钾肥对铅胁迫延胡索幼苗生长及药用品质的影响

潘 杰， 周经国， 刘 雷， 李玟珂， 谭 俊， 余顺慧

(三峡库区水环境演变与污染防治重庆高校市级重点实验室/重庆三峡学院，重庆万州 404100)

铅是生物生长的非必需元素，土壤中过量的铅污染会对中药材造成毒害，降低产量。延胡索(Corydalisyanhusuo)，别称元胡、玄胡索、玄胡，为罂粟科紫堇属一年生草本植物，是常用的大宗药材，在我国安徽、江苏、浙江等地区广泛栽培，其地下块茎入药，有行气、活血、止痛的作用[1]。延胡索容易受铅毒害，其伤害症状表现为生长缓慢、植株矮小等，产量受到严重影响，并通过食物链对人类的健康造成威胁[2]。钾是植物生长所必需的营养元素，施钾肥可以提高农作物的产量，许多研究表明[1-3]，施钾肥可以提高中药材产量和药用品质。近年来，研究土壤中重金属含量对中药材富集重金属元素的影响较多[3-6]，但增施钾肥对减少中药材重金属含量的研究较少。本研究以延胡索幼苗为试验材料，研究在铅污染土壤上增施钾肥对延胡索幼苗生长、药用品质和食用安全性的影响，旨在为科学施肥提供理论依据，为延胡索经济高效、优质高产的栽培模式提供理论参考和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为2014年10月由浙江省东阳市农业局提供的延胡索块茎，经处理后储存于重庆三峡学院百安坝校区科研基地。从块茎中各选取块茎大小基本一致的地下块茎备用。

供试药品：钾肥为K2SO4，铅为Pb(NO3)2，均为分析纯，均购自成都市高新区石羊化学制剂厂。

1.2 试验设计

铅处理浓度分别为0、100、300、500、600、700、900 mg/kg，钾肥施用浓度(以K2O计)为0、100、200、400、800 mg/kg，每个处理3次重复。试验采用内径30 cm、深25 cm的花盆，土壤样品过2 mm筛后，每盆装9 kg拌有对应重金属及钾肥的土壤，放置15 d后再次混匀。将已消毒的延胡索块茎播种于上述对应花盆中，每盆5块，同时施加适量的基肥(尿素浓度为N 300 mg/kg，磷酸钙浓度为P2O5120 mg/kg)。定期检查延胡索的生长情况，进行常规人工管理，避免其他干扰。持续处理5个月，试验过程中各处理除铅、钾肥浓度不同外，其余环境条件保持一致。

1.3 测定方法

1.3.1 生理指标测定 采用蒽酮法测定可溶性糖含量[7]；采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(MDA)含量[8]；采用南京建成生物工程研究所的试剂盒测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性。

1.3.2 微核率测定 切取长度为5 mm的根尖制片镜检。根尖用改良Carnoy固定液固定20～24 h，转移至70%乙醇中于0～4 ℃保存。加入1 mol/L盐酸在60 ℃水浴下离解8～10 min直至根尖软化，在避光条件下用改性石炭酸品红浸泡染色2～3 h。用乙醇和蒸馏水漂洗后制片镜检观察微核，计算微核率[9]。

1.3.3 铅含量的测定 精确称取0.200 0 g各样品粉碎的延胡索，先加2 mL 0.1 mol/L的盐酸静置25 min，后加入酸液(浓HNO3与浓H2SO4体积比为4 ∶1)，同时设空白对照组；用MARS240微波消解系统消解以上溶液后[10]，用AA-6300原子吸收分光光度计测定样品中的铅含量[10]。

1.3.4 生物碱测定 延胡索块茎生物碱类含量的测定采用张静等的方法[11]。

1.4 数据处理

数据处理和分析采用Sigmapiot 10.0软件。采用单因素方差分析方法(One-way ANOVA)检验不同处理之间的差异显著性，其中，P<0.01表示差异极显著，P<0.05表示差异显著[12]。

2 结果与分析

2.1 钾肥对铅污染土壤延胡索幼苗生长的影响

由图1-a可知，土壤中未添加铅时，随着钾肥浓度的增加，延胡索幼苗的株高呈先增加后减小的趋势。当土壤中铅浓度≥100 mg/kg时，在各浓度铅处理下，随着钾肥浓度的增加，延胡索幼苗的株高也呈先增后减的趋势。株高最大时表示钾肥对延胡索受到铅抑制的缓解作用最大，且不同处理在株高最大时钾肥的浓度相同。表明钾肥存在最佳缓解浓度，钾肥的最佳缓解浓度为200 mg/kg，此时的缓解作用最强。

由图1-b可知，土壤中未添加铅时，不同钾肥浓度均使幼苗生物量增大；当钾肥浓度为200 mg/kg时，幼苗生物量达最大值。当土壤中铅浓度≥100 mg/kg时，钾肥可以缓解铅胁迫对延胡索植株生物量积累的抑制作用，使植株生物量增加。且在各铅浓度胁迫下，均是在添加200 mg/kg钾肥时缓解作用最强。

总之，钾肥对铅胁迫下延胡索幼苗生长的缓解作用存在最适缓解浓度，即存在最佳的钾肥浓度，在最佳的钾肥浓度下，其株高和生物量最大。

2.2 钾肥对铅污染土壤延胡索幼苗抗氧化特性的影响

由图2可知，在未施用钾肥时，随着铅浓度的增加，延胡索叶片可溶性糖含量、SOD活性及CAT活性呈先增大后减小的趋势，且当铅的浓度为300 mg/kg时达到峰值；MDA含量和POD活性呈上升趋势。施用200 mg/kg钾肥时，当铅的浓度为 500 mg/kg 时，钾肥使叶片可溶性糖含量、CAT活性及SOD活性显著增加(P<0.05)，MDA含量显著降低(P<0.05)。这表明，当铅的浓度为500 mg/kg时，钾肥缓解延胡索受铅胁迫造成膜脂质过氧化伤害是通过提高SOD、CAT活性来实现的；在其他各浓度的铅处理下，钾肥对延胡索叶片内可溶性糖含量、MDA含量、CAT活性及SOD活性均无显著影响。在各浓度的铅处理下施加钾肥，POD活性均显著降低(P<0.05)，且稳定。可能是钾肥通过维持POD活性的相对稳定而使延胡索植珠抵抗铅胁迫。同时提高可溶性糖含量，降低MDA含量，以延缓叶片衰老，延长叶片的功能期[13]。

2.3 钾肥对铅污染土壤延胡索幼苗根部微核率的影响

微核率可以反映染色体的受损程度[14]。由图3可知，未施用钾肥时，幼苗根部微核率随铅浓度的升高而增加；与未施用钾肥时相比，加入适宜浓度的钾肥时，根部微核率随着铅浓度的增加均显著减少(P<0.05)。说明施用钾肥可以缓解铅胁迫对延胡索幼苗根部染色体的损伤。

2.4 钾肥对铅污染土壤延胡索幼苗中铅积累的影响

由图4可知，未施用钾肥时，幼苗地上部、地下部铅含量随着铅浓度的增加而明显增加；与未施用钾肥时相比，添加200 mg/kg钾肥与 500 mg/kg 铅后，幼苗地上部分铅含量降低12%，而地下部分铅含量增加93%。表明施用钾肥有效保护了幼苗期延胡索地上部分免受铅胁迫的影响。

2.5 钾肥、铅胁迫对延胡索药用品质的影响

反映延胡索药用品质的主要指标是延胡索乙素的含量，两者呈正相关。由表1可知，与对照相比，在500 mg/kg铅胁迫下，可显著降低延胡索乙素的含量(P<0.05)，即延胡索药用品质降低。施用200 mg/kg钾肥可以影响延胡索的药用品质。与500 mg/kg铅胁迫相比，在500 mg/kg铅胁迫下施用200 mg/kg钾肥可以显著增加延胡索乙素的含量(P<0.05)。

3 讨论

钾作为植物生长所必需的营养元素，它可以参与植物体内的各种生理生化反应，来维持植物的正常生理活动，促进生长，减轻铅的毒害作用[15]。已有研究发现，铅+钾肥处理小麦，可以促进小麦幼苗干质量的增加，即促进小麦幼苗生长[16]。本研究发现，施用钾肥可以缓解铅对延胡索幼苗生长的抑制作用。在各浓度铅胁迫下，随着钾肥浓度的增加，延胡索幼苗株高和生物量均呈现先增后降的趋势，表明钾肥缓解铅胁迫存在最适浓度。各浓度铅胁迫下，钾肥的最适浓度均为 200 mg/kg。由图1-b可知，在铅胁迫下，施用200 mg/kg钾肥后延胡索幼苗的生长状况均显著好于受到单一铅胁迫的对照，而且也好于其他浓度钾肥与相同浓度铅组合。钾肥浓度过高或过低都不利于缓解铅对植株的伤害。可能过低浓度的钾处理具有较弱的缓解作用，而过高浓度的钾处理加重了伤害(可能增大了溶液浓度进而引起离子毒害和渗透胁迫)。

CAT也具有防止生物膜脂质过氧化造成伤害的作用，它可以与SOD共同作用将H2O2分解为O2和H2O。本研究发现，CAT活性与SOD活性相似，在500 mg/kg铅胁迫下，延胡索幼苗通过钾肥提高CAT活性以降低铅胁迫引起的过氧化伤害。

MDA是膜脂质过氧化标志性产物，其含量与膜脂质过氧化呈正相关。本研究中，延胡索幼苗在500 mg/kg铅胁迫下添加钾肥后，MDA含量与对照相比显著下降(P<0.05)，膜脂质过氧化得到缓解。而低浓度铅胁迫下，经钾肥处理后延胡索幼苗的MDA含量却增加， 不能缓解膜脂质过氧化，可能是钾肥使POD活性维持在一个较低而稳定的水平。

表1 钾肥、铅胁迫对延胡索药用品质的影响

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

铅胁迫诱导植物根尖细胞DNA结构的变化，导致染色体结构受损[18]。研究表明，铅胁迫诱导马尾松根尖细胞产生染色体端部断裂，进而形成“后期桥”和断片，有的则产生落后染色体，这些染色体断片和落后染色体最终形成微核[18]。本试验结果表明，在各浓度铅胁迫下，与对照相比，添加钾肥的幼苗的微核率显著降低，表明钾肥对铅胁迫引起的染色体结构损伤起缓解作用。

目前，降低作物对铅吸收和积累的主要手段是用化学方法来缓解铅毒害。前人研究表明，钾肥对土壤中重金属的影响主要表现在钾肥伴随阴离子影响重金属形态、吸附解吸过程及生物有效性等方面，从而减少植物对铅的吸收；钾参与了铅胁迫下小麦对铅的吸收与转移，大部分铅停留在根部，少量向地上部迁移，从而缓解了地上部分的铅毒害[15]。本研究的结果与之一致，施加钾肥后，延胡索幼苗地上部铅含量降低而地下部铅含量增加，地上部的铅毒害被缓解。钾一直被公认为是植物生产中的品质元素。研究表明，施钾肥不仅可以显著提高中药材产量，还可以改善其药用品质，因为它是生物体内多种酶的活化剂，参与植物体内的许多代谢过程，缺钾会导致叶片内新陈代谢过程紊乱。

反映延胡索药用品质的主要指标是延胡索乙素的含量。本试验在延胡索收获时测定延胡索块茎中延胡索乙素的含量，结果表明，与500 mg/kg铅胁迫相比，添加200 mg/kg钾肥可以增加延胡索乙素的含量，改善其药用品质。说明在铅胁迫下，添加适宜浓度的钾肥有利于延胡索乙素的合成。可能的原因是钾与铅结合形成复合物或拮抗铅，减少植物对铅的吸收；促进了延胡索块茎铅向地上部分转移，减少了块茎中铅的含量，从而缓解了块茎中铅胁迫对次生代谢产物——延胡索乙素合成的影响，延胡索乙素含量增加，药用品质得到改善。因此，在铅胁迫下，添加200 mg/kg钾肥可以使延胡索的药用品质得到改善。

4 结论

(1)钾肥可以缓解铅胁迫对延胡索幼苗的毒害效应，且钾肥处理存在最适浓度效应。钾对铅胁迫下延胡索的生长均具有较好的促进作用。

(2)适宜浓度的钾肥影响铅胁迫下延胡索幼苗的抗氧化特性。添加适宜浓度钾肥与500 mg/kg铅处理，可以提高延胡索幼苗叶片SOD、CAT的活性，稳定POD的活性，使铅造成的过氧化胁迫降低，膜脂质过氧化伤害得到缓解。

(3)适宜浓度的钾肥可以降低铅胁迫造成的延胡索幼苗根部细胞的微核率，染色体损伤得到缓解。

(4)在500 mg/kg铅胁迫下，适宜浓度的钾肥可以使幼苗地上部铅含量降低，地下部铅含量增加，保护地上部分免受铅毒害。

(5)施用适宜浓度的钾肥可以显著提高500 mg/kg铅胁迫下收获期延胡索的药用品质。在500 mg/kg铅胁迫下，添加适宜浓度钾肥可以显著提高延胡索中延胡索乙素的含量(P<0.05)。

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