重金屬脅迫對人參生長發(fā)育及生理生化特性的影響

王志栓+薛曉麗+費(fèi)洋

摘要：通過盆栽方式研究鉛（Pb）、鎘（Cd）、銅（Cu）、鎳（Ni）、鋅（Zn）單一元素脅迫對人參地上部分生長發(fā)育及生理生化指標(biāo)的影響。結(jié)果表明：各元素脅迫對人參的株高、葉面積均有抑制作用；對人參葉的各項生理生化指標(biāo)產(chǎn)生不同程度的影響。在Pb、Cu、Ni、Zn脅迫下，人參葉的各項生理指標(biāo)變化趨勢基本一致，即游離脯氨酸、丙二醛（MDA）含量整體上提高，葉綠素含量下降，SOD活性減弱，POD活性波動性地增強(qiáng)，可溶性糖、可溶性蛋白含量下降。其中Ni 4水平（400 mg/kg）處理下人參幼苗死亡；Cd處理下多項指標(biāo)出現(xiàn)異常，具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究。綜合各項指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，各重金屬對人參地上部分脅迫程度從大到小為Pb>Zn>Cu>Cd。

關(guān)鍵詞：重金屬；脅迫；人參地上部分；生長；生理生化特性

中圖分類號： S567.5+10.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0253-04

隨著我國工業(yè)城市化的不斷發(fā)展，工業(yè)和生活用水排放，汽車廢氣排放，污水灌溉，含重金屬的化肥、有機(jī)肥、農(nóng)藥等的不合理施用所造成的土壤重金屬污染問題也日益嚴(yán)重[1-2]。重金屬不僅對土壤的生態(tài)結(jié)構(gòu)、功能穩(wěn)定性有明顯的不良影響，而且對植物的膜透性、光合作用、呼吸作用等代謝作用也有著嚴(yán)重的影響[3]。由于重金屬的強(qiáng)富集性，導(dǎo)致其可通過食物鏈進(jìn)入動物和人體，從而嚴(yán)重危害生物健康[4-5]，因此，研究重金屬對植物的危害成為熱點問題。人參（Panax ginseng）是多年生宿根植物，其根是名貴藥材，具有大補(bǔ)元?dú)?、?fù)脈固脫、補(bǔ)脾益肺、生津養(yǎng)血、安神益智功效，其主要有效成分是人參皂苷[6]，歷來被稱為百草之王，在我國主要分布于吉林省東部的長白山地區(qū)。近年來人參價格一路攀升[7]，一方面是因為人參強(qiáng)大的藥用價值；另一方面是因為人參已經(jīng)成為一種新食品資源[8]，市場面的擴(kuò)大，使得人參種植面積快速增加，尤其是新發(fā)展而來的農(nóng)田栽培，使得人參中重金屬殘留問題引起廣泛重視，人參重金屬殘留量方面的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)也在制定中，而重金屬脅迫對人參地上部分的生長及生理生化指標(biāo)的影響卻鮮見報道。人參是自養(yǎng)植物，其地上部分的生長狀況直接影響其有效成分人參總皂苷含量。本試驗旨在通過討論單一重金屬脅迫對人參生長及生理生化指標(biāo)的影響，為進(jìn)一步研究重金屬脅迫對人參有效成分人參總皂苷的影響做好基礎(chǔ)工作。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物為購自吉林省撫松縣人參種植基地的二年生帶芽苞的人參，每株質(zhì)量（10.0±2.3） g。供試土壤采自吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院左家校區(qū)人參種植基地的黑黃混合土，其pH值為6.1，有機(jī)質(zhì)含量26.05 mg/kg，重金屬背景含量為鉛（Pb）17.3 mg/kg，鎳（Ni）23.6 mg/kg，銅（Cu）14.8 mg/kg，鎘（Cd）0.13 mg/kg，鋅（Zn）3.1 mg/kg。添加的各重金屬形式：Pb（NO3）2、Ni（NO3）2·6H2O、Cu（NO3）2·3H2O、CdSO4、（CH3COO）2Zn·H2O，均為分析純試劑。

1.2 器具與儀器

陶瓷花盆（高20 cm，直徑30 cm）；紫外光譜儀（島津 UV-1700）；原子吸收光譜儀（島津 AA-6300）；葉面積儀（AM-300）。

1.3 盆栽試驗

土壤經(jīng)自然風(fēng)干、搗碎、剔除雜物后過2 mm篩，同時測定其重金屬背景值及基本理化性質(zhì)。每盆中加入10 kg土壤，按照預(yù)先試驗設(shè)計（表1）添加各重金屬并作均勻處理。于4月19日將帶有芽孢的人參栽種入處理好的盆中，每盆3株作為3個重復(fù)。將處理好的盆埋于參床內(nèi)，盆內(nèi)的土與參床土相平，并搭建復(fù)式棚[9]。試驗期間適當(dāng)澆水，使土壤保持濕潤且不積水。于當(dāng)年5月13日、5月23日、6月3日對人參株高、葉面積進(jìn)行測量并記錄數(shù)據(jù)；于當(dāng)年7月15日采集人參葉片并對其理化指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.4 生理生化指標(biāo)測定方法

人參葉中游離脯氨酸含量的測定采用磺基水楊酸法[10]；丙二醛（MDA）含量的測定采用TBA-MDA顯色法[11-13]；總?cè)~綠素含量的測定采用80%丙酮浸提24 h法，然后在663、645 nm下測定吸光度D663 nm、D645 nm，用Arnon公式計算總?cè)~綠素濃度[14]；可溶性糖含量的測定采用蒽酮法[15]；SOD活性的測定采用SOD抑制NBT光化還原法[16]，以抑制NBT光化還原的50%為1個酶活性單位（U）；POD活性的測定采用比色法[17-19]，在UV-1700動力學(xué)模式下，于470 nm下測定吸光度D470 nm，設(shè)定每隔0.5 s測定讀數(shù)1次，連續(xù)讀數(shù)2 min；可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬脅迫對人參地上部分生長發(fā)育的影響

Pb、Cd、Cu、Ni、Zn脅迫對人參地上部分生長影響的各項指標(biāo)見表2。每項指標(biāo)作3個平行，用SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。其中在鎳3水平處理下的人參發(fā)芽出現(xiàn)了滯后，在鎳4水平處理下的人參全部死亡。

2.1.1 單一重金屬脅迫對人參株高的影響 由表2可知，除鎘4水平處理下的人參出現(xiàn)反常外，單一重金屬脅迫下人參的株高都明顯低于對照，且每個單一元素在不同處理水平下，隨著重金屬濃度的增高，人參的株高呈現(xiàn)下降趨勢，其中銅1、銅2、銅3水平處理下對人參的株高影響不明顯。通過3個不同時間測定人參株高的總體比較可見，隨著時間的推移，重金屬脅迫對人參株高的影響差異明顯。對人參的株高而言，各元素影響程度由大到小為Ni>Zn>Cu>Pb>Cd。

2.1.2 單一重金屬脅迫對人參單葉面積的影響 由表2可以看出，單一重金屬脅迫下人參單葉面積明顯低于對照。3個不同時間測得的人參單葉面積中，5月23日除銅外的各元素在1、2水平下差異不顯著，2、3、4水平下差異明顯；而隨著人參的生長，到6月3日在各元素第1、2水平處理下的人參單葉面積呈現(xiàn)出明顯差異。

2.2 重金屬脅迫對人參葉生理生化指標(biāo)的影響

2.2.1 重金屬脅迫對人參葉游離脯氨酸含量的影響 由圖1可知，在Pb、Ni、Cu、Zn高濃度處理水平下，脯氨酸含量均呈現(xiàn)上升趨勢，而Cd各處理水平下脯氨酸含量均無明顯變化。由此看出，低濃度重金屬處理下脯氨酸含量變化不明顯，而高濃度的重金屬嚴(yán)重影響了植物根系細(xì)胞的滲透壓，阻礙了植物對水分的吸收，從而導(dǎo)致植物嚴(yán)重缺水。

2.2.2 重金屬脅迫對人參葉MDA含量的影響 MDA是植物體內(nèi)酯膜過氧化物的產(chǎn)物，其含量反映了植物內(nèi)酯膜過氧化程度，MDA可作為植物受害強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)之一。在Pb、Cd脅迫下，MDA含量先增后降；而在Ni、Cu、Zn脅迫下，MDA含量遞增（圖2）。

2.2.3 重金屬脅迫對人參總?cè)~綠素含量的影響 由圖3可見，除Cd外，不同重金屬脅迫對人參葉中總?cè)~綠素含量均有明顯的抑制作用，且隨著濃度的升高，對人參葉片中葉綠素含量的抑制作用越來越強(qiáng)。因此，隨著處理濃度增加，重金屬脅迫下人參葉片中葉綠素含量逐漸下降。但在Cd脅迫下，葉綠素含量的變化與此結(jié)論并不相符，4水平處理下，葉綠素含量反而高于空白對照。

2.2.4 重金屬脅迫對人參葉SOD活性的影響 從圖4看出，Pb、Ni、Zn在較低濃度水平下，SOD活性緩慢增強(qiáng)；當(dāng)濃度高于2處理水平后，SOD活性急劇減弱；當(dāng)濃度高于3處理水平后，SOD活性呈現(xiàn)穩(wěn)定或緩慢減弱的趨勢；Cd在1處理水平時，酶活性達(dá)到最高值，隨后減弱，3處理水平后趨于平穩(wěn)；Cu在3處理水平前對酶的活性影響較小，3處理水平后呈現(xiàn)急劇減弱的趨勢。

2.2.5 重金屬脅迫對人參葉POD活性的影響 由圖5可以看出，隨著重金屬濃度水平的升高，人參葉片中POD活性呈不同程度的增強(qiáng)，且各元素呈現(xiàn)不同的變化特征。在Cu、Cd等2種單一元素脅迫下，POD活性均呈現(xiàn)先升后降（仍高于對照）然后再升（高于處理2）再降的波動性特征。在Ni、Zn 2種單一元素脅迫下，POD活性則呈現(xiàn)波動性上升的特征。而在Pb元素脅迫下，POD活性則在3處理水平前均呈現(xiàn)上升趨勢，3水平后呈下降趨勢。

2.2.6 重金屬脅迫對人參葉可溶性糖含量的影響 由圖6可知，除鎘3、4處理外，在各元素脅迫下，隨著處理濃度的升高，人參葉片中可溶性糖含量均呈現(xiàn)出不同的下降趨勢。這表明隨著重金屬濃度的升高，可溶性糖的合成速率小于轉(zhuǎn)化、運(yùn)輸速率，碳水化合物的合成路徑相對受阻。這一趨勢與人參的株高呈現(xiàn)一定相關(guān)性。由此可推斷，不同單一重金屬對人參葉中可溶性糖的脅迫是對人參株高脅迫的內(nèi)因之一。

2.2.7 重金屬脅迫對人參葉可溶性蛋白含量的影響 從圖7可以看出，在單一重金屬脅迫下，人參葉中可溶性蛋白的含量大體呈波動下降的趨勢，表明重金屬脅迫對人參葉中可溶性蛋白具有低促高抑性。本研究所得關(guān)于Cd的結(jié)論并不與上述結(jié)論完全相符，在Cd 3處理下，可溶性蛋白含量達(dá)到較低值后，反而在4水平即40.8 mg/kg Cd下表現(xiàn)促進(jìn)作用，又達(dá)到最高值。

3 結(jié)論與討論

Pb、Ni、Cd、Cu、Zn重金屬脅迫對人參地上部分及生理生化指標(biāo)均有影響，且各項指標(biāo)表明，人參對這5種重金屬脅迫較為敏感。綜合人參地上部分各生理生理生化指標(biāo)，各單一重金屬對人參地上部分的脅迫程度由強(qiáng)到弱為Pb>Zn>Cu>Cd（以各金屬不同水平下的生理指標(biāo)與相應(yīng)空白對照差值的總和大小為判斷依據(jù)，總和越大，脅迫程度越高）。其中，在Ni 4水平（400 mg/kg）處理下人參直接死亡，無后期生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，因此不作比較；在3水平（300 mg/kg）處理下人參芽苗出土?xí)r間滯后。由此表明，Ni脅迫對人參幼芽的毒害較為嚴(yán)重。值得思考的是，Cd脅迫下人參地上部分的多項指標(biāo)出現(xiàn)異常，這雖然符合植物體內(nèi)脯氨酸可以跟Cd2+螯合，形成無毒的螯合物[20]這一理論，但與大多數(shù)研究結(jié)果[21-23]并不相符，具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究。參考文獻(xiàn)：

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