4種重金屬脅迫對煙草農藝性狀及生理特性的影響

劉文霖，張 浩

（1.貴州省煙草科學研究院，貴州貴陽550081；2.貴州大學農學院，貴州貴陽550025）

4種重金屬脅迫對煙草農藝性狀及生理特性的影響

劉文霖1，張 浩2

（1.貴州省煙草科學研究院，貴州貴陽550081；2.貴州大學農學院，貴州貴陽550025）

為煙草重金屬污染預測提供理論依據，采用盆栽試驗法，分析Cd、Pb、Hg及As 4種重金屬不同濃度脅迫下烤煙生理特性及農藝性狀的差異。結果表明：煙草在旺長期，Cd、Pb、Hg及As脅迫下其生長發育均受到抑制；適度的重金屬脅迫能提高煙草的凈光合速率；適度Pb脅迫對煙草SOD酶活性和CAT酶活性有促進作用，而Cd、Hg及As脅迫使煙草SOD酶活性和CAT酶活性降低；Cd、Pb、Hg及As脅迫使煙草的MDA含量提高。

煙葉；重金屬；生理特性；農藝性狀；光合速率

煙草（Nicotiana TabacumL.）為茄科煙草屬一年生或多年生植物，是我國重要的經濟作物之一［1］。隨著“吸煙與健康”和無公害煙葉生產問題的提出，煙草中有害重金屬含量及對人體健康的影響受到廣泛關注，因此減少煙葉有害成分是煙草種植的關鍵技術。煙草有害重金屬在抽吸過程中可通過主流煙氣進入人體和環境，對人體造成潛在的危害［23］，對環境造成污染。自從20世紀50年代在日本出現由汞和鎘污染所引起的水俁病和骨痛病公害以后，重金屬的環境污染問題受到極大的關注［4］。一般認為，較低濃度的重金屬對煙草生長有利，高濃度時則對煙草生長有抑制作用。低濃度鉻對煙草組培苗超氧化物歧化酶（SOD）活性有促進作用。袁祖麗等［5］采用水培試驗對不同濃度Cd脅迫下煙草營養器官發育的變化研究表明，Cd脅迫強烈抑制煙草營養器官的生長發育，表現在葉片數量和葉面積減少，株高、根系長度迅速降低。曹毅等［6］研究表明，低濃度Hg處理（0.5mg／kg）對團棵期烤煙葉片葉綠素合成有一定的促進作用。

超氧化物歧化酶和過氧化物酶在生物體內對氧自由基、過氧化物起著清除作用，抑制自由基對膜脂的過氧化作用，避免膜的損傷和破壞。目前關于Cd脅迫下煙草生理生化指標［710］和耐受性［11］的研究較多，嚴重玲等［12］利用紅花大金元為材料，研究Cd和Pb脅迫對煙草葉片中葉綠素含量、CAT（過氧化氫酶）、SOD（超氧化物歧化酶）和POD（過氧化酶）活性等影響，結果表明，Cd和Pb脅迫破壞煙草活性氧系統，加速葉片的衰落；張華［13］研究表明，Cr對煙草SOD活性影響較大，隨Cr處理濃度加大，SOD活性顯著降低；隨處理時期延后，對酶系統的影響逐漸減小，但POD活性表現出相反趨勢。前人對重金屬的生理生化與生長發育方面已有大量的研究，但主要集中表現在一種重金屬上，且對煙草生理特性方面研究也不夠全面。為此，筆者研究4種重金屬脅迫對煙草的農藝性狀與生理特性的影響，以期為煙草重金屬污染的預測提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試烤煙品種為云煙85，由貴州省煙草科學研究院良繁中心提供。試驗土壤為石灰土，土壤基本理化性狀：pH 7.5～7.9，有機質16.54g／kg，全氮1.323g／kg，全磷0.434g／kg，全鉀1.254g／kg，速效磷3.38mg／kg，速效鉀51.6mg／kg。試劑盒包括SOD試劑盒（測總）、POD試劑盒、CAT可見光試劑盒和丙二醛（MDA）測試盒。儀器設備包括：分光光度計（TU1901，北京普儀有限公司）、離心機（艾本德5417R，德國）、水浴鍋（DFD－700，上海齊儀有限公司）、微量移液器、光合測定儀（CI－340，美國）和電熱恒溫鼓風干燥箱（DHG－9123A，上海齊欣科學儀器有限公司）。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，在試驗土壤中分別添加Cd、Hg、Pb和As 4種重金屬，每種重金屬設2個添加量（表1），以不添加重金屬的土壤為對照（CK），每個處理重復8次。裝盆前先將土壤風干，過篩，每盆裝土30kg。將重金屬溶液根據試驗設計濃度梯度，溶解于水配制好后與基肥氮肥（純氮12kg／667m2）充分混勻后一次性施入。保持80%田間持水量。

表1 4種重金屬不同濃度脅迫處理Table1 Experimental treatments of the four heavy metals with various concentrations mg／kg

1.3 測定項目

2012年3月將煙葉幼苗（營養盤培養老化2個月的幼苗）移栽至試驗盆，每盆栽1株。烤煙旺長期（從團棵到現蕾）測量煙株的最大葉長、最大葉寬、莖圍、株高和有效葉片數。用卷尺測量最大葉長、最大葉寬和株高，游標卡尺測量莖圍。同時測定煙株的光合速率、SOD活性、POD活性、CAT活性和MDA含量。數據統計分析采用Microsoft Excel 2003和DPSv 7.05軟件進行。

2 結果與分析

2.1 4種重金屬對煙草旺長期農藝性狀的影響

由表2可知，與空白對照比較，Cd 0.5mg／kg和1.5mg／kg處理的煙草旺長期的莖圍變粗、葉片數增多，株高降低，最大葉的葉長及葉寬變小。煙草旺長期的株高、莖圍、葉片數等農藝性狀指標均表現為空白對照＞Pb 150mg／kg處理＞Pb 300mg／kg處理。Hg1.5mg／kg處理的烤煙旺長期莖圍、葉片數、最大葉的葉長和葉寬高于Hg0.5mg／kg處理，但均低于空白對照。As脅迫下，除As 15mg／kg處理的莖圍略高于空白對照外，其他指標均表現為空白對照＞As 15mg／kg處理＞As 40mg／kg處理。說明，在Cd、Pb、Hg及As重金屬脅迫下，煙草生長受到抑制，且抑制程度隨重金屬脅迫濃度的增大而增加。

表2 不同重金屬脅迫煙草旺長期的農藝現狀Table2 Agronomic traits of tobacco in vigorous growth period under stress of different heavy metal

2.2 4種重金屬對煙草光合特性的影響

2.2.1 凈光合速率從表3看出，除Hg 0.5mg／kg處理的煙草凈光合速率略低于對照外，其他處理的與對照相當或略高于對照，尤其以Cd 1.5mg／kg和Pb 300mg／kg處理的凈光合速率明顯較高。表明適宜的重金屬濃度能提高烤煙凈光合速率。

2.2.2 SOD酶活性SOD是防護氧自由基對細胞膜系統傷害的防護酶，作為超氧自由基清除劑，其活性高低與植物抗性大小有一定的相關性。從表3看出，在Pb脅迫下，烤煙旺長期超氧化物歧化酶（SOD）活性與對照相當或高于對照，尤其是Pb 300mg／kg的處理明顯高于對照。Cd 0.5mg／ kg處理SOD活性與對照相當，其余處理煙草的SOD活性明顯低于對照。說明，適度的Pb（300mg／kg）脅迫能促進SOD活性，而Cd、Hg、As等重金屬則抑制煙草SOD活性。

2.2.3 POD酶活性過氧化物酶（POD）是活性較高的酶，廣泛存在于植物體中，其與植物的呼吸作用、光合作用等都有關系。由表3看出，受重金屬Cd、Hg、Pb及As脅迫，烤煙旺長期葉片POD酶活性均明顯低于空白對照，尤其以重金屬As 40mg／kg處理的POD酶活性最低，比CK低66.19%。表明，在Cd、Hg、Pb及As重金屬對煙草POD酶活性均產生抑制，其中以As脅迫的影響最明顯。

表3 不同重金屬脅迫烤煙旺長期的生理指標Table3 Physiological indexes of flue－cureDTobacco in vigorous growth period under stress of various heavy metal

2.2.4 CAT活性過氧化氫酶（CAT）能夠清除細胞內過多的過氧化氫以維持細胞內過氧化氫在一個正常水平，從而保護膜結構。由于重金屬的入侵，造成CAT活性的降低。由表3看出，Pb 300mg／kg處理的CAT活性明顯高于空白對照，其余重金屬脅迫的CAT活性均低于對照，尤其以As 40mg／kg處理的最低。

2.2.5 MDA含量丙二醛（MDA）含量是植物細胞膜質過氧化程度的體現。從表3看出，除As 40mg／kg處理的MDA含量低于空白對照外，其他處理的均高于對照。說明，Cd、Hg及Pb重金屬脅迫對煙草葉片的細胞膜造成損傷，從而使MDA含量增加。

3 結論與討論

1）通過分析Cd、Pb、Hg和As 4種重金屬脅迫下煙草的生長發育及生理特性，可以初步判斷其受重金屬污染的情況，為煙草的健康種植提供科學依據。研究結果表明，在Cd、Pb、Hg和As重金屬脅迫下，煙草的生長發育均受到一定限制，尤其以Pb 300mg／kg處理的影響最為明顯，其烤煙旺長期的株高、莖圍、葉片數分別比空白對照降低53.40%、32.08%和3.42%。重金屬Cd、Pb、Hg、As在試驗濃度范圍，只有低濃度Hg（0.5mg／kg）抑制煙草的凈光合速率（比對照降低11.6%），其他處理的凈光合速率均較對照提高。因此，適度的重金屬脅迫對煙草的光合速率具有促進作用。適度的Pb（300mg／kg）脅迫能促進SOD活性，而Cd、Hg和As等重金屬則抑制煙草SOD活性。Cd、Hg、Pb及As重金屬對煙草POD酶活性和CAT活性均產生抑制。4種重金屬對煙草SOD活性、POD酶活性和CAT活性的抑制效應中，以As脅迫的影響最明顯，表明煙草對重金屬As脅迫最敏感。Cd、Hg及Pb重金屬脅迫使細胞內過氧化產物積累，導致細胞膜受到損傷，從而使煙草MDA含量增加。

2）有研究表明，煙草通過根際從土壤中吸收Cd、Pb和Cr重金屬后在體內累積，會對植物的生理、生化產生一定的毒害作用，如抑制植物的光合作用或呼吸作用等影響植物的生長［1416］。本研究表明重金屬脅迫下，煙草的凈光合速率提高，只有低濃度的Hg抑制煙草的凈光合速率，原因可能是煙草在旺長期需要的光與水分是最大時期，所以凈光合速率在重金屬脅迫下普遍提高。

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（責任編輯：姜 萍）

Effects of Agronomic Traits and Physiological Characteristics of Tobacco Under Stress of Four Kinds of Heavy Metals

LIU Wenlin1，ZHANG Hao2
（1.Guizhou Academy of Tobacco Sciences，Guiyang，Guizhou 550081；2.College of Agriculture，Guizhou University，Guiyang，Guizhou550025，China）

In order to provide the theoretical basis for prediction of heavy metal pollution in tobacco，by pot experiment method，the authors exploreDThe variation of physiological characteristics and agronomic traits of flue－cureDTobacco under stress of four kinds of heavy metals with different concentration.Results：Under stress of Cd，Pb，Hg and As in vigorous growth period，the growth and development of tobacco were suppressed；Moderate heavy metal stress could increase net photosynthetic rate；Suitable Pb stress promoted SOD and CAT activities，while Cd，Hg and As stress decreaseDThem；Cd，Pb，Hg and As stress could enhance MDA content in tobacco.

tobacco；heavy metal；physiological property；agronomic traits；photosynthetic rate

S572

A

1001－3601（2016）10－0413－0015－03

2016－03－21；2016－09－25修回

貴州省科技廳科技攻關項目［黔科合NY字（2011）3048］；貴州省煙草公司重大專項（2011－10）

劉文霖（1984－），女，實驗師，從事煙草及土壤檢測研究。E－mail：lwl225＠163.com