元素含量等进行了初步研究，以期为耐镉、镉积累大麻品种的选育，采用大麻对重金属镉污染的治理及改善生态环境提供理论依据。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 实验材料

参试野生大麻为来自山西省吕梁市兴县的M1，以及来自甘肃省定西市临洮县的M2和M3，3株大麻种子之间存在明显差异(见图1)；试验于大麻生长季节在太原科技大学温室内进行。试验土壤采自太原科技大学实验农场(土深0～15 cm)，土壤风干后过筛，每盆装9 kg(盆体积10 L，高30 cm)；土壤有机质1.73%、有机碳15.3 g·kg-1、全氮2.2 g·kg-1、速效磷40.1 g·kg-1、pH为7.1。

图1 3株不同地点生长大麻的种子照片注：M1为来自山西省吕梁市兴县，M2和M3为甘肃省定西市临洮县的2株大麻。Fig. 1 Seeds of hemps grown in different locationsNote: M1 came from Xing County, Lvliang City, Shanxi Province; M2 and M3 came from Lintao County, Dingxi City, Gansu Province, respectively.

1.2 试验方法设计

试验采用盆栽土培法，完全随机设计。选择健壮均匀一致的大麻种子，经体积分数为3% H2O2消毒20 min、蒸馏水冲洗5次、浸种4 h后播种(直接播于盆内)；播种前20 d进行土壤Cd处理，设2个处理：(1)对照，正常土壤；(2)Cd，1 mmol·L-1CdCl2；每个处理重复3次，每桶苗期定苗3株。生长期间每盆都采用正常一致的水肥管理；植株成熟后取样分析测定，每处理每指标均重复测定3次。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株收获

各处理分别取麦株，将根系用自来水清洗后，并在20 mmol·L-1乙二胺四乙酸二钠(Na2-EDTA)浸泡1 h以除去表面粘附的离子，然后用蒸馏水冲洗，分根系、主茎、侧枝、叶片和籽粒等5个部分。元素含量测定用样先于105 ℃杀青30 min，接着80 ℃烘干至恒重[5]；碳水化合物含量测定用样，65 ℃烘干至恒重备用。

1.3.2 SPAD值的测定

叶绿素含量用叶绿素的相对含量SPAD值表示，取生长均匀的第1片完全展开叶，用SPAD-502叶绿素含量测定仪(柯尼卡美能达(中国)，广东深圳)直接测定。

1.3.3 光合参数的测定

用LI-6400光合仪(LI-COR, Lincoln, NE)测定第1片完全展开叶的光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)。

1.3.4 碳水化合物(淀粉、蔗糖、可溶性糖)含量测定

取0.2 g磨碎的干样，置于带盖的试管中，加入8 mL体积分数为80%的乙醇，85 ℃水溶液提取30 min，然后3 000 g离心5 min，再将剩余残渣重复提取3次(每次提取时沉淀需震荡)，离心后合并上清液，最后定容到50 mL的容量瓶中，以便进行蔗糖和可溶性总糖含量的测定[6]。将试管中的残渣烘干，加入20 mL蒸馏水，震荡，置沸水浴中搅拌加热15 min，冷却至室温后加9.2 mol·L-1的高氯酸2 mL，摇匀，提取15 min，离心并倒出上清液，再向沉淀中加4.8 mol·L-1的高氯酸，同样提取，合并上清液与50 mL容量瓶中，供测淀粉[7]。

1.3.5 元素含量测定

参照孙红艳的方法[5]，将1.3.1烘干的样品磨粉，使用ICP-AES(电感耦合等离子体发射光谱仪，SPS 1200 VR, Seiko Co., Ltd., 日本)测定Cd、Zn、Cu和Mn元素含量。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel和DPS软件进行处理和分析。

2 结果与分析(Results and analysis)

2.1 镉胁迫对大麻叶绿素含量的影响及株间差异

叶片失绿变黄是植物Cd毒害最显著的症状[5]，图2显示镉处理显著降低了大麻三基因型SPAD值，M1、M2和M3分别较对照下降21.7%、13.4%和10.6%，M1的下降百分数比M2和M3高10%左右，表明来自山西的M1叶片受镉胁迫后失绿较其他严重。

2.2 镉胁迫对大麻光合参数的影响及株间差异

镉胁迫后大麻三基因型的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)均呈现下降趋势。其中，Gs的下降幅度最大，与对照相比镉胁迫使M1、M2和M3的气孔导度分别下降43.2%、31.0%和28.2%(图3c)；大麻受镉胁迫下Pn的变化同Gs呈相似的趋势，M1、M2和M3的Pn较对照分别下降31.5%、23.5%和16.7%(图3a)；同时镉胁迫使大麻M1和M3的Tr显著降低，下降百分比为32.8%和27.3%(图3b)；但镉处理显著升高了M1的胞间CO2浓度(Ci)，M2和M3和对照相比无显著差异(图3d)。M1胞间CO2浓度与其他光合参数的变化趋势相反，证明了其光合速率的下降并不是由于胞间CO2供给的影响，而在于光合本身出现了异常，导致光合速率的下降。同时，净光合速率是评价植物光合作用强弱的重要指标，光合速率的变化可以反映植物遭受胁迫程度的大小，3株不同地点生长的大麻在光合功能上的比较可看出M1对镉较其他2株敏感，M2和M3对镉具有较强的抗性。

图2 镉胁迫对大麻SPAD值的影响及株间差异注：图中不同小写字母表示不同处理间差异显著。下同。Fig. 2 Effect of Cd stress on SPAD value of different hempsNote: Different letters indicated significant differences (P<0.05) between treatments. The same as below.

图3 镉胁迫对大麻光合参数的影响及株间差异Fig. 3 Effect of Cd stress on hotosynthetic parameters of different hemps

2.3 镉胁迫对大麻碳水化合物含量的影响及株间差异

表1显示，镉处理显著提高大麻3株植株根系和叶片中的淀粉含量，根系中增长较叶片明显，且两组织增长百分比均为M1>M2>M3；在主茎中仅M3中淀粉含量显著升高，其他2株与对照相比无显著差异。同时，镉处理显著降低了大麻籽粒中淀粉含量。对于蔗糖含量，无论是在根系中，还是在叶片、主茎和籽粒中，镉处理均显著高于对照，增长百分比在13.7%和34.9%之间，仅M3根系蔗糖增长百分比高达61.0%。镉处理显著升高了M3根系中总可溶性糖含量，但显著降低了M1和M2根系中可溶性糖含量；但在其他组织如主茎、叶片和籽粒中，3株大麻可溶性糖含量均显著高于对照，在茎中表现尤为明显。

2.4 镉胁迫对大麻中镉及微量元素含量的影响及株间差异

图4显示，不同处理下，大麻植株内Cd、Zn、Cu和Mn含量呈现出显著的组织差异和株间差异。镉胁迫后大麻地上部各组织和根系Cd含量较对照显著升高，根系Cd含量远远大于地上部各组织(叶片>籽粒>主茎)(图4a～d)，且根系Cd含量呈显著的株间差异，M1根系Cd含量最高，其次是M3，M2最低，分别为83.1、57.4和36.1 mg·kg-1(图4a)；叶片Cd含量为M1>M2>M3，籽粒中M3的Cd含量显著低于M1和M2，而主茎Cd含量无株间差异。综合各组织Cd含量可见，大麻M1可能是高镉积累基因型，M3较其他2植株耐镉，其Cd含量最低。

表1 镉处理对大麻碳水化合物含量的影响及株间差异Table 1 Effect of Cd stress on carbohydrate contents of different hemp tissues

注：a、b、c表示不同品种之间差异显著(P<0.05)，*、**表示处理之间差异显著(P<0.05、P<0.01)。

Note: a, b, c showed significant differences among different varieties (P<0.05), *, ** indicated significant differences (P <0.05, P<0.01 respectively) between treatments.

表2 大麻不同部位镉含量相关性分析Table 2 Correlations of Cd concentration among different hemp tissues

注：*和**分别表示相关性显著达P<0.05和P<0.01。

Note: * and ** showed the correlation was significant at P < 0.05 and P < 0.01, respectively.

大麻Zn、Cu和Mn吸收和分配也存在显著的株间差异。在根系中，与对照相比，镉处理显著升高了M1中Zn含量，但显著降低了M2和M3中的Zn含量；在叶片中，镉处理使M1和M2中Zn含量显著升高，而M3与对照相比Zn含量显著降低；在主茎和籽粒中，除了M3中主茎Zn含量与对照相比无显著差异外，其余Zn含量在镉处理后都较对照显著下降(图4e～h)。

图4 镉胁迫对大麻不同组织镉及其微量元素的影响及株间差异注：(a)、(e)、(i)和(m)为根系浓度，(b)、(f)、(j)和(n)为主茎浓度，(c)、(g)、(k)和(o)为叶片浓度，(d)、(h)、(l)和(p)为籽粒浓度。Fig. 4 Effect of Cd stress on Cd and micro element concentrations of different hemp tissuesNote: (a), (e), (i) and (m) were concentrations in roots; (b), (f), (j) and (n) were concentrations in stems; (c), (g), (k) and (o) were concentrations in leaves; (d), (h), (l) and (p) were concentrations in grains.

与对照相比，镉处理显著降低M1和M2根系、主茎和籽粒中，以及M3叶片中的Cu含量；但镉处理显著升高了M3根系中Cu含量(图4 i～l)。根系、主茎和叶片中，与对照相比，镉处理显著降低大麻M1和M2中Mn含量，而M3中Mn含量显著升高；在籽粒中，M1和M3中Mn含量均显著降低(图4 m～p)。

2.5 大麻不同部位镉含量相关性分析

表2显示，在对照条件下，根系Cd含量与叶片和籽粒Cd含量呈显著负相关，且与籽粒Cd含量相关性达显著水平(P<0.01)；另外，叶片和籽粒Cd含量呈显著正相关(P<0.01)。在镉处理条件下，茎中Cd含量与叶片和籽粒Cd含量呈显著负相关关系(P<0.05)；叶片和籽粒Cd含量亦呈显著正相关(P<0.01)，和对照条件下相同。由此可知，可以根据叶片镉含量推测籽粒镉含量高低。

3 讨论(Discussion)

大麻是一种多用途的经济作物，近年来我国在工业大麻品种资源、栽培、育种和植物保护等方面的研究取得了突破性的进展[8]，但在大麻耐镉及镉积累方面的研究鲜见报道。镉对植物毒害最直接的表现为叶片卷曲失绿、叶绿体降解、气孔关闭，从而导致光合作用受到抑制，最终影响植物生长，降低其产量和品质[9]。本研究表明，1 mmol·L-1镉处理后，大麻SPAD值显著降低，光合系统亦受到抑制，表现为Pn、Tr、Gs显著降低，但Ci升高，且存在明显的株间差异，其中M1受害最严重。植物光合作用的主要产物是碳水化合物，植物非结构性碳水化合物蔗糖和淀粉是植株生命代谢的主要物质，镉胁迫会影响碳水化合物的重新分配；镉胁迫使大麻地上部蔗糖和总可溶性糖含量显著升高，根系、叶片和籽粒淀粉含量显著降低。大麻在镉胁迫条件下，可能通过可溶性碳水化合物增加来提高细胞的渗透势，淀粉含量的降低也是为了提高蔗糖的浓度[10]。

镉在大麻植株体内的积累和分布受大麻品种及土壤中镉含量的影响(图4)，其中来自山西吕梁的M1对镉具有较强的积累能力，可将镉扣押在其根部；可能由于镉进入根部细胞后，能与细胞中的有机或无机化合物结合形成复合物，并将其隔离在根部液泡中[11]。相关分析表明，对照条件下根系镉含量与地上部镉含量均呈负相关，且相关系数由茎、叶片到籽粒依次增大；而叶片和籽粒镉含量呈显著正相关，因此可根据叶片镉含量推测籽粒镉含量。镉处理后，地上部镉含量会显著升高。另外，研究表明植物对镉的吸收使有些植物必需元素，如Zn、Cu、Mn和K等需要相同跨膜载体的元素的吸收受到抑制[12]；Jalil等[13]试验表明镉处理使硬粒小麦地上和地下部的K、Zn和Mn浓度下降；汪芳[14]研究表明在0.1、1和5 μmol·L-1这3个镉浓度下，Zn、Mn、Cu这3种微量元素在地上部和地下部的积累都受到显著抑制，并且存在显著的基因型间差异；Sun等[15]研究表明，50 μmol·L-1镉处理也显著降低了大麦两基因型根系和地上部Zn、Mn、Cu元素含量。镉对大麻的影响亦因大麻生态型及组织部位而异，镉胁迫显著抑制了大麻M1根系对Mn和Cu元素的吸收，同时也影响了其在地上部各器官的分配和积累，降低了M3对Zn元素的吸收。

综上所述镉胁迫对大麻的生长具有显著的抑制作用，表现为降低其SPAD值、抑制光合作用、调整其碳水化合物含量的分配，影响镉及其微量元素的吸收和分配，大麻吸收的镉主要积累在其根部，地上部含量较低，且不同株间具有明显差异；其中M1对镉具有较强的积累能力，但对镉毒害较敏感，M3对镉具有较强的耐性。本研究旨在探讨镉毒害对大麻生长的影响，为耐镉、镉高积累大麻的选育，及采用植物修复的方法对重金属镉污染地区的治理及改善生态环境提供理论依据及技术指导。

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◆

Effect of Cadmium on Growth Performance and Mineral Nutrient Uptake in Three Hemp Genotypes

Sun Hongyan1,*, Dai Huaxin2, Wei Yiying1, Wang Yuna1, Wang Guohui1

1. College of Chemical and Biological Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030021, China 2. Zhengzhou Tobacco Research Institute of China National Tobacco Corporation, Zhengzhou 450001, China

Received 15 April 2016 accepted 31 May 2016

In order to investigate the effect of Cd on the growth performance and uptake ability of minerals in different hemp plants (Cannabis sativa), pot experiment was carried out to analyze SPAD values, photosynthetic parameters, carbohydrate contents and mineral concentrations in different tissues and genotypes of hemp including M1 from Shanxi Province, M2 and M3 from Gansu Province, under Cd stress. The results indicated that Cd stress significantly reduced SPAD value, photosynthetic performance, transpiration rate and stomatal conductance in the shoot of all genotypes and the largest reduction of these parameters was found in M1; oppositely, Cd significantly increased the content of sucrose and total soluble sugars in the shoots. Starch content decreased obviously in the root, leaf and grains of all genotypes. On the other hand, a significant genotypic difference in Cd concentration was also found among the three hemps. M1 accumulated the highest Cd concentration in tissues than other two genotypes. Cd was mainly detained in the roots and significantly inhibited Mn and Cu uptake leading to impacts on distribution and accumulation in the aboveground organs. Additionally, Cd reduced Zn absorption in M3. Taking together, the influence of Cd stress on hemps was genotypic and organic dependent.

cadmium; hemp; hotosynthetic parameters; carbohydrate; mineral element

国家自然科学基金(31401319)；山西省高校优秀青年学术带头人支持计划(20151006)；山西省青年科技研究基金(2015021146)；太原科技大学博士启动基金项目(HY201301)

孙红艳(1983-)，女，博士，副教授，研究方向为植物逆境生理生态，E-mail: sunhongyan-8@163.com

10.7524/AJE.1673-5897.20160415002

2016-04-15 录用日期：2016-05-31

1673-5897(2016)6-306-07

X171.5

A

孙红艳(1983-)，女，博士，副教授，研究方向为植物逆境生理生态，发表学术论文20余篇。

孙红艳, 戴华鑫, 卫怡颖, 等. 镉对3株不同地点生长的大麻生长及矿质元素吸收的影响[J]. 生态毒理学报，2016, 11(6): 306-312

Sun H Y, Dai H X, Wei Y Y, et al. Effect of cadmium on growth performance and mineral nutrient uptake in three hemp genotypes [J]. Asian Journal of Ecotoxicology, 2016, 11(6): 306-312 (in Chinese)