4种重金属胁迫对烟草农艺性状及生理特性的影响

刘文霖，张 浩

（1.贵州省烟草科学研究院，贵州贵阳550081；2.贵州大学农学院，贵州贵阳550025）

4种重金属胁迫对烟草农艺性状及生理特性的影响

刘文霖1，张 浩2

（1.贵州省烟草科学研究院，贵州贵阳550081；2.贵州大学农学院，贵州贵阳550025）

为烟草重金属污染预测提供理论依据，采用盆栽试验法，分析Cd、Pb、Hg及As 4种重金属不同浓度胁迫下烤烟生理特性及农艺性状的差异。结果表明：烟草在旺长期，Cd、Pb、Hg及As胁迫下其生长发育均受到抑制；适度的重金属胁迫能提高烟草的净光合速率；适度Pb胁迫对烟草SOD酶活性和CAT酶活性有促进作用，而Cd、Hg及As胁迫使烟草SOD酶活性和CAT酶活性降低；Cd、Pb、Hg及As胁迫使烟草的MDA含量提高。

烟叶；重金属；生理特性；农艺性状；光合速率

烟草（Nicotiana TabacumL.）为茄科烟草属一年生或多年生植物，是我国重要的经济作物之一［1］。随着“吸烟与健康”和无公害烟叶生产问题的提出，烟草中有害重金属含量及对人体健康的影响受到广泛关注，因此减少烟叶有害成分是烟草种植的关键技术。烟草有害重金属在抽吸过程中可通过主流烟气进入人体和环境，对人体造成潜在的危害［23］，对环境造成污染。自从20世纪50年代在日本出现由汞和镉污染所引起的水俣病和骨痛病公害以后，重金属的环境污染问题受到极大的关注［4］。一般认为，较低浓度的重金属对烟草生长有利，高浓度时则对烟草生长有抑制作用。低浓度铬对烟草组培苗超氧化物歧化酶（SOD）活性有促进作用。袁祖丽等［5］采用水培试验对不同浓度Cd胁迫下烟草营养器官发育的变化研究表明，Cd胁迫强烈抑制烟草营养器官的生长发育，表现在叶片数量和叶面积减少，株高、根系长度迅速降低。曹毅等［6］研究表明，低浓度Hg处理（0.5mg／kg）对团棵期烤烟叶片叶绿素合成有一定的促进作用。

超氧化物歧化酶和过氧化物酶在生物体内对氧自由基、过氧化物起着清除作用，抑制自由基对膜脂的过氧化作用，避免膜的损伤和破坏。目前关于Cd胁迫下烟草生理生化指标［710］和耐受性［11］的研究较多，严重玲等［12］利用红花大金元为材料，研究Cd和Pb胁迫对烟草叶片中叶绿素含量、CAT（过氧化氢酶）、SOD（超氧化物歧化酶）和POD（过氧化酶）活性等影响，结果表明，Cd和Pb胁迫破坏烟草活性氧系统，加速叶片的衰落；张华［13］研究表明，Cr对烟草SOD活性影响较大，随Cr处理浓度加大，SOD活性显著降低；随处理时期延后，对酶系统的影响逐渐减小，但POD活性表现出相反趋势。前人对重金属的生理生化与生长发育方面已有大量的研究，但主要集中表现在一种重金属上，且对烟草生理特性方面研究也不够全面。为此，笔者研究4种重金属胁迫对烟草的农艺性状与生理特性的影响，以期为烟草重金属污染的预测提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试烤烟品种为云烟85，由贵州省烟草科学研究院良繁中心提供。试验土壤为石灰土，土壤基本理化性状：pH 7.5～7.9，有机质16.54g／kg，全氮1.323g／kg，全磷0.434g／kg，全钾1.254g／kg，速效磷3.38mg／kg，速效钾51.6mg／kg。试剂盒包括SOD试剂盒（测总）、POD试剂盒、CAT可见光试剂盒和丙二醛（MDA）测试盒。仪器设备包括：分光光度计（TU1901，北京普仪有限公司）、离心机（艾本德5417R，德国）、水浴锅（DFD－700，上海齐仪有限公司）、微量移液器、光合测定仪（CI－340，美国）和电热恒温鼓风干燥箱（DHG－9123A，上海齐欣科学仪器有限公司）。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，在试验土壤中分别添加Cd、Hg、Pb和As 4种重金属，每种重金属设2个添加量（表1），以不添加重金属的土壤为对照（CK），每个处理重复8次。装盆前先将土壤风干，过筛，每盆装土30kg。将重金属溶液根据试验设计浓度梯度，溶解于水配制好后与基肥氮肥（纯氮12kg／667m2）充分混匀后一次性施入。保持80%田间持水量。

表1 4种重金属不同浓度胁迫处理Table1 Experimental treatments of the four heavy metals with various concentrations mg／kg

1.3 测定项目

2012年3月将烟叶幼苗（营养盘培养老化2个月的幼苗）移栽至试验盆，每盆栽1株。烤烟旺长期（从团棵到现蕾）测量烟株的最大叶长、最大叶宽、茎围、株高和有效叶片数。用卷尺测量最大叶长、最大叶宽和株高，游标卡尺测量茎围。同时测定烟株的光合速率、SOD活性、POD活性、CAT活性和MDA含量。数据统计分析采用Microsoft Excel 2003和DPSv 7.05软件进行。

2 结果与分析

2.1 4种重金属对烟草旺长期农艺性状的影响

由表2可知，与空白对照比较，Cd 0.5mg／kg和1.5mg／kg处理的烟草旺长期的茎围变粗、叶片数增多，株高降低，最大叶的叶长及叶宽变小。烟草旺长期的株高、茎围、叶片数等农艺性状指标均表现为空白对照＞Pb 150mg／kg处理＞Pb 300mg／kg处理。Hg1.5mg／kg处理的烤烟旺长期茎围、叶片数、最大叶的叶长和叶宽高于Hg0.5mg／kg处理，但均低于空白对照。As胁迫下，除As 15mg／kg处理的茎围略高于空白对照外，其他指标均表现为空白对照＞As 15mg／kg处理＞As 40mg／kg处理。说明，在Cd、Pb、Hg及As重金属胁迫下，烟草生长受到抑制，且抑制程度随重金属胁迫浓度的增大而增加。

表2 不同重金属胁迫烟草旺长期的农艺现状Table2 Agronomic traits of tobacco in vigorous growth period under stress of different heavy metal

2.2 4种重金属对烟草光合特性的影响

2.2.1 净光合速率从表3看出，除Hg 0.5mg／kg处理的烟草净光合速率略低于对照外，其他处理的与对照相当或略高于对照，尤其以Cd 1.5mg／kg和Pb 300mg／kg处理的净光合速率明显较高。表明适宜的重金属浓度能提高烤烟净光合速率。

2.2.2 SOD酶活性SOD是防护氧自由基对细胞膜系统伤害的防护酶，作为超氧自由基清除剂，其活性高低与植物抗性大小有一定的相关性。从表3看出，在Pb胁迫下，烤烟旺长期超氧化物歧化酶（SOD）活性与对照相当或高于对照，尤其是Pb 300mg／kg的处理明显高于对照。Cd 0.5mg／ kg处理SOD活性与对照相当，其余处理烟草的SOD活性明显低于对照。说明，适度的Pb（300mg／kg）胁迫能促进SOD活性，而Cd、Hg、As等重金属则抑制烟草SOD活性。

2.2.3 POD酶活性过氧化物酶（POD）是活性较高的酶，广泛存在于植物体中，其与植物的呼吸作用、光合作用等都有关系。由表3看出，受重金属Cd、Hg、Pb及As胁迫，烤烟旺长期叶片POD酶活性均明显低于空白对照，尤其以重金属As 40mg／kg处理的POD酶活性最低，比CK低66.19%。表明，在Cd、Hg、Pb及As重金属对烟草POD酶活性均产生抑制，其中以As胁迫的影响最明显。

表3 不同重金属胁迫烤烟旺长期的生理指标Table3 Physiological indexes of flue－cureDTobacco in vigorous growth period under stress of various heavy metal

2.2.4 CAT活性过氧化氢酶（CAT）能够清除细胞内过多的过氧化氢以维持细胞内过氧化氢在一个正常水平，从而保护膜结构。由于重金属的入侵，造成CAT活性的降低。由表3看出，Pb 300mg／kg处理的CAT活性明显高于空白对照，其余重金属胁迫的CAT活性均低于对照，尤其以As 40mg／kg处理的最低。

2.2.5 MDA含量丙二醛（MDA）含量是植物细胞膜质过氧化程度的体现。从表3看出，除As 40mg／kg处理的MDA含量低于空白对照外，其他处理的均高于对照。说明，Cd、Hg及Pb重金属胁迫对烟草叶片的细胞膜造成损伤，从而使MDA含量增加。

3 结论与讨论

1）通过分析Cd、Pb、Hg和As 4种重金属胁迫下烟草的生长发育及生理特性，可以初步判断其受重金属污染的情况，为烟草的健康种植提供科学依据。研究结果表明，在Cd、Pb、Hg和As重金属胁迫下，烟草的生长发育均受到一定限制，尤其以Pb 300mg／kg处理的影响最为明显，其烤烟旺长期的株高、茎围、叶片数分别比空白对照降低53.40%、32.08%和3.42%。重金属Cd、Pb、Hg、As在试验浓度范围，只有低浓度Hg（0.5mg／kg）抑制烟草的净光合速率（比对照降低11.6%），其他处理的净光合速率均较对照提高。因此，适度的重金属胁迫对烟草的光合速率具有促进作用。适度的Pb（300mg／kg）胁迫能促进SOD活性，而Cd、Hg和As等重金属则抑制烟草SOD活性。Cd、Hg、Pb及As重金属对烟草POD酶活性和CAT活性均产生抑制。4种重金属对烟草SOD活性、POD酶活性和CAT活性的抑制效应中，以As胁迫的影响最明显，表明烟草对重金属As胁迫最敏感。Cd、Hg及Pb重金属胁迫使细胞内过氧化产物积累，导致细胞膜受到损伤，从而使烟草MDA含量增加。

2）有研究表明，烟草通过根际从土壤中吸收Cd、Pb和Cr重金属后在体内累积，会对植物的生理、生化产生一定的毒害作用，如抑制植物的光合作用或呼吸作用等影响植物的生长［1416］。本研究表明重金属胁迫下，烟草的净光合速率提高，只有低浓度的Hg抑制烟草的净光合速率，原因可能是烟草在旺长期需要的光与水分是最大时期，所以净光合速率在重金属胁迫下普遍提高。

［1］雷丽萍，郭荣君，缪作清，等.微生物在烟草生产中应用研究进展［J］.中国烟草学报，2006，12（4）：47－51.

［2］DELL＇OMO M，PICCININI R，GAMBELUNGHE A，eta1.Blood cadmium concen－ations in the general population of Umbria，central Italy［J］.Sci.Total Environ，1999，226（1）：603－641.

［3］BUSH P G，MAYHEW T M，ABRAMOVICH D R，eta1.A quantitaive study on the effects of maternal smoking on placental morphology and cadmium concen－ailon［J］.Placenta，2000，21（2／3）：247－256.

［4］张艳玲，周汉平.烟草重金属研究概述［J］.烟草科技，2004（1）：20－27.

［5］袁祖丽，马新明，韩锦峰，等.镉胁迫对烟草营养器官发育及矿物质元素的影响［J］.河南科学，2005，23（5）：679－682.

［6］曹 毅，陆 宁，孟建玉，等.汞胁迫对烤烟生理特性的影响［J］.西南农业学报，2011，24（6）：2152－2155.

［7］李 元，祖艳群，王焕校.镉、铁及其复合污染对烟草叶片氨基酸含量的影响［J］.生态学报，1988，18（6）：640－647.

［8］张川东，何腾兵，林昌虎.几种重金属对烟草的影响研究进展［J］.贵州农业科学，2008，36（6）：78－80.

［9］袁祖丽，马新明，韩锦峰，等.镉污染对烟草叶片超微结构及部分元素含量的影响［J］.生态学报，2005，25（11）：2919－2927.

［10］支立峰，余涛，朱英国，等.镉胁迫引起烟草悬浮细胞程序性死亡［J］.武汉植物学研究，2006，24（5）：403－407.

［11］赵秀兰，李彦娥.烟草积累与忍耐镉的品种差异［J］.西南大学学报（自然科学版），2007，29（3）：110－114.

［12］严重玲，洪业汤，付舜珍，等.Cd、Pb胁迫对烟草叶片中活性氧清除系统的影响［J］.生态学报，1997，17（5）：488－492.

［13］张 华.铬胁迫对烤烟生理特性和品质的影响［D］.郑州：河南农业大学，2006.

［14］王焕校.污染生态学基础［M］.昆明：云南大学出版社，1990.

［15］葛才林，蔡新华，孙锦荷，等.重金属胁迫对小麦光合产物输配影响的示踪动力学研究［J］.核农学报，2002，16（3）：167－173.

［16］王泽港，骆剑锋，刘 冲.单一重金属污染对水稻叶片光合特性的影响［J］.上海环境科学，2004，23（6）：237－240.

（责任编辑：姜 萍）

Effects of Agronomic Traits and Physiological Characteristics of Tobacco Under Stress of Four Kinds of Heavy Metals

LIU Wenlin1，ZHANG Hao2
（1.Guizhou Academy of Tobacco Sciences，Guiyang，Guizhou 550081；2.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou550025，China）

In order to provide the theoretical basis for prediction of heavy metal pollution in tobacco，by pot experiment method，the authors exploreDThe variation of physiological characteristics and agronomic traits of flue－cureDTobacco under stress of four kinds of heavy metals with different concentration.Results：Under stress of Cd，Pb，Hg and As in vigorous growth period，the growth and development of tobacco were suppressed；Moderate heavy metal stress could increase net photosynthetic rate；Suitable Pb stress promoted SOD and CAT activities，while Cd，Hg and As stress decreaseDThem；Cd，Pb，Hg and As stress could enhance MDA content in tobacco.

tobacco；heavy metal；physiological property；agronomic traits；photosynthetic rate

S572

A

1001－3601（2016）10－0413－0015－03

2016－03－21；2016－09－25修回

贵州省科技厅科技攻关项目［黔科合NY字（2011）3048］；贵州省烟草公司重大专项（2011－10）

刘文霖（1984－），女，实验师，从事烟草及土壤检测研究。E－mail：lwl225＠163.com