鎘脅迫對桑樹與馬鈴薯間作植株生理生化的影響

王曉紅， 韓世玉， 羅澤虎， 張 芳， 孫運朋， 吳康云

(貴州省農業科學院 蠶業研究所， 貴州 貴陽 550006)

0 引言

【研究意義】馬鈴薯是貴州主栽農作物之一，僅次于水稻和玉米，是貴州省典型的特色優勢產業。桑樹是一種典型的生態經濟樹種，對治理土壤重金屬污染已有較多研究報道[1-2]，探究馬鈴薯與桑樹間作后其生理生化特性變化，對鎘污染土壤修復具有重要意義。【前人研究進展】隨著工農業經濟的發展，重金屬污染已成為世界性嚴重問題。重金屬鎘(Cd)在土壤中相對流動性高，在前20種重金屬污染物中，Cd的毒性排在第七位[3]。Cd在植物體內過量積累會嚴重干擾植物對礦質養分的吸收、運輸、同化和光合作用等一系列生理過程，從而導致營養缺乏，ATP酶活性受到破壞，光合作用降低，各種酶活性受到抑制，水分平衡和養分同化改變，最終導致植物死亡[4-6]。此外，Cd通過土壤-作物系統進入食物鏈引起生物體鎘中毒，導致人類許多疾病的發生[7]。因此，土壤鎘污染問題亟待解決。不同物理和化學方法不同程度存在成本高、勞動強度大、土壤性質改變和土壤原生微生物區系干擾的局限性，植物修復可克服其缺點，已成為當前土壤污染修復研究的熱點[8]。有關農作物間套作體系已有了大量研究。馬鈴薯和玉米間作，可改變其光合特性，產量提高[9]；玉米和小花南芥間作，2種植物不同器官的抗氧化酶活性顯著提高，丙二醛(MDA)含量顯著下降[10]；大豆和玉米間作，玉米根系抗氧化酶類活性顯著提高，MDA含量顯著低于單作[11]。【研究切入點】桑樹對重金屬Cd具有一定的富集作用，但與農作物間套作的研究較少，鮮見桑樹與馬鈴薯間作修復Cd污染土壤的研究報道。【擬解決的關鍵問題】探明鎘脅迫下桑樹與馬鈴薯間作植株超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)和可溶性蛋白(SP)含量的變化，以期為桑樹與馬鈴薯間作修復Cd污染土壤提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 土壤 鎘污染土壤，采自赫章縣野馬川鎮尾礦區表層土(0～20 cm)，室內風干后磨碎過篩備用。

1.1.2 作物 主栽與間作作物分別為桑樹和馬鈴薯。桂桑優12號種子，購買自廣西蠶業推廣總站，常規育苗，1年生幼苗用于試驗；馬鈴薯品種威芋3號，購于威寧，薯種單個重25～50 g。

1.1.3 檢測試劑盒 可溶性蛋白(SP)檢測試劑盒購于索萊寶公司。

1.2 方法

試驗于2020年3-6月在貴州省農業科學院蠶業研究所溫室大棚內進行，鎘污染土壤與營養土1∶1混合均勻，混合土壤基本理化性質為pH 6.74，有機質147.32 g/kg，全氮7.16 g/kg，全磷0.47 g/kg，全鉀18.54 g/kg，堿解氮406.1 mg/kg，有效磷368.2 mg/kg，速效鉀4 905 mg/kg，總鎘4.82 mg/kg。混合土壤裝入水泥池子(2 m×1 m×0.5 m)進行桑樹和馬鈴薯單作和間作。設3種栽培模式：桑樹單作、馬鈴薯單作和桑樹與馬鈴薯間作，每個池子作為1個重復，共3次重復。株距20 cm，行距30 cm。試驗期間視土壤狀況澆水，同時進行除草防病等管理。鎘脅迫60 d后，選取不同種植模式下桑樹和馬鈴薯根的莖和葉用于生理指標測定。

1.3 指標測定

參照文獻[12]的方法，丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定，過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測定，超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定，過氧化物酶(POD)采用愈創木酚法測定。可溶性蛋白(SP)采用BCA法進行測定，具體方法參見可溶性蛋白(SP)檢測試劑盒說明書。

1.4 數據處理

采用Excel 2010進行數據處理，SPSS 20.0中 Duncan，s 新復極差法多重比較進行差異顯著性分析，利用 Graphpad Prism 5.0作圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株丙二醛的含量

丙二醛(MDA)是植物器官發生膜脂過氧化程度的體現，同時也反應植物遭受逆境條件傷害的程度，其含量越低則對逆境的耐性越強，反之越弱。從圖1看出，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株MDA含量的變化。桑樹：單作時其根、莖和葉的丙二醛含量分別為7.13 nmol/g、11.18 nmol/g和41.66 nmol/g，均高于間作，但差異不顯著。馬鈴薯：間作模式其葉的丙二醛含量為25.18 nmol/g，較單作顯著提高20.4%；單作和間作其根和莖的丙二醛平均含量平均分別為5.71 nmol/g和4.07 nmol/g，2種模式間差異不顯著；說明間作模式對馬鈴薯葉片MDA含量產生影響。

注：柱形圖上*表示差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株超氧化物歧化酶的活性

超氧化物歧化酶(SOD)是生物體內超氧陰離子自由基的清除劑，能有效地防止其對生物體的損害，參與植物體對脅迫所產生的各種生理生化反應，是植物體內一種很重要的抗氧化酶類。從圖2可知，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株SOD活性的變化。桑樹：單作時其根、莖和葉的SOD活性分別為971.76 U/g、638.78 U/g和521.95 U/g，間作模式其根、莖和葉的SOD活性較單作分別顯著降低17.89%、6.77%和14.10%。馬鈴薯：間作模式根、莖和葉的SOD活性均高于單作，其中莖的SOD活性為220.31 U/g，較單作顯著提高28.89%；單作和間作根和葉的SOD活性平均分別為992.20 U/g和1 000.42 U/g，2種模式間差異不顯著。可見，間作模式下，桑樹各器官SOD活性下降，馬鈴薯各器官SOD活性升高。

圖2 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株超氧化物歧化酶(SOD)的活性

2.3 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株過氧化物酶的活性

過氧化物酶(POD)是植物體內酶促防御系統的一種保護酶，能有效催化過氧化氫分解成水，從而有效阻止過氧化氫在植物體內的累積，排除其對植物細胞膜結構的潛在傷害。從圖3看出，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株POD活性的變化。桑樹：間作模式各器官的POD活性均高于單作，其中根POD活性為12.08 U/g，較單作顯著提高187.62%；單作和間作莖和葉的POD活性平均分別為22.40 U/g和15.21 U/g，差異不顯著。馬鈴薯：間作模式根、莖和葉的POD活性均高于單作，其中根和葉的POD活性分別為474.46 U/g和357.52 U/g，較單作顯著提高20.37%和28.35%；單作和間作莖的POD活性平均為154.69 U/g，2種模式間差異不顯著。可見，間作模式下，桑樹的根和馬鈴薯根與葉的POD活性顯著升高。

圖3 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株過氧化物酶(POD)的活性

2.4 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株過氧化氫酶的活性

過氧化氫酶(CAT)與過氧化氫具有較高的親和力，主要清除線粒體電子傳遞、脂肪酸氧化過程中產生的過氧化氫，其含量變化是植物體內過氧化氫在體內變化的標志性反應。從圖4看出，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株CAT活性的變化。桑樹：間作模式各器官的CAT活性均高于單作，其中莖的CAT活性為426.58 U/g，較單作顯著提高70.67%；單作和間作根和葉的CAT活性差異不顯著，平均分別為133.89 U/g和1 151.25 U/g。馬鈴薯：間作模式根、莖和葉的CAT活性均高于單作，其中莖的CAT活性為56.63 U/g，較單作顯著提高64.62%；單作和間作根和葉的CAT活性平均分別為58.46 U/g和123.76 U/g，2種模式間差異不顯著。可見，間作模式下，桑樹和馬鈴薯莖的CAT活性顯著升高。

圖4 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株過氧化氫酶(CAT)的活性

2.5 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株可溶性蛋白的含量

可溶性蛋白(SP)是重要的滲透調節物質和營養物質，其增加和積累能提高細胞的保水能力，對細胞的生命物質及生物膜具有保護作用。從圖5可知，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株SP含量的變化。桑樹：間作模式根、莖和葉中SP含量分別為15.71 mg/g、12.95 mg/g和41.40 mg/g，較單作分別顯著提高24.39%、25.85%和4.84%。馬鈴薯：間作模式根、莖和葉的SP含量均高于單作，其中葉的SP含量為24.00 mg/g，較單作顯著提高28.82%；單作和間作根和莖的SP含量平均為6.15 mg/g和7 mg/g，2種模式間差異不顯著。可見，間作模式下，桑樹根、莖、葉和馬鈴薯葉的SP含量顯著提高。

圖5 不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株可溶性蛋白(SP)的含量

3 討論

間作套種體系在農業發展過程中占有重要地位，相比于單一種植模式，間作不僅能充分利用水源和光源等自然資源[13-14]，還能充分利用空間和時間，提高農田生物多樣性及作物產量，獲得單位土地面積上最大的生態效益和經濟效益[15-16]。

重金屬脅迫會導致植物體丙二醛含量增加[17]，農藝措施能從土壤環境和植物2個方面影響植物修復效率[18]，如噴施水楊酸能顯著增加鎘脅迫下黑麥草多種抗氧化酶活性，降低電解質滲透率及丙二醛含量[19]，在一定濃度鎘脅迫下，玉米與續斷菊間作種植，玉米葉片丙二醛含量較單作提高6.1%～64.6%，續斷菊葉片丙二醛含量較單作降低9.7%～58.7%[20]。研究結果表明，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株的丙二醛(MDA)含量存在差異，間作模式桑樹根、莖和葉的MDA含量較單作降低，馬鈴薯間作葉的MDA含較單作顯著增加20.4%；說明間作能減輕重金屬鎘對桑樹的毒性，但對馬鈴薯葉片膜的損傷程度加重。

不同植物體內的抗氧化酶對重金屬能表現出不同的生態效應，鉛和鎳處理增加了灰蘚屬、大羽蘚活性氧形成及脂質過氧化，降低SOD和CAT活性[21]。在相同濃度Cu2+脅迫下，玉米和豌豆間作種植，玉米根和葉的SOD和CAT活性提高，在高濃度Cu2+脅迫下，間作種植玉米根的POD活性提高[22]。植物重金屬的積累和中毒是由于活性氧的產生而引起的氧化損傷，植物體內抗氧化酶類在保護細胞免受活性氧損傷方面起著重要作用。研究結果表明，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性發生變化，間作模式桑樹根、莖、葉的SOD含量較單作顯著降低17.89%、6.77%和14.10%，莖POD活性較單作顯著升高187.62%；馬鈴薯莖的SOD和CAT活性較單作顯著升高28.89%和64.62%；說明植物在逆境脅迫下，間作體系可以改變植物自身酶的合成機制。

可溶性蛋白(SP)和游離脯氨酸是植物的重要滲透調節物質，能夠提高細胞的保水能力，是表征植物體內總代謝活動的重要指標[23]。籽粒莧與煙草間作后，間作煙草比單作葉片可溶性糖、SP含量顯著增加[24]。玉米和花生間作，間作玉米開花期葉片的SP含量顯著提高，花生結莢期和飽果期葉片的SP含量降低[25]。研究結果表明，鎘脅迫下不同種植模式桑樹和馬鈴薯植株的SP含量存在差異，間作模式桑樹根、莖和葉的SP含量較單作顯著升高24.39%、25.85%和4.84%，馬鈴薯葉的SP含量較單作顯著升高28.82%。說明，間作條件對桑樹和馬鈴薯SP含量有一定影響，積累蛋白是鎘脅迫下植物的一種適應機制，可能是由于蛋白激酶在非生物脅迫下也能作為脅迫信號傳導的中心匯聚點，進而提高蛋白質的含量，達到鈍化重金屬及減輕植物受害作用[26]。

研究采用室內土培法探討間作模式對桑樹和馬鈴薯生理特性的影響，但大田試驗受到的影響因素較多，桑樹和馬鈴薯間作下的生理響應仍需要進一步探索。此外，試驗采用的是桑樹幼苗和馬鈴薯種莖，Cd脅迫時間較短，并未采集到馬鈴薯塊莖，Cd在2種植物中的積累分布仍需要進一步深入研究。

4 結論

鎘脅迫下間作模式桑樹根、莖、葉的SOD含量顯著降低，桑樹和馬鈴薯根、莖、葉的其余生理指標均提高，差異顯著或不顯著，POD和CAT可清除Cd毒害產生的活性氧自由基，對提高植株鎘耐性具有重要作用。