镉胁迫对不同品种烟草生长发育和镉吸收规律的影响

李春萍，覃德华，文晓阳，饶 巍，王玉洁，徐国伟，陈明灿

（1.河南科技大学农学院，河南 洛阳 471000；2.河南省洛阳市烟草公司，河南 洛阳 471000）

【研究意义】镉（Cadmium，Cd）是环境中毒性较强的重金属元素之一［1］，随着工业的发展，其周围农田土壤镉污染严重［2］。据全国土壤污染状况调查公报显示，我国镉的点位超标率为7.0%［3］。镉是植物生长过程中的非必要元素［4］，超过一定限度会导致植物细胞损伤，正常生理代谢受阻，影响植物生长［5］及作物的产量和品质［6］。烟草作为我国重要的经济作物之一［7］，优质烟叶原料是烟草行业赖以生存和发展的物质基础［8］。镉在烟株中过量累积势必对其生长发育［9］、抗氧化酶活性［10］、光合作用［11］及其品质［12］造成影响。镉具有半衰期长、高迁移性和易被作物吸收富集的特点［13］，而烤烟是易积累镉的作物，主要积累在叶片中［14］，烟叶对镉的富集系数可达5～10［15］。吸烟是人体摄入Cd 的重要途径之一，烟草中70%的Cd 在卷烟燃吸过程中以气溶胶的形式进入到烟气中［16］，通过烟气进入人体，如果吸食的烟叶中镉含量较高则会对人体器官造成一定的毒害作用，且这种毒害是不可逆的［15］。【前人研究进展】目前关于烟草对镉毒害的响应多为单一浓度处理或单一品种的响应。如刘义新等［17］研究了质量浓度为15.0 mg/L 的Cd（NO3）2·4H2O（以纯Cd 计）污染处理下K326 及云烟87 对镉胁迫的响应；岳昊等［18］研究了在2 mg/kg 镉浓度下8 个不同品种烟草对镉的耐性差异；柴冠群等［19］研究了中度镉污染下5 个烤烟品种的吸收差异。刘跃东等［11］研究了甲霜灵与镉复合污染对中烟100 生长和光合特性的影响；罗勇等［9］以DR5 Gus 云烟87 转基因纯合株系作为供试材料研究不同镉浓度对烟草幼苗生长的影响；闫晶等［20］研究了镉胁迫对吉烟9 号、吉烟10 号、延晒六号种子萌发和烟苗生长发育的影响。

【本研究切入点】植烟区土壤镉污染严重，生产安全无污染烟叶迫在眉睫，关于多浓度梯度、多品种及全时期、多指标对镉毒害的响应及吸收规律亟待解决。【拟解决的关键问题】本试验探讨10 个烟草品种对镉胁迫的生长发育、抗氧化性、光合参数及镉吸收积累的变化差异及镉对其毒害作用，筛选耐镉型和敏镉型烟草品种，为不同植烟区烟草品种的选育及生产无污染、优质烟叶提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2021 年在河南科技大学农学院农场大棚进行，试验地土壤基础理化指标：pH 值8.02、有机质含量14.15 mg/kg、碱解氮含量66.1 mg/kg、速效磷含量6.45 mg/kg、速效钾含量115.51 mg/kg、土壤镉含量0.24 mg/kg。供试10 个烟草品种分别为中烟100、豫烟10 号、云烟87、云烟99、秦烟96、豫烟13、LY06、云烟105、渝金香1、K326。

1.2 试验方法

试验采用盆栽方法，盆栽用塑料盆高35 cm，直径34 cm，每盆装土15 kg，外源镉为醋酸镉［Cd（CH3COO）2·2H2O］（分析纯）。试验设3 个镉浓度水平，分别为0 mg/kg（CK）、3 mg/kg（Cd3）、10 mg/kg（Cd10），每个处理5株重复，随机区组排列。烟苗移栽前施入烟草专用复合肥30 g/盆及相应浓度的镉与土壤混匀熟化30 d 后，于5 月中旬选择生长健壮、长势一致的烟草幼苗移栽至盆中，每盆1 株，烟草生长期间按常规进行统一管理。

1.3 测定项目及方法

农艺性状：烟株农艺性状的调查方法参考YC/T 142—2010，于移栽后75 d（旺长期），分别测定烟株的株高、茎围、叶片数、最大叶面积（最大叶长×最大叶宽×0.6345）。

生理指标：于移栽后75 d 取样测定。叶绿素含量采用乙醇提取法、脯氨酸（Pro）含量采用茚三酮显色法、超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四挫光还原法、过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法、丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定。

光合作用参数：于移栽后75 d，使用便携式光合测定仪（L i-6400XT）测定叶片净光合速率（Photosyntheti，Pn）、气孔导度（Stomatal conductance，Gs）、胞间CO2浓度（Intercellular CO2concentration，Ci）、蒸腾速率（Transpiration rate，Tr）等光合作用参数。

根、茎、叶全镉含量：采用硝酸-高氯酸混酸消煮，电感耦合等离子发射光谱仪测定烟株根、茎、叶的全镉含量。

试验数据采用 DPS19.0 进行方差分析，图表制作采用 Microsoft Excel 2013 和Origin 2021 软件。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对不同品种烟草生长发育的影响

2.1.1 镉胁迫对不同品种烟草农艺性状的影响 由表1 可知，Cd 胁迫下，烟株各项农艺性状随着镉浓度的增加大部分品种呈下降趋势且下降程度均不同。3 mg/kg 镉处理后，各品种烟草株高均降低，其中豫烟13、云烟105、豫烟10 号降幅较低；中烟100、云烟87、渝金香1 号、K326 茎围降低，其他品种茎围均有不同程度的升高；除云烟105、K326 叶片数略有升高外，其他品种叶片数均减少；云烟99、K326 最大叶面积升高，其他品种均有不同程度降低，其中渝金香1 号降幅最大、为33.57%。10 mg/kg 镉处理后，所有品种株高、叶片数、最大叶面积均降低；秦烟96、豫烟13、LY06 的茎围增加，其他品种茎围降低。表明3 mg/kg 浓度镉对云烟99、秦烟96、豫烟13、云烟105 的生长有利，但对其他品种均表现为抑制作用；10 mg/kg 镉处理除对个别品种茎围有促进作用外，对其余各项农艺性状均表现为抑制作用。

表1 镉胁迫对烤烟农艺性状的影响Table 1 Effect of cadmium stress on agronomic traits of flue-cured tobacco

2.1.2 镉胁迫对不同品种烟草生物量的影响 植物干质量是反映其生长状况最直观的指标。由图1 可知，随着镉浓度的升高，不同烟草品种生物量大部分呈下降趋势。当镉浓度为3 mg/kg 时，云烟105 生物量略有升高，其余品种均降低，其中中烟100、豫烟10 号降幅较大，分别为22.16%、28.39%。当镉浓度为10 mg/kg时，所有品种生物量均降低，其中中烟100、豫烟10 号、LY06 降幅较大，分别为29.98%、29.94% 和30.37%，云烟105 生物量降幅最低为0.48%。10 个品种中，镉胁迫对中烟100、豫烟10 号的生物量影响最大。

图1 镉胁迫对不同品种烟草生物量的影响Fig.1 Effect of cadmium stress on biomass of different tobacco varieties

2.2 镉胁迫对不同品种烟草生理生化指标的影响

2.2.1 镉胁迫对不同品种烟草光合作用参数的影响 由表2 可知，烟草的净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）随镉浓度的升高整体呈降低趋势，胞间CO2浓度（Ci）随镉浓度的升高而增加，不同品种间存在差异。在3 mg/kg 镉胁迫下，云烟87、云烟99、秦烟96 叶片的Pn降幅较高，分别为27.5%、26.5%、26%，豫烟13、LY06、云烟105 的Pn值显著高于其他品种；LY06 的Gs值最高、为0.29 mol/m2·s；LY06、云烟105 的Tr略有升高；云烟105 的Ci增幅最高、为40.6%，LY06 增幅最低、为1.11%。在10 mg/kg 镉胁迫下，除豫烟13 的叶片Pn降幅较小外，其他品种均较CK 大幅下降，其中中烟100 降幅最大、为44.1%；中烟100、K326 的Gs值显著低于其他品种，分别为0.13、0.14 mol/m2·s；LY06 的Tr降幅较小，其他品种的Tr降幅在29%～63.3%范围内，其中中烟100 降幅最大、为CK 的63.3%；云烟105 的Ci增幅最高、为CK的48.9%。

表2 镉胁迫对烤烟光合作用参数的影响Table 2 Effect of cadmium stress on photosynthetic parameters of flue-cured tobacco

2.2.2 镉胁迫对不同品种烟草叶绿素含量的影响 由图2 可知，镉胁迫对烟草叶片叶绿素含量造成一定的负面影响，其中LY06、云烟105 叶片叶绿素含量略有升高，其他品种均随着镉浓度的升高而降低。在3 mg/kg 镉胁迫下，中烟100、秦烟96 降幅较高，分别为40%、44%；渝金香1 号的叶绿素含量显著高于其他品种、为2.70 μg/g，豫烟10 号的叶绿素含量最低、为1.61 μg/g。在10 mg/kg 镉胁迫下，中烟100、云烟87 叶片叶绿素含量降幅较高，分别为40%、44%；秦烟96 的叶绿素含量显著高于其他品种、为2.17 μg/g；云烟87、K326 的叶绿素含量显著低于其他品种，分别为1.42、1.45 μg/g。

图2 镉胁迫对不同品种烟草叶绿素含量的影响Fig.2 Effect of cadmium stress on chlorophyll contents of different tobacco varieties

2.2.3 镉胁迫对不品种同烟草MDA 含量的影响 由图3 可知，随着镉浓度的升高，云烟87、云烟99、秦烟96、豫烟13、云烟105 的叶片MDA 含量随之升高，中烟100、豫烟10 号、LY06、渝金香1 号、K326 的MDA 含量则先升高后降低。在3 mg/kg 镉胁迫下，云烟99、渝金香1 号增幅较高，分别为202%、200%；豫烟13 增幅较低、为CK 的51%。在10 mg/kg 镉胁迫下，云烟99 的叶片MDA 含量增长较大、为CK 的3.58倍，K326 增长较小、为CK 的1.46 倍。

图3 镉胁迫对不同品种烟草MDA 含量的影响Fig.3 Effect of cadmium stress on MDA contents of different tobacco varieties

2.2.4 镉胁迫对不同品种烟草叶片SOD 活性、POD 活性的影响 由图4 可知，秦烟96、LY06的SOD 活性随着镉浓度的升高呈现先升高后降低的趋势，其他品种均随着镉浓度的升高而升高。在3 mg/kg 镉浓度下，中烟100、云烟99 的SOD活性增幅较高，分别为CK 的140%和150%；豫烟10 号、云烟87 的SOD 活性增幅较低，分别为CK 的43%、41%。在10 mg/kg 镉浓度下中烟100、云烟99 的SOD 活性增幅较高，分别为220%、252%，豫烟10 号、秦烟96 的SOD 活性增幅较低，分别为96%、74%。由图5 可知，豫烟10 号、云烟87、秦烟96、LY06、渝金香1 号的POD 活性随着镉浓度的增加先升高后降低，中烟100 随着镉浓度的升高POD 活性略有下降，其他品种的POD 活性随着镉浓度的升高而升高。在3 mg/kg 镉胁迫下，渝金香1 号的POD 活性增幅最大、为220%，豫烟13、云烟105 的POD 活性增幅较小，分别为CK 的34%、32%；在10 mg/kg 镉胁迫下，K326 的POD 活性增幅最高、为CK的144%，云烟87、LY06 的POD 活性增幅较小，分别为CK 的35%、30%。综上，除秦烟96、活性来抵抗镉毒害。

图4 镉胁迫对不同品种烟草SOD 活性的影响Fig.4 Effect of cadmium stress on SOD activity of different tobacco varieties

图5 镉胁迫对不同品种烟草POD 活性的影响Fig.5 Effect of cadmium stress on POD activity of different tobacco varieties

2.3 镉胁迫对不同品种烟草镉吸收规律的影响

2.3.1 镉胁迫对不同品种烟草不同部位镉含量的影响 由图6～图8 可知，不同镉浓度添加水平下烟株叶部镉含量明显大于茎部和根部。随着镉浓度的增加，烟草各部位镉含量的变化趋势在不同时期表现不同，除云烟87、云烟99、K326 的叶部镉含量，豫烟13 茎部镉含量，云烟87、云烟99、K326 的根部镉含量随生育期后移一直升高外，其余大部分品种的烟株根茎叶中镉含量在整个生LY06 外，其他品种均通过增强SOD 活性来抵抗镉胁迫的伤害，体现出一定的耐镉性；随着镉浓度的升高秦烟96、LY06 通过提升自身的SOD 活性已不足以抵抗该伤害，所以SOD 活性先升高后降低。除中烟100 外其余各品种都通过增强POD育期呈现先增加后减少的趋势，并在旺长期达到最大值。在3 mg/kg 镉胁迫下，中烟100、LY06的根部镉含量在旺长期达到最大值，均为33.33 mg/kg；中烟100、豫烟10 号的茎部镉含量在旺长期达到较高值，分别为17.78、18.58 mg/kg；豫烟10 号的叶部镉含量在旺长期达到最大值、为60.27 mg/kg，云烟87、K326 的镉含量较低，分别为38.88、39.23 mg/kg。在10 mg/kg 镉胁迫下，秦烟96 的根部镉含量在旺长期达到最大值、为51.67 mg/kg；豫烟10 号的茎部镉含量在旺长期达到最大值、为36.4 mg/kg；中烟100、豫烟13 的叶片镉含量在旺长期达到最大值，分别为109.3、101.3 mg/kg，其中云烟105 的叶片镉含量（62.75 mg/kg）显著低于其他品种。

图6 镉胁迫对不同品种烟草根部Cd 含量的影响Fig.6 Effect of cadmium stress on Cd contents in roots of different tobacco varieties

图7 镉胁迫对不同品种烟草茎部Cd 含量的影响Fig.7 Effect of cadmium stress on Cd contents in stems of different tobacco varieties

图8 镉胁迫对不同品种烟草叶部Cd 含量的影响Fig.8 Effect of cadmium stress on Cd content in leaves of different tobacco varieties

2.3.2 镉胁迫对不同品种烟草镉富集系数的影响 富集系数是衡量植物对重金属积累能力的重要指标之一。富集系数越大，说明植物地上部对重金属吸收积累能力越强［21］。由表3 可知，旺长期和成熟期叶片的镉富集系数随着镉浓度的升高先增加后降低，并在3 mg/kg 的镉浓度时叶片的富集系数达到最高。整个生育期中，各品种的富集特性呈现不同的规律。在3 mg/kg 镉胁迫下，大部分品种在旺长期富集系数达到最高，其中豫烟10号的富集系数显著高于其他品种、为18.6，是CK的3.1 倍；云烟87、K326 的富集系数显著低于其他品种，分别为12.00、12.11。在10 mg/kg镉胁迫下，除云烟87、云烟99、豫烟13 富集系数在成熟期达到最高外，其他品种都在旺长期达到最高，其中旺长期中烟100 富集能力最强，云烟105 富集能力最弱，中烟100富集系数为云烟105的1.61倍；成熟期豫烟13 的富集能力显著高于其他品种、为10.1，是CK 的2.25 倍，而中烟100、云烟105 的富集能力显著低于其他品种，均为6.1。

表3 镉胁迫对烟草叶片镉富集系数的影响Table 3 Effect of cadmium stress on cadmium enrichment coefficient in tobacco leaves

3 讨论

植物对镉的吸收积累与多种因素有关，如不同镉浓度处理［22］、其他重金属离子拮抗作用［23］、施肥方式［24］、土壤类型［25］等，且镉的吸收积累及敏感程度与遗传因素紧密相关［26］，并在不同作物及不同基因型之间存在差异［27-28］。本试验中，10 个不同烟草品种来自南北烟区，来源广泛且存在较大遗传差异，为烟草对镉胁迫响应及吸收规律评价提供了必要条件，不同品种烟草的农艺性状、光合参数、抗氧化酶、镉含量及富集规律在不同浓度镉处理下的响应均存在不同程度的差异。

镉对烟草生长的影响表现为“低促高抑”［29］。低浓度（2 mg/kg）镉对烟株生长有一定的促进效果，随着镉浓度的升高，则会抑制烟株的生长，减少烟株干物质的积累［10］。本试验中，3 mg/kg 镉胁迫对豫烟10 号、云烟99、秦烟96、豫烟13、云烟105 的生长有促进作用，而对其他品种均表现为抑制作用；10 mg/kg 镉胁迫除对个别品种茎围有促进作用外，对其他农艺性状均表现为抑制作用，其中在旺长期镉胁迫对中烟100、豫烟10 号的影响最大，对镉的敏感性较强。

镉对植物的光合作用具有明显的抑制效果，会降低叶绿素含量，破坏光合结构［30］。本试验中，随着镉浓度的升高，各烟草品种叶片叶绿素含量、Pn、Gs、Tr整体呈现降低趋势，而Ci随着镉浓度的升高而增加，这与前人研究结果一致［11］。其中在旺长期镉胁迫对LY06、云烟105 光合作用的影响较小，对中烟100 的影响较大。

MDA 是细胞膜脂过氧化的产物之一，其含量高低在一定程度上反映脂膜过氧化作用程度［31］。本试验中，随着镉浓度的升高，大部分烟草品种的MDA 含量呈现增加的趋势，部分品种的MDA含量在高镉浓度下降低但仍高于对照。

重金属胁迫会导致植物生成大量的活性氧，而植物体内的抗氧化酶则会清除活性氧，抵抗重金属对植物的毒害作用［32］。SOD 是清除植物体内活性氧的第一线防御酶，POD 是过氧化物酶的总称［33］，二者为植物清性氧清除机制的重要组成部分。本研究结果表明，随着镉浓度的升高，大部分烟草品种通过增加自身SOD、POD 活性抵抗镉胁迫带来的伤害，体现一定的耐镉性，但在10 mg/kg 的高浓度镉胁迫下，中烟100、秦烟96、LY06 通过提升自身的SOD 活性或POD 活性已不足以抵抗此种伤害，其SOD、POD 活性先升高后降低，具体原因还需要进一步研究。

植物根部吸收土壤中的重金属镉后大多积累在根部，较少向上运转迁移，一般植物的镉含量为地下部＞地上部［34］。但烟草吸收的镉大多贮藏在叶片中［28］，有些烟草品种的叶片镉含量可以达到100 mg/kg 以上［14］。本试验中，随着镉浓度的升高，不同烟草品种根茎叶镉含量均随之增加，且叶＞茎＞根，这与前人研究结果一致［35］；有研究表明烟草整个生育期镉含量变化趋势为先降低后增加［10］，本试验中大部分品种镉含量呈现先增加后减少的趋势，并在旺长期达到最高值，少部分镉含量随生育期后移一直增加，这可能是由于品种不同或地区差异性导致此规律不尽相同；烟草叶片对镉的富集系数在整个生育期中先升高后降低，在旺长期达到最高值，可能是由于旺长期烟叶的生长达到最旺盛的状态，茎叶生长迅速，土壤中的镉也快速向上运转富集。其中中烟100、豫烟10 号、豫烟13 的叶片镉含量及富集系数较高，对镉胁迫比较敏感，云烟87、云烟105、K326 的叶片镉含量及富集系数较低，对镉胁迫的抗性较强。

4 结论

本研究结果表明，低浓度镉胁迫对部分烟草品种生长有促进作用，随着镉浓度的升高，大部分烟草生长发育受到抑制，干质量降低，且不同品种对镉胁迫的敏感度不同，供试品种中烟100、豫烟10 号对镉胁迫较敏感，云烟105 对镉耐性较强。随着镉胁迫浓度升高，烟草叶片叶绿素含量、Pn、Gs、Tr整体呈现降低趋势，Ci呈增加趋势，对云烟105 的影响较小，对中烟100 的影响较大；叶片SOD 活性、POD 活性、MDA 含量整体升高，部分品种SOD、POD 活性先升高后降低，中烟100、秦烟96、LY06 抵抗镉胁迫的能力较弱；根茎叶镉含量增加，且叶＞茎＞根。烟草整个生育期中，叶片镉含量及富集系数在旺长期达到最高值，其中中烟100、豫烟10 号、豫烟13 的叶片镉含量及富集系数较高，云烟87、云烟105、K326 的叶片镉含量及富集系数较低，表明中烟100、豫烟10 号、豫烟13 属于敏镉型品种，云烟87、云烟105、K326 属于耐镉型品种。