不同中國鵝掌楸種源對鎘吸收分配特性研究

孫小艷，辛在軍，劉淑娟，李曉暉，劉建平*

（1.江西省流域生態研究所江西省重金屬污染生態修復工程技術研究中心，江西南昌 330096；2.江西省科學院生物資源研究所，江西南昌 330096）

【研究意義】重金屬污染是目前世界關注的嚴重環境問題之一，其中，鎘（Cd）因其在土壤中較強的化學活性極易通過食物鏈的生物放大對人類健康帶來潛在危害，被認為是生物毒性最強也最危險的重金屬之一[1]。因此，開展重金屬污染土壤防控與修復，通過植物修復技術緩解、抑制鎘的毒性通過植物進入食物鏈成為環境和生物領域的研究熱點，引起人們廣泛關注。其中，木本植物對重金屬具有較強的耐性和一定的固定、吸收、累積能力，且發達的深根系可使土壤中重金屬移動性降低，降低其遷移和生物毒性，改善土壤質量等特征，引起研究人員的廣泛關注[2?3]。所以，篩選富集重金屬鎘、生長迅速、生物量大的林木品種，開展樹木修復[4]，在重金屬污染土壤生態修復中表現出巨大的潛力。【前人研究進展】目前，國內外研究人員對不同林木種類或品種耐鎘性能及相關機制，鎘吸收累積特征等進行了深入研究，選育出大量重金屬抗性強、生物量高、對鎘具有富集能力的林木樹種[5?8]。Robinson等[9]研究發現楊樹不僅可以降解有機污染物，對重金屬也具有較高的耐性和累積性，結合螯合劑（如EDTA、NTA、DTPA等）的施用，可以大大提高Cd2+在土壤中的去除率。Laureysens等[10]研究表明，速生楊對鎘、鉛、鎳等多種重金屬也表現出較好的耐性，地上葉片對鎘具有較強的富集能力。而且，大量研究發現植物的鎘耐性及其在不同組織器官的累積和分布，存在種、品種、無性系間的差異[11?12]。【本研究切入點】中國鵝掌楸（Liriodendron chinese）是我國重要的園林綠化和用材樹種，具有生長迅速、生物量大、觀賞性好等優點。而且，鵝掌楸樹種材質細軟，不易干裂變形，廣泛用于家具制造，所以，利用鵝掌楸屬植物強大根系對土壤中重金屬進行修復，可以兼具美化環境、提高經濟效益等多重功效。課題組自2014年開始對我國自然分布區的中國馬褂木資源進行種質收集，采集了來自云南、貴州、福建、浙江、四川、廣西等7個省份35個種源的中國鵝掌楸材料。利用中國鵝掌楸豐富的遺傳變異，挖掘中國鵝掌楸種源對重金屬鎘的修復潛力，對重金屬污染土壤生態修復的可持續發展具有重要意義。【擬解決的關鍵問題】本項目選出7個種源材料開展水培鎘脅迫實驗，根據預實驗結果，選擇鎘脅迫濃度為10 mg/kg，評估不同種源植株對鎘脅迫的表型傷害響應指數，研究根莖葉等器官對Cd2+吸收分配特征差異，以期為Cd2+污染土壤的林木修復提供參考，并為深入研究鵝掌楸屬植物對Cd2+的抗逆解毒機制提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試的7個中國鵝掌楸材料分別來自云南金平（YNJP）、云南麻栗坡（YNMLP）、云南河口（YNHK）、貴州劍河（GZJH）、貴州松桃（GZST）、貴州道真（GZDZ）、浙江遂昌（ZJSC）等地種源，所有材料取自江西省科學院黃馬種質基地，每個種源選擇生長較好、高度較一致的中國鵝掌楸2年生實生苗，除去原土，將中國鵝掌楸幼苗轉移至30 cm×19 cm×13 cm的水培箱，每盆4株，每個種源8株，隨機區組分布，根莖部用海綿固定，每個水培箱設置氣泵補充氧氣。實驗在江西省科學院培養室中進行，預培養和處理時溫室溫度保持25～27 ℃，光照強度200 μmol/（m2·s），14 h光照/10 h黑暗，相對濕度70%～90%，預培養7 d后進行鎘處理。

1.2 實驗處理

以CdCl2配制鎘脅迫母液，鎘濃度為10 mg/L，為避免其他礦質營養元素影響，配置Cd處理母液和水培箱中使用去離子水。處理15 d后，將每株植株根系、莖干、葉片分別取樣，用去離子水配置的20 mmol/L EDTA·Na2溶液浸泡植株根系20 min，以去除吸附在根系表面的鎘離子，再用去離子水沖洗干凈，吸干水分后裝入牛皮信封，105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒質量，測定不同器官的質量。

1.3 脅迫指數評價

參考Xie等[13]對鎘脅迫植物采用的9分制表型質量評估方法，對鎘脅迫下中國鵝掌楸種源受損害程度進行目測評估，植株脅迫程度評估內容主要包括：葉片黃化程度、葉片脫落、頂端萎蔫程度等。0分為植物葉片全部黃化、脫落、頂端萎蔫、無生機的植株，6分為植株部分黃花、50%葉片未脫落、頂端部分萎蔫的植株，9分為葉片保持綠色、葉片90%未脫落、基本無枯黃，頂端有生機的植株。

1.4 植株鎘含量檢測

取烘干后的植物組織研磨成均勻粉末，準確稱取葉片0.200 g灰化40 min，莖干和根系分別取0.200 g灰化60 min，將灰化好的材料轉移至消煮管中，加入10 mL HNO3?HClO4（V∶V=4∶1），控溫消煮至澄清，繼續在150 ℃加熱消煮，直至溶液無色透明。定容后用原子吸收分光光譜法測定植株中的鎘濃度。

1.5 統計分析

利用SPSS 20.0進行數據統計分析，用Duncan’s多重比較進行差異性檢驗（P<0.05）。中國鵝掌楸重金屬轉移系數的計算方法參照張曉麗等[14]，如下：

式中：1，2，3分別代表葉片、莖干、根系，CA為植物地上部鎘的濃度（mg/kg），CB為地下部分的鎘濃度（mg/kg），C1，C2，C3為葉片、莖干、根系鎘的濃度（mg/kg），m1，m2為葉片和莖干的干物質質量，T為地上部分轉運系數。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫下的形態特征變化

在鎘脅迫下，中國鵝掌楸不同種源呈現不同程度的受損傷癥狀（圖1）。鎘脅迫初期，中國鵝掌楸形態未發生明顯的受損傷癥狀，在5～7 d后，部分種源的莖下部老葉開始黃花并掉落，隨后嫩葉開始黃花、萎蔫、脫落，15 d后，GZST和GZJH種源老葉脫離，但大部分葉片保持綠色，維持生長，表現出對鎘脅迫較高的耐性；ZJSC種源耐鎘能力次之；YNJP、GZDZ種源對鎘脅迫非常敏感，根系發黑，根系伸長生長停止，地上部的葉片已基本全部脫離。利用鎘脅迫指數評價中國鵝掌楸鎘脅迫受傷害的程度由大到小依次為：GZDZ、YNJP、YNHK、YNMLP、ZJSC、GZJH和GZST。

圖1 鎘脅迫對中國鵝掌楸植株形態特征的影響Fig.1 Effect on morphological traits of Liriodendron chinese seedlings under Cd2+stress

2.2 處理15 d后不同器官中鎘含量差異

處理15 d后，檢測各中國鵝掌楸種源植株不同部位的鎘濃度，發現Cd2+主要富集在根系中，地下部分的鎘向地上部分的轉運相對少，中國鵝掌楸植株中鎘累積量的大小排序為根、莖、葉。處理15 d后，不同種源植株不同組織器官對鎘的吸收累積存在較大差異，單株根系檢測的鎘濃度范圍為87.09～387.54 mg/kg（圖2?A），莖干檢測的鎘濃度范圍為25.60～71.09 mg/kg（圖2?B），葉片檢測的鎘濃度范圍為5.12～55.94 mg/kg（圖2?C）。

由圖2可知，YNJP種源根系中鎘濃度最大，顯著高于其他種源（P<0.05）；GZ-ST種源根系和莖干的鎘濃度最低，分別為87.09 mg/kg和25.60 mg/kg，顯著低于其他中國馬褂木種源（P<0.05），葉片中的鎘濃度24.62 mg/kg。YNHK種源植株根系鎘濃度顯著低于YNJP種源，但顯著高于其他種源，而且YNHK種源植株莖干和葉片中鎘濃度也顯著高于其他種源，說明YN-HK種源對鎘的吸收富集能力較高。ZJSC種源根系和莖干鎘濃度較高，分別為183.04 mg/kg，36.42 mg/kg，但葉片中的鎘濃度最低（5.12 mg/kg）。從結果發現，來源云南地區的3個種源對鎘的吸收均相對較高，根系中吸收鎘濃度較高的種源，其植株葉片中的鎘濃度也相對較高；但來源貴州地區的3個中國鵝掌楸種源呈現較復雜的鎘吸收、轉運特征，根系中鎘含量與葉片的鎘含量呈一定的負相關效應，說明來源貴州的鵝掌楸種源與云南的鵝掌楸通過不同的途徑或通道吸收、轉運Cd2+。

圖2 不同中國鵝掌楸種源根莖葉中鎘含量Fig.2 Cd concentration in root，stem，and leave of different provenance

2.3 中國鵝掌楸不同器官對鎘轉運特征

轉運系數是地上部元素質量分數與地下部元素質量分數之比，表示鎘從根部轉運、分配到地上部位的能力,轉運系數越高，表明鎘從根部轉運到地上部位的能力越強。各中國鵝掌楸種源對鎘的轉運系數結果表示（表1），供試的中國鵝掌楸對鎘的轉運系數均小于1，表明中國鵝掌楸不是鎘富集植物。其中，轉運系數最大的是GZST（0.58），其次是YNMLP（0.51）；最小的是ZJSC和GZJH，轉運系數分別為0.23和0.25。

7個中國鵝掌楸種源對鎘的轉運存在差異，地上部分的葉片和莖干對Cd2+的轉運貢獻率也存在較大差異。葉片貢獻率最大的為YNMLP，達到50.88 %；最小的是ZJSC，只有12.34 %，所以ZJSC莖干貢獻率最大。

表1 7個中國鵝掌楸種源對鎘的轉運系數Table 1 Transfer coefficient of 7 provenances of Liriodendron chinese

3 結論與討論

鵝掌楸屬植物是重要的園林綠化樹種，觀賞性強，生長迅速，根系發達，在礦區廢棄地表現出較好的生態適應性[4,15]。不同植物種源、家系、無性系、品種等具有的獨特的形態結構和生理代謝特征，都直接導致其對重金屬耐性和吸收轉運富集特征的差異[16?17]。在本研究中，鎘脅迫7 d時，中國鵝掌楸對10 mg/kg Cd脅迫的響應損傷不顯著；但在脅迫后期，中國鵝掌楸不同種源的耐受表現出現顯著的差異，GZDZ、YNJP、YNHK等種源葉片黃化、脫落、頂端萎蔫，而GZJH、GZST等種源生長未收到顯著損害，說明GZJH、GZST等種源的中國鵝掌楸可用于重度鎘污染土壤修復。

植物對重金屬的富集和轉運能力是評級植物提取效果的重要指標，與根系吸收及根系重金屬向地上部分轉運能力密切相關[18]。在本研究中，7個中國鵝掌楸種源吸收的鎘主要富集于根系，其次是莖干，葉片中累積的鎘濃度最少，根系鎘濃度遠高于地上部分，轉運系數均小于1，沒有達到超富集植物要求，說明中國鵝掌楸根系吸收Cd2+后進行固定和區隔化，導致只有少部分的Cd2+能夠通過木質部導管運輸至地上部分[19]。張志權等[20]發現豆科植物銀合歡（Leucaena leacocephah）能夠在銀鋅尾礦定居，吸收的銀大多積累于根系、樹皮、樹干等部位，只有少部分積累于葉片。但在5.0 mg/kg鎘脅迫40 d后，喬木型柳樹雜種無性系大多數大部分葉片鎘含量高于枝條的鎘含量，且葉片和枝條的鎘濃度存在顯著相關性[21]。Utmazian和Wenzel等[22]在鎘重度污染土壤篩選獲得6種葉片鎘累積濃度高于根系的柳樹品種。這些研究表明，不同植物、同一植物不同種源、不同品種、不同基因型對重金屬鎘具有不同的吸收、轉運模式。這種結果可能與鎘在不同植株體內的存在形態與存在部位存在一定相關性。楊衛東等[11]研究表明，旱柳根系中的鎘主要存在于細胞壁和可溶性部分，質體等含量較少，而葉片中主要存在細胞壁和葉綠體中，可溶性部分含量較少。張曉麗等[14]發現柳樹無性系葉片、枝條和樹皮對鎘向地上部轉運的貢獻率不同，27個柳樹無性系中蒿柳根富集Cd濃度最大，Cd2+主要被固定在根中，以減少其對自身其他器官的傷害。

在本研究，中國馬褂木種源的轉運系數和葉片對轉運系數的貢獻率與受鎘脅迫后的葉片損傷程度存在一定對應關系，如GZJH、ZJSC等種源的鎘轉運系數和葉片對轉運系數的貢獻率均相對相低，葉片對鎘吸收富集較少，葉片受損傷程度較低；YNJP地上部分轉運系數相對較低，但葉片鎘貢獻率較高，葉片受鎘脅迫的表型損害較明顯。此外，GZDZ地上部分轉運系數相對較低，葉片鎘濃度也相對較低，但其受損傷較高；GZST轉運系數較高，且葉片鎘濃度貢獻率也較高，但葉片傷害的表現不顯著，這些結果表明中國鵝掌楸不同種源對鎘的吸收、轉運機制存在差異，對鎘的耐性響應機理可能也存在較大差異。來源GZST種源的中國鵝掌楸植株轉運系數高于其他種源，其地上部葉片對鎘的吸收累積能力較強，對鎘脅迫的耐性最強，不僅可用于重金屬鎘污染土壤的綠化修復，還可通過收集冬季葉片逐漸減少土壤中的鎘含量。

總之，本研究結果表明，7個中國鵝掌楸種源應答鎘脅迫的表型傷害反應差異較大，且不同種源根莖葉中鎘的吸收轉運特征也存在較大差異，研究為進一步研究中國鵝掌楸種源對鎘的耐性和解毒機制提供了實驗基礎和理論參考。