盐镉互作下盐地碱蓬和碱蓬生长及镉吸收的比较研究*

吴玉洁,封晓辉,张 睿,李 静,刘小京**

(1.河北省土壤生态学重点实验室/中国科学院盐碱地资源高效利用工程实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心 石家庄 050022; 2.中国科学院大学 北京 100049)

镉(Cd)是一种植物生长的非必需重金属元素,对大多数生物具有较高的毒性,当土壤中总Cd含量超过8 mg·kg或可溶性镉超过0.001 mg·kg时,即会对植物产生毒害,其毒性比其他重金属元素高2～20倍。并且,由于Cd具有迁移能力强、易被作物根系吸收并在果实中积累的特点,会影响农产品质量并严重威胁到人类的健康。随着我国沿海地区工农业发展和城市建设等人类活动影响,部分地区土壤中Cd等重金属含量已明显超标,迫切需要修复。植物修复因其具有成本低、易实施,并具有美学价值等特点而备受关注。传统的植物修复技术一般采用甜土植物,但这类植物很难在受污染的盐碱土壤中生长。盐生植物具有特殊的解剖结构和生理特性,能够适应盐渍环境,其对高盐或重金属胁迫具有较高的耐受性,如减少盐或重金属进入根系或限制向地上部运输、通过盐腺把吸收的盐或重金属分泌到体外或通过主动运输把盐或重金属区隔化到液泡当中等,因此,其在重金属污染的盐碱土壤修复中愈来愈受到重视。虽然盐生植物对重金属有较高的耐性,但对于重金属污染土壤的修复,人们更希望重金属能够在地上部积累,通过收获带走进行焚烧处置或在经济可行的情况下进行重金属元素提取。已有研究表明,盐生植物盐地碱蓬()和碱蓬()对Cd有较高的地上部富集效应,且盐分的增加能够促进Cd的吸收,具有修复Cd污染土壤的潜力。尽管盐地碱蓬和碱蓬同是藜科(Chenopodiaceae)碱蓬属的一年生聚盐型盐生植物,但两种植物的生境不同,盐地碱蓬一般生长在低洼潮湿的高盐环境,而碱蓬适应于干燥且pH较高的环境。盐碱地微地形的变化可导致土壤盐分的变化,由于两种植物类似,许多文章在书写时把盐地碱蓬和碱蓬的中文名称混淆,目前尚未对盐、Cd及其互作对盐地碱蓬和碱蓬生长和Cd吸收的比较研究。因此,本研究采用水培试验方法,比较分析了盐地碱蓬和碱蓬在NaCl、Cd及其互作处理下的生长和Cd吸收差异,并探讨了盐对盐生植物Cd吸收的调控机制,以期为利用盐生植物修复盐碱区重金属污染土壤提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验处理

供试植物为盐地碱蓬和碱蓬,种子采于河北省海兴县盐碱地(117°32′～117°58′E,38°19′～38°29′N)。将种子播种到基质(泥炭和蛭石比例为1∶1)中。待长齐8叶时,选取长势一致的幼苗,移栽于1/2霍格兰营养液(pH 5.8～6.2)的水培烧杯(1 L),烧杯外包裹铝箔纸用于遮光,每个烧杯中放置20株幼苗,缓苗10 d后开始处理。试验设置盐(NaCl)和镉(Cd)两个因素,每个因素两个水平。根据文献资料[10],盐处理设0 g·LNaCl (S)和10 g·LNaCl (S),Cd处理设0 mg·LCd (Cd)和5 mg·LCd (Cd)。盐和Cd分别用分析纯NaCl和分析纯CdCl·2.5HO (含Cd量49.1%)的形式施入。各处理的培养液均在1/2霍格兰营养液基础上配置而成。试验采用完全随机设计,共4个处理,以SCd处理为对照,每个处理5次重复,两种植物共计40盆,随机摆放在室内培养架上,光照15 h·d,温度(25±2)℃。试验每7 d更换一次培养液,定期通气。试验21 d后采收所有试验材料并测定相关指标。

1.2 取样方法及指标测定

采样分地上部和地下部,用蒸馏水反复多次冲洗根系,用吸水纸吸水后,分别称地上部和根鲜重,之后置于烘箱105 ℃杀青1 h,并于75 ℃烘干至恒重。叶片肉质化程度为叶片鲜重和干重的比值,根冠比为地下部干重和地上部干重的比值。将地上部样品粉碎研磨后,称0.3 g样品加6 mL浓硝酸,过夜后放置在消解箱中消解2 h,取出后加0.5 mL高氯酸再开放式消煮2 h至溶液变成透明黄豆大小液滴,冷却后定容至50 mL。利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,Thermo SCIENTIFIC,USA)测定消煮液中Cd浓度。Na、K、Ca和Mg利用原子吸收光谱仪(WYX-420C,JASCO Corporation,Japan)测定。采用蒽酮比色法测定可溶性糖的含量,用茚三酮显色法测定脯氨酸含量。

1.3 数据分析

采用Excel 2019和SPSS 21软件对数据进行统计分析。采用多因素方差分析和邓肯(Duncan’s test)进行方差分析和多重比较,＜0.05为差异显著,＜0.01为差异极显著,用Pearson相关性检验对Cd浓度和其他离子浓度进行相关分析。利用Origin 2019b作图。图表中数据为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 盐和Cd互作对盐地碱蓬和碱蓬生长的影响

生物量是植物对胁迫反映最直观的体现。不同盐、Cd处理对盐地碱蓬、碱蓬的生长差异如表1所示。多因素方差分析结果表明,在本试验条件下两种植物地上部生物量、地下部生物量和总生物量以及根冠比之间均有极显著的差异(＜0.01); 盐或Cd对两种植物地上部生物量、地下部生物量和总生物量以及根冠比均有显著的影响(＜0.01),Cd对两种植物叶片肉质化程度影响显著(＜0.05); 两种植物的地下部生物量和根冠比对盐分的响应差异极显著(＜0.01); 两种植物的地上部生物量、总生物量和根冠比对Cd的响应差异显著(＜0.05或＜0.01); 盐和Cd互作极显著影响两种植物的地下部生物量和根冠比(＜0.01)、显著影响叶片肉质化程度(＜0.05); 两种植物的根冠比对盐和Cd互作的响应差异极显著(＜0.01)。说明盐地碱蓬和碱蓬的生长存在显著差异,盐或Cd均显著影响两种植物的生长,且两种植物对盐和Cd的响应存在明显不同。

表1 盐和Cd互作处理对盐地碱蓬和碱蓬生长的影响Table 1 Effects of salt,Cd and their interaction on the growth of Suaeda salsa and Suaeda glauca

从表1可以看出,碱蓬的生物量显著大于盐地碱蓬(＜0.05),无盐条件下施Cd (SCd)与不施Cd(SCd)相比,盐地碱蓬和碱蓬的地上部生物量、地下部生物量和总生物量、叶片肉质化程度和根冠比分别降低51.2%、80.0%、57.1%、26.7%、61.9%和45.3%、68.6%、48.7%、29.1%、41.2%,说明Cd抑制两种植物的生长,降低叶片肉质化程度和根冠比,且Cd对盐地碱蓬的抑制作用大于碱蓬,特别是对根的抑制更明显。无Cd条件下施盐(SCd)与不施盐(SCd)相比,盐地碱蓬和碱蓬的地上部生物量分别增加19.0%和7.9%,盐地碱蓬地下部生物量有减少趋势但差异不显著,但碱蓬地下部生物量显著减少42.9% (0.05),最终总生物量分别增加12.2%和0.8%,根冠比分别减少28.6%和47.1% (0.05); 施盐对盐地碱蓬叶片肉质化程度影响不明显,但碱蓬的叶片肉质化程度显著降低17.7% (0.05),说明施盐可促进两种植物地上部的生长,且对盐地碱蓬地上部生长的促进作用显著大于碱蓬,但显著抑制碱蓬地下部的生长且显著降低碱蓬的叶片肉质化程度。盐镉互作处理(SCd)与盐处理(SCd)相比,盐地碱蓬和碱蓬生物量均显著降低(0.05),但是与无盐Cd处理(SCd)相比,盐地碱蓬和碱蓬的地上部生物量、地下部生物量、总生物量、根冠比和叶片肉质化程度分别增加57.6%、120.0%、65.1%、50.0%、15.2%和12.6%、-10.0%、10.7%、-20.0%、13.0%,说明施盐显著缓解了Cd对盐地碱蓬生长的抑制作用,特别是对Cd抑制盐地碱蓬根生长的缓解作用更为明显,对碱蓬地上部的生长有一定的缓解作用,但有抑制碱蓬根系生长的趋势。

2.2 盐对盐地碱蓬和碱蓬地上部Cd吸收的影响

多因素方差分析结果表明,盐处理对两种植物地上部Cd吸收具有极显著影响(＜0.01),但两种植物间差异不显著。从图1可以看出,盐处理使盐地碱蓬和碱蓬地上部Cd含量分别降低83.5%和79.9%。无盐Cd处理(SCd)下碱蓬的Cd含量较盐地碱蓬低9.0%,有盐Cd处理(SCd)下碱蓬地上部对Cd的吸收有大于盐地碱蓬的趋势,但差异均不显著。

2.3 盐地碱蓬和碱蓬地上部离子吸收和Cd积累对盐、Cd及其互作的响应

多因素方差分析结果表明(表2),在本试验中物种间和盐、Cd处理下盐地碱蓬和碱蓬地上部Na、K含量均差异极显著(＜0.01),但3因素间的交互作用对地上部Na含量影响不显著; 除物种与盐互作外,其他互作对K含量的影响显著; 而物种、盐处理、Cd处理及其交互作用对盐地碱蓬和碱蓬地上部K/Na则具有显著的影响。图2A表明,无盐(SCd和SCd)处理下盐地碱蓬地上部Na含量显著高于碱蓬(0.05),但K含量显著低于碱蓬(0.05); 施盐显著促进盐地碱蓬和碱蓬地上部Na吸收(0.01),显著降低地上部K的吸收(0.01)。施Cd进一步促进了两种植物地上部Na的吸收(图2A):无盐条件下施Cd (SCd)与不施Cd (SCd)相比,盐地碱蓬和碱蓬地上部Na含量分别增加了66.1% (＜0.05)和83.4%; 有盐条件下施Cd (SCd)与不施Cd(SCd)相比,盐地碱蓬和碱蓬地上部Na含量分别增加4.1%和6.0% (0.05)。与地上部Na含量变化不同,无盐条件下施Cd (SCd)显著降低地上部K的含量和K/Na比(图2B,2C),与不施Cd (SCd)相比,盐地碱蓬、碱蓬地上部K含量和K/Na比分别降低29.9%、57.5% (0.05)和9.4%、49.5% (0.05); 有盐条件下施Cd (SCd)与不施Cd (SCd)相比,盐地碱蓬和碱蓬地上部K含量和K/Na均无显著变化(图2B,2C)。进一步分析发现,虽然两种植物地上部Cd含量相近(图1),但地上部Na、K离子积累对Cd的响应不同。从盐地碱蓬和碱蓬地上部Na/Cd比、K/Cd比结果发现(图3),在Cd处理下盐地碱蓬地上部Na/Cd比高于碱蓬,而碱蓬K/Cd比高于盐地碱蓬,但差异均不显著; 施盐显著提高盐地碱蓬和碱蓬的Na/Cd比(图3A)和K/Cd比(图3B)(＜0.01)。上述结果表明,两种植物地上部Na和K含量不同,且对盐和Cd处理下的响应不同,盐地碱蓬地上部依靠积累更多的Na来调控Cd的吸收,而碱蓬地上部依靠积累更多的K来调控Cd的吸收。

图1 盐处理对盐地碱蓬和碱蓬地上部Cd含量的影响Fig.1 Effects of salt treatment on shoot Cd content of Suaeda salsa and Suaeda glauca

表2 盐镉互作处理下盐地碱蓬和碱蓬离子含量的三因素方差分析Table 2 Three-way ANOVA of salt-Cd interactions on ions content of two plants

图2 盐镉互作处理对盐地碱蓬和碱蓬地上部Na+(A),K+(B)含量和K+/Na+比(C)的影响Fig.2 Effects of salt-Cd interactions on shoot Na+(A),K+ (B)contents and K+/Na+ ratio (C)in Suaeda salsa and Suaeda glauca

图3 盐处理对盐地碱蓬和碱蓬地上部Na+/Cd比(A)和K+/Cd比(B)的影响Fig.3 Effects of salt treatment on shoot Na+/Cd ratio (A)and K+/Cd ratio (B)of Suaeda salsa and Suaeda glauca

2.4 盐、Cd及其互作对盐地碱蓬和碱蓬地上部脯氨酸和可溶性糖积累的影响

脯氨酸和可溶性糖作为大多数盐生植物的有机渗透调节物质,在抵抗逆境胁迫时发挥着重要作用。多因素方差分析结果表明(表3),在本试验条件下,物种间、盐处理、Cd处理及其互作处理对盐地碱蓬和碱蓬地上部脯氨酸含量无显著影响,而物种间、盐处理、Cd处理以及盐与物种互作对盐地碱蓬和碱蓬地上部可溶性糖含量的影响均显著(＜0.01,＜0.05),而其他互作处理间差异均不显著。

表3 盐镉互作处理下两种植物渗透调节物质的三因素方差分析Table 3 Three-way ANOVA of salt-Cd interactions on two osmotic regulators of two plants

从图4A可以看出,无盐条件下,碱蓬地上部脯氨酸含量高于盐地碱蓬,施Cd有进一步提高两种植物地上部脯氨酸含量的趋势,但均差异不显著; 施盐有提高两种植物地上部脯氨酸含量的趋势,盐和Cd互作维持脯氨酸在较高水平,但均差异不显著。从图4B可以看出,无盐条件下,盐地碱蓬地上部可溶性糖含量显著高于碱蓬(＜0.05),施Cd进一步提高地上部可溶性糖含量,且碱蓬的地上部可溶性糖增加显著(＜0.05); 施盐显著降低盐地碱蓬地上部可溶性糖含量,盐、Cd互作比盐处理有增加趋势,但盐处理和盐Cd互作处理对碱蓬地上部可溶性糖含量影响不显著。两种植物相比,碱蓬更趋向于积累有机渗透调节物质来适应盐Cd逆境胁迫。

图4 盐镉互作处理对盐地碱蓬和碱蓬地上部脯氨酸(A)和可溶性糖(B)含量的影响Fig.4 Effects of salt-Cd interactions on shoot proline (A)and soluble sugar (B)contents of Suaeda salsa and Suaeda glauca

3 讨论

盐地碱蓬和碱蓬同为藜科碱蓬属物种,具有同步的物候特征,但由于其生境不同,两者之间也存在一定的不同,例如:盐地碱蓬通常分布在沿海沼泽地区,耐盐耐涝能力强,在低养分条件下适应性强,通常处于演替前期,但竞争能力差; 而碱蓬通常处于演替后期,竞争能力较强,并且主要分布于远离海洋的陆地或高地,因此耐盐能力差,但耐碱能力更强,故两种植物对于缓解Cd处理造成的生长抑制的调控机制也可能存在差异。

由于Na、K具有相似的化学结构,两种离子在进入细胞时存在一定的竞争关系。在本试验中盐处理显著促进盐地碱蓬和碱蓬地上部Na吸收,显著降低地上部K的吸收,并且由于盐地碱蓬更耐盐,因此盐地碱蓬地上部Na含量显著高于碱蓬,但K含量显著低于碱蓬,而且Cd会进一步促进盐地碱蓬和碱蓬对Na的吸收。这与陈柯罕的研究结果一致,在相同盐浓度下,随着Cd浓度的增加,盐地碱蓬根、茎、叶中的Na均显著增加,并且在茎叶中表现更为显著。此外,盐处理使盐地碱蓬地上部Na/Cd高于碱蓬、而K/Cd则低于碱蓬,表明较高的Na/Cd、K/Cd分别是盐地碱蓬和碱蓬缓解Cd造成的生长抑制的主要因素。

盐分(NaCl)是盐生植物生长必不可少的条件之一,并且能够有效地缓解植物所受到的逆境胁迫。在本研究中,结合生物量和Cd含量的关系(表1、图1)分析,Cd处理显著抑制了两种植物地上、地下部的生长,增加NaCl能显著缓解这种生长的抑制,这与已有的研究结果一致:添加适量NaCl,能够使低量Cd胁迫下碱蓬、滨藜()、互花米草()、红匍昼花()等盐生植物的生物量增加,但在高量Cd胁迫下则仍表现为抑制生长。脯氨酸和可溶性糖可作为大多数盐生植物的有机渗透调节物质,在盐、重金属等非生物胁迫下发挥着重要作用。在本试验中,盐和Cd的施入促进了盐地碱蓬和碱蓬对Na的吸收,使叶肉细胞内Na含量增加,促进了脯氨酸、可溶性糖含量的增加,从而能够增加细胞的渗透调节,维持细胞正常代谢,提高植物的抗逆性,这与之前的研究结果一致。

王亚男等、陈雷等通过盆栽试验均表示,在同一Cd浓度处理下,添加NaCl会促进盐地碱蓬对Cd的吸收,并且盐地碱蓬对Cd的积累会随着NaCl浓度的增加而增加,这与本试验得出的结论有所不同,这可能与培养介质不同有关,本文采用水培的方法,与盆栽之间存在介质的差异,Cd胁迫后的土壤在添加NaCl后会显著降低根际土壤中的pH,活化土壤中的Cd,增加土壤中可提取态Cd的浓度,根系分泌物能够与重金属络合从而增加其生物有效性,并且一些根际微生物也会参与活化土壤重金属,从而能促进植株对Cd的吸收。此外,Na等盐分离子会与Cd通过竞争植物根系表面吸收结合位点从而降低植物对Cd的吸收。在本试验中,Na与Cd之间存在着显著的负相关关系,这可能是本试验中NaCl的添加反而降低了Cd浓度积累的另一个原因。

4 结论

5 mg·LCd处理对盐地碱蓬和碱蓬的生长及渗透调节均有显著影响,尤其对根部的抑制更为显著,并且对盐地碱蓬的胁迫程度要显著大于碱蓬。施盐能够缓解Cd对生长的抑制,且对盐地碱蓬的缓解作用大于碱蓬,特别是对Cd抑制盐地碱蓬根系生长的缓解作用更为明显。盐地碱蓬和碱蓬分别通过维持较高的Na/Cd和K/Cd缓解Cd对两种植物生长的抑制,可溶性糖的积累对于维持碱蓬在胁迫条件下的生长作用更为明显。综上,盐、Cd及其互作处理对两种近缘碱蓬属盐生植物的差异主要体现在Na、K的吸收积累以及生物量方面,而在Cd吸收方面则无显著性差异。