不同品种芥菜对镉胁迫的敏感性分布及抗氧化特征

摘要：为探讨不同品种芥菜（BrassicajunceaL.）对土壤中镉（Cd）胁迫的敏感性分布规律，筛选出耐性强、吸收高的品种，并了解其抗氧化特征和Cd累积特征，为我国Cd污染土壤植物修复提供理论依据。以国内市场上常见的21个芥菜品种为材料，通过盆栽试验，研究不同品种芥菜对Cd胁迫的剂量-效应关系、敏感性分布差异，在此基础上对两种代表性芥菜的抗氧化酶活性及Cd含量进行测定。结果表明：21个芥菜品种对Cd的敏感性分布频次具有明显差异，低浓度Cd（≤1.23mg·kg-1）对17种芥菜生长产生一定的刺激效应，其生物量增长了2.0%～30.5%，而过量的Cd（≥6.90mg·kg-1）则会产生明显的胁迫作用。特选九头鸟大叶芥菜（JTN）对Cd最为敏感，而包心芥菜（BJ）则表现出最高耐性。通过对JTN和BJ体内丙二醛（MDA）和抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT）分析，BJ体内的MDA含量明显低于JTN，而抗氧化酶活性高于JTN。耐性品种BJ根部及地上部分的富集系数均大于1，地上部Cd积累量最高可达156.03μg·株-1，且地上部对Cd污染土壤的净化率最大可达11.0%。研究表明，耐性品种BJ具有修复Cd污染土壤的潜力。关键词：镉；芥菜品种；物种敏感性分布；抗氧化酶；积累特征中图分类号：X171.5文献标志码：A文章编号：1672-2043（2018）12-2660-09doi:10.11654/jaes.2018-0202Assessmentofvariationinsensitivityandantioxidantcharacteristicsofdifferentmustardcultivarsunderdif⁃ferentCdstresslevelsGUOZhan-yu,ZHANGZi-yang,JIANGYa-hui,AltafHussainLahori,ZHANGZeng-qiang*,LIRong-hua（CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling712100,China）Abstract：Aimingtounderstandthevariationinsensitivityofdifferentmustardcultivarstocadmium（Cd）stressforscreeningthemustardcultivarswithhightoleranceandaccumulationofCdandinvestigatingtheantioxidativeandCdaccumulationcharacteristicsofmustardcul⁃tivars,21typesofdominantmustardcultivarsavailableinthedomesticmarketwerestudiedinpotexperiments.Thedose-responserelation⁃shipandthespeciessensitivitydistributionmodelofthemustardcultivarswithCdstresswereevaluated.Furthermore,theCdaccumulationcharacteristicsandtheantioxidantenzymeactivityoftworepresentativemustardcultivarswereexaminedinthisstudy.TheresultsshowedthatthecumulativefrequenciesofspeciessensitivitydistributionsofCdstressvariedsignificantly（P0.05）amongthetestedmustardculti⁃vars.Thegrowthof17kindsofmustardbiomasswasimprovedby2.0%~30.5%underthelow-levelofCdstress（≤1.23mg·kg-1）,whereasexcessiveCdstress（≥6.90mg·kg-1）inhibitedplantgrowthsignificantly.Amongthe21kindsofmustardcultivarsusedinthisinvestigation,JTNwasthemostCdstress-sensitivemustardcultivar,whereastheBJcultivarshowedthehighesttolerance.Thecontentofmalonaldehydeenzyme（MDA）inBJwaslowerthanthatinJTN,whereasthecontentoftheantioxidantenzymes（SOD,POD,andCAT）inBJwashigherthanthatinJTN.Moreover,thebioconcentrationfactor（BCF）ofBJwaslargerthanoneforbothrootsandshoots.ThehighestCdaccumula⁃收稿日期：2018-02-07录用日期：2018-05-09作者简介：郭瞻宇（1992—），男，山西临汾人，硕士研究生，主要研究方向为重金属污染土壤生态修复。E-mail：[e-mail]*通信作者：张增强E-mail：[e-mail]基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目（2016KTCQ03-20）；十三五国家重点研发计划项目子课题（2017YFD0801101）Projectsupported：TheScienceandTechnologyOverallInnovationProjectofShaanxiProvinceinChina（2016KTCQ03-20）；The13thFive-YearPlanoftheNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina（2017YFD0801101）2018，37（12）:2660-26682018年12月农业环境科学学报JournalofAgro⁃EnvironmentScience郭瞻宇，张子杨，蒋亚辉，等.不同品种芥菜对镉胁迫的敏感性分布及抗氧化特征[J].农业环境科学学报,2018,37（12）：2660-2668.GUOZhan-yu,ZHANGZi-yang,JIANGYa-hui,,etal.AssessmentofvariationinsensitivityandantioxidantcharacteristicsofdifferentmustardcultivarsunderdifferentCdstresslevels[J].JournalofAgro-EnvironmentScience,2018,37（12）：2660-2668.不同品种芥菜对镉胁迫的敏感性分布及抗氧化特征郭瞻宇，张子杨，蒋亚辉，AltafHussainLahori，张增强*，李荣华（西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌712100）郭瞻宇，等：不同品种芥菜对镉胁迫的敏感性分布及抗氧化特征2018年12月表1土壤基本理化性质Table1Basicphysicochemicalpropertiesofthetestedsoils土壤样品T0T1T2T3T4T5pH8.378.468.378.398.288.30有机质含量/%1.261.231.211.331.291.40碱解N/mg·kg-155.7657.1756.7957.8363.1868.05速效P/mg·kg-199.1799.0398.6196.2597.9399.44速效K/mg·kg-1285.3300.3308.8313.0310.4345.6总Cd/mg·kg-10.121.233.946.9012.3143.90DTPA-Cd/mg·kg-10.0130.0790.3310.6351.0924.971有效态Cd占全Cd的比例/%10.86.48.49.28.911.3tioninshootswas156.03μg·plant-1,andthepurificationrateofCdinsoilswasashighas11.0%.OwingtothehighCdtoleranceandaccu⁃mulationcapability,themustardcultivarBJcanbepotentiallyusedforphytoremediationofCd-contaminatedfieldsoils.Keywords：cadmium;mustardcultivars;speciessensitivitydistributions（SSD）;antioxidantenzymes;accumulationcharacteristics近年来，由于工业含镉（Cd）“三废”的大量排放以及污水灌溉等造成了大面积农田土壤不同程度的Cd污染[1-2]。据2014年《全国土壤污染状况调查公报》显示，Cd的污染点位超标率达7.0%，居无机污染物的榜首[3]。而2016年5月颁布的《土壤污染防治行动计划》要求：到2020年，我国污染地块安全利用率达到90%以上。因此对Cd污染区土壤的安全利用及生态修复已迫在眉睫。目前，国内外众多学者围绕超富集植物的筛选及其对重金属的富集、转运等进行了大量的研究和探索[4-6]。现已发现的Cd超富集植物有遏蓝菜（Thlaspicaerule⁃scensL.）[7]、龙葵（SolanumnigrumL.）[8]、印度芥菜（BrassicajunceaL.）[9]、东南景天（SedumalfrediiH.）[10]等。龙葵地上部分Cd含量可达387mg·kg-1[8]；东南景天主要是Zn超富集植物，然而Cd、Zn的化学性质相似，因此也可吸收较高含量Cd[10]。尽管这些超富集植物可以吸收大量的Cd，可是由于生长缓慢，植株矮小，很难应用于污染土壤的工程修复。印度芥菜虽然生物量较大且地上部分Cd含量可达376mg·kg-1[9]，但其对气候较为敏感，具有很强的地域性[11]，在我国难以大面积种植。我国芥菜品种资源丰富，生物量大、生长期短、适应性强，而且印度芥菜是芥菜的近缘植物。因此从我国现有的芥菜资源中筛选出耐性强、吸收率高的品种，对我国Cd污染土壤的植物修复具有重要现实意义。物种敏感性分布（SSD）是基于一系列物种或相同物种的不同品种间对某一种污染物敏感性差异提出来的一种生态风险评价方法，可用于在一定的污染条件下，计算保护大多数生物物种安全的污染物浓度值。该方法假设不同物种或相同生物不同种类的毒性数据能被某概率分布函数所拟合，计算出重金属对受试物种所产生的胁迫程度，以确定风险最大的物种类别，并体现出物种的敏感性差异[12-13]。目前关于Cd胁迫下植物敏感性分布差异报道较少。因此，研究Cd胁迫对不同品种芥菜的敏感性分布，筛选出具有修复Cd污染土壤潜力的芥菜品种，具有重要的理论和实际价值。本文以国内市场最为常见的21个芥菜品种为研究对象，对其在Cd胁迫下的剂量-效应关系进行拟合，在此基础上，计算不同品种芥菜对Cd的敏感性分布，并对筛选出的两个代表性芥菜品种体内抗氧化酶活性和Cd含量进行测定分析，以期科学地筛选出对Cd耐性强且吸收率较高的芥菜品种，并了解其抗氧化机制，为土壤Cd污染区植物修复提供理论与技术支撑。1材料与方法1.1试验材料供试土壤采集于陕西省凤县某铅锌冶炼厂（33°56′N，106°32′E）附近农田的0～20cm耕层褐土，将采集的土壤自然风干后，去除石砾、残渣等杂物，过2mm尼龙筛备用。为便于描述，按土壤Cd含量高低，分别将获得的土壤样品记作T0、T1、T2