重金屬脅迫對人參生長發育及生理生化特性的影響

王志栓+薛曉麗+費洋

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育及生理生化指標的影響。結果表明：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產生不同程度的影響。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，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處理下多項指標出現異常，具體機理有待進一步研究。綜合各項指標發現，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

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）04-0253-04

隨著我國工業城市化的不斷發展，工業和生活用水排放，汽車廢氣排放，污水灌溉，含重金屬的化肥、有機肥、農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重[1-2]。重金屬不僅對土壤的生態結構、功能穩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重的影響[3]。由于重金屬的強富集性，導致其可通過食物鏈進入動物和人體，從而嚴重危害生物健康[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，具有大補元氣、復脈固脫、補脾益肺、生津養血、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。近年來人參價格一路攀升[7]，一方面是因為人參強大的藥用價值；另一方面是因為人參已經成為一種新食品資源[8]，市場面的擴大，使得人參種植面積快速增加，尤其是新發展而來的農田栽培，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量標準也在制定中，而重金屬脅迫對人參地上部分的生長及生理生化指標的影響卻鮮見報道。人參是自養植物，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的影響，為進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，每株質量（10.0±2.3） g。供試土壤采自吉林農業科技學院左家校區人參種植基地的黑黃混合土，其pH值為6.1，有機質含量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

土壤經自然風干、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。每盆中加入10 kg土壤，按照預先試驗設計（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。將處理好的盆埋于參床內，盆內的土與參床土相平，并搭建復式棚[9]。試驗期間適當澆水，使土壤保持濕潤且不積水。于當年5月13日、5月23日、6月3日對人參株高、葉面積進行測量并記錄數據；于當年7月15日采集人參葉片并對其理化指標進行測定。

1.4 生理生化指標測定方法

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]；總葉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公式計算總葉綠素濃度[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動力學模式下，于470 nm下測定吸光度D470 nm，設定每隔0.5 s測定讀數1次，連續讀數2 min；可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍G-250染色法[15]。

2 結果與分析

2.1 重金屬脅迫對人參地上部分生長發育的影響

Pb、Cd、Cu、Ni、Zn脅迫對人參地上部分生長影響的各項指標見表2。每項指標作3個平行，用SPSS 19.0進行數據處理與分析。其中在鎳3水平處理下的人參發芽出現了滯后，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出明顯差異。

2.2 重金屬脅迫對人參葉生理生化指標的影響

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重影響了植物根系細胞的滲透壓，阻礙了植物對水分的吸收，從而導致植物嚴重缺水。

2.2.2 重金屬脅迫對人參葉MDA含量的影響 MDA是植物體內酯膜過氧化物的產物，其含量反映了植物內酯膜過氧化程度，MDA可作為植物受害強弱的標準之一。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葉綠素含量的影響 由圖3可見，除Cd外，不同重金屬脅迫對人參葉中總葉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。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；當濃度高于2處理水平后，SOD活性急劇減弱；當濃度高于3處理水平后，SOD活性呈現穩定或緩慢減弱的趨勢；Cd在1處理水平時，酶活性達到最高值，隨后減弱，3處理水平后趨于平穩；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，且各元素呈現不同的變化特征。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化、運輸速率，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一定相關性。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。本研究所得關于Cd的結論并不與上述結論完全相符，在Cd 3處理下，可溶性蛋白含量達到較低值后，反而在4水平即40.8 mg/kg Cd下表現促進作用，又達到最高值。

3 結論與討論

Pb、Ni、Cd、Cu、Zn重金屬脅迫對人參地上部分及生理生化指標均有影響，且各項指標表明，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，各單一重金屬對人參地上部分的脅迫程度由強到弱為Pb>Zn>Cu>Cd（以各金屬不同水平下的生理指標與相應空白對照差值的總和大小為判斷依據，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，無后期生理指標數據，因此不作比較；在3水平（300 mg/kg）處理下人參芽苗出土時間滯后。由此表明，Ni脅迫對人參幼芽的毒害較為嚴重。值得思考的是，Cd脅迫下人參地上部分的多項指標出現異常，這雖然符合植物體內脯氨酸可以跟Cd2+螯合，形成無毒的螯合物[20]這一理論，但與大多數研究結果[21-23]并不相符，具體機理有待進一步研究。參考文獻：

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