2. 武汉大学资源环境学院, 武汉 430079
2. College of Resources and Environmental Sciences, Wuhan University, Wuhan 430079
锌(Zinc,Zn)是作物生长发育所必需的一种微量元素.据全国土壤普查资料表明,我国缺Zn土壤面积达 4860 × 104 hm2,占全国耕地面积的一半以上(孟杰,2008).土壤缺锌不但影响作物的产量和品质,还通过食物链引起人体缺锌,诱发生长缓慢,免疫力下降,食欲减退,易疲劳,记忆力下降,出现异食癖等病症.镉(Cadmium,Cd)是自然界中最常见的一种重金属元素(Xu et al., 2010),是土壤主要重金属污染物之一(Satarug et al., 2003;Wei and Zhou, 2006).据统计,全世界每年向环境中释放的Cd达30000 t左右,其中82%~94%的Cd进入到农田中.我国每年由工业废弃物排放到环境中的Cd总量就达680 t(杨肖娥和李廷强,2003).郊区菜园土壤Cd污染的问题在我国大中城市均存在,且日趋严重(宋波等,2006);约24. 1%的菜地样本中Cd含量超过国家土壤环境质量二级标准(曾希柏等,2007).在土壤Cd污染治理中,利用Cd 的吸附迁移受竞争性阳离子与Cd2 +的拮抗效应来抑制Cd吸收或转移到作物可食部位中的Cd污染农艺调控方法,近年来已逐渐受到研究者们的关注(Xu et al., 2009;张海英,2011).Zn和Cd均位于元素周期表中同一主族,二者具有相似的生物地球化学特征.植物中Zn/Cd的交互作用一直是土壤学、生态学、环境科学研究的热点问题.Hart等(2005)报道,施Zn抑制了小麦根对Cd的吸收,从而减少了植株各部位Cd含量.吕选忠等(2006)也指出,叶面喷施Zn对生菜吸收Cd有拮抗作用.但也存在相反报道(Xue and Harrison, 1991).
蔬菜极易在体内富集Cd,并通过食物链危害人类健康.蔬菜吸收积累重金属Cd的能力不仅在种间差异显著,而且在品种间也表现出显著性差异(陈贵青等,2010;李德明等,2004;孙建云和沈振国,2007).番茄(Solanum lycopersicum Mill.)是全世界栽培最为普遍的果菜之一,在我国各地也均有栽培,其中我国加工番茄2009年达到865万t,占全世界20%以上.研究表明番茄对Cd耐性和吸收富集存在基因型差异(朱芳等,2006).但Zn对不同番茄品种Cd积累及化学形态的影响还未见报道.为了进一步探讨Zn/Cd的相互关系以及Zn对不同番茄品种Cd吸收和向可食部位(果实)转移的影响,本研究选取了重庆地区2个主栽番茄品种,采用盆栽试验模拟Cd污染的土壤条件,探讨了Zn对不同品种番茄抗氧化酶活性、 Cd积累量及化学形态的影响,以期为菜园土壤Cd污染的合理防治提供理论依据.
2 材料与方法(Materials and methods) 2.1 供试材料本试验供试土壤为灰棕紫泥,采自重庆市九龙坡区白市驿蔬菜基地.土壤pH为6.9,土壤全N和有机质为1.21和33.3 g · kg-1,土壤碱解N、有效P、速效K及有效Zn分别为110.8、10.6、104.6及1.9 mg · kg-1,土壤CEC为20.7 cmol · kg-1,未检测出Cd.
供试作物为番茄(Solanum lycopersicum Mill.),品种为‘4641’和‘渝粉109’,幼苗由重庆农业科学院蔬菜花卉所提供.
2.2 试验方法试验于2012-03-10—2012-07-09在西南大学资源环境学院玻璃温室内进行.试验共设5个Zn浓度,即0、50、100、200和400 μmol · L-1(ZnSO4 · 7H2O). Cd浓度为10 mg · kg-1(CdCl2 · 2.5H2O).将Cd以溶液的形式(每盆100 mL)与过40目筛的5 kg风干土混合均匀,装入塑料盆(直径25 cm,高17 cm),平衡2~3周后,每钵移栽番茄幼苗1株.在开花期开始进行叶面喷施Zn的营养液,以喷去离子水为对照处理.每隔4天喷施1次,每次每钵喷施100 mL,共喷7次.土壤水分保持田间最大持水量的60%.每次浇水前先用土壤水分速测仪测定土壤的含水量,3次测量取平均,然后计算所需的补水量.肥底N为200 mg · kg-1,以NH4H2PO4和尿素形式加入,P、K分别为100和150 mg · kg-1,以NH4H2PO4和KCl的形式加入.试验设置3次重复,随机排列.从第一次结果开始记产,2012年7日9日全部收获.番茄植株各部位分别在105 ℃下杀酶15 min,在60 ℃下烘干至恒重.
2.3 测定方法土壤基本理化性质按常规方法测定(鲁如坤,2000).番茄根系过氧化氢酶(CAT)活性采用高锰酸钾滴定法测定(李合生,2000);过氧化物酶(POD)采用愈创木酚法测定(张志良,2002);超过氧化物岐化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑(NBT)光化还原法测定(张志良,2002).番茄果实中各Cd形态分级采用连续浸取法测定(Alarcón et al., 1998).植株Cd含量采用HNO3-HClO4法消煮,原子吸收分光光度计(Perkin Elmer SIMMA 6000,Norwalk,USA)测定.
数据采用SPSS18.0统计软件对不同品种番茄的干重、抗氧化酶活性及番茄果实Cd形态和积累量进行方差分析和多重比较.
3 结果与分析(Results and analysis) 3.1 生物量从表 1可以看出,番茄果实、茎及总干质量在2个品种之间、Zn浓度之间的差异达到了显著水平(p<0.05).在重金属Cd污染(10 mg · kg-1)条件下,除400 μmol · L-1 Zn时‘4641’的根干质量以及叶干质量外,叶面喷施Zn(≤200 μmol · L-1)增加了2个番茄品种的果实、根、茎、叶及总干质量,增幅分别为8.9%~57.5%、1.6%~47.7%、3.2%~51.9%、4.3%~21.9%及11.3%~45.1%.除‘渝粉109’的根干质量随Zn浓度增加逐渐增加外,番茄果实、根、茎、叶及总干质量均表现出随Zn浓度增加先增加,在50、100或200 μmol · L-1时到达最高,然后降低的趋势.比较2个品种,无论喷施Zn与否,果实干质量均为‘4641’>‘渝粉109’;但喷施100、200和400 μmol · L-1 Zn时,植株总干质量为‘渝粉109’>‘4641’.
| 表1 不同Zn浓度对番茄生物量的影响 Table 1 Effects of different Zn levels on biomass of tomato |
重金属Cd胁迫会诱导植物产生大量的自由基,而CAT、SOD及POD等抗氧化酶能有效清除植物体内的自由基和过氧化物,从而抵御重金属对植物的危害(王兴明等,2006).在Cd污染条件下,2个品种番茄根POD活性随Zn浓度的变化表现出不同的趋势(图 1a).‘渝粉109’根POD活性随Zn浓度增加先增加,在50 μmol · L-1 Zn处理时达到最大值,然后下降;而‘4641’根POD活性随Zn浓度增加,先下降,在50 μmol · L-1 Zn处理时达到最低,然后逐渐回升.随Zn浓度增加,SOD活性则随Zn浓度增加先下降,在50或100 μmol · L-1 Zn时最低,然后回升,在200 μmol · L-1 Zn时达到最大值,然后又下降(图 1b).而2个品种根CAT活性随Zn浓度增加先增加,在100或200 μmol · L-1 Zn处理时最高,然后呈下降趋势(图 1c).
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| 图 1 不同Zn浓度对番茄根POD、SOD和CAT活性的影响 Fig. 1 Effects of different Zn levels on activities of POD,SOD, and CAT in tomato roots |
由表 2可知,番茄果实中Cd各形态含量及Cd提取总量在2个品种间、Zn浓度间的差异达到显著水平(p<0.05).2个番茄品种果实中各形态Cd平均含量的顺序如下:残渣态Cd(FR)> 盐酸提取态Cd(FHCl)> 氯化钠提取态Cd(FNaCl)>乙醇提取态Cd(FE)> 醋酸提取态Cd(FHAc)> 去离子水提取态(FW).其中,2个番茄品种果实FR含量分别为0.878和0.681 mg · kg-1,平均为0.779 mg · kg-1,所占Cd提取总量的比例分别为54.0%和53.6%,平均为53.8%;FHCl含量分别为0.230和0.172 mg · kg-1,平 均为0.201 mg · kg-1,占Cd提取总量的比例为13.9%.二者均为活性偏低形态Cd,其平均含量之和为0.981 mg · kg-1,占Cd提取总量的比例为67.7%(表 2).活性较高的FW和FE平均含量分别为0.037 mg · kg-1和0.159 mg · kg-1,占Cd提取总量的比例分别为2.5%和11.0%,二者平均含量之和为0.196 mg · kg-1,占Cd提取总量的比例为13.5%.试验发现,喷施适量的Zn能减少2个番茄品种果实中各形态Cd含量,但随Zn浓度的增加,各形态Cd表现出不同的变化趋势.如‘4641’的FE、FW和FHAc,以及‘渝粉109’的FW和FHAc含量随Zn浓度的增加而降低,分别较对照减少了20.6% ~100%、50.4%~100%、56.9%~100%、56.9%~100%和2.4%~35.2%;而果实其余各形态Cd含量,则随Zn浓度的增加先降低,在50、100或200 μmol · L-1时到达最低值,然后回升.高量Zn(400 μmol · L-1)反而使‘渝粉109’果实中的FE、FR以及‘4641’果实中FHCl、FR较对照分别增加了2.4%、14.5%、34.5%和31.6%.喷施Zn使2个番茄品种果实中Cd总提取量降低了17.4%~38.7%和8.6%~36.7%,但也随Zn浓度的增加先降低,果实Cd总提取量在100或200 μmol · L-1时到达最低值,然后回升.比较供试2个番茄品种,无论是否喷施Zn,果实Cd总提取量为‘4641’> ‘渝粉109’.
| 表2 不同Zn浓度对番茄果实Cd化学形态及含量的影响1) Table 2 Effects of different Zn levels on chemical forms and concentration of Cd in tomato |
由表 3可知,番茄各部位Cd含量及Cd积累量在2个品种间、Zn浓度间的差异达到显著水平(p<0.05).2个番茄品种植株Cd含量以叶 > 根 > 茎 > 果实.叶面喷施Zn使2个番茄品种根、茎、叶和果实中的Cd含量不同程度降低,Cd含量降低幅度分别为24.0%~40.2%和18.6%~41.7%、10.6%~31.1%和16.0%~36.7%、5.8%~21.4%和10.0%~21.5%、2.6%~7.7%和2.3%~12.7%.随Zn浓度增加,‘4641’茎、叶和果实Cd含量,以及‘渝粉109’的叶Cd含量先降低,分别在100或200 μmol · L-1Zn处理时最低,然后增加;而‘4641’的根以及‘渝粉109’的根、茎和果实Cd含量则呈下降趋势.
| 表3 不同Zn浓度对番茄Cd含量及积累量的影响 Table 3 Effects of different Zn levels on concentration and accumulation of Cd in tomato |
Cd积累量为植株各部位干质量与Cd含量的乘积(陈贵青等,2010).由表 3可见,2个番茄品种Cd积累量均为叶 > 茎 > 根或果实,即Cd主要积累在番茄的叶和茎,分别占植株Cd总积累量的53.5%和35.3%.根和果实的Cd积累较少,分别占植株Cd总积累量的5.5%和5.9%.除‘渝粉109’的叶和2个品种的果实外,随Zn浓度的增加,2个番茄品种植株各部位Cd积累量以及植株总Cd积累量表现为降低趋势.本试验中,2个品种果实Cd积累量分别较对照增加了4.1%~53.6%和28.7%~40.2%.比较供试2个番茄品种,无论是否喷施Zn,果实Cd含量和果实Cd积累量均为‘4641’>‘渝粉109’.但植株Cd总积累量为‘4641’<‘渝粉109’.
4 讨论(Discussion)Zn作为植物必需的微量营养元素之一,参与植物生长素(吲哚乙酸)的合成,与叶绿素的形成、植物光合、呼吸以及碳水化合物的合成、运转等过程有关,还能促进生殖器官的发育和提高抗逆(肖焱波,2010).本试验中,在10 mg · kg-1 Cd污染土壤上,叶面喷施适量的Zn(≤200 μmol · L-1)提高了2个番茄品种果实、叶、茎、根及总干质量(表 1).在高量Zn处理中,番茄果实干质量和植株总干质量也高于未喷Zn处理.原因可能是供试土壤有效Zn含量为1.9 mg · kg-1,仅仅略高于土壤缺Zn临界值1.5 mg · kg-1(0.1 mol · L-1盐酸提取),因此,叶面喷施Zn对番茄生长是有利的,在一定程度上缓解重金属Cd对番茄生长的抑制.此外,也可能是由于Zn与Cd的拮抗效应降低了Cd对番茄的毒害.比较2个品种,无论喷施Zn与否,果实干质量均为‘4641’>‘渝粉109’.说明‘4641’品种对Cd污染环境的耐性更强,而且对Zn的反应更为敏感,喷Zn后,Zn与Cd的拮抗效应减缓Cd对其生长的毒害效应,因而也获得了更高的产量.但番茄果实、根、茎、叶及总干质量均表现出随Zn浓度增加先增加,在50、100或200 μmol · L-1时到达最高,然后降低的趋势.该结果与陈贵青等(2010)报道相似.可能是植物体内积累了过量的锌以及锌化合物会诱发多种活性自由基,导致脂质的过氧化和膜的损伤(徐卫红,2005),影响了番茄生长.另外,也可能是高量Zn与Cd的协同效应起了一定作用.此结果说明Zn/Cd交互作用与外源Zn浓度有关.
在重金属Cd胁迫下,植物会产生大量的氧自由基,CAT、POD、SOD等组成的抗氧化系统能够清除氧自由基,使细胞免受由重金属Cd引起的氧化胁迫伤害(张晓璟等,2011;Rodríguez-Serrano et al., 2006).在本试验中,随着Zn浓度增加,2个品种根CAT活性以及‘渝粉109’根POD活性先增加,在50、100或200 μmol · L-1 Zn时达到最大值,然后呈下降趋势.该结果与番茄的生长量和产量随Zn浓度变化是一致的.表明低浓度Zn提高了番茄根CAT和POD活性,以适应不良环境胁迫,而高浓度Zn胁迫使细胞膜系统受到了伤害,导致CAT和POD活性降低(Rodrífguez-Serrano et al., 2006).可能是Zn与Cd的协同效应加重了植物遭受重金属胁迫,反而使番茄根CAT和POD活性下降.随Zn浓度增加(Zn≤200 μmol · L-1),2个品种根SOD活性以及‘4641’根POD活性先降低,在50或100 μmol · L-1 Zn时到达最低值,然后增加.原因可能是喷施Zn能降低番茄体内活性氧自由基,从而导致清除自由基酶含量下降,过量Zn反而增加了抗氧化酶活性,以清除因Zn毒害产生的大量氧自由基.但2个品种根SOD活性在400 μmol · L-1Zn时又呈下降趋势,其原因有待进一步研究.
重金属在植物体内的化学形态一般以氯化钠提取态、醋酸盐提取态、盐酸提取态等非活性态为主.但王友保等(2005)报道在三叶草和结缕草茎叶中Cu主要形态为残渣态.本试验发现,Cd在番茄果实中主要以残渣态存在,平均为0.779 mg · kg-1,所占Cd提取总量的比例为53.8%(表 2).其次是盐酸提取态,平均为0.201 mg · kg-1,占Cd提取总量的比例为13.9%.残渣态Cd和盐酸提取态Cd二者平均含量之和为0.981 mg · kg-1,占Cd提取总量的比例达到了67.7%,是番茄果实中Cd主要存在形式.残渣态Cd和盐酸提取态Cd均为活性偏低形态Cd.活性较高的去离子水提取态Cd和乙醇提取态Cd平均含量之和为0.196 mg · kg-1,占Cd提取总量的比例仅为13.5%,从而极大地降低了Cd的毒害效应.本试验条件下,喷施适量的Zn减少了2个番茄品种果实各形态Cd含量和Cd总提取量,Zn/Cd表现出明显的拮抗效应.该结果与索炎炎等(2012)报道相似.原因可能与转运子基因的表达有关,也可能是由于重金属Cd与Zn竞争吸收运输位点所致(陈贵青等,2010;Hart et al., 2002).但高量Zn(400 μmol · L-1)反而使‘渝粉109’果实中的乙醇提取态Cd、残渣态Cd以及‘4641’果实中盐酸提取态Cd、残渣态Cd较对照分别增加了2.4%、14.5%、34.5%和31.6%,此时Cd/Zn表现出一定的协同效应.Xue和Harrison(1991)曾报道,在严重镉污染条件下(10 mg · kg-1),提高土壤中锌的含量(600 mg · kg-1 Zn)可使叶用莴苣中镉积累量显著提高.此结果再次印证Cd/Zn交互作用与Zn浓度有关.
供试2个番茄品种Cd主要累积于叶和茎中,根和果实中Cd积累较少,而且Cd含量也以叶大于根、茎和果实(表 3).可见番茄对Cd的转移能力较强.此结果与之前报道番茄Cd主要集中在根部有所不同(朱芳等,2006).本试验中,番茄果实中Cd提取总量(鲜样,表 2)>1.0 mg · kg-1,远远高于国家对蔬菜和水果的Cd限量标准(≤0.05 mg · kg-1),说明,番茄不但对Cd有较强的迁移能力,而且在可食部位对Cd 也有很强的富集能力.提示在Cd污染较重的地区,种植番茄可能存在果实产品受Cd污染的风险.外源Zn使番茄叶、茎、根和果实中的Cd含量不同程度降低.该结果与Hart等(2005)、吕选忠等(2006)报道类似.原因可能是Zn供应充足时,Zn可以竞争进入细胞上Cd的结合位点,Zn吸收量增加,反之Cd吸收量下降(陈贵青等,2010).此外,适量的Zn与重金属Cd竞争根系吸收运输位点也可能降低了Cd离子在植物体内的木质部长距离输送.随Zn浓度增加,‘4641’茎、叶和果实,以及‘渝粉109’的叶Cd含量先增加,分别在100或200 μmol · L-1 Zn时达到最低值,然后回升.可见,Zn/Cd交互作用不是简单的拮抗效应,表现出拮抗和协同并存.本试验条件下,2个番茄品质果实Cd积累量均高于对照,原因可能是叶面喷施Zn后番茄果实干重明显大于对照所致(Cd积累量为植株各部位干重与Cd含量的乘积).比较供试2个番茄品种,无论是否喷施Zn,果实Cd含量和果实Cd积累量均为‘4641’>‘渝粉109’.说明,在土壤‐植物系统中,Zn/Cd的相互关系不但与Zn浓度有关,还与作物品种和部位关系密切.
5 结论(Conclusions)1)在重金属Cd污染(10 mg · kg-1 Cd)下,Zn能缓解Cd对供试番茄生长的抑制,增加了2个番茄品种的果实、根、茎、叶及总干质量.但随Zn浓度增加,番茄果实、根、茎、叶及总干质量表现出先增后降的趋势.
2)随Zn浓度增加,2个番茄品种根CAT活性以及‘渝粉109’根POD活性先增加,然后呈下降趋势;根SOD活性则表现出先降后升再降趋势.
3)番茄果实中的Cd主要以活性偏低的残渣态Cd和盐酸提取态Cd的形式存在,占Cd提取总量的65%以上.活性较高的去离子水提取态Cd和乙醇提取态Cd仅占Cd提取总量的13.5%.喷施适量的Zn减少了2个番茄品种果实中各形态Cd含量,但高量Zn(400 μmol · L-1)使‘渝粉109’果实中的乙醇提取态Cd、残渣态Cd以及‘4641’果实中盐酸提取态Cd及残渣态Cd含量增加.
4)番茄Cd主要积累在叶和茎,果实和根积累较少.外源Zn(≤200 μmol · L-1)能有效降低番茄根、茎、叶和果实中Cd的含量.但随Zn浓度增加,‘4641’的茎、叶和果实Cd含量,以及‘渝粉109’品种的叶Cd含量呈先降后增趋势.
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