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不同花生品种对土壤铅、镉污染的抗性研究

花匠小妙招
2024-09-15 06:19

摘要: 为了筛选对铅、镉耐性较强的花生品种，探究油料作物在重金属污染耕地综合利用方面的潜在应用，通过温室栽培实验，研究了潍花八号、红花12 号和黑丰一号3个品种花生在不同铅、镉浓度下的种子萌发、幼苗生长、叶绿素含量及叶片酶活性变化的抗性效应. 结果表明，土壤铅、镉污染抑制花生种子萌发和幼苗生长（P < 0.05），3 种花生的种子萌发率、株高、生物量、茎基直径、叶绿素含量均随铅、镉质量分数升高而降低. 相对于另外2个花生品种，潍花八号在铅（5、10、20 mg·kg−1）和镉（1、5 mg·kg−1）处理下有更高的植株高度（P < 0.05）；在铅（0、5、10 mg·kg−1）和镉（1、5、10 mg·kg−1）处理下有较高的茎基直径；在铅（5、10、20 mg·kg−1）和镉（1、5、10 mg·kg−1）处理下生物量、叶绿素含量最高. 铅、镉胁迫下3 个花生品种叶片内抗氧化酶活性、脯氨酸质量分数均提高，且不同品种间存在显著差异（P < 0.05）. 潍花八号在镉（1、5、10 mg·kg−1）处理下超氧化物歧化酶活性最高，在镉（1、5 mg·kg−1）处理下过氧化物酶活性最高，在铅（5、10 mg·kg−1）和镉（1、5、10 mg·kg−1）处理下脯氨酸质量分数最高. 研究表明，相对于另外2个品种，潍花八号对铅（5、10、20 mg·kg−1）、镉（1、5 mg·kg−1）抗性最强，在铅、镉重金属污染土壤综合利用中具有更加明显的价值.

关键词: 花生品种 / 重金属 / 抗性 / 土壤污染 / 铅 / 镉

Abstract: To screen peanut varieties with strong tolerance to Cd and Pb, and explore the potential application value of oil crops in the comprehensive utilization of heavy metal polluted farmland, the resistance effects of Weihua No. 8, Honghua No. 12 and Heifeng No. 1 on seed germination, seedling growth, chlorophyll content and enzyme activity of leaves under different concentrations of Pb and Cd were studied by a comparative experiment of greenhouse cultivation. The results showed that Pb and Cd inhibited the seed germination and seedling growth of peanut (P < 0.05). The seed germination rate, plant height, biomass, stem base diameter and chlorophyll content of the three peanut varieties decreased with the increasing of Pb and Cd concentration. Under Pb (5, 10 and 20 mg·kg−1) and Cd (1 and 5 mg·kg−1) treatment, the plant height of Weihua No. 8 was higher than those of the other two peanut cultivars. Weihua No. 8 had higher stem diameter under Pb (0, 5, 10 mg·kg−1) and Cd (1, 5 and 10 mg·kg−1) treatment. Under Pb (5, 10, 20 mg·kg−1) and Cd (1, 5, 10 mg·kg−1) treatments, the percentage of proline in Weihua No. 8 seedlings was significantly higher than the other two peanuts. The study showed that Weihua No. 8 had strong resistance to Pb (5, 10, 20 mg·kg−1) and Cd (1, 5 mg·kg−1), and had more obvious value in the comprehensive utilization of heavy metal contaminated soil.

随着工业“三废”排放量日益上升，污水灌溉导致农田土壤重金属污染严重、土壤生产力下降[1]、农产品污染等诸多问题. 据统计中国重金属污染耕地约占16.67% [2]. 重金属污染对植物体内活性氧代谢系统有重要影响，进而影响种子萌发[3]，植物生长发育[4]；重金属胁迫下植物叶绿素含量降低，抑制植物光合作用[5]，甚至造成线粒体受损，呼吸作用降低，植物细胞死亡[6]，进而导致农作物产量和质量下降. 铅、镉是最常见的两种土壤重金属污染物. 铅进入人体后将对消化系统、神经系统、免疫系统和生殖系统造成损害，尤其是儿童对铅吸收率更高，易感性强[7]. 镉由食物链进入人体后主要贮存于肾和肝中，可造成肾脏、肝脏受损，长期摄入将导致脊柱畸形、骨骼软化、内分泌失调等[8]. 目前全球人口在不断增加，土壤重金属污染加剧，可用耕地面积不断减少[9]. 如何综合利用受重金属污染的耕地是目前亟待解决的问题.

重金属污染农耕地的综合利用方法包括重金属原位钝化、农艺措施消减重金属积累等[10]，其中利用抗性品种是一种重要方法. 植物抗性是植物在不同环境条件下演化而对环境产生了不同类型和不同程度的适应的结果[11]. 在重金属污染的农耕地上种植具有重金属抗性的品种，能有效降低重金属对植物的影响. 研究不同基因型小麦对硒、铅和镉胁迫的响应差异中发现，抗性品种的产量和千粒重均远远超过敏感品种，且其体内重金属含量并未超过国家标准[12]. 因此，在全国耕地重金属污染背景下，抗性品种应用是一种经济有效且不危害人类健康的措施[13].

大量研究表明重金属通常积累在植物细胞膜和蛋白质中[14]，在脂肪细胞中积累较少[15]，油料作物不易重金属超标，超标的油料作物也还能通过制作燃料柴油、航空煤油等被利用. 这使得油料作物在重金属污染耕地综合应用中有着明显的价值. 花生（Arachis hypogaea L.）是世界上种植面积最多、产量最高、油品质量较好的油料作物[16]. 目前人类培育的花生品种包括多个品系，研究发现不同基因型花生对镉胁迫的响应存在显著性差异，具体表现在茎叶生物量、根系生物量、叶绿素含量、根系活力以及根分泌物含量的差异[17]；研究不同花生品种对铬的吸收差异及调控措施发现，来自不同地域347个品种对重金属的富集能力差异较大[18]；在对不同浓度镉污染下多个花生品种籽粒镉含量的研究中发现，花生籽粒重金属含量均随着土壤重金属浓度的增加而增加，且不同品种增长趋势不同[19]. 研究8个花生品种对铅、镉吸收分配规律表明，其花生籽仁的铅、镉含量、富集与分配存在显著差异，且不同花生品种对重金属的富集特性是影响花生籽仁重金属含量的主要原因[20]；研究铅胁迫对花生生理特性的影响中发现，随着铅浓度升高，花生叶片叶绿素a、b降低，细胞中活性氧积累[21]. 据此我们推测不同花生品种对重金属污染物的抗性不同，而目前该方面的研究较少.

综合上述背景，本文研究不同花生品种在重金属胁迫下的生长状况、生理变化，以此来选择重金属耐性较高花生品种，适合在重金属污染农田中种植，为重金属污染农田的综合利用提供一定的理论依据.

1. 材料与方法

1.1 试验材料

本研究使用的土壤为绿化用地土壤，经测试未发现重金属污染物超标现象. 选用中国目前广泛种植、经济价值较大的3个花生品种：产量高、适应性强的黑丰一号，综合抗性高的红花12号，抗旱性较强的潍花八号进行研究.

1.2 试验方法 1.2.1 试验设计

试验于2019年10―12月在昆明市云南师范大学校区进行. 选取籽粒饱满、大小一致的3种花生种子，用0.1% HgCl2溶液消毒10 s，去离子水反复冲洗，均匀播在铺有双层滤纸的培养皿中，每皿5粒种子作为1个重复，每个处理含3次重复. 本试验共设置7个处理组，包括空白对照组（CK），根据中国耕地表层土壤重金属污染状况[22] 设置铅、镉污染处理. 其中铅的质量浓度梯度为5、10、20 mg·L−1，镉的质量浓度梯度为1、5、10 mg·L−1，每个处理添加重金属溶液10 mL使种子萌发，CK组添加等量去离子水. 25 ℃恒温培养15 d后计算萌发率.

将备用土壤混匀过5目筛（孔径4 mm），而后分装至63个上口外径11 cm，高10 cm的塑料盆钵中，每盆装土290 g. 分别添加铅溶液使土壤中铅质量比分别达到5、10、20 mg·kg−1；添加镉溶液使土壤中镉质量比分别达到1、5、10 mg·kg−1；CK组添加等量去离子水. 在培养皿中以去离子水萌发150颗花生种子，各处理分别种植萌发状况一致的花生幼苗，每盆种植5株花生作为1个重复，每个处理设置3次重复. 将盆钵放入人工气候箱中，设置为25 ℃，湿度为60%，光照度为1000 lx，保证每天16 h的光照和8 h的黑暗处理，2 d浇水1次，试验周期为1个月.

1.2.2 测定指标及方法

当胚根与种子等长、胚芽长度达到种子长度一半时，认定种子已萌发. 连续观察各组花生萌发情况直至各品种CK的发芽率不再变化，计算各品种在不同处理下的萌发率，萌发率=供试种子的发芽数/供试种子总数×100%. 叶绿素含量（单位：SPAD）的测定采用叶绿素仪SPAD−502 Plus （KONICA MINOLTA, Japan），在生长中期测定每盆中5株花生的第3伸展叶的叶绿素，并求均值作为1个重复. 种植1月后收获植物，使用游标卡尺测量花生幼苗茎基直径；用直尺由幼苗茎底部测量至最长茎顶部为株高；用自来水冲洗幼苗根部土壤，晾干表面水分，测量其生物量；采集花生幼苗新鲜叶片，采用邻苯三酚自氧化法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性（U·mL−1）[23]；采用茚三酮显色法测定脯氨酸质量分数[24]；采用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性（U·g−1·min−1）[25].

1.2.3 数据分析

用Excel 2016进行数据整理和图表绘制，用R软件（版本号：3.6.2）通过单因素方法分析统计土壤中不同重金属含量下不同品种的花生种子萌发率、叶绿素含量、茎基直径、株高、生物量、超氧化物歧化酶活性、过氧化物酶活性和脯氨酸的差异.

2. 结果与分析

2.1 重金属对不同品种花生种子萌发率的影响

由图1可见，在含不同质量浓度铅、镉溶液处理下3种花生种子萌发率存在显著差异（P < 0.05）. 5、10、20 mg·L−1铅质量浓度下潍花八号的萌发率均高于另外2种花生品种. 镉质量浓度为1、5 mg·L−1时，潍花八号的萌发率显著高于另外2种品种. 这说明3种花生中潍花八号种子的萌发对铅污染（5、10、20 mg·L−1）和中低浓度的镉污染（1、5 mg·L−1）有更高的抗性.

图 1 不同质量浓度重金属胁迫下花生萌发率

Figure 1. Germination ratio of peanut under different concentrations of heavy metals

2.2 重金属对不同品种花生幼苗生长的影响

由图2可见，在土壤中不同质量比的铅、镉处理下不同花生品种株高呈显著差异（P < 0.05）. 花生幼苗株高随重金属离子质量比的升高而逐渐降低. 5、10、20 mg·kg−1铅质量比下，潍花八号株高均为最高；1、5 mg·kg−1镉质量比下，潍花八号株高显著高于另2种花生. 说明3种花生中潍花八号幼苗株高对铅污染（5、10、20 mg·kg−1）、中低质量比镉污染（1、5 mg·kg−1）有更高抗性. 不同质量比铅、镉处理下3个品种花生茎基直径有显著性差异（P < 0.05）（图2）. 花生幼苗茎基直径随重金属质量比增加而减小. 铅质量比0、5、10 mg·kg−1处理下，潍花八号茎基直径显著高于另2种；镉离子质量比1、5、10 mg·kg−1处理下，潍花八号茎基直径均高于另2种. 说明3个品种花生中潍花八号茎基直径对镉污染（1、5、10 mg·kg−1）及中、低质量比铅污染（5、10 mg·kg−1）更具抗性. 不同铅、镉质量比处理下不同品种花生幼苗生物量有显著性差异（P < 0.05）（图2）. 花生单株生物量随重金属质量比升高而降低. 5、10、20 mg·kg−1铅质量比，1、5、10 mg·kg−1镉质量比下潍花八号生物量均最高，说明3种花生品种中潍花八号幼苗生物量对铅（5、10、20 mg·kg−1）、镉（1、5、10 mg·kg−1）具有更高抗性. 不同铅、镉质量比处理下3个品种花生叶片叶绿素有显著性差异（P < 0.05）（图2）. 花生叶绿素随重金属质量比增加而降低. 5、10、20 mg·kg−1铅质量比和1、5、10 mg·kg−1镉质量比处理下潍花八号幼苗叶绿素含量均高于另2种花生. 在此铅、镉质量比下潍花八号幼苗叶绿素具有更高抗性.

图 2 不同处理下花生幼苗得的株高、茎基直径、生物量、叶绿素含量

Figure 2. Plant height, stem base diameter, single biomass and chlorophyll content of peanut seedlings under different treatments

2.3 重金属对不同品种花生幼苗抗氧化酶活性、脯氨酸含量的影响

由图3可见，不同镉质量浓度处理下3种花生幼苗超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶(POD)活性和脯氨酸质量分数有显著性差异（P < 0.05）. 不同品种花生SOD、POD活性和脯氨酸质量分数随着镉质量比的增加而增加，且潍花八号上述指标显著高于另2种花生. 不同质量比铅处理下不同花生品种幼苗脯氨酸质量分数有显著性差异（P < 0.05）. 花生脯氨酸质量分数随着重金属质量比的增加而增加. 5、10 mg·kg−1铅质量比处理下，潍花八号幼苗脯氨酸质量分数最高.

图 3 不同处理下花生叶片抗氧化酶活性、脯氨酸质量分数

Figure 3. SOD activity, POD activity and proline content in peanut leaves under different treatments

3. 讨论

种子萌发和幼苗生长期是植物对环境胁迫较为敏感的时期, 因此通过研究种子在胁迫条件下其萌发与幼苗生长的特征可以在一定程度上反映植物对胁迫的耐性[26]. 本研究结果显示，不同含量铅、镉胁迫下，3种花生种子萌发率，幼苗生物量、株高、茎基直径、叶绿素含量均呈不同程度下降趋势. 重金属主要是通过抑制种子内脱氢酶、蛋白酶、淀粉酶和酸性磷酸酯酶的活性[27]，影响植物种子的萌发. 由于铅、镉不是植物生长必需元素，在植物体内积累将会影响细胞分裂和生长，干扰营养物质的吸收和分配[28-29]. 导致植物对养分的吸收和运输能力降低，养分缺乏、相关代谢过程和物质成分的紊乱，表现出缺素症状[30]，严重抑制植物的生长发育[31]，且随胁迫时间增强. 并且用铅和镉处理植物使得叶绿体结构发生显著的变化，破坏了叶绿体膜系统，降低叶片叶绿素含量[32]，影响植物光合作用. 袁敏等[33]、秦建桥等[34]、黄芳等 [35]、Jamali等 [36]、弭宝彬等[37]也有类似研究结果. 本研究结果显示土壤中铅、镉含量增加，对花生种子萌发和生长发育抑制作用增强. 产生这种现象的原因可能是重金属含量增加，诱导植物体内超氧阴离子和羟基自由基等大量产生，严重干扰保护酶的活性，造成代谢紊乱，抑制植物生长[38]. 这与铅、镉胁迫下火炬树种子萌发[39]和黑麦草（Lolium perenne）种子胁迫[40]的研究结果相似.

本研究结果显示不同品种花生对重金属铅、镉的抗性存在差异. 5、10、20 mg·kg−1铅质量比下，潍花八号的萌发率比值均高于另外2种花生品种；镉质量比为1、5 mg·kg−1时，潍花八号的萌发率显著高于另外2种品种. 在不同浓度铅、镉污染下，潍花八号株高、茎基直径、幼苗生物量、叶绿素含量均显著高于另2个品种花生. 由研究结果可知3个品种花生中潍花八号对铅（5、10、20 mg·kg−1）、中低质量比的镉（1、5 mg·kg−1）具有更高抗性. 植物品种间的耐性差异与其内源抗氧化酶系统的变化及膜脂过氧化程度密切相关[41]. 重金属胁迫诱导植物体产生活性氧物质，导致植物遭受氧化胁迫，引起膜脂过氧化，损伤生物膜[42]，造成叶绿体和线粒体等细胞器功能受损，最终导致细胞凋亡[43]. SOD、POD是活性氧清除系统中发挥重要作用的抗氧化酶，能清除植物体内各种环境压力下产生的活性氧自由基，减轻对生物膜系统的损害，保护细胞结构和功能. 植物体内抗氧化酶活性的提高能增强植物对多种氧化胁迫的抗性[44]. 脯氨酸作为植物胞质中的渗透调节剂，在稳定生物大分子的结构、降低细胞的酸度、消除氨的毒性和调节细胞作为能量库的方面起着重要的作用，在一定程度上反映了植物的抗逆性. 有研究表明，重金属污染通常会诱导植物合成一系列代谢产物如脯氨酸，并且随着重金属浓度的增加，脯氨酸的积累会急剧增加[45]. 本试验结果显示：在一定浓度铅、镉胁迫下，3个品种花生SOD活性、POD活性、脯氨酸质量分数总体呈上升趋势. 随着镉含量增加，潍花八号SOD活性均显著高于另2种花生；1、5 mg·kg−1镉质量比下，潍花八号POD活性最高；随着铅、镉质量比增加，潍花八号幼苗脯氨酸质量分数均最高. 这与铅、镉胁迫对花生种子萌发和幼苗生长的影响基本一致，这可能是由于铅胁迫下花生叶片脯氨酸质量分数增高，稳定细胞结构，增强花生抗性；在镉胁迫下花生叶片中SOD活性、POD活性以及脯氨酸质量分数升高，细胞清除活性氧自由基能力增强，提高了花生对氧化胁迫的抗性. 不同花生品种抗性差异是花生体内保护酶系统与代谢产物抵抗铅、镉胁迫的能力不同导致的.

4. 结论

本研究发现潍花八号在一定浓度铅、镉污染下有更高的萌发率、株高、茎基直径、生物量和叶绿素含量，具有更高重金属抗性. 其重要原因是铅、镉胁迫下潍花八号有更高SOD、POD活性和脯氨酸质量分数，更能抵抗氧化胁迫、维持细胞结构功能，进而增强花生抗性. 这意味着潍花八号可用于铅、镉污染农耕地的综合利用.

图 1 不同质量浓度重金属胁迫下花生萌发率

Figure 1. Germination ratio of peanut under different concentrations of heavy metals

图 2 不同处理下花生幼苗得的株高、茎基直径、生物量、叶绿素含量

Figure 2. Plant height, stem base diameter, single biomass and chlorophyll content of peanut seedlings under different treatments

图 3 不同处理下花生叶片抗氧化酶活性、脯氨酸质量分数

Figure 3. SOD activity, POD activity and proline content in peanut leaves under different treatments

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