土壤鎘對龍牙百合生長過程中生理生化特性的影響

關鍵詞：鎘；土壤；龍牙百合；生理響應；轉移系數；抗氧化酶

百合是百合科、百合屬多年生球根類所有品種的總稱。百合含有較高的糖量、低的粗纖維量及許多有益人體健康的成分，往往作為膳食補充劑來改善人體健康，在中國藥食同源植物中被定義為食品，即百合是一種藥食同源植物。龍牙百合主要器官包括下盤根、鱗莖、地下莖、上盤根、地上莖和葉，具體如圖1所示。下盤根位于百合基部，屬于基生根；上盤根在鱗莖之上，位于地下莖，屬于莖生根。當前在我國種植面積最廣的百合品種主要是龍牙百合（即百合）、宜興百合（即卷丹）和蘭州百合等，其分布在湖南隆回、湖南龍山、甘肅蘭州和江蘇宜興等地。百合的主要食用部位為鱗莖，而鱗莖生長在地下，這就導致其很容易從土壤中吸收鎘（Cd）。陽麗等對江西、湖南兩省百合樣品中Cd含量進行了檢測，發現Cd超標率為13.3%。楊偉等在對蘭州百合Cd測定中得出Cd的平均含量為0.324ug·g-1，超過《藥用植物及制劑外經貿綠色行業標準》（WM/T2-2004）（Cd≤0.3ug·g-1）有關規定。姚素梅等對6種中藥的Cd含量進行了檢測，結果顯示百合Cd含量明顯超標。Huang等對從田間采集的百合和從藥店購買的百合進行了重金屬含量分析，結果表明Cd的含量比其他重金屬都要高，其中Cd最高含量達1.45mg·kg-1，超過《中國藥典》中Cd含量限值。上述研究表明，百合對Cd有較強的富集能力，但有關土壤Cd污染對百合生長過程中生理生化的影響還鮮有報道，百合對Cd的富集特征不清晰，關鍵控制點不確定、阻控措施尚缺乏等問題可能對其食用安全性產生潛在隱患。本研究通過盆栽實驗，以湖南省隆回縣龍牙百合和Cd為研究對象，探究龍牙百合在不同污染土壤條件下的生理生化反應特性，旨在進一步闡明Cd對百合毒害的生理機制，以期為百合優質安全生產提供依據。

1材料與方法

1.1實驗材料

供試百合為隆回龍牙百合種球，購置于湖南省邵陽市隆回縣貓兒凼村。供試土壤采自湖南農業大學耘園基地，理化性質為：pH值4.86，有機質19.86g．kg-1，全Cd0.36mg·kg-1，全磷0.85g·kg-1。

1.2實驗方法

本實驗在湖南農業大學實訓基地的溫室大棚里進行。Cd處理含量參考劉澤偉和梅鑫的研究設置。種植百合前，將CdC12·2.5H20溶液均勻噴灑到土壤中，設置清潔（CK）、低（L）、中（M）、高（H）4個Cd含量，土壤老化2各月后種植百合。種植之前取土壤樣品進行Cd含量測定，L、M、H處理的Cd含量分別為0.86、2.16mg·kg-1和4.76mg·kg-1，隨后添加復合肥和有機肥，穩定24h后播種百合種球。

百合種球的預處理：將大小一致的百合種球用純水沖洗干凈，再經酒精消毒后用無菌水沖洗2～3次，接著用4%的NaClO溶液消毒大約15min，隨后再用無菌水沖洗4～5次，最后將百合種球表面擦干，備用。

2021年10月下旬，將已進行過預處理的百合種球種植在已處理的Cd污染土壤中，每盆3株，每個處理4盆，16盆為一組，重復3次，共48盆144株。實驗期間，每隔一段時間隨機移動盆子，且不定期進行土壤疏松并澆灌自來水保持土壤濕潤。

1.3樣品采集

2022年5月下旬收獲百合，將每株百合按部位進行分離，如圖1所示。隨機取1/3洗凈烘干，用于測定各部位總Cd含量；剩下的2/3清洗后置于-80℃冰箱冷凍保存，用于測定各項生理生化指標。

1.4測定指標及方法

1.4.1株高、莖粗及生物量的測定

在收獲當天，用卷尺從百合基部測量其株高；用游標卡尺統一在最下方葉子處測量莖粗；將百合按部位分開，用電子天平稱量其生物量，用鮮質量表示。

1.4.2葉綠素含量的測定

葉綠素含量采用96%乙醇浸提，分光光度法測定。總葉綠素含量為葉綠素a含量與葉綠素b含量之和。

1.4.3 Cd含量的測定

百合各部位Cd含量采用硝酸一高氯酸濕法消解，電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS，NexIONTM350X，PerkinElmer，MA，美國）測定，同時以國家標準物質（GBW-10049）和空白進行質量控制。

1.4.4丙二醛含量與超氧化物歧化酶、過氧化氫酶活性的測定

丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸法，超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定采用氮藍四唑（NBT）法，過氧化氫酶（CAT）活性的測定采用高錳酸鉀滴定法。

1.4.5龍牙百合的富集系數

富集系數（BCF）表示重金屬從土壤向植物中遷移的難易程度，反映了植物吸收轉移重金屬到體內各部位能力的大小，BCF越大表明植物相應部位重金屬富集含量越多。

BCF=龍牙百合某一部位Cd含量／土壤中Cd含量

1.4.6龍牙百合各部位的轉移系數

轉運系數（TF）是衡量植物轉移重金屬的能力，TF越高表明植物對重金屬吸收和轉運的能力越強。

1.5數據處理

采用SPSS統計軟件對數據進行處理，采用GraphPad Prism 8進行單因素方差分析以及圖的制作，采用Excel 2016進行數據整理。

2結果與分析

2.1不同Cd污染程度對幼苗期龍牙百合生長狀況和生物量的影響

土壤不同Cd污染程度對龍牙百合幼苗期生長狀況和生物量的影響如圖2所示。從圖2（a）可以看出，與CK相比，L和H處理下百合莖粗有所增加，但M處理下，百合莖粗有下降趨勢，各處理間均無顯著性差異（Pgt;0.05），表明不同脅迫處理對百合幼苗期莖粗影響較小。由圖2（b）可以看出，與CK相比，L、M和H處理下幼苗期百合株高均增加但無統計學上的差異，表明Cd脅迫對龍牙百合苗期株高影響較小。由圖2（c）可知，L處理下，百合上盤根和鱗莖生物量達到最大值，但與CK相比無顯著性差異（Pgt;0.05）；M處理下，百合葉和地上莖生物量顯著增加（Plt;0.05）；而H處理下，百合上盤根和地下莖的生物量下降，表現出顯著抑制作用（Plt;0.05）。除M處理外，同一處理下百合鱗莖生物量顯著大于其他部位（Plt;0.05），上盤根和下盤根生物量顯著降低（Plt;0.05）。

2.2不同Cd污染程度對幼苗期龍牙百合葉綠素含量的影響

土壤Cd含量對龍牙百合葉綠素含量的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著Cd含量升高，百合葉綠素a和總葉綠素均呈現先上升后下降再上升的趨勢，且在H處理下達到最大值，分別是CK處理的1.06倍和1.11倍。百合葉片葉綠素a、葉綠素b在各處理下均無顯著性差異（Pgt;0.05），而總葉綠素在M和H處理下有顯著差異（Plt;0.05）。

2.3不同Cd污染程度對幼苗期龍牙百合富集Cd的影響

如圖4所示，隨土壤中Cd含量的增加，百合各部位Cd含量也增加。在CK中，百合葉和下盤根中Cd的富集量顯著高于其他部位（Plt;0.05），其含量順序是下盤根gt;葉gt;地上莖gt;地下莖gt;上盤根gt;鱗莖，百合鱗莖Cd含量（0.24mg·kg-1）雖然低于《中國藥典》Cd的限量值（1.0mg·kg-1），但超出《食品安全國家標準》（GB2762-2017）塊莖蔬菜Cd的限量值（0.1mg·kg-1）。隨土壤中Cd含量增加，百合鱗莖Cd含量也增加，在H處理下最高含量達到1.65mg·kg-1，明顯超過《中國藥典》的規定限值。在L處理下，除百合上盤根、地下莖和鱗莖外，百合其余部位Cd含量與CK相比有顯著性差異（Plt;0.05），葉和地上莖的Cd含量顯著大于其他部位的Cd含量（Plt;0.05）。在M處理下，百合上盤根Cd含量為5.08mg·kg-1，高于其葉、地上莖、地下莖、鱗莖和下盤根的Cd含量，且除鱗莖外各部位與CK相比均有顯著性差異（Plt;0.05），地下莖和鱗莖中Cd含量顯著低于其他部位（Plt;0.05）。在H處理下，百合地上莖、地下莖、鱗莖和下盤根中的Cd含量有大幅度上升，地上莖Cd含量最高，鱗莖Cd含量顯著低于其余部位（Plt;0.05）。

2.4不同Cd污染程度對幼苗期龍牙百合BCF和TF的影響

由圖5可知，隨Cd含量的升高，BCF呈下降趨勢，在CK處理下達到最大值2.17；但是BCF是呈先上升后下降的趨勢，尤其在M處理下，BCF顯著大于BCF，達到最大值2.35，表明此含量的Cd脅迫下上盤根富集Cd的能力大于下盤根。

由圖6可以看出，CK處理的百合TF大小順序是，表明百合將Cd從下盤根轉運到鱗莖的能力較弱；百合TF鱗莖一地下莖較CK顯著升高（Plt;0.05），最高達4.55，各處理TF均大于1.0，表明百合將Cd從鱗莖轉運到地下莖的能力較強。以上情況表明，當Cd含量升高時，百合通過調節自身轉運機制會增加鱗莖向地下莖的轉運，從而保護鱗莖不受傷害。TF地下莖，莖呈先上升后下降的趨勢，在L處理下TF最高，TF呈下降趨勢。CK和L處理下，上盤根一地上莖的轉運能力最大，但隨著Cd含量的增加，鱗莖一地下莖的轉移能力顯著高于其他部位（Plt;0.05），在設置含量范圍內，下盤根一鱗莖的轉移能力最弱。

2.5 Cd對百合MDA含量及SOD、CAT活性的影響

由表1可知，受土壤Cd脅迫，龍牙百合葉和地上莖中MDA含量變化呈先降低后升高的趨勢，百合上盤根和地下莖的MDA含量均呈下降趨勢，且地下莖各處理間無顯著性差異（Pgt;0.05）。CK處理下，百合葉的氧化損傷要顯著大于其他部位的損傷（Plt;0.05），地下莖和鱗莖次之，上盤根和下盤根的MDA含量顯著低于其他部位（Pgt;0.05）；L處理下，鱗莖和葉的MDA含量最高，上盤根和下盤根的MDA含量最低。百合鱗莖中MDA含量較CK顯著增加，且在H處理時達到0.51 mmol·g-1，與CK相比增加了133.72%。在H處理下，百合下盤根的MDA含量顯著增加（Plt;0.05）。M和H處理下的趨勢相同，葉和鱗莖中的MDA含量顯著高于百合其他部位，為葉gt;鱗莖gt;地下莖gt;地上莖gt;下盤根gt;上盤根。綜上表明H處理對百合的傷害顯著，Cd對百合葉和鱗莖的氧化損傷較強。

隨Cd含量的增加，百合葉和地上莖的SOD活性下降，且各處理與CK相比差異顯著（Plt;0.05），其他4個部位均呈先升高后下降的趨勢，表明一定的Cd含量會使百合SOD酶活性升高。百合上盤根、地下莖和下盤根在L處理下的SOD值與CK相比顯著增加（Plt;0.05），分別增加了53.91%、87.74%和55.01%；百合鱗莖在M處理下的SOD值顯著升高（Plt;0.05）．為160.09U·g-1。同一Cd處理下，上盤根SOD酶活性顯著高于百合其他部位（Plt;0.05）。CK處理下，鱗莖中SOD酶活性最低；L處理下，地下莖和下盤根中SOD酶活性顯著低于地上莖（Plt;0.05），其次是鱗莖、葉和地上莖；M處理下，鱗莖中MDA含量升高，下盤根MDA含量降低；H處理下，百合葉、地上莖和地下莖的Cd含量顯著低于其他部位。

由表1可知，隨Cd含量的增加，百合葉、上盤根和下盤根的CAT酶活性呈先上升后下降的趨勢，當CAT值達到最大時與其他處理組比均差異顯著（Plt;0.05）。百合地上莖則是呈先下降后上升的趨勢，但均低于CK。CK處理下，百合上盤根CAT活性顯著高于其他部位（Plt;0.05），百合葉、地上莖和下盤根的CAT活性顯著低于其他部位（Plt;0.05）；L處理下，百合上盤根CAT活性顯著升高且高于其他部位（Plt;0.05），葉、地上莖、地下莖、鱗莖和下盤根之間無顯著性差異（Plt;0.05）；在M處理下百合地上莖的CAT活性最低，為50.23u·g-1，百合地下莖的CAT活性顯著高于其他部位（Plt;0.05），上盤根的CAT活性顯著低于地下莖但高于鱗莖、葉、下盤根和地上莖（Plt;0.05）。百合地下莖和鱗莖中CAT值呈先下降后上升再下降的趨勢，分別在M和CK組活性最高。H處理下，地下莖CAT活性最高，且與其他部位差異顯著（Plt;0.05）。

3討論

由于Cd被植物大量累積會導致莖葉發黃、葉片掉落，且植物的株高、葉片的長度和干質量等會受到明顯影響，Cd脅迫下的生長特性可以反映植株耐受能力的大小。相關研究表明，馬鈴薯根部將土壤中Cd吸收之后，可進一步轉移、富集在植物體內，當Cd處于較低水平時，其能促進馬鈴薯的生長，當含量達到一定水平后，促進作用將逐步減弱。本實驗發現土壤Cd對百合生長并沒有產生明顯毒害作用，但隨Cd含量的增加，Cd對百合葉綠素的影響整體呈上升趨勢，說明低Cd處理可以刺激百合葉片葉綠素含量的增加，且百合仍能維持正常生長，這表明百合可能存在一定的保護和防御機制來適應一定含量的Cd脅迫，也可能是百合處于幼苗期，對其光合作用無影響，這也與香草根的研究相似。董洪霞、錢翌等的研究表明，隨Cd含量的升高，大蒜體內MDA含量呈先上升后下降的趨勢。MDA是由植物衰老而氧化或在不利條件下產生的。百合上盤根在Cd高含量時MDA含量反而下降并且低于CK，這可能是大量的Cd離子進入植物體內，超過了植物本身的代謝閾值，導致生理混亂。H處理下，百合葉、地上莖、鱗莖以及下盤根的MDA含量升高與CAT和SOD酶的活性下降有關，Cd脅迫會導致植物體內細胞膜系統遭到破壞，膜脂過氧化加劇，植物體細胞正常的代謝活動被擾亂，最終出現膜結構損傷。

本實驗中，百合葉和地上莖中SOD酶活性均低于CK，這與沙棘相同，但與圓葉錦葵、龍葵相反，推測可能是百合葉和地上莖本身對Cd有較高的抗性，在Cd脅迫下主要是CAT酶起主要抗氧化作用，并伴隨SOD的降低，抗氧化酶類之間保持良好的平衡，從而將脅迫產生的活性氧維持在平衡的狀態。百合其他部位中SOD酶活性均隨Cd含量的升高呈先上升后下降的趨勢，這是因為Cd脅迫啟動了植物體內重金屬防御機制，增加了抗氧化酶活性，使植物體內的活性氧維持在一個相對低的水平。然而，植物對Cd的適應和耐受能力有限，在高濃度Cd環境下，Cd會與酶的輔因子位點（如Cu/Zn SOD）競爭性結合，導致植物抗氧化酶活性降低。CAT酶在百合葉和上盤根中活性先上升后下降，在百合地下莖和鱗莖中則是呈先下降后上升再下降的規律，這與郭智對超富集植物龍葵（Solanum nigrum L）在Cd脅迫下的生理響應機制研究和錢翌等對Cd對大蒜生理生化影響的研究結果相似。對于百合而言，SOD和CAT酶活性的提高對MDA的清除起到了一定的促進作用，這是百合耐Cd的主要機制之一。但是在較高Cd含量下，百合體內SOD活性的降低和CAT活性的不規則變化或許是導致MDA清除系統遭到損傷，MDA清除能力下降的原因。百合地下部酶活性整體高于地上部，保證了百合的生理活性，這也是為什么百合能保持正常生長的原因之一。

通過對百合各器官Cd含量的測定，探究百合對Cd的富集和遷移規律，從而揭示百合對Cd的富集特征。本實驗結果表明，隨Cd含量的增加，百合各部位Cd含量逐漸上升，這與何雪等研究的馬鈴薯、宋阿琳研究的小白菜結果一致，說明植物中的Cd含量與土壤中的Cd含量呈正相關關系，土壤Cd污染促進了Cd在百合各部位的累積。龍牙百合將Cd截留于莖部和根部，以減少Cd在其他部位的累積，使得鱗莖中Cd的含量最低。當土壤Cd含量lt;2.16mg·kg-1時，百合鱗莖Cd含量低于《中國藥典》Cd的限值，但超出《食品安全國家標準》（GB 2762-2017）中塊莖蔬菜的限值，這說明百合鱗莖存在Cd超標的風險，值得進一步關注。綜上，百合鱗莖想要達到藥用級別，土壤中的Cd含量要限制在2.16mg·kg-1以內，若達到食品級須對土壤進行重金屬修復治理。

4結論

（1）土壤鎘污染對百合生長沒有產生明顯的毒害作用，對百合光合作用效率影響不顯著。

（2）2.16mg·kg-1Cd處理下，龍牙百合下盤根對土壤中Cd的富集能力要大于上盤根，鱗莖一地下莖的轉運能力最強。鱗莖中Cd含量最低，低于《中國藥典》Cd的限量值，但仍超出《食品安全國家標準》（GB2762-2017）中塊莖蔬菜的限量值。

（3）隨著Cd含量的升高，百合體內丙二醛大量積累，抗氧化酶活性發生變化，表明龍牙百合通過調節自身抗氧化防御系統來抵御Cd脅迫。