铅胁迫对不同基因型烟草铅吸收、运转及积累的影响

文晓阳，饶巍，李春萍，覃德华，郭芳阳，王慧，董昆乐，杨瑞辉，陈明灿

(1.河南科技大学农学院，河南 洛阳 471000；2.河南省农业科学院烟草研究所，河南 许昌 461000；3.河南省烟草公司洛阳市公司，河南 洛阳 471000)

烟草是重要的经济作物，2021年我国烟草行业实现工商税利总额13 581亿元。优质的烟叶原料是烟草行业生存和发展的基础，同时也是烟区持续发展与否的保障[1，2]。《全国土壤污染状况调查公报》显示，目前我国耕地土壤环境的污染超标率已达19.4%，其中比较突出的是重金属污染问题[3]。铅(Pb)是污染最严重的重金属元素之一，也是有毒重金属之一。它是植物生长的非必需元素，一旦土壤含量超标，就很难将其去除，从而使一些不能“选择性自主移动”的作物不可避免地受到铅污染毒害[4]。有研究表明，铅能够抑制种子萌发，降低种子活力，抑制植株生长，并积累在植株体内[5，6]，同时大气中的铅(灰尘中含有的重金属)元素从叶片气孔进入烟株内，也可导致铅在烟株内积累，烟草品质随着铅含量的增加而下降[7-9]；更为严重的是铅元素能转化为气溶胶或金属氧化物形式，再通过烟气进入人体，从而造成人类生殖障碍[10，11]；过量的铅会损伤肠胃健康、毒害肾脏、损害神经，导致高血压、铅性贫血，影响人的智力发育，降低人体免疫力[12]。因此，选择铅低积累型烟草品种，降低烟草重金属含量对其安全生产极为重要。此外，利用作物的富集作用将土壤中的重金属转移出去，从而修复重金属污染土壤，是一种经济、有效且对环境扰动少的途径[13]。前人在铅对烟草生长及其光合特性影响方面已有较为深入的研究[14，15]，但从多个基因型及不同铅浓度胁迫方面研究烟草的铅吸收运转及积累还鲜有报道。本试验以10个不同基因型烟草为材料，通过测定、分析外源铅胁迫下烟草的铅含量、积累量、转运系数及生物量等，以筛选出低集聚和高富集型烟草品种，为烟草安全生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2021年在河南科技大学开元校区农场(北纬34°35′50″，东经112°24′44″，气压1 003.8 hPa，海拔77.6 m)进行。供试土壤为褐土，其耕层土壤基本理化性质见表1。供试烟草品种为中烟100(G1)、豫烟10(G2)、云烟87(G3)、云烟99(G4)、秦烟96(G5)、豫烟13(G6)、LY1306(G7)、云烟105(G8)、渝金香1号(G9)、K326(G10)。

表1 土壤的基本理化性质

1.2 试验设计与管理

2021年3月初播种育苗，5月19日选取长势整齐一致的烟苗移栽至塑料盆中。塑料盆直径33 cm，高35.5 cm。每盆装土15 kg，移栽前施入烟草专用复合肥(N-P-K＝10-10-25)18 g/盆，旺长期追施12 g/盆。以醋酸铅作为外源铅，设置0(CK)、500、1 000 mg·kg-1三个铅胁迫水平(模拟铅污染环境)，每处理重复5次。烟草生长期间参照大田生产常规管理。

1.3 测定指标及方法

生物量测定:烟草成熟期(烟苗移栽后135天)取不同基因型烟草各5株，放入105℃烘箱内杀青40 min，然后75℃烘干，分别称根、茎、叶生物量。

成熟期烟株根、茎、叶(上部叶、中部叶、下部叶、脚叶)铅含量测定:取0.2000 g样品，用优级纯HClO4-HNO3(体积比为1∶4)浸泡2 h后用红外智能消化炉消解，用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定[16]。

铅耐性指数＝外源铅胁迫下生物量/CK生物量[17]；铅积累量＝地上部生物量×地上部铅含量+根部生物量×根部铅含量；烟草铅转运系数(TF)＝C地上部分/C根(式中:C地上部分表示烟草地上部所有组织的平均铅含量；C根表示烟草根中的铅含量)[18]。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据统计整理，DPS软件进行数据分析，Origin 2022软件绘图。

2 结果与分析

2.1 外源铅胁迫对不同基因型烟草生物量的影响

从表2中可以看出，不同基因型烟草对铅胁迫的响应不同。与CK相比，G1、G4、G8、G9、G10随外源铅胁迫浓度增加，生物量逐渐下降，其他基因型品种呈先增后降趋势，高浓度铅抑制所有品种烟株生长。G1在不同浓度外源铅胁迫下均表现出较高生物量，G4生物量则较低，特别是在1 000 mg·kg-1外源铅胁迫时，G1生物量是G4的1.7倍。

表2 外源铅胁迫对不同基因型烟草生物量的影响 (g/株)

2.2 外源铅胁迫下不同基因型烟草铅含量

2.2.1 不同器官铅含量 从图1可以看出，随着外源铅胁迫浓度的增加，不同基因型烟草根、茎、叶铅含量呈增加趋势；同一铅浓度胁迫下，不同基因型烟草同一器官铅含量存在显著性差异。

从图1A可以看出，在500、1 000 mg·kg-1铅胁迫下，G1、G3、G9根系铅含量较低，而G7根系铅含量则显著高于其他品种(P＜0.05)。0、500、1 000 mg·kg-1铅胁迫下，G7根系铅含量较G3分别高84%、109%、219%，较G10分别高21%、18%、167%。

从图1B可以看出，G4、G7在500、1 000mg·kg-1外源铅胁迫下，茎秆铅含量均高于其他基因型品种(P＜0.05)，二者差异不显著，但G4与其他品种差异达显著水平；G3茎秆铅含量在3个浓度铅胁迫下表现出相对较低水平，在1 000 mg·kg-1铅胁迫下，G4、G7茎秆铅含量分别是G3的1.42倍和1.36倍。

从图1C可以看出，所有处理中G3叶片铅含量均最低，1 000 mg·kg-1下显著低于其他品种；在0、500、1 000 mg·kg-1铅胁迫下，G10叶片铅含量较G3分别高33%、61%、104%，较G7分别高33%、43%、50%，中高浓度处理叶片铅含量显著高于其他品种。

从图1D可以看出，所有处理中G7整株平均铅含量均显著高于其他品种，在0、500、1 000 mg·kg-1铅胁 迫 下 较G3分 别 高100%、93%、153%，较G10分别高2%、17%、61%。

图1 铅胁迫下不同基因型烟草根系、茎秆及叶片的铅含量

2.2.2 不同部位叶片铅含量 从图2可以看出，在同一铅浓度胁迫下，烟株不同部位叶片铅含量不同，从脚叶、下部叶、中部叶到上部叶依次递减；同一部位叶片铅含量则随着外源铅浓度的增加而升高。在1 000 mg·kg-1铅胁迫下，G10脚叶铅含量是其下部叶的6.84倍、中部叶和上部叶的11.64倍。

从图2A可以看出，外源铅胁迫下，G3脚叶铅含量较低，而G10脚叶铅含量显著高于其他品种，在1 000 mg·kg-1铅胁迫下G10脚叶铅含量是G3的3.9倍。

从图2B可看出，500 mg·kg-1铅胁迫下G2、G3下部叶铅含量较低，G10铅含量较高；1 000 mg·kg-1铅胁迫下，G1下部叶铅含量相对较高。

从图2C可看出，不同基因型品种中，外源铅胁迫下中部叶铅含量均较低，其中G3、G7、G9中部叶铅含量相对较低，而G4、G8、G10铅含量则相对较高；500 mg·kg-1铅胁迫下，G4和G10中部叶铅含量约为G3的1.84倍。

从图2D可看出，外源铅胁迫下上部叶铅含量均明显低于其他部位叶片，其中G1、G10上部叶铅含量相对较高，G2、G3相对较低；500 mg·kg-1铅胁迫下，G10上部叶铅含量约为G2、G3的2.4倍。

图2 铅胁迫下不同基因型烟草不同部位叶片铅含量

2.3 外源铅胁迫下不同基因型烟草的耐性指数、铅积累量、铅转运系数

从图3可以看出，不同浓度铅胁迫下G2、G3表现出相对较高的耐性指数；G4、G9的耐性指数相对较低；G7表现出的耐性不同，500 mg·kg-1水平下较高，1 000 mg·kg-1水平下较低。1 000 mg·kg-1胁迫下，G3的铅耐性指数是G4的1.2倍。

图3 铅胁迫下不同基因型烟草铅耐性指数

从图4可以看出，不同基因型烟草的铅积累量均随着外源铅浓度的增加而增加，且存在显著差异。其中G3、G9的铅积累量较低，G7显著高于其他品种(G5除外)，1 000 mg·kg-1铅胁迫下G7铅积累量是G3的2.1倍，是G9的2.4倍。

图4 铅胁迫下不同基因型烟草铅积累量

从图5可以看出，除G9、G10外不同基因型烟草的铅转运系数均随着铅浓度的增加而降低，G6、G7的转运系数较低。1 000 mg·kg-1铅胁迫下G10的转运系数是G7的3.1倍。

图5 铅胁迫下不同基因型烟草铅转运系数

3 讨论

烟草生物量一定程度上可以反映重金属污染对其产生的影响程度[19]。研究表明，由于烟草遗传特性的差异，对重金属铅的吸收也存在差异[20，21]。本试验结果显示，与CK相比，G1、G4、G8、G9、G10随外源铅胁迫浓度的增加，生物量逐渐下降；其他品种的生物量呈先增后降趋势，高浓度铅抑制所有品种烟株生长；外源铅胁迫下，G1表现出较高的生物量，而G4生物量则较低。这表明同一铅浓度胁迫下，不同基因型烟草生物量之间存在显著差异，同一基因型烟草在不同铅胁迫水平下其生物量也有较大变化，这与悦飞雪[16]、朱诗苗[22]等的研究结果一致。不同基因型烟草对铅吸收能力的差异是其对铅毒害的敏感性不同所造成[22]。外源铅胁迫下，G7根系铅含量均显著高于其他烟草品种，而叶片铅含量则相对较低；G1根系、茎秆铅含量较低，而叶片铅含量则相对较高；G3、G9根、茎、叶铅含量均处于相对较低水平，而G10叶片铅含量则显著高于其他烟草品种。G3、G7在1 000 mg·kg-1铅胁迫下叶片铅含量分别为10.79、14.73 mg·kg-1；G10在500 mg·kg-1铅胁迫下叶片铅含量为10.45 mg·kg-1，在1 000 mg·kg-1铅胁迫下中部叶片铅含量为14.59 mg·kg-1，均低于杨永健[23]建立的烟叶中重金属限量标准。因此，G3、G7在1 000 mg·kg-1及以下铅胁迫水平下、G10在500 mg·kg-1及以下铅胁迫水平下，均可用于安全生产；G10在1 000 mg·kg-1铅胁迫水平下，可取中上部叶片用于安全生产。

耐性指数是指在重金属胁迫下，植物生物量与对照生物量之比，耐性指数越高则反映该品种对重 金 属 胁 迫 的 耐 性 越 强[17]。500、1 000 mg·kg-1外源铅胁迫下G2、G3的耐性指数相对较高。张艳玲等[24]研究发现，云烟85、云烟87、K326、中烟100这4个基因型烟草对重金属铅的吸收积累量不一致，但差异不显著。本研究表明，外源铅胁迫下G7的铅积累量显著高于其他品种(G5除外)；G3、G9铅积累量显著低于其他品种。转运系数可以用来评价作物将重金属从根系转运至地上部的能力[25]。本试验结果表明，500 mg·kg-1铅胁迫下G9的铅转运系数显著高于其他品种；500、1 000 mg·kg-1铅胁迫下，G7的铅转运能力显著低于其他品种，这表明G7对铅具有较强的根际阻隔能力。

对重金属比较敏感的烟草品种根际对铅具有一定的阻隔能力，这类基因型烟草可以利用根系细胞壁的沉淀以及分泌的代谢物质来减少重金属向地上部运输；重金属富集能力比较强的品种可能在叶片细胞中有相对较强的重金属解毒机制，可以把重金属铅存储在细胞的液泡中，而不会对烟草植株产生毒害[26，27]。有研究表明，可以通过外源硅将根系细胞壁滞留并通过液泡区室化来抑制镉向地上部的转运，从而降低水稻地上部镉含量，以达到减少水稻根系对镉吸收的目的[28]。De Bome等[29]把编码哺乳动物金属硫蛋白的基因转入烟草，结果这种转基因烟草叶片Cd含量显著降低，而根系和茎的Cd含量则相对较高，这改变了普通烟草叶片Cd含量高于其他部位的规律。关于重金属敏感的基因型烟草通过某些基因控制根系细胞壁滞留和液泡区室化来抑制重金属向地上部转运，从而降低重金属铅含量的转运机制有待进一步研究。

4 结论

本试验对10个基因型烟草在不同浓度铅胁迫下的生物量、铅含量、铅积累量、铅耐性指数、铅转运系数进行分析。结果表明，云烟87(G3)生物量、铅耐性指数相对较高，铅含量、铅积累量、铅转运系数相对较低，是铅低集聚型的烟草品种；LY1306(G7)根系铅含量显著高于其他品种，铅积累量显著高于其他品种(G5除外)，但铅转运系数及叶片铅含量相对较低，因此LY1306属于根系铅积累型烟草，既可用于烟草的安全生产，又可用于轻度铅污染土壤修复；K326(G10)在外源铅胁迫下叶片铅含量均显著高于其他品种，且铅积累量也处于相对较高水平，属于叶片铅富集型烟草品种，因此可用于铅污染土壤的修复。