摘 要:利用添加了不同量(40、80mg/kg)的外源镉(Cd)的土壤(有效Cd质量分数分别为17.40、51.50mg/kg)进行亚麻盆栽试验,研究不同水平Cd处理对亚麻的出苗率、株高、茎粗、叶片数、生物量及不同器官Cd含量等的影响。结果表明:与对照相比,低质量分数Cd(40mg/kg)提高了亚麻的出苗率,而高质量分数Cd(80mg/kg)则抑制了出苗;Cd处理降低了亚麻植株的株高、茎粗和叶片数及生物量,且随着Cd处理水平的提高,亚麻的各种生长指标受抑制程度均显著加重,与对照相比,高质量分数Cd处理的亚麻的株高、茎粗、叶片数等分别降低了64.1%、51.9%和58.6%;在器官水平上,亚麻的根、叶、茎中Cd质量分数依次降低;在亚细胞水平上,Cd更多的分布在细胞壁和核糖体上,且显著高于细胞核与叶绿体、线粒体的。可见,40、80mg/kg的Cd处理会抑制亚麻的生长和生物量的积累,而亚麻对Cd的耐受性可能是根部对Cd向上运输的限制及细胞壁和液泡对Cd的隔离所致。
关键词:亚麻;土壤;镉;生物量;亚细胞;耐镉机制
在人类活动因素和自然因素双重作用下,土壤、水体中的重金属污染情况日益严重[1–2],严重制约着中国农业可持续发展。在诸多有害重金属中,镉(Cd)因其移动性强、毒性高、易随食物链累积而备受关注[3–5],土壤Cd污染修复任务紧迫。在各种修复手段中,植物修复模式因具有环保、成本低、易操作等优点而成为研究的热点。寻找适合Cd污染农田修复和利用的作物,一直是科研工作者的目标之一。
亚麻是世界三大纤维和五大油料作物之一,是人类最早栽培的古老作物[6]。亚麻有200多个品种,根据其用途分为纤维用、油用、油纤兼用3种类型[7]。随着对亚麻研究的扩展和深入,亚麻在生物复合材料[8]、医用[9]等领域的利用已取得了较大进展,这使得亚麻的经济利用价值更加突出。此外,人们还发现亚麻对Cd具有很好的吸收能力和耐性,如GUO等[10]发现,一些亚麻品种每年每公顷可在土壤中移除60g的Cd,而BJELKOVÁ[11]则发现,某些亚麻品种在Cd含量为1000mg/kg的土壤上依然可正常生长。同时,种植在Cd污染农田上的亚麻还可作为能源作物用于生物燃料的生产[12]。可见,亚麻有潜力去替代那些经济利用价值低、生长缓慢、生物量小的超积累植物来实现Cd污染土壤的修复和利用[13]。
关于用亚麻修复Cd污染农田的研究较多,但大多数集中于高富集Cd的亚麻品种筛选、亚麻对Cd的修复效果及亚麻对Cd胁迫生理响应等,而对生存在Cd胁迫下的亚麻体内积累的Cd的亚细胞水平的分布情况研究较少。本研究中,探究不同水平Cd处理对亚麻植株形态学的影响,进入亚麻植株体内的土壤Cd在亚麻根、茎、叶等器官内的分布情况及根、茎、叶等器官内的Cd在亚细胞水平上的分布情况。现将结果报告如下。
1材料与方法
1.1供试土壤与亚麻品种
供试土壤采集于湖南省益阳市沅江市。土壤有机质和全氮质量分数分别为26.9、1.31g/kg;有效磷和速效钾质量分数分别为40.0、91.5mg/kg;pH为7.35。
供试亚麻品种为中国农业科学院麻类研究所选育的中亚1号,是中早熟纤维用亚麻品种。其株高约95~105cm,原茎产量依据不同产地情况可达6~11t/hm2,适合中国绝大部分产区种植,具有较强的抗倒伏品质。研究[10]表明,中亚1号对Cd具有较好的耐性和修复效果。
1.2 试验设计
去除在田间采集的土壤样品中的大石块、植物残体等,风干后过2mm筛,然后对土壤样品进行3种处理:不加Cd的对照(CK)、添加40mg/kg的低Cd处理(Cd40)和添加80mg/kg的高Cd处理(Cd80),其土壤有效Cd质量分数分别为0.14、17.40、51.50mg/kg。由于在之前的田间试验中发现亚麻在自然环境中各种Cd污染程度下的农田里均可较好的生长,本试验设计了更高浓度的Cd处理,以便检验亚麻的耐Cd潜力及Cd在亚麻植株内的积累、分布情况。将处理好的土壤分别装入花盆中,静置2月,使加入的Cd达到转化平衡。2月后,在每盆中加入适量的水,将花盆中土壤的含水量调整为田间持水量的70%,再将70粒亚麻种子播种在表层土下2cm深度处。每周观察2次亚麻出苗及长势情况。及时喷水,避免土壤干燥,治虫和除草视情况而定。
1.3测定项目及方法
1.3.1亚麻的形态指标和生物量测定
播种2周后,计数每个处理的亚麻苗数,并计算出苗率。播种40d后收获亚麻,在每盆亚麻苗中选取10株测定其株高、茎粗和叶片数;然后用蒸馏水洗净每盆的植株,并在吸干植株表面的水分后称其鲜质量;再取部分植株进行烘干,测定植株的含水率,进而根据含水率计算每盆亚麻植株的干生物量。
1.3.2亚麻亚细胞组分的分离及 Cd 含量的测定
取部分洗净并吸干植株表面水分的新鲜亚麻苗,将其分为根、茎和叶,采用差速离心法对此3部位的细胞进行亚细胞器分离,具体操作流程参照李德明等[14]和SUN等[15]的方法并有所改进。称取0.5g样品于研钵中,加入20mL预冷的pH7.4的亚细胞缓冲溶液(250mmol/L蔗糖、1mmol/L二硫赤藓醇、50mmol/LTris–HCl),迅速将样品研磨成匀浆。对所得匀浆进行差速离心:以300r/min的速度离心30s,沉淀为细胞壁组分;上层清液再以2000r/min的速度离心15min,沉淀为细胞核和叶绿体组分;上层清液再以10000r/min的速度离心20min,沉淀为线粒体组分;其余上清液为可溶性部分,包括核糖体等。上述所有步骤均在4℃条件下进行。用去离子水洗涤细胞壁组分,过滤后将滤渣转移至消煮管,其余组分分别用去离子水洗入消煮管,60℃烘干后,用体积比为5∶1的硝酸、高氯酸消解,最后采用ICP–MS测定Cd的含量。利用亚麻植株不同部位的4个亚细胞组分的Cd含量分别计算亚麻植株不同部位的Cd含量。
1.4数据处理
数据均使用Microsoft Excel 2016进行整理;运用SPSS 22.0进行方差分析,采用Duncan法在P<0.05的显著水平上进行多重比较。
2结果与分析
2.1Cd处理对亚麻植株形态及生物量的影响
Cd处理可影响亚麻的出苗率、株高、茎粗、叶片数,最终影响亚麻的生物量,但Cd对亚麻的影响因质量分数不同而存在差异(表1)。从表1可以看出,Cd40对亚麻的出苗有一定的促进作用,Cd40的出苗率较CK的提高了13.0%;Cd80的出苗率较CK的降低了19.6%,但差异无统计学意义;Cd80的出苗率显著低于Cd40的。Cd的存在对亚麻产生了不同程度的毒害作用,不论何种质量分数的Cd处理都会影响亚麻的株高、茎粗和叶片数。与CK相比,Cd40在一定程度上降低了亚麻的株高、茎粗和叶片数,分别降低了20.7%、9.3%和7.0%;而Cd80则无一例外地显著降低了亚麻的株高、茎粗和叶片数,分别降低达64.1%、51.9%和58.6%。Cd的存在不仅影响了亚麻植株形态,也显著影响了亚麻的生物量。与CK相比,2种水平的Cd处理均显著降低了亚麻的生物量,且随着Cd质量分数的增加,亚麻生物量的降低更加明显,Cd40和Cd80的生物量分别降低了20.6%和71.8%。
表1 Cd处理下亚麻的出苗率和植株形态特征及生物量
同列不同字母示处理间差异有统计学意义(P<0.05)。
2.2Cd处理下亚麻植株内 Cd 的含量与分布
从表2可以看出,土壤中的Cd经亚麻根系吸收后会进入亚麻体内进行再分布,并且在亚麻体内各个器官中的分布差异明显,根、叶、茎中Cd的质量分数依次降低,其中,根中的Cd质量分数显著高于叶和茎的,且随着土壤Cd质量分数的增加亚麻植株各器官的Cd质量分数也显著增加。
表2 Cd处理下亚麻的根和茎及叶中的Cd 质量分数
同列不同大写字母示处理间差异有统计学意义(P<0.05);同行不同小写字母示器官间差异有统计学意义(P<0.05)。
从表3可以看出,在3个器官中,在亚麻亚细胞水平上细胞壁和核糖体组分的Cd质量分数较高,显著高于细胞核与叶绿体、线粒体组分的Cd质量分数;随着土壤Cd质量分数的增加,各个器官的各亚细胞组分的Cd质量分数也显著增加;细胞壁和核糖体是细胞内Cd积累的主要位置。
表3 亚麻根和茎及叶在亚细胞水平上的Cd 质量分数