外源添加物对白芍根中Cd积累量的影响

王博

摘要：通过人工模拟Cd污染土壤，探究在不同Cd浓度和处理时间下白芍根部Cd积累的特性，以及通过添加水杨酸、脱落酸、锌和硅等外源添加物，对白芍根部Cd含量的影响。结果表明，随着土壤中Cd浓度的上升，根部Cd积累量显著上升。水杨酸和脱落酸处理不会降低根部Cd含量，高浓度的锌和硅降低了植株根部Cd含量。

关键词：白芍；镉；水杨酸；脱落酸；外源添加物

中图分类号：S567.9 文献标志码：A 文章编号：1001-1463（2017）06-0015-05

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2017.06.006

Effects of Exogenous Additives on the Accumulation of Cd in the Roots of Paeonia lactiflora

WANG Bo

（Public Scientific Research Platform， Zhejiang Chinese Medicine University， Hangzhou Zhejiang 310053， China）

Abstract：The Cd accumulation in roots of Paeonia lactiflora Pall are studied by simulation of Cd polluted soil in different concentrations and treatment time. It is researched that the exogenous substances， including salicylic acid， abscisic acid， zinc and silicon， influenced on Cd accumulation in roots of Paeonia lactiflora Pall. The result shows that the Cd content at roots have a significant improvement with the increasing of Cd content in soil. Among 4 Exogenous additives， the SA and the ABA can not cause the reduce of Cd in roots， the high concentration of the zinc and silicon can reduce the Cd concentration in roots.

Key words： P. lactiflora Pall；Cadmium；Salicylic acid；Abscisic acid；Exogenous additives

白芍为毛茛科植物，其入药部位根具有敛阴養血，收汗缓中、柔肝止痛、平抑肝阳之功效。近年来随着诸如白芍总苷胶囊等一系列中成药的开发和问世，应用范围愈加广泛。但中药安全性也不容忽视，尤其重金属污染是目前研究的重点，《中国药典》专门对白芍中重金属Cd限量标准做了严格规定[1 ]。Cd是环境中广泛存在且具有潜在毒害作用的重金属污染物之一，易于被植物吸收积累 [2 - 3 ]。若以Cd污染的白芍入药，会在人体内积累并对人体健康造成严重威胁，例如导致钙代谢失调、肾功能损伤等。有研究表明，一些外源物质能够有效改善重金属胁迫下植物的生长发育状况，并可能降低植物内重金属含量[4 - 5 ]。但这些研究主要集中在水稻、小麦等农作物以及拟南芥等模式植物，采用中草药为材料来探究如何降低Cd积累方面的研究未见报道。笔者以白芍为研究对象，在模拟Cd超标土壤中探究白芍的Cd吸收特性，然后分别添加外源水杨酸、脱落酸、ZnSO4·7H2O和Na2SiO3，经不同时间处理后，通过原子吸收光谱测定白芍根部Cd积累量，探索外源物质对白芍中Cd积累量的影响，现将结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 供试设备与材料

主要仪器为微波消解仪（CEM-MARS）、原子吸收光谱仪（AA-7000）、分析天平。主要试剂为水杨酸、脱落酸、Na2SiO3、ZnSO4·7H2O、CdCl2。实验材料为白芍苗（购买于众协药材种苗种植基地）。

1.2 实验方法

1.2.1 白芍植株培育 将购买的白芍幼苗移栽在盛放营养土的花盆中，每隔5 d浇水1次，在温室中培养120 d后选取长势良好且大小均一的植株用于实验。

1.2.2 样品处理 土壤自然风干后磨碎，过2 mm筛，将过筛土壤放入干净的花盆中，每盆装7 kg。准确称量CdCl2固体，配制成Cd浓度分别为25、50 mg/kg的土壤基质。加入Cd后进行30 d的土壤老化，使土壤中各种形态的Cd浓度达到稳定。在土壤老化过程中，向土壤浇灌超纯水至土壤含水量为60%，当土壤风干至干透后，重复以上过程4次。

选取白芍植株分别移栽在未经Cd处理的对照组土壤中及Cd浓度为25、50 mg/kg的土壤中，每组处理3次重复，每5 d浇水1次。在处理15、30 d时，分别采集白芍植株根部测定Cd2+含量。

1.2.3 样品Cd含量测定 剪取白芍根部样品烘至恒重，打成细粉过40目筛。准确称取不同处理的粉末样品2 g置于四氟乙烯消解罐中，加硝酸10 mL和双氧水2 mL浸泡过夜，次日转移于微波消解仪内进行消解，消解完成后继续缓慢加热浓缩至3 mL左右，冷却后加入超纯水定容至25 mL。将获得的澄清样品存储于4 ℃冰箱，利用石墨炉—原子吸收分光光度计测定Cd含量。特征波长为228.8 nm[6 - 7 ]，其中原子吸收法仪器参数为波长228.8 nm、狭缝0.7 nm、灯电流10 mA、干燥温度110 ℃/30 s、灰化温度950 ℃/20 s、原子化温度 1 600 ℃/5 s。

1.2.4 外源物質处理对Cd积累的影响研究 选取白芍植株种植在含Cd浓度为25 mg/kg的土壤中，同时在土壤中分别添加不同浓度的外源物质，15 d后测定根部重金属Cd含量。不同外源物质处理方法详见表1[8 - 9 ]。

1.2.5 数据处理 利用SPSS软件中ANOVA 方差分析评价不同处理间差异的显著性，采用excel作图。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫下白芍根部Cd的积累

配制10 ug/L的Cd标准溶液，按照不同浓度进行稀释，以进样浓度为横坐标，吸光度为纵坐标绘制标准曲线，获得线性方程为A=0.006 1C+ 0.000 5，相关系数r为0.999 3。测定处理组和实验组白芍中Cd积累量，结果表明（表2），植株在正常土壤中培养15、30 d后，其根部Cd含量分别为0.09±0.03、0.07±0.01 mg/kg，符合中国药典中规定的Cd限量标准（Cd≤0.3 mg/kg）。随着Cd处理浓度的增加，植株根部Cd积累量显著增加（p<0.05），但处理时间对镉积累的影响并不显著（图1）。

2.2 不同外源物质处理下根的Cd含量

选取Cd浓度为25 mg/kg和15 d的处理条件，在处理之初同时分别添加不同浓度的水杨酸（SA）、脱落酸（ABA）、ZnSO4·7H2O和Na2SiO3。通过图2可以看出，水杨酸和低浓度的脱落酸处理对根部Cd的积累几乎没有影响，而100 mg/kg的脱落酸反而增加了Cd含量（p < 0.05）；200 mg/kg的Zn和2 000 mg/kg的Si处理下根部Cd含量较对照组显著下降（p < 0.05）。

3 小结与讨论

对白芍Cd吸附特性的初步探究发现，当土壤中加入Cd后，Cd会被植株吸收富集，并且根部的Cd积累量随着浓度增加而增加，但并没有呈随着处理时间的增加有明显上升的趋势。不同浓度的外源水杨酸（SA）对白芍根部Cd积累量无显著影响；脱落酸（ABA）没有降低植株根部的Cd积累量，甚至在100 mg/kg的处理下，根部Cd含量反而上升。这可能是由于它改变了Cd在植株不同部位的分布情况，减少了Cd向地上部分的转运，最终导致根部Cd含量反而升高。外源添加Zn可以降低白芍根部Cd含量，即Zn对Cd的吸收表现出拮抗作用，高浓度的Si降低了植株根部Cd含量。

目前中草药重金属污染现象日趋严重，Cd作为生物毒性极强的重金属元素，通过食物链会在人体内富集并带来严重危害[10 ]。土壤是中草药重金属污染的主要来源之一，因此通过模拟土壤重金属Cd超标探索白芍的Cd吸附特性，并通过添加外源物质探究是否会降低Cd积累量，可为今后降低白芍Cd积累提供一定的理论基础。由于白芍以根作为入药部位，因此本研究仅对根部重金属积累量做了探究。重金属积累和转运规律与温度、土壤pH等环境因子均有关，为了更好的模拟室外种植环境，本研究除定期补充水分外其余培养条件均不作任何人工干预。

已有研究表明，Cd会阻碍植物生长，引起氧化胁迫[11 ]，对植物体内酶活性[12 ]、气孔开闭和营养吸收[13 ]、光合作用效率[14 ]和基因组稳定性[15 ]均有影响。根系可通过被动吸收中的阳离子交换完成对Cd的吸收，Cd在根表面吸附时间越长结合成不可逆大分子的比例就越高，吸收量也就越大。但之前研究Cd积累量和时间的关系时，分别是以1 h和24 h作为短时间和长时间去衡量的。本研究中，Cd处理时间较长，可能达到了植物生长可耐受范围内的饱和量。为了更好的适应环境，降低Cd含量，通过调节体内某些生理生化反应来加强自身的Cd胁迫作用。

水杨酸作为植物生理和代谢过程中的重要调节因子，能在调节植物Cd胁迫方面发挥重要作 用 [16 - 17 ]。有报道表明，SA介导植物对Cd的吸收有不确定性，SA可能通过与Cd结合形成复合物，使Cd钝化或刺激植物螯合肽与Cd结合来缓解Cd对植物的毒害[18 ]。此外SA可能会促进Cd在细胞壁中的积累而减少它在细胞质中的积累，从而降低Cd对植物的毒害性。根据以上机理推测，SA可能通过促进一系列生理反应促进Cd形成复合物并以此降低Cd对植株的毒害性[19 ]，但并没有降低植株对Cd的吸收。脱落酸作为一种抗胁迫激素在植物抗逆生理反应中发挥重要作用。有研究表明，当植物受到Cd胁迫后，脱落酸会通过影响植物对镉的吸收或转运增强其Cd耐受性，例如它能降低水稻对Cd的吸收[5 ]，或者改变Cd在不结球白菜不同部位的分布[20 ]。目前针对Zn和Cd互作机理还没有一致的结论，即二者之间可能存在拮抗作用，也可能存在协同作用[21 ]。外源添加Zn会降低Cd的吸收，可能是由于细胞膜上载体蛋白会优先转运锌，当大量锌与载体蛋白结合后，使之与Cd结合概率减少[22 - 23 ]。Si可以缓解水稻、小麦等的Cd毒害，减少植物地上部分和根中的Cd含量。对于Si抑制Cd吸收的机理有不同观点，一是认为Si作用于土壤影响土壤中Cd形态从而减少有效态Cd量[24 ]，另有观点认为它直接作用于植物，通过影响植物的生理生化过程降低对Cd的吸收[25 ]。

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（本文责编：陈 伟）