镉胁迫对桑树与马铃薯间作植株生理生化的影响

王晓红， 韩世玉， 罗泽虎， 张 芳， 孙运朋， 吴康云

(贵州省农业科学院 蚕业研究所， 贵州 贵阳 550006)

0 引言

【研究意义】马铃薯是贵州主栽农作物之一，仅次于水稻和玉米，是贵州省典型的特色优势产业。桑树是一种典型的生态经济树种，对治理土壤重金属污染已有较多研究报道[1-2]，探究马铃薯与桑树间作后其生理生化特性变化，对镉污染土壤修复具有重要意义。【前人研究进展】随着工农业经济的发展，重金属污染已成为世界性严重问题。重金属镉(Cd)在土壤中相对流动性高，在前20种重金属污染物中，Cd的毒性排在第七位[3]。Cd在植物体内过量积累会严重干扰植物对矿质养分的吸收、运输、同化和光合作用等一系列生理过程，从而导致营养缺乏，ATP酶活性受到破坏，光合作用降低，各种酶活性受到抑制，水分平衡和养分同化改变，最终导致植物死亡[4-6]。此外，Cd通过土壤-作物系统进入食物链引起生物体镉中毒，导致人类许多疾病的发生[7]。因此，土壤镉污染问题亟待解决。不同物理和化学方法不同程度存在成本高、劳动强度大、土壤性质改变和土壤原生微生物区系干扰的局限性，植物修复可克服其缺点，已成为当前土壤污染修复研究的热点[8]。有关农作物间套作体系已有了大量研究。马铃薯和玉米间作，可改变其光合特性，产量提高[9]；玉米和小花南芥间作，2种植物不同器官的抗氧化酶活性显著提高，丙二醛(MDA)含量显著下降[10]；大豆和玉米间作，玉米根系抗氧化酶类活性显著提高，MDA含量显著低于单作[11]。【研究切入点】桑树对重金属Cd具有一定的富集作用，但与农作物间套作的研究较少，鲜见桑树与马铃薯间作修复Cd污染土壤的研究报道。【拟解决的关键问题】探明镉胁迫下桑树与马铃薯间作植株超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)和可溶性蛋白(SP)含量的变化，以期为桑树与马铃薯间作修复Cd污染土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 土壤 镉污染土壤，采自赫章县野马川镇尾矿区表层土(0～20 cm)，室内风干后磨碎过筛备用。

1.1.2 作物 主栽与间作作物分别为桑树和马铃薯。桂桑优12号种子，购买自广西蚕业推广总站，常规育苗，1年生幼苗用于试验；马铃薯品种威芋3号，购于威宁，薯种单个重25～50 g。

1.1.3 检测试剂盒 可溶性蛋白(SP)检测试剂盒购于索莱宝公司。

1.2 方法

试验于2020年3-6月在贵州省农业科学院蚕业研究所温室大棚内进行，镉污染土壤与营养土1∶1混合均匀，混合土壤基本理化性质为pH 6.74，有机质147.32 g/kg，全氮7.16 g/kg，全磷0.47 g/kg，全钾18.54 g/kg，碱解氮406.1 mg/kg，有效磷368.2 mg/kg，速效钾4 905 mg/kg，总镉4.82 mg/kg。混合土壤装入水泥池子(2 m×1 m×0.5 m)进行桑树和马铃薯单作和间作。设3种栽培模式：桑树单作、马铃薯单作和桑树与马铃薯间作，每个池子作为1个重复，共3次重复。株距20 cm，行距30 cm。试验期间视土壤状况浇水，同时进行除草防病等管理。镉胁迫60 d后，选取不同种植模式下桑树和马铃薯根的茎和叶用于生理指标测定。

1.3 指标测定

参照文献[12]的方法，丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定，过氧化氢酶(CAT)采用紫外吸收法测定，超氧化物歧化酶(SOD)采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定，过氧化物酶(POD)采用愈创木酚法测定。可溶性蛋白(SP)采用BCA法进行测定，具体方法参见可溶性蛋白(SP)检测试剂盒说明书。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理，SPSS 20.0中 Duncan，s 新复极差法多重比较进行差异显著性分析，利用 Graphpad Prism 5.0作图。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式桑树和马铃薯植株丙二醛的含量

丙二醛(MDA)是植物器官发生膜脂过氧化程度的体现，同时也反应植物遭受逆境条件伤害的程度，其含量越低则对逆境的耐性越强，反之越弱。从图1看出，镉胁迫下不同种植模式桑树和马铃薯植株MDA含量的变化。桑树：单作时其根、茎和叶的丙二醛含量分别为7.13 nmol/g、11.18 nmol/g和41.66 nmol/g，均高于间作，但差异不显著。马铃薯：间作模式其叶的丙二醛含量为25.18 nmol/g，较单作显著提高20.4%；单作和间作其根和茎的丙二醛平均含量平均分别为5.71 nmol/g和4.07 nmol/g，2种模式间差异不显著；说明间作模式对马铃薯叶片MDA含量产生影响。

注：柱形图上*表示差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 不同种植模式桑树和马铃薯植株超氧化物歧化酶的活性

超氧化物歧化酶(SOD)是生物体内超氧阴离子自由基的清除剂，能有效地防止其对生物体的损害，参与植物体对胁迫所产生的各种生理生化反应，是植物体内一种很重要的抗氧化酶类。从图2可知，镉胁迫下不同种植模式桑树和马铃薯植株SOD活性的变化。桑树：单作时其根、茎和叶的SOD活性分别为971.76 U/g、638.78 U/g和521.95 U/g，间作模式其根、茎和叶的SOD活性较单作分别显著降低17.89%、6.77%和14.10%。马铃薯：间作模式根、茎和叶的SOD活性均高于单作，其中茎的SOD活性为220.31 U/g，较单作显著提高28.89%；单作和间作根和叶的SOD活性平均分别为992.20 U/g和1 000.42 U/g，2种模式间差异不显著。可见，间作模式下，桑树各器官SOD活性下降，马铃薯各器官SOD活性升高。

图2 不同种植模式桑树和马铃薯植株超氧化物歧化酶(SOD)的活性

2.3 不同种植模式桑树和马铃薯植株过氧化物酶的活性

过氧化物酶(POD)是植物体内酶促防御系统的一种保护酶，能有效催化过氧化氢分解成水，从而有效阻止过氧化氢在植物体内的累积，排除其对植物细胞膜结构的潜在伤害。从图3看出，镉胁迫下不同种植模式桑树和马铃薯植株POD活性的变化。桑树：间作模式各器官的POD活性均高于单作，其中根POD活性为12.08 U/g，较单作显著提高187.62%；单作和间作茎和叶的POD活性平均分别为22.40 U/g和15.21 U/g，差异不显著。马铃薯：间作模式根、茎和叶的POD活性均高于单作，其中根和叶的POD活性分别为474.46 U/g和357.52 U/g，较单作显著提高20.37%和28.35%；单作和间作茎的POD活性平均为154.69 U/g，2种模式间差异不显著。可见，间作模式下，桑树的根和马铃薯根与叶的POD活性显著升高。

图3 不同种植模式桑树和马铃薯植株过氧化物酶(POD)的活性

2.4 不同种植模式桑树和马铃薯植株过氧化氢酶的活性

过氧化氢酶(CAT)与过氧化氢具有较高的亲和力，主要清除线粒体电子传递、脂肪酸氧化过程中产生的过氧化氢，其含量变化是植物体内过氧化氢在体内变化的标志性反应。从图4看出，镉胁迫下不同种植模式桑树和马铃薯植株CAT活性的变化。桑树：间作模式各器官的CAT活性均高于单作，其中茎的CAT活性为426.58 U/g，较单作显著提高70.67%；单作和间作根和叶的CAT活性差异不显著，平均分别为133.89 U/g和1 151.25 U/g。马铃薯：间作模式根、茎和叶的CAT活性均高于单作，其中茎的CAT活性为56.63 U/g，较单作显著提高64.62%；单作和间作根和叶的CAT活性平均分别为58.46 U/g和123.76 U/g，2种模式间差异不显著。可见，间作模式下，桑树和马铃薯茎的CAT活性显著升高。

图4 不同种植模式桑树和马铃薯植株过氧化氢酶(CAT)的活性

2.5 不同种植模式桑树和马铃薯植株可溶性蛋白的含量

可溶性蛋白(SP)是重要的渗透调节物质和营养物质，其增加和积累能提高细胞的保水能力，对细胞的生命物质及生物膜具有保护作用。从图5可知，镉胁迫下不同种植模式桑树和马铃薯植株SP含量的变化。桑树：间作模式根、茎和叶中SP含量分别为15.71 mg/g、12.95 mg/g和41.40 mg/g，较单作分别显著提高24.39%、25.85%和4.84%。马铃薯：间作模式根、茎和叶的SP含量均高于单作，其中叶的SP含量为24.00 mg/g，较单作显著提高28.82%；单作和间作根和茎的SP含量平均为6.15 mg/g和7 mg/g，2种模式间差异不显著。可见，间作模式下，桑树根、茎、叶和马铃薯叶的SP含量显著提高。

图5 不同种植模式桑树和马铃薯植株可溶性蛋白(SP)的含量

3 讨论

间作套种体系在农业发展过程中占有重要地位，相比于单一种植模式，间作不仅能充分利用水源和光源等自然资源[13-14]，还能充分利用空间和时间，提高农田生物多样性及作物产量，获得单位土地面积上最大的生态效益和经济效益[15-16]。

重金属胁迫会导致植物体丙二醛含量增加[17]，农艺措施能从土壤环境和植物2个方面影响植物修复效率[18]，如喷施水杨酸能显著增加镉胁迫下黑麦草多种抗氧化酶活性，降低电解质渗透率及丙二醛含量[19]，在一定浓度镉胁迫下，玉米与续断菊间作种植，玉米叶片丙二醛含量较单作提高6.1%～64.6%，续断菊叶片丙二醛含量较单作降低9.7%～58.7%[20]。研究结果表明，镉胁迫下不同种植模式桑树和马铃薯植株的丙二醛(MDA)含量存在差异，间作模式桑树根、茎和叶的MDA含量较单作降低，马铃薯间作叶的MDA含较单作显著增加20.4%；说明间作能减轻重金属镉对桑树的毒性，但对马铃薯叶片膜的损伤程度加重。

不同植物体内的抗氧化酶对重金属能表现出不同的生态效应，铅和镍处理增加了灰藓属、大羽藓活性氧形成及脂质过氧化，降低SOD和CAT活性[21]。在相同浓度Cu2+胁迫下，玉米和豌豆间作种植，玉米根和叶的SOD和CAT活性提高，在高浓度Cu2+胁迫下，间作种植玉米根的POD活性提高[22]。植物重金属的积累和中毒是由于活性氧的产生而引起的氧化损伤，植物体内抗氧化酶类在保护细胞免受活性氧损伤方面起着重要作用。研究结果表明，镉胁迫下不同种植模式桑树和马铃薯植株的超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性发生变化，间作模式桑树根、茎、叶的SOD含量较单作显著降低17.89%、6.77%和14.10%，茎POD活性较单作显著升高187.62%；马铃薯茎的SOD和CAT活性较单作显著升高28.89%和64.62%；说明植物在逆境胁迫下，间作体系可以改变植物自身酶的合成机制。

可溶性蛋白(SP)和游离脯氨酸是植物的重要渗透调节物质，能够提高细胞的保水能力，是表征植物体内总代谢活动的重要指标[23]。籽粒苋与烟草间作后，间作烟草比单作叶片可溶性糖、SP含量显著增加[24]。玉米和花生间作，间作玉米开花期叶片的SP含量显著提高，花生结荚期和饱果期叶片的SP含量降低[25]。研究结果表明，镉胁迫下不同种植模式桑树和马铃薯植株的SP含量存在差异，间作模式桑树根、茎和叶的SP含量较单作显著升高24.39%、25.85%和4.84%，马铃薯叶的SP含量较单作显著升高28.82%。说明，间作条件对桑树和马铃薯SP含量有一定影响，积累蛋白是镉胁迫下植物的一种适应机制，可能是由于蛋白激酶在非生物胁迫下也能作为胁迫信号传导的中心汇聚点，进而提高蛋白质的含量，达到钝化重金属及减轻植物受害作用[26]。

研究采用室内土培法探讨间作模式对桑树和马铃薯生理特性的影响，但大田试验受到的影响因素较多，桑树和马铃薯间作下的生理响应仍需要进一步探索。此外，试验采用的是桑树幼苗和马铃薯种茎，Cd胁迫时间较短，并未采集到马铃薯块茎，Cd在2种植物中的积累分布仍需要进一步深入研究。

4 结论

镉胁迫下间作模式桑树根、茎、叶的SOD含量显著降低，桑树和马铃薯根、茎、叶的其余生理指标均提高，差异显著或不显著，POD和CAT可清除Cd毒害产生的活性氧自由基，对提高植株镉耐性具有重要作用。