鉛處理對茴香植株生長及精油組分的影響

肖艷輝，何金明，潘春香，張振明，淡豫

韶關學院農業科學與工程學院，廣東 韶關 512005

茴香(Foeniculum vulgareL.)是傘形科茴香屬一二年生草本植物，原產地中海地區，現世界各地均有栽培。茴香不僅是一種用途廣泛的食用香料，還是一味重要的中草藥。茴香全株各器官均含有精油，其精油廣泛應用于醫藥學、化妝品和食品添加劑等方面（何金明，2005）。許多條件，如施肥量、施肥方式、氮源、礦質離子濃度、不同產地等對茴香精油成分的相對含量均有一定影響（KHAN等，1999；Atta-Aly，2001；王羽梅等，2002；SINGH等，2002；任安祥等，2006；吳玫涵等，2001），這均由茴香生長所處的綜合生態條件不同所引起的。

隨著工業的發展，我國很多耕地受到重金屬不同程度的污染。鉛為污染重金屬元素之一，是植物的非必需元素。目前，關于鉛對植物影響的研究主要集中在植物的生理生化方面。鉛脅迫能顯著抑制玉米地上部分和地下部分的生長，降低了葉片光合色素含量，通過抑制Rubisco活性限制了光合作用，通過抑制葉綠體中了超氧化物歧化酶和抗壞血酸過氧化物酶的活性，以及增加活性氧的產生導致PSI的活性下降，最終造成對整個光合機構的傷害，嚴重地抑制玉米生長（姚廣等，2009）。重金屬對植物揮發油的影響報道很少。求紅波等（2012）用0.01 mol·L-1鉛溶液噴施迷迭香植株后研究重金屬鉛對迷迭香揮發物的釋放中發現，鉛處理能抑制萜烯類、酯類揮發物的釋放，而使酮類、醇類揮發物的釋放增加。由于不同芳香植物的精油的化學組成不同，有的為萜烯類化合物，有的為含氧類化合物，還有的為酯類化合物等，因此，鉛處理對不同的芳香植物精油化學組成影響如何，鉛質量濃度對芳香植物精油化學組成影響如何，需要更深一步的研究。本研究以茴香為試驗材料，采用水培的方式，研究了鉛對茴香植株生長、茴香植株對鉛的吸收累積及精油組分的影響，以期為茴香對鉛污染土壤進行植物修復及其修復后植物的再利用提供理論參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以內蒙古小茴香(Foeniculum vulgareMill.)為試驗材料。茴香種子來源為中國茴香產區之一的內蒙古托克托縣，種子生產時間為2010年。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

2011年9月13日于韶關學院塑料大棚中播種育苗。采用細沙作為育苗基質，澆透水后，選取籽粒飽滿的茴香種子播于育苗盤中。育苗期間，育苗盤放于通風透光處。10月10日，待茴香長至兩葉一心時，選取生長健壯、大小一致、無病蟲害的植株移栽于水培箱（霍格蘭配方，培養液19 L）中，每個水培箱培養24株茴香，確保茴香植株根系完全浸沒在營養液中。培養茴香植株期間，不間斷供氧。供氧設備為空氣壓縮泵，功率為80 W，電壓220 V/50 HZ，排氧量為90 L·h-1。每箱均安裝2個通氣砂頭，以保證增氧均勻。整個栽培過程在塑料大棚中進行。每隔1 d檢測營養液的pH和EC，調整并保持pH在5.5～6.5，每15 d更換一次培養液，保證EC不低于營養液全濃度的1/2。10月18日開始對茴香植株進行不同質量濃度鉛處理。鉛質量濃度分別為 0（對照）、1 mg·L-1、5 mg·L-1、10 mg·L-1。11月29日開始進行取樣分析。

1.2.2 形態指標和生理指標的測定

處理結束后，每個處理隨機取樣15株，測定株高、真葉數、最大葉長和最大葉寬；隨機取5株，稱量地上部鮮質量和干質量、地下部鮮質量和干質量，并計算根冠比。

葉片中葉綠素和類胡蘿卜素質量分數用比色法測定（郝再彬等，2004）；可溶性糖質量分數用蒽酮比色法測定（李合生等，2000）；可溶性蛋白質質量分數用考馬斯亮藍 G-250法測定（李合生等，2000）；全氮質量分數用凱氏消煮法測定（中國科學院上海植物生理研究所，1999）；全碳質量分數用K2Cr2O7容量法法測定（中國土壤學會農業專業委員會編，1983）。鉛質量分數用原子吸收分光光度計（型號：AA7000，島津）測定。

1.2.3 精油的提取與定量

茴香植株用水洗凈，吹干表面水跡，切成 0.5 cm左右的小段，準確稱質量150 g，置于1000 mL的圓底燒瓶中，加入600 mL水，用揮發油測定器進行共水蒸餾，微沸蒸餾3 h。蒸餾時用2 mL正己烷（色譜純）萃取。蒸餾結束后，回收正己烷，用無水硫酸鈉干燥，過濾。每處理蒸餾3次，取平均值。精油的正己烷溶液用棕色瓶封裝，于-20 ℃下保存。

1.2.4 精油成分分析

在吳玫涵等（2001）方法的基礎上，進行適當改進：取茴香精油的正己烷溶液稀釋 100倍，進行氣質聯用儀（Gas Chromatograph / Mass Spectrometer ，GC/MS）分析（Trace GC-2000/DSQ， Thermo Finnigan， USA）。GC條件為： DB5石英毛細管柱（30 m × 0.25 mm ×0.25 μm）；載氣為高純氦（99.999%）；柱流量為1 mL·min-1，不分流；柱前壓100 kPa；進樣口溫度為220 ℃；進樣量為1 μL；程序升溫為柱溫40 ℃，保持 1 min，從 10 ℃·min-1升高到 200 ℃·min-1，保持3 min。MS條件：電離方式為EI；電子能量為 70 eV；接口溫度為 210 ℃；離子源溫度為200 ℃；流量掃描范圍為 50～350m/z；溶劑延遲4.0 min；發射電流為100 μA。在參考前人工作（趙淑平等，1989；趙淑平等，1991；MIMICA-DUKIC等，2003）的基礎上，計算成分的保留系數，同時結合NIST（2002）標準譜庫進行精油成分鑒定。使用色譜峰面積歸一法確定精油成分的相對含量。每樣品重復3次。

所得數據采用SPSS軟件包進行方差分析，用Duncan’s 新復極差法進行平均數的顯著檢驗。

2 結果與分析

2.1 鉛質量濃度對茴香植株形態指標的影響

表1可以看出，隨鉛質量濃度的增加，茴香株高呈降低趨勢，且均顯著低于對照；真葉數均低于對照，但僅5 mg·L-1鉛質量濃度處理與對照差異顯著；最大葉長僅5 mg·L-1鉛質量濃度處理低于對照，但各處理之間及與各處理與對照之間差異均不顯著；最大葉寬均高于對照，但僅5 mg·L-1鉛質量濃度處理與對照差異顯著。

表1 鉛質量濃度對茴香植株形態指標的影響Table 1 Effect of different Pb concentrations on fennel’s shape index

2.2 鉛質量濃度對茴香植株生物量的影響

表2可以看出，隨鉛質量濃度增加，茴香植株地上部鮮質量和地上部干質量呈降低趨勢，且均顯著低于對照；地下部鮮質量和地下部干質量均低于對照，但各處理之間及各處理與對照之間差異均不顯著；根冠比隨鉛質量濃度增加呈升高趨勢，且均高于對照，但僅鉛質量濃度為10 mg·L-1時顯著高于對照，其他處理與對照差異均不顯著。說明鉛處理茴香植株后，不利于茴香植株生物量的積累，但能提高茴香植株的根冠比。

2.3 鉛質量濃度對茴香葉綠素、類胡蘿卜素質量分數的影響

表3可以看出，隨鉛質量濃度增加，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素質量分數均呈降低趨勢，且均低于對照。1 mg·L-1鉛處理與 5 mg·L-1鉛處理之間的葉綠素a質量分數和類胡蘿卜素質量分數差異不顯著，而兩個處理的葉綠素a質量分數和類胡蘿卜素質量分數均顯著高于 10 mg·L-1鉛處理，并顯著低于對照；1 mg·L-1鉛處理與對照及與5 mg·L-1鉛處理之間的葉綠素b質量分數差異均不顯著，但與10 mg·L-1鉛處理則有顯著差異，且10 mg·L-1鉛處理顯著低于對照；各處理之間的總葉綠素質量分數均有顯著差異；對葉綠素a/葉綠素 b而言，5 mg·L-1鉛處理最高，但與 10 mg·L-1鉛處理及對照之間差異不顯著，顯著高于1 mg·L-1鉛處理。

2.4 鉛質量濃度對茴香植株碳和氮的影響

表4可以看出，隨鉛處質量濃度增加，茴香植株中的可溶性蛋白質質量分數大致呈下降趨勢，且1 mg·L-1鉛處理和 5 mg·L-1鉛處理均顯著高于對照，而10 mg·L-1鉛處理與對照差異不顯著；隨鉛質量濃度增加，可溶性糖質量分數呈下降趨勢，除了1 mg·L-1鉛處理顯著高于對照外，其余鉛處理均顯著低于對照，且5 mg·L-1鉛處理與10 mg·L-1鉛處理之間有顯著差異；對于全碳質量分數來說，各處理之間及與對照之間差異均不顯著；鉛處理后，各處理的全氮質量分數均高于對照，但1 mg·L-1鉛處理與對照之間差異不顯著，其余處理與對照差異顯著；但各處理之間差異均不顯著。可溶性蛋白質質量分數與全氮質量分數的變化趨勢基本一致。

表2 鉛質量濃度對茴香植株生物量的影響Table 2 Effect of different Pb concentrations on biomass of fennel plant

表3 鉛質量濃度對茴香葉綠素、類胡蘿卜素質量分數的影響Table 3 Effect of different Pb concentrations on contents of Chl and CAR in fennel leaves mg·g-1

表4 鉛質量濃度對茴香植株碳和氮的影響Table 4 Effect of different Pb concentrations on contents of carbon and nitrogen in fennel plant

表5 鉛質量濃度對茴香植株體內鉛質量分數的影響Table 5 Effect of Pb concentrations on Pb content in fennel plant

2.5 鉛質量濃度對茴香植株鉛吸收累積的影響

隨鉛質量濃度的增加，茴香植株體內的鉛質量分數呈增加趨勢，但增加的幅度有降低趨勢。鉛處理后，各處理之間的鉛質量分數差異均顯著。

2.6 鉛質量濃度對茴香精油成分組成比例的影響

表5可以看出，各處理茴香精油成分種類沒有差異，各處理均鑒定出18種成分，可鑒定成分的峰面積總和占總峰面積的98%以上，1%以上的主要成分為反式-茴香腦、檸檬烯、蒔蘿芹菜腦、愛草腦、水芹烯、γ-萜品烯，其中第一主要成分為反式-茴香腦，第二主要成分為檸檬烯。不同鉛質量濃度處理后，茴香精油成分相對含量顯著高于對照的有月桂烯、檸檬烯、γ-萜品烯、萜品油烯、小茴香酮、愛草腦、蒔蘿芹菜腦，而成分相對含量顯著低于對照的有反式-茴香腦、金合歡烯；不同鉛質量濃度處理下的反式-茴香腦的相對含量均顯著低于對照，且各處理之間差異均顯著，但以5 mg·L-1鉛處理最低，而檸檬烯的相對含量均顯著高于對照，但各處理之間差異不顯著，但以5 mg·L-1鉛處理最高。

按照分子結構，茴香精油成分可分為3大類，即單萜類化合物、含氧化合物和倍半萜類化合物，其中單萜類化合物包括α-蒎烯、崁烯、月桂烯、水芹烯、檸檬烯、γ-萜品烯、萜品油烯和3, 4-二甲基-2, 4, 6-辛三烯；含氧化合物包括小茴香酮、愛草腦、葑醇乙酸酯、反式-葑酮乙酸酯、順式-茴香腦、反式-茴香腦、蒔蘿芹菜腦；倍半萜類化合物包括古巴烯、合金歡烯和吉瑪烯D。不同鉛質量濃度處理后，茴香精油單萜類化合物含量均顯著高于對照，并以5 mg·L-1鉛處理最高，顯著高于其他鉛處理；含氧化合物含量均顯著低于對照，并以5 mg·L-1鉛處理最低，顯著低于其他鉛處理；單萜類化合物與含氧化合物的變化呈現相反趨勢；隨鉛質量濃度的增加，倍半萜類化合物含量呈降低趨勢，且均低于對照，但僅5 mg·L-1和10 mg·L-1鉛濃度處理顯著低于對照，而1 mg·L-1鉛質量濃度處理與對照差異不顯著。

表6 鉛質量濃度對茴香精油成分組成比例的影響Table 6 Effect of different Pb concentrations on essential oil components and proportion in fennel essential oil %

3 討論

本文研究結果表明，不同鉛質量濃度處理后，茴香植株的生長及地上部和地下部生物量累積均受到抑制（表1、表2）。鉛能破壞葉綠素的合成，本實驗結果也證明了這一點，這可能與Pb2+取代了葉片中Fe2+、Zn2+、Mg2+等元素，抑制了葉綠素前體的合成，破壞了葉綠體微結構有關（LIANG Peng和ARTHUR B PARDEE，1992）。鉛處理茴香植株后，茴香的最大葉長和最大葉寬雖然有所增加，但由于茴香葉片中葉綠素含量減少，從而影響了光合作用，使合成的光合產物減少，從而引起了根系生長量與對照相比有所下降。不同鉛濃度處理后，茴香植株的根冠比有所提高，這可能是在逆境條件下，茴香植株通過抑制高生長，擴大根冠比來適應鉛脅迫的逆境，維持根系的正常生理活動。

在低質量濃度的鉛（1mg·L-1）脅迫下，促進了茴香植株體內可溶性糖的積累，表現出對鉛的積極響應，但鉛質量濃度增加后，可溶性糖含量有所下降，可能是植物受到鉛毒害后，植物表現為同化產物的合成速率小于轉化、運輸速率，碳水化合物的合成路徑相對受阻等（劉慧芹等，2012）。Cd能誘導可溶性蛋白質量分數增加，可能是植物抵抗Cd毒害的一種解毒機制（洪仁遠等，1991）。吳桂容等也認為，在質量濃度0.5～50 mg·kg-1的Cd脅迫下，植物葉及根中的蛋白質質量分數表現出先升后降的趨勢，但均高于對照，說明植物細胞中蛋白質的合成代謝加強，Cd誘導合成更多蛋白質，參與滲透調節，提高植物的抗逆性（吳桂容和嚴重玲，2006）。本實驗也得出了類似結果，可能是由于Pb與Cd均為重金屬，對植物生理代謝的影響也相似。隨著Pb質量濃度的增加，可溶性蛋白質質量分數有所下降，這可能是由于植物葉片中有70%的蛋白質存在于葉綠體中（潘瑞熾，2004），而高質量濃度鉛處理后，葉片內積累過多的Pb破壞了葉綠體，從而導致蛋白質量分數下降。

茴香植株對鉛的吸收累積具有一定的潛力，在10 mg·L-1質量濃度下達到了 465.01 mg·kg-1，可以應用在鉛污染土壤植物修復方面。精油是一種植物次生代謝產物。植物初生代謝產物的合成和積累影響植物次生代謝。不同鉛質量濃度處理后，茴香植株精油中檸檬烯的相對含量顯著高于對照，而反式-茴香腦的相對含量則顯著低于對照，從而使得不同鉛質量濃度處理下的單萜類化合物顯著高于對照，而含氧化合物顯著低于對照。而求紅波等（2012）認為在0.01 mol·L-1鉛溶液噴施迷迭香植株后能抑制迷迭香揮發物中萜烯類的釋放，這與本實驗研究結果不同，這可能是由于鉛處理的質量濃度不同造成的，本實驗中鉛質量濃度較高。本實驗結果表明，不同鉛質量濃度處理后，有利于茴香植株精油中單萜類化合物的累積，而不利于含氧化合物和倍半萜化合物的累積。

4 結論

（1）鉛處理能抑制茴香植株的生長。鉛處理后，茴香植株株高顯著低于對照，且隨鉛質量濃度的增加，株高呈顯著降低趨勢；真葉數均低于對照，但僅5 mg·L-1處理與對照差異顯著；各處理的最大葉長與對照差異均不顯著；最大葉寬均高于對照，但僅5 mg·L-1處理與對照差異顯著。

（2）隨著鉛質量濃度的增加，地上部鮮質量和干質量均呈逐漸降低趨勢，且鉛處理后的地上部鮮質量和干質量均顯著低于對照；地下部鮮質量和干質量呈逐漸升高趨勢，但鉛處理后的地下部鮮質量和干質量與對照差異均不顯著；根冠比呈逐漸增加趨勢，但僅 10 mg·L-1處理顯著高于對照。

（3）隨著鉛質量濃度的增加，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素質量分數均呈降低趨勢，且均低于對照，葉綠素a/葉綠素b以5 mg· L-1處理最高，但僅顯著高于1 mg· L-1處理。

（4）鉛處理后，全氮質量分數與可溶性蛋白質質量分數的變化趨勢基本一致，均高于對照；隨鉛質量濃度的增加，可溶性糖質量分數呈降低趨勢，除1 mg·L-1處理顯著高于對照外，其余鉛處理均顯著低于對照；各處理的全碳質量分數與對照差異均不顯著。

（5）隨鉛質量濃度的增加，茴香植株對鉛的吸收累積顯著增加。

（6）鉛處理能影響茴香精油組分，顯著降低反式-茴香腦和含氧化合物含量，而顯著提高檸檬烯和單萜類化合物含量；隨鉛質量濃度的增加，倍半萜類化合物含量呈降低趨勢，且均低于對照。

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