外源锌对铬胁迫下烤烟锌、铬积累和多酚类物质的影响

杨金清 张琦 朱永立 赵明香 保志娟 赵正雄

摘要：【目的】探究不同鋅（Zn）浓度对铬（Cr）胁迫下烤烟Cr和Zn积累及烟叶多酚类物质的影响，为烤烟种植过程中重金属污染的防治及修复提供理论依据。【方法】采用盆栽试验，以不添加Zn和Cr为对照，设不同浓度单一Zn（20、60和100 mg/kg）及Zn+Cr（Cr为15、30和90 mg/kg）复合处理。在烟苗移栽后50和80 d，取7～11叶位的烟叶用于测定烟叶的绿原酸、莨菪亭和芦丁含量;80 d时另取根、茎、叶3个部位测定烟株生物量、Cr和Zn的吸收量，所得数据进行差异显著性检验、双因素方差分析和Pearson相关分析。【结果】单一Zn处理下，烟株生物量随Zn浓度增加呈先升后降的变化趋势，其中60 mg/kg处理的生物量最高，根、茎、叶分别比对照增加28.1%、14.5%和7.4%。Zn和Cr复合作用下，15 mg/kg Cr与Zn复合处理的烟株生物量与对照相差较小，而90 mg/kg Cr浓度下的烟株生物量均低于对照。单一Zn处理对烟株根部的Cr吸收具有低促高抑效应，且降低烟叶Cr富集、促进烟叶Zn积累。Zn和Cr复合处理增加烟株根部Cr积累、降低Zn积累，同时烟叶Cr含量均低于对照，降幅范围为41.9%～72.7%，而烟叶Zn含量除15 mg/kg Cr与Zn复合处理外均低于对照。外源添加Zn能降低烟叶Cr的生物累积系数（BAF），除0、15 mg/kg Cr和100 mg/kg Zn复合处理外，其余处理茎叶/根的位移系数（TF）均低于对照。单一Zn处理能促进烟叶绿原酸、芦丁和莨菪亭积累。Cr和Zn复合处理下，土壤Zn/Cr添加比例为20/15、60/15和100/15时能促进烟叶绿原酸和芦丁的积累。【结论】添加外源Zn能降低Cr在烟叶中的积累，土壤Zn/Cr添加比例高时能促进烟叶中Zn、绿原酸和芦丁的积累，抑制根中Cr积累。可考虑通过添加Zn元素调节土壤中Cr、Zn比例以降低烟叶中Cr含量和调控烟叶中多酚物质积累。

关键词： 烤烟;Cr胁迫;外源Zn;Zn、Cr积累;多酚类物质

中图分类号： S572                               文献标志码： A 文章编号：2095-1191（2021）02-0412-08

Abstract：【Objective】This study was to explore the effects of different zinc（Zn） concentrations on the accumulation of chromium（Cr）， Zn and polyphenols in flue-cured tobacco under Cr stress， so as to provide theoretical basis for the prevention and remediation of heavy metal pollution in flue-cured tobacco planting. 【Method】Employing the pot experiment to simulate the single Zn（20，60 and 100 mg/kg） pollution and the contamination treatment of Znand Cr（Cr was 15，30 and 90 mg/kg），the treatment without adding Zn and Cr was selected as the control. On the 50th day and 80th day after transplanting， tobacco leaves of the 7 to 11 leaf positions were taken to determine the contents of chlorogenic acid， scopoletin and rutin; on the 80th day after transplanting， the biomass， Cr and Zn absorption of tobacco plants were determined from three parts of tobacco（root， stem， leaf）， the data were analyzed by significance test， two-way ANOVA and Pearson correlation analysis. 【Result】Under single Zn stress， the biomass of tobacco plants increased firstly and then decreased with the increase of Zn concentration. The biomass of 60 mg/kg Zn treatment was the highest， and the roots， stems and leaves biomass increased by 28.1%， 14.5% and 7.4% respectively compared with the control. Under the Zn and Cr combined pollution， the biomass of tobacco plants treated with 15 mg/kg Cr was not greatly different from that of the control， while the biomass of 90 mg/kg Cr treatments was lower than that of the control. Single Zn had obvious effect of low concentration promoting and high chromium inhibiting  the absorption of Cr in the roots of tobacco plants， and reduced Cr contents and promoted Zn accumulation in leaves. Under the combined treatment of Zn and Cr， the accumulations of Cr  in tobacco roots was increased and that of Zn was decreased. At the same time， the Cr contents of compound treatments in tobacco leaves were decreased by 41.9%-72.7% compared to control， while the Zn content of tobacco leaves was lower than that of the control except for 15 mg/kg Cr combined with Zn. Exogenous addition of Zn could reduce the tobacco leaf Cr bioaccumulation factor（BAF）. Except for the combined treatment of 0 and 15 mg/kg Cr and 100 mg/kg Zn， the stemand leaf/root translocation factor（TF） of the other treatments were lower than the control. Single Zn could promote the accumulation of chlorogenic acid， rutin and scopoletin in tobacco leaves. The soil Zn/Cr addition ratios at 20/15， 60/15， and 100/15 were beneficial to the accumulation of chlorogenic acid and rutin in tobacco leaves under Cr and Zn combined stress. 【Conclusion】Adding exogenous Zn can reduce the Cr accumulation in tobacco leaves. The high soil Zn/Cr addition ratios can promote the accumulation of Zn， chlorogenic acid and rutin in the tobacco leaves， and inhibit the accumulation of Cr in the roots. It can be considered to adjust the ratio of Cr and Zn in the soil by adding Zn element to reduce the content of Cr in tobacco leaves and regulate the accumulation of polyphenols in tobacco leaves.

Key words： flue-cured tobacco; Cr stress; exogenous Zn; Zn，Cr accumulation; polyphenols

Foundation item： Key Research and Development Project of Yunnan（2018530000241017）;Yunnan Provincial Science and Technology Plan Agricultural Joint General Project（2017FG001-063）

0 引言

【研究意义】铬（Cr）是一种毒性较大的重金属，是农田土壤环境中最常见的污染物之一。其通常以六价和三价2种价态存在于自然界中，高价态的Cr具有很强的迁移力和毒性，极易对植物造成伤害，并可通过食物链不断富集，进而危害人体健康（王晓南等，2014;董冰冰等，2016）。目前，采用基于元素间竞争来实现重金属减量吸收的生理阻隔法及施用钝化剂是降低作物中重金属积累的重要手段。锌（Zn）作为植物生长的必需微量元素，可同时与镉（Cd）、砷（As）等重金属元素竞争通道或转运蛋白，从而抑制作物对Cd、As等的吸收。烟草是一种易累积Cr的植物，在国内10个主要种植烟草的省份中，云南烟草中的Cr平均含量最高（张晓静等，2012），同时云南农田土壤中的Zn背景值较高（张小敏等，2014），因此，研究Zn和Cr的复合作用对降低烤烟Cr含量具有重要意义。【前人研究进展】Zn作为植株生长必需的矿质营养元素，低含量能协调植株生理机能，但含量过高会抑制植株生理代谢（朱志国和周守标，2016）。杨微等（2017）研究揭示高浓度Zn能促进烟叶超氧自由基产生及过氧化氢和丙二醛含量增加，对烟叶造成生理损伤。刘领等（2019）研究表明烟叶喷施ZnSO4能促进烟株生长，增加干物质积累。同时Zn与其他重金属离子存在复杂的交互作用，金倩等（2015）研究发现Zn和Cr复合胁迫对大豆根际土壤酶活性具有协调抑制作用。吴佳等（2017）研究证实通过基施Zn肥能有效阻止Cd向水稻地上部转运，进而降低水稻对Cd的吸收积累。而郭俊娒等（2019）研究指出，在Cd和Zn共同胁迫下，Zn对三七景天地上部Cd吸收具有低促高抑效应，可能是由于不同植物对重金属胁迫的表现不同。植株受到环境胁迫时会激发体内的化学防御反应，其中多酚类物质合成是植物应对胁迫的一个重要途径（杨慧芹等，2015;Popovi? et al.，2016;周培禄，2019;Chiara et al.，2019）。在Cd胁迫下，旱柳黄酮类化合物合成通路的黄酮醇合成酶（FLS）和黄烷酮-3-羟化酶（F3H）基因表达均明显上调（曹继敏等，2020）。而Cd和Zn复合处理会降低银中杨叶片的黄酮含量（王月月等，2019），诱导秋茄根中木质素和酚类生物合成，参与清除过量的活性氧（ROS），进而提高对Cd和Zn胁迫的耐受性（Chen et al.，2019）。李笑媛等（2019）研究发现，Cd、铅（Pb）单一处理降低川穹中阿魏酸含量，复合处理则提高其含量。【本研究切入点】目前，有关植株Cr胁迫的研究大多集中于植株生理代谢及重金属富集特征方面，而有关Zn和Cr复合胁迫的研究较少，且鲜有报道关于Zn对植株Cr吸收及多酚含量影响的研究。【拟解决的关键问题】通过盆栽试验，外源施入Zn2+和Cr6+溶液，探究其对烟株Cr吸收和烟叶多酚类物质的影响，并分析Zn/Cr浓度比例与烟株Cr吸收和烟叶多酚类物质的相关性，以期为烤烟种植过程中重金属污染的防治及修复提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

供试烤烟品种为红花大金元。试验土壤为红壤，采自云南农业大学后山自然背景低肥力土壤，装盆前过2 mm筛，充分混匀。土壤pH 6.97，有机质7.06 g/kg，硝态氮2.33 mg/kg，铵态氮4.89 mg/kg，有效磷11.69 mg/kg，速效钾77.18 mg/kg，全Cr 69.8 mg/kg，全Zn 117 mg/kg，Cr和Zn均低于GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》规定的土壤污染风险筛选值（Cr 200 mg/kg，Zn 250 mg/kg，6.5

1. 2 试验设计

盆栽试验于2018年在云南农业大学烟草学院设施大棚内进行。将漂浮育苗培育的壮苗移栽入花盆（每盆1株，花盆上下口径、高度为34 cm×19 cm×23 cm），每盆装风干过筛土10 kg，施用烟草专用复合肥45 g[m（N）∶m（P2O5）∶m（K2O）=12∶12∶24]作基肥。用ZnSO4和KCr2O7（分析纯，西陇化工股份有限公司）配制成不同浓度水溶液，于移栽7 d后以模拟污灌方式，一次性复合施入Cr6+和Zn2+溶液500 mL，设对照（不添加Zn和Cr）、单一Zn处理（20、60和100 mg/kg）及Zn与不同浓度Cr（15、30和90 mg/kg）复合处理，共13个处理，每处理重復3次。后期正常管理，分别在移栽后50 d（旺长期）和80 d（成熟期）取烟株样品进行分析。

1. 3 测定指标及方法

在烟苗移栽后50和80 d，用打孔器取7～11叶位的一定重量烟叶，用去离子水洗净后在烘箱内杀青干燥，采用高效液相色谱（1260 infinity Ⅱ，Agilent，USA）法测定叶片的多酚含量。移栽后80 d，分部位收获烟株，先用自来水洗净茎、叶、根表面的土壤，然后用0.01 mol/L EDTA与去离子水洗净植株，滤纸吸干水分，于105 ℃杀青30 min，60 ℃烘干后测定干物质重量。将各处理干燥后的根、茎、叶样品各自混合均匀，采用浓硝酸和高氯酸湿法消解（体积比5∶1）样品，ICP-OES（Prodigy，Leeman，USA）法测定各部位中的Cr和Zn含量。

1. 4 统计分析

试验数据采用Excel 2016和Origin 6.1进行处理与作图分析，用SPSS 20.0进行差异显著性检验和双因素方差分析。Cr生物累积系数（Bioaccumulation factor，BAF）=某一组织Cr含量（mg/kg）/土壤中Cr含量（mg/kg）;Cr位移系数（Translocation factor，TF）=烟株地上部分Cr含量（mg/kg）/地下部分Cr含量（mg/kg）。Cr和Zn交互作用对烟叶多酚含量的影响采用方差分析进行。

2 结果与分析

2. 1 外源Zn对Cr胁迫下烟株生物量的影响

Cr和Zn对烟株各组织生物量的影响如表1所示。在外源Zn单独处理下，烟株各部位的生物量均随Zn浓度增加呈先升高后降低的变化趋势，Zn为60 mg/kg时烟株各部位生物量最高，根、茎、叶干重分别比对照增加28.1%、14.5%和7.4%。在Zn和Cr复合作用下，15 mg/kg Cr处理的烟株生物量与对照相差较小，其中15 mg/kg Cr×100 mg/kg Zn處理的烟株各部位生物量均高于对照;而90 mg/kg Cr复合60～100 mg/kg Zn处理烟株的根、茎、叶生物量均明显低于对照，其中叶干重分别比对照降低45.6%和67.9%。

双因素方差分析结果（表1）表明，Cr、Zn及其交互作用均极显著影响烟株的根、茎、叶生长（P<0.01，下同），影响烟株根、茎、叶干重的因素排序为Cr>Cr×Zn>Zn。

2. 2 外源Zn对Cr胁迫下烟株吸收Cr和Zn的影响

从表2可看出，在0～15 mg/kg Cr胁迫下，添加低浓度Zn能促进烟株根部对Cr的吸收，但随着Zn浓度增加，根中Cr含量降低，而茎、叶中Cr含量增加;当Zn为100 mg/kg时，烟株根部的Cr含量分别比对照降低66.6%（0 mg/kg Cr）和81.6%（15 mg/kg Cr），此时烟株中Cr含量为叶>根>茎。在30～90 mg/kg Cr胁迫下，烟株根中Cr含量大体上随Zn浓度增加而增加。在单一Zn作用下，烟株根、茎、叶对Zn的吸收量总体随Zn浓度增加而增加，当Zn浓度为100 mg/kg时，根中Zn含量比对照显著增加175.8%（P<0.05，下同）。在Cr和Zn交互作用下，除15 mg/kg Cr×60 mg/kg Zn处理的根中Zn含量高于对照外，其余处理烟株根和茎中Zn含量均低于对照，叶片Zn含量除15 mg/kg Cr水平外均低于对照，各处理叶片Cr含量均明显低于对照。

双因素方差分析结果（表2）表明，Cr、Zn及其交互作用均极显著影响烟株中Cr和Zn含量，且影响根、茎中Cr和Zn含量的因素排序均为Cr>Cr×Zn>Zn。

由表3可知，外源添加Zn处理下，烟株根、茎、叶的BAF分别为0.08～1.26、0.02～0.05和0.04～0.32。在0～15 mg/kg Cr处理下，除对照外，随着外源Zn浓度增加，烟株根BAF降低，而TF升高;当外源Zn为100 mg/kg时，叶/根TF分别为1.55（0 mg/kg Cr）和1.81（15 mg/kg Cr）。当30 mg/kg Cr与Zn复合处理时，烟株根的BAF均大于1.00。而高浓度Cr（90 mg/kg）处理下，茎、叶的BAF和TF均较小，且随着Zn浓度的增加，TF逐渐降低。

2. 3 外源Zn对Cr胁迫下烟叶多酚类物质的影响

从图1可知，在单一Zn处理下，2个时期各处理的烟叶绿原酸和芦丁含量均显著高于对照，100 mg/kg Zn处理的烟叶绿原酸和芦丁含量最高，分别比对照增加231.7倍（80 d）和2.4倍（80 d），随着烟株生长，烟叶绿原酸和芦丁含量增加。Cr和Zn复合处理中，在相同Zn水平下，2个时期均以15 mg/kg Cr处理的烟叶绿原酸和芦丁含量最高。移栽后80 d，在15～30 mg/kg Cr处理下，烟叶绿原酸和芦丁含量随Zn浓度增加而增加;在90 mg/kg Cr处理下，烟叶绿原酸和芦丁含量随Zn浓度增加呈先升后降的变化趋势。80 d时，15 mg/kg Cr×100 mg/kg Zn复合处理的烟叶绿原酸和芦丁含量最高，分别比对照增加248.3倍和3.6倍。由此看出，Cr和Zn复合处理对烟叶绿原酸和芦丁的作用极其复杂，而外源Zn对烟株抵御30～90 mg/kg Cr毒害的作用较小。

在单一Zn作用下，2个时期各处理的烟叶莨菪亭含量均显著高于对照。在Cr和Zn复合胁迫下，移栽50 d时以30 mg/kg Cr×20 mg/kg Zn处理烟叶莨菪亭含量最高，比对照增加94.9%;80 d时以90 mg/kg Cr×100 mg/kg Zn处理烟叶莨菪亭含量最高，比对照增加69.8%。Cr和Zn复合处理的烟叶莨菪亭含量随着烟株生长大致呈降低趋势。

2. 4 Cr和Zn交互作用对烟叶多酚类物质的影响

从表4可看出，Cr、Zn及其交互作用对烟叶多酚类物质均有极显著影响。由方差和可知，Cr对烟叶芦丁含量的影响大于Zn和Cr×Zn作用。移栽50 d后，Cr对烟叶绿原酸含量影响较大，Cr×Zn对烟叶莨菪亭含量影响较大;移栽80 d后，Cr×Zn则是影响烟叶绿原酸含量的主要因素，Cr则是影响烟叶莨菪亭含量的主要因素。说明随着时间推移，Cr×Zn交互作用对烟叶绿原酸的影响效应逐渐增强，而Cr对烟叶莨菪亭的影响效应逐渐增强。

2. 5 Zn/Cr浓度比例对烟株生长、Cr吸收和多酚类物质含量的影响

对土壤Zn/Cr不同添加浓度比值与烟株生长、Cr吸收和多酚含量进行相关分析，结果如表5所示，Zn/Cr浓度比例与烟株根和叶生物量呈极显著正相关，与烟株茎生物量呈显著正相关，与根、叶的Zn含量呈极显著正相关，与茎的Zn和Cr含量无显著相关性（P>0.05），与根、叶的Cr含量分别呈极显著负相关和极显著正相关，与烟叶绿原酸和芦丁含量呈极显著正相关。

3 讨论

重金属不仅对植物产生毒害作用，还与营养元素竞争植物吸收部位（根系或木质部），间接影响植物的正常生长发育，降低地上生物量（孙健等，2007;李丹洋，2019;钟旻依等，2019）。本研究中，单一Zn处理对烟株的地下和地上部生长呈低促高抑现象，与郭俊娒等（2019）的研究结果类似。此现象可能是由于Zn过量造成烟株体内离子稳态系统紊乱，影响蒸腾作用和光合作用等代谢过程所致。Cr和Zn复合胁迫对烟株生长的抑制作用大于单一Zn胁迫，高浓度的Zn（100 mg/kg）与Cr（90 mg/kg）复合产生协同作用，使烟株的生长尤其是根系受到较大抑制;而15 mg/kg Cr与20、100 mg/kg Zn处理的烟株生物量比对照高，可能是由于外源Zn与Cr产生拮抗作用，促进烟株养分的吸收。

植物主要通过根系吸收元素并转移到地上部分。Cr在植物中的移动性一般较低，易在植物根部积累（陈永林等，2017）。本研究中，大多数Cr和Zn复合处理下烟株中的Cr、Zn含量均為根>叶>茎，与鲁黎明等（2013）的研究类似，同时所有添加外源Zn处理的烟叶Cr含量均比对照低。0～15 mg/kg Cr与20～60 mg/kg Zn交互会产生协同作用，增加根部Cr积累，且Zn含量增加;但高浓度Zn显著抑制烟株根部Cr的吸收，并促使Cr向地上部分转移（叶/根TF>1.00）。这可能是因为高浓度Zn与Cr在根部竞争结合，并使Cr的迁移能力增强。当Cr浓度为90 mg/kg时，根中Cr含量随着Zn浓度增加而上升，但Cr向叶片转移能力减弱，同时根、茎、叶中的Zn含量比其他处理均有所降低。所以Cr、Zn复合污染对烟株的作用非常复杂，不同Cr、Zn添加浓度导致协同或拮抗作用。土壤Zn/Cr添加比例与烟株的生物量及Cr、Zn吸收量存在显著相关性，故Cr、Zn外源添加比例也可能显著影响其对植物的交互作用。

多酚是烟草中重要的一类次生代谢物质，不仅参与烟草生理代谢，还会影响烤后烟叶的品质和安全性（孙志浩等，2017），其含量与环境胁迫也有直接关系（杨慧芹等，2015;周培禄等，2018）。姜艳等（2018）研究也发现，低剂量重金属会促进植物的次生代谢，积累绿原酸和芦丁等次生代谢物。本研究中，单独添加Zn，烟叶绿原酸和芦丁含量均显著高于对照，说明单一Zn能促进烟叶次生代谢。Cr和Zn均为低浓度时，复合处理的烟叶绿原酸和芦丁含量均高于对照和单一Zn处理;而在高浓度Cr和Zn复合处理下，移栽50 d的烟叶绿原酸和芦丁含量均低于对照。此现象可能由于低水平的Cr和Zn相互之间产生拮抗作用，激活烟草自身抵御胁迫机制，促进多酚合成关键酶苯丙氨酸酶（PAL）活性，烟叶多酚得以积累，而高浓度的Cr和Zn复合则产生协同作用，抑制PAL活性，阻碍多酚积累。此外，随着烟株生长，对照的烟叶绿原酸和莨菪亭含量降低，芦丁含量增加，而Cr和Zn复合处理烟叶除莨菪亭含量降低外，绿原酸和芦丁含量则明显增加。这些结果与土壤Zn/Cr添加比例与烟株多酚含量的相关性一致，表明Cr、Zn影响具有一定的时间累积性，且不同浓度金属复合表现为协同或拮抗作用，从而促进或抑制烟草多酚等次生代谢物合成。但重金属交互胁迫对烟株多酚代谢物的调控途径较复杂，还需进一步研究。

4 结论

添加外源Zn能明显抑制烟叶的Cr吸收，Cr和Zn复合作用能降低烟叶积累Cr和Zn，土壤Zn/Cr添加比例高时能促进烟叶中绿原酸和芦丁的积累。因此，可考虑通过添加Zn元素调节土壤中Cr、Zn比例以降低烟叶中Cr含量和调控烟叶中多酚物质积累。

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（責任编辑 罗 丽）