镉胁迫对马蔺根系活力和矿质营养元素吸收的影响

田小霞，毛培春，郭 强，孟 林

(北京市农林科学院北京草业与环境研究发展中心，北京 100097)

【研究意义】镉(Cd)生物毒性较强，不仅难以在土壤中降解[1]，而且易被植物根系吸收，通过食物链进入人体，影响人类的生命健康，已成为全球农业土壤环境中重要的问题[2-4]。通过植物修复技术治理土壤重金属不破坏土壤结构，治理成本低，同时可改善土壤微环境，是近年来研究的热点[5]。【前人研究进展】植物生长在低Cd浓度下不受影响，但在高Cd浓度下，会抑制植物根的生长和细胞分裂，其中，植物根系的生长情况和活力首先受到镉污染的毒害，干扰植物对矿质营养元素和水分的吸收、运输和积累等过程，从而改变植物体内的生理生化代谢过程[6-7]。目前，关于重金属镉对植物生长影响的研究很多，但镉胁迫下植物是如何通过影响根系活力和矿质营养元素变化等过程对镉进行解毒的机理依然不清楚[8-9]。植物对镉的解毒机制可能会随植物种类、植物生长发育、镉浓度和处理时间不同而改变，如黑麦草[10]、龙葵[11]、水稻[12]等在镉胁迫下，植株中的营养元素(Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等)的吸收、转运、分配和代谢表现出很大的差异性。马蔺(IrislacteaPall.)是鸢尾科(Iridaceae)鸢尾属 (Iris)多年生草本宿根植物，生物量大，栽培管理粗放，具有适应性强，易繁殖[13]、抗寒、抗旱[14]、耐盐碱[15]、病虫害少等特点。【本研究切入点】马蔺作为园林植物不进入食物链，且对镉有较强的富集能力，是治理和修复镉污染土壤的备选植物之一[16-17]。【拟解决的关键问题】但镉胁迫下马蔺根系活力和营养元素含量变化还需进一步研究，本研究采用水培法，对马蔺幼苗进行不同镉浓度处理，通过分析马蔺根系活力及对Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn等6种元素的吸收和积累特性，以期为合理调控污染土壤中矿质元素的含量，提高马蔺对镉污染土壤的修复效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料培养及试验处理

供试材料马蔺栽培于北京草业与环境研究发展中心种质圃，种子为无性繁殖群体自然结实的种子。马蔺种子用40 ℃温水浸泡48 h，撒播于装有基质(壤土∶草炭=3∶1)的营养钵(8 cm×8 cm)中育苗，待苗高约10 cm时选取长势一致幼苗，用去离子水漂去根系上的土，移入黑色培养盒(20 cm×10 cm×7 cm)中，于光照培养箱(宁波江南仪器厂)中培养，培养条件：光周期16 h(昼)/8 h(夜)，光强约3000 lx，相对湿度为60 %～80 %。采用Hoagland营养液培养，每4 d更换一次营养液。培养16 d后，开始进行镉胁迫处理，以CdCl2·2.5H2O(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)形态加入，根据我们前期的研究结果，共设6个处理水平[18]，即CK(完全营养液)，10， 25， 50， 100， 150 mg·L-1。每处理3次重复，每重复24株幼苗，每3 d更换一次营养液。分别在第0、2、7、12天测定根系活力。镉胁迫处理12 d后收获取样，分为地上部和根系，置于烘箱105 ℃下杀青15 min，80 ℃下烘干至完全干燥，测定植株镉及各矿质营养元素含量。

1.2 测定方法及数据处理

根系活力测定采用 TTC法[19]，植物Cd、Ca、Mg、Fe、Mn、Cu、Zn含量采用HNO3∶HClO4=4∶1(V∶V)混合酸消解至无色透明，原子吸收分光光度计(岛津 AA-6300C)测定。

转移系数(translocation factor，TF)=地上部(叶)元素含量/地下部(根)元素含量[20]。数据用Excel 2010进行处理，用 Origin 8.5 制图，利用SPSS19.0 进行数据的统计分析。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对马蔺根系活力的影响

根系是植物吸收矿质营养和水分的主要器官，重金属对植物的毒害首先在根系上表现出来。根系活力的大小直接影响马蔺对镉的吸收。从图1可以看出，随着胁迫时间的增加，10～50 mg·L-1Cd处理下，根系活力呈先升后降趋势；在100、150 mg·L-1Cd浓度处理下，根系活力呈逐渐下降趋势；对照CK的根系活力呈逐渐增加趋势。10 mg·L-1Cd胁迫浓度下，处理第7天达到了峰值，比对照高出78.23 %；25、50 mg·L-1Cd胁迫浓度下，处理第2天达到峰值，分别比对照高101.16 %、104.34 %；处理第12天时，10和25 mg·L-1Cd处理下的根系活力与CK相比较无显著差异，而其他浓度与CK相比较差异显著，其中高浓度100、150 mg·L-1Cd处理根系活力比对照降低了94.41 %、95.73 %。

不同小写字母表示同一浓度不同采样时间差异显著(P<0.05)

不同小写字母表示不同浓度之间差异显著(P<0.05)

2.2 镉胁迫对马蔺6种营养元素含量的影响

由图2A可知，随镉浓度增加，叶片中Ca含量呈先升后降趋势，且Cd处理下叶片中Ca含量均高于对照，分别比对照高出10.71 %、8.5 %、5.87 %、0.76 %和0.39 %；随镉处理浓度增加，根系中Ca含量呈逐渐下降趋势，但Cd处理下根系中Ca含量与对照相比均无显著性差异。由图2B可知，马蔺叶片和根系中的Mg含量随Cd处理浓度增加呈先降后升趋势，但Cd处理下Mg含量与对照相比较无显著差异。

由图2C可知，叶片和根系中的Fe含量随Cd处理浓度增加呈逐渐增加趋势，且均与对照呈显著差异(P<0.05)，说明镉处理增加了Fe吸收量。由图2(D)可知，叶片中Mn含量随Cd处理浓度增加先升后降趋势，在10 mg·L-1Cd浓度下Mn含量比对照增加了3.17 %，与对照相比较无显著差异，其他镉浓度下叶片Mn含量均低于对照；根系中Mn含量总体呈逐渐增加趋势，且在镉处理下均与对照呈显著差异(P<0.05)，说明镉抑制Mn从根部转移至地上部。叶片中Cu含量呈先降后升趋势，根系中含量呈逐渐上升趋势(图2E)。对Zn而言，叶片中含量呈逐渐下降趋势，根系中含量呈先升后降趋势(图2F),与对照相比较，Cd处理下根系中Zn含量均显著高于对照。

图3 不同镉浓度对马蔺营养元素转移能力的影响

2.3 镉胁迫对马蔺6种营养元素转移能力的影响

由图3可知，Ca转移系数随Cd处理浓度增加整体呈增加趋势，10 mg·L-1低镉浓度处理下Ca转移系数高于对照，其他Cd浓度下低于对照，但值均大于1。Mg转移系数随Cd处理浓度增加呈先升后降趋势，且在Cd处理和对照下转移系数均大于1。镉处理下Mn、Zn、Cu 3种营养元素转移系数低于对照，高浓度150 mg·L-1处理下3种元素转移系数显著低于对照；镉处理下Fe转移系数与对照相比较无显著差异。

2.4 马蔺镉含量及其与其他营养元素含量的相关性

由图4可知，马蔺地上部和根系Cd含量随Cd处理浓度增加而呈上升趋势。不同Cd浓度处理下，马蔺体内Cd含量分布特征基本相同，均表现为根系大于地上部，且在不同Cd浓度下，叶片和根系中Cd含量之间显著差异(P<0.05)。在Cd处理浓度下，根系体内Cd含量的范围达到829.39～8944.54 mg·kg-1，地上部Cd含量范围达到了200.60～519.76 mg·kg-1，虽然大部分Cd积累在根系，但地上部Cd含量远大于100 mg·kg-1，达到了Cd超富集植物的临界含量标准。

由表1～2 可以看出，马蔺地上部Cd 含量与Ca、Cu、Zn、Mg、Mn等含量呈负相关，其中与Mn含量呈显著负相关，与Fe含量呈显著正相关；马蔺根系Cd含量与Ca含量呈极显著负相关，与Cu和Fe含量呈极显著正相关，与Zn、Mg、Mn呈不显著正相关。

图4 不同镉处理对马蔺根系和叶片中镉含量的影响

表1 马蔺地上部镉与营养元素含量的相关性分析

注：*P<0.05；**P<0.01，下同。

表2 马蔺根系镉与营养元素含量的相关性分析

3 讨 论

根系在重金属胁迫中最先感知到重金属镉等有毒物质，在植物对重金属胁迫的响应过程中起关键作用，当根系感受到环境中重金属有毒元素后根据胁迫状况做出适应性反应，保持较高的根系活力是植物耐重金属能力强的表现[21]。根系活力在植物生长发育过程中直接影响植株个体的生长情况、营养水平等。本研究结果表明，10～50 mg·L-1Cd处理下马蔺根系活力随胁迫时间的延长呈先升后降趋势，在处理第7d时达到最高值，说明短时间内10～50 mg·L-1Cd处理能够刺激根系组织代谢水平的提高，使得马蔺根系活力大大提高，以适应外界的重金属环境；长时间的10～50 mg·L-1Cd 胁迫，使马蔺根系活力显著降低，说明随处理时间延长，较低浓度Cd胁迫也表现出对根系代谢的抑制作用。当Cd质量浓度升高至100和150 mg·L-1时，随胁迫时间的延长，马蔺根系活力呈显著下降趋势，处理12 d后根系活力比对照分别降低了94.41 %、95.73 %，这可能是高浓度Cd处理下，马蔺根系细胞内产生大量的活性氧自由基，增大了细胞膜透性，细胞受损，根系活力下降，使得根系的生长受到明显抑制，甚至造成了毒害。

矿质营养元素能够直接或间接影响植物不同器官中镉积累，在植物忍耐镉毒害方面发挥着重要的作用[22]。Ca是植物生长必需的中量矿质元素之一，主要以果胶酸钙形式存在，可维持植物细胞壁和细胞膜的稳定性。本研究数据显示，随着镉处理浓度增加，马蔺叶片中Ca含量均高于对照，10、25 mg·L-1Cd处理下显著高于对照(P<0.05)，其他浓度处理下差异不显著；根系中Ca含量虽低于对照，但与对照差异不显著(P<0.05)。随着镉处理浓度的增加，马蔺叶片中Ca含量增加，能抑制蛋白中钙离子被镉离子替代，利于增加细胞壁的厚度和稳定性，增强细胞壁对镉的区隔化作用，较好地缓解镉毒害，这可能是马蔺为保障正常生命活动产生的耐受机制，这与张晗芝等[23]对镉胁迫下蓖麻对镉及矿质元素的积累研究结果一致。周卫等[24-25]也研究表明根部加入外源钙可提高玉米钙含量。Mg在植物生理作用中有着不可替代的重要地位，Mg 参与叶绿素的形成，在植物光合电子传递链中起重要作用。在Cd处理下，马蔺根系和叶片中Mg含量均低于对照，Cd处理抑制了马蔺对Mg的吸收，这与徐勤松等[26]的研究结果一致。

Fe在植物叶绿素合成、细胞内的氧化还原反应中起重要作用[27]。本试验结果表明, 各处理组根系和叶片中Fe含量均高于对照，这是因为随Cd处理浓度增加，马蔺为缓解镉污染带来的毒害，而增加植物体内的Fe含量。黄益宗等[27]研究表明，镉胁迫下供给植物足够的铁有利于植物合成更多叶绿素，促进植物光合作用，从而缓解植物受到镉的毒害，本研究与黄益宗等的研究结果一致。翁南燕等[28]研究表明，Cu-Cd 复合胁迫显著地促进了小麦幼苗对Fe 的吸收。徐勤松等[26]研究表明镉处理下Fe更易于被植物吸收，是由于Cd与EDTA络合的稳定性高于Fe与EDTA络合的稳定性，但这不能解释无EDTA情况矿质元素含量增加的现象。Liu[29]等研究表明，水稻在镉胁迫下，Mn积累与水稻生育期和组织有关。Chen等[30]研究发现，随镉处理浓度增加，大麦品种中锰的积累呈增加趋势，Mn积累和镉吸收呈协同作用。张晗芝等[23]研究表明，镉胁迫下蓖麻Mn的积累和镉吸收呈协同作用。本研究表明，马蔺叶片中Mn含量随Cd浓度增加呈先升后降趋势，与镉吸收呈不显著负相关，根系中锰含量与镉吸收呈不显著正相关。低浓度Cd处理下Mn含量升高，可能是因为Mn为了保障叶绿素合成和调节一些酶活性以减少镉胁迫引起的氧化损伤。郭智等[11]研究表明，随镉浓度提高，龙葵叶片中Cu积累量先降后升，根系Cu积累量呈增加趋势。李君等[31]研究发现，蓖麻植株中Cu含量随镉浓度增加表现为低促高抑。本试验条件下，随镉处理浓度增加，马蔺地上部Cu表现为先降后升趋势，根系中呈逐渐上升趋势，与郭智[11]对龙葵的研究结果一致。说明低镉浓度条件下，镉阻止了Cu从根系运输到地上部。Zn参与叶绿素和生长素的合成，同时是许多酶的组成部分，且Cd和Zn属同族元素，存在竞争位点，两者间可能发生交互作用。Zhang 等[32]研究发现，镉胁迫影响了不同小麦品种、植株组织对锌的积累和转运。张晗芝等[23]研究表明，随土壤中镉胁迫浓度的增加，蓖麻茎和叶中锌含量显著减少。Küppe等[33]认为随镉处理浓度增加锌含量减少可能是镉通过锌转运通道进入细胞。本研究发现，随镉处理浓度增加，马蔺根系中的锌含量显著高于对照，但地上部Zn含量则显著低于对照，表明镉阻止了Zn从根系运输到地上部。

植物中营养元素积累与镉吸收紧密相关，但是没有同一定论。孙建云等[34]报道镉胁迫下甘蓝中营养元素Mg和Fe的转移系数显著低于对照，镉胁迫限制了Mg和Fe从根部向地上部的转运。刘媛等[19]研究表明，秋华柳在镉胁迫处理下Ca、Mg、Mn和Zn转移系数均高于对照，而Fe转移系数与对照无显著差异。本研究中，马蔺在镉处理下， Mn、Zn、Cu的转移系数均低于对照，在150 mg·L-1处理下与对照差异显著；Ca、Mg转移系数呈先升后降趋势，在10 mg·L-1时转移系数最高，可能是马蔺为了促进镉胁迫引起的地上部叶绿素的合成，保证其光合作用顺利进行，这与10 mg·L-1处理下马蔺生长状况较好的观察结果一致。镉处理下Fe转移系数与对照无显著差异，可能是因为根部Fe积累量随镉胁迫显著高于对照的情况下，地上部Fe含量也在增加，导致Fe转移系数与对照无显著差异。本研究镉胁迫处理下，马蔺根系镉含量可达到829.39～8944.54 mg·kg-1，地上部镉含量达到200.60～519.76 mg·kg-1，马蔺具有将重金属镉截留于根系以减少镉从根系转移到地上部的能力，可见，根系截留Cd是马蔺对重金属镉胁迫的重要耐性机制之一，然而这也影响了马蔺植株中营养元素的吸收与转移。

本研究相关分析结果表明，马蔺地上部铁含量和镉含量呈显著正相关关系；而钙、铜、锌、镁和锰含量与镉含量呈负相关关系。表明铁的积累与镉吸收是协同作用，而钙、铜、锌、镁、锰的吸收和镉吸收是拮抗作用。马蔺根系钙的吸收和镉吸收呈显著负相关关系，铜、锌、镁、铁、锰吸收和镉吸收呈正相关关系，其中铜和铁的吸收与镉吸收呈极显著正相关。马蔺作为镉超富集植物，根系中营养元素含量和镉吸收呈正相关，表明根系中营养元素的吸收受重金属镉的影响较小，这与Ali等[35]对耐性植物芦苇的研究结果一致。Zhang 等[32]研究发现不同的小麦品种、不同的植株组织影响镉对铁、锌、铜、钙和镁的积累和转运。而刘媛等[19]研究表明秋华柳在镉胁迫处理下根部钙、镁、锰、锌和铁5种营养元素与镉积累量呈显著负相关，与本研究的结果存在一定的差异性。因此，镉胁迫对植物营养元素吸收是抑制或者是促进，很可能受植物的种类、品种和镉浓度等的影响。

4 结 论

马蔺在镉浓度小于等于50 mg·L-1处理下，根系活力随胁迫时间延长呈先升后降趋势适应重金属镉胁迫，以保证马蔺植株的正常生长。随着镉处理浓度的增加，马蔺地上部Mg、Mn、Cu和Zn含量呈显著降低趋势，Ca和Fe含量呈增加趋势；根系中的Fe、Mn、Cu、Zn含量呈逐渐增加趋势，Ca和Mg含量呈逐渐下降趋势。地上部Fe含量和Cd含量呈显著正相关，Ca、Cu、Zn、Mg、Mn含量和Cd含量呈不显著负相关；马蔺根系Cu、Zn、Mg、Fe、Mn含量和Cd含量呈正相关，Ca含量和Cd含量呈极显著负相关。根系中矿质营养元素的吸收受重金属镉的影响较小，根系镉含量可达到829.39～8944.54 mg·kg-1，地上部镉含量可达到200.60～519.76 mg·kg-1，因此，马蔺具有较强的耐镉能力，可作为修复镉污染区(浓度≤50 mg·L-1)的备选修复植物。