镉胁迫对甘蔗体内镉及游离氨基酸含量的影响

2018-03-21莫磊兴王天顺蒋文艳

西南农业学报 2018年2期

廖洁，何洁，莫磊兴，王天顺，蒋文艳

(广西农业科学院农产品质量安全与检测技术研究所，广西南宁 530007)

【研究意义】重金属污染土壤中的污染元素可通过农作物根的吸收运输到其可食用部分，经过食物链传递，最终影响人体健康[1-2]。镉(Cd)并不是植物生命活动的必需元素，但容易被植物吸收、运输和累积，其通过伤害光合作用、呼吸作用和营养代谢等抑制植物生长，甚至导致植物死亡[3]。重金属污染下一些氨基酸含量的变化对植物重金属抗性有重要生理意义[4]。甘蔗是中国第一大糖料作物，也是世界上食糖生产的最主要原料，甘蔗对Cd胁迫具有较强的抗性和积累能力，探讨Cd在甘蔗体内的蓄积及其对甘蔗游离氨基酸含量的影响，对甘蔗耐受 Cd 胁迫机制及甘蔗进行土壤Cd污染修复提供依据。【前人研究进展】相关研究发现，Cd在植物中的吸收和积累会引起一系列形态、生理和生物化学特性的变化[5]，植物在受到重金属胁迫时，体内能够合成一系列浓度为毫摩尔级的代谢物，尤其是氨基酸类物质，如脯氨酸(Pro)和组氨酸(His)等，因此，氮代谢是植物对重金属胁迫的主要反应[6]，而氨基酸的变化情况可以反映出其体内氮代谢的情况。杨居荣和蒋婉茹[7]研究发现Cd胁迫下小麦体内氨基酸发生了变化；孙秀梅等[5]研究发现，Cd胁迫下拟南芥中检测到的大部分氨基酸类化合物发生变化，李元等[8]通过大田模拟试验研究发现Cd污染导致蛋白水解，氨基酸含量增加。【本研究切入点】甘蔗耐Cu、Cd及Se等金属胁迫的能力较强，是一种很有潜力的土壤修复作物[9]，然而，关于Cd等重金属的胁迫对甘蔗游离氨基酸含量的影响的研究报道较少。【拟解决的关键问题】通过研究不同外源高浓度Cd污染下甘蔗体内Cd的吸收、游离氨基酸含量的变化及各变化间的相互联系，对Cd的毒理进行探讨和分析，为进一步研究甘蔗Cd胁迫耐受机制及其对污染土壤的修复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 试验材料供试土壤于2016年3月16日采集于广西农业科学院试验田，pH 5.2，有机质含量 13.0 g/kg，水解性氮 78.4 mg/kg，有效磷 102.0 mg/kg，速效钾 90.0 mg/kg。供试甘蔗品种为新台糖22号。

1.1.2 仪器设备电子天平(A&D Company，Limited)；pH计(上海精密科学仪器有限公司产)；高速冷冻离心机(德国SIGMA公司产)；PinAAcle 900T原子吸收光谱仪(美国Perkin Elmer公司产)；S433D氨基酸分析仪(德国Sykam公司产)。

1.2 试验方法

采用桶栽试验(胶桶高34 cm，口径32 cm，在桶边开4个对称的排水小孔)，每桶装砖红壤土20 kg，重金属Cd采用氯化镉[Cd(Cl)2·2.5H2O]添加浓度(以纯Cd计)分别为0、25、50和100 mg/ kg，其相对应的处理分别表示为CK(对照)、Cd 25、Cd 50和Cd 100。随机区组设计，3次重复，共计15桶。甘蔗按常规方式种植，于2016年4月初将母种甘蔗按芽分节，每个蔗节有一个芽，每盆种植3个蔗节。自处理后，施用复合肥料5 g，在拔节期再补施5 g复合肥，同时根据天气状况，不定期浇等量的水，为了防止Cd污染物渗漏损失，在盆下放置塑料托盘并将Cd渗漏液倒回盆中。于2017年1月5日收获。在甘蔗成熟期取植物样品测定Cd以及蔗汁游离氨基酸含量。

1.3 测定项目及方法

甘蔗成熟收获时，将地上部茎和叶分开收获，对于每桶收获的叶片和部分蔗茎经处理用于重金属Cd的测定，另一部分蔗茎用于榨汁过滤测定游离氨基酸。

甘蔗重金属Cd测定方法：甘蔗的茎和叶经105 ℃杀青，70 ℃下烘干至恒重，测定各样品的干重。烘干的样品粉碎过20目筛，取0.2 g左右的样品，采用采用国家标准GB 5009.15-2014[10]微波消解法测定，甘蔗样品经硝酸和过氧化氢消解后利用原子吸收分光光度法测定甘蔗Cd总量。

游离氨基酸的测定：用干净的布将甘蔗表面的灰尘及杂质擦掉，压榨过滤。取1 mL甘蔗汁，加入10 mL 80 %乙醇，混匀，静置5 min，10 000 r/min离心10 min，取上清液过0.22 μm微孔滤膜，经全自动氨基酸分析仪测定。

1.4 数据分析

所有指标的检测数据均重复3次，采用Excel 2016和SPSS 22.0 进行平均值和标准差的运算，LSD法显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 Cd污染对甘蔗生长的影响

土壤中Cd污染对蔗芽破土产生了明显的抑制作用，Cd 100和Cd 25处理的蔗芽破土时间比对照晚一些，且其抑制作用随着土壤中Cd浓度的增加而增大。Cd 25和Cd 50处理的甘蔗生长正常，叶片保持鲜绿，但是叶尖较对照稍黄，Cd 100处理生长受到明显抑制，蔗苗长势较短小，甘蔗呈现重金属毒害症状，具体表现为叶片黄化、边缘卷曲、植株矮小和茎节短小，可见毒害程度随着茎叶Cd含量增加而加深。

2.2 Cd在甘蔗体内各器官中的含量

从表1可知，甘蔗茎和叶的Cd含量随着土壤中Cd浓度的增加而增加；除了Cd 25 处理下甘蔗叶含量比甘蔗茎略高，其他浓度下甘蔗不同部位Cd含量大小表现为：甘蔗茎>甘蔗叶。3个施Cd处理的甘蔗茎中Cd的含量显著高于CK，各处理甘蔗茎和叶中Cd含量的高低顺序依次是：Cd 100>Cd 50>Cd 25>CK，随着Cd浓度的不断增加，甘蔗植株茎叶的Cd含量均显著增加，茎叶受到毒害不断加重，严重影响其生长发育。将甘蔗茎及甘蔗叶Cd含量与Cd胁迫浓度做双变量相关性分析，它们的相关系数分别为0.911**(**代表P<0.01，下同)和0.913**，说明甘蔗茎和叶Cd含量与Cd胁迫浓度均呈极显著正相关。

表1不同Cd浓度处理下甘蔗茎和叶Cd含量
Table 1 The Cd content in sugarcane stems and sugarcane leaves under different treatments

Cd处理Cdtreatment甘蔗茎(mg/kg)Sugarcanestems甘蔗叶(mg/kg)Sugarcaneleaves00 067±0 02c0±0 00c252 2±0 44c2 67±0 82b509 6±0 36b6 64±1 52b100103 3±6 7a65 30±4 6a

注：表中数据为平均值±标准差，同列数据后不同字母表示差异达显著性水平(P<0.05)。
Note:Data mean ± SD. Different lower case letters in the same column indicate significant at 0.05 level.

2.3 Cd对甘蔗汁游离氨基酸种类与含量的影响

用氨基酸全自动分析仪测定不同Cd浓度处理下对常见的17种游离氨基酸的影响，结果见表2。在对照处理中，甘蔗汁中17种游离氨基酸的种类齐全，1000 mL蔗汁中含游离氨基酸3480 mg。不同种类氨基酸含量有较大的差异，其中丝氨酸(Ser)含量最高，为2.904 mg/mL，半胱氨酸(Cys)含量最低，为0.004 mg/mL，不同浓度的Cd处理均不改变甘蔗汁中氨基酸的种类组成，但对其含量产生了影响。

由表2可知，Cd胁迫改变了甘蔗汁中游离氨基酸含量，甘蔗汁游离氨基酸总含量在Cd 25处理下降低，但是随Cd处理浓度增加而增大，在 Cd 50下比对照增加了32.50 %，Cd 100处理下，总氨基酸含量显著增加，比对照增加了139.20 %。但各种游离氨基酸含量变化的趋势存在一定的差异，其中精氨酸(Arg)、亮氨酸(Leu)及赖氨酸(Lys)含量随Cd处理浓度增加而增加，Cd 100处理下显著增加，增幅分别达1700.00 %、333.33 %及827.30 %；在 Cd 25处理下，苏氨酸(Thr)、丝氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、缬氨酸(Val)、蛋氨酸(Met)、异亮氨酸(Ile)、酪氨酸(Tyr)及组氨酸(His)含量有所降低，而后在 Cd 50处理下含量升高，Cd 100时大部分氨基酸含量显著增加；丙氨酸(Ala)、半胱氨酸(Cys)及苯丙氨酸(Phe)在 Cd 25和Cd 50胁迫下，氨基酸含量比对照有所下降，在 Cd 100时升高；脯氨酸(Pro)含量随着Cd胁迫浓度的增加而降低，在Cd 100胁迫下有所升高，但是仍比对照低33.30 %。

3 讨论

(1)Cd胁迫使得甘蔗地上部茎叶的Cd含量显著增加。本研究在分析Cd胁迫对甘蔗茎叶的影响时发现甘蔗不同器官受Cd胁迫的影响存在差异，除了Cd浓度为25 mg/kg的处理下甘蔗叶含量比甘蔗茎略高之外，其他浓度处理下甘蔗不同器官Cd含量均表现为甘蔗茎>甘蔗叶，茎部受Cd胁迫影响较大，表明甘蔗不同器官受Cd胁迫影响是存在差异的。

表2 不同Cd处理下甘蔗汁中游离氨基酸的含量Table 2 Content of 17 free amino acids in sugarcane juice in different Cd groups (mg/mL)

注：表中数据为平均值±标准差，同行数据后不同字母表示差异达显著性水平(P<0.05)。
Note:Data are mean ± SD. Different lowercase letters in the same line indicate significant at 0.05 level.

(2)本研究发现甘蔗中不同种类氨基酸含量有较大差异，其中Ser含量最高，这与黄艳等[11]研究的常见果蔬中游离氨基酸含量的测定研究中甘蔗汁中Ser含量最高结果是一致的。不同浓度的Cd处理均不改变甘蔗汁中氨基酸的种类组成，但对其含量产生了影响。本研究发现Arg、Leu、Lys、Phe、Asp、Glu、Gly、His、Lie、Met及Cys等氨基酸在Cd胁迫下会在甘蔗组织中积累。相关研究表明，植物体内游离氨基酸中的羧基、氨基、巯基和酚基等功能团能与金属离子结合，形成稳定的螯合物，对有毒重金属具有钝化和解毒作用；游离氨基酸中的Pro、Glu和Cys还是植物螯合肽合成前体，而植物螯合肽被认为对植物重金属耐性起重要作用[12-14]。本研究发现Pro含量在Cd浓度为25 mg/kg时先降低，而后随着胁迫浓度的升高而增加，但是略低于对照样品的浓度，这与程旺大等[15]研究发现几个不同品种的水稻Pro受Cd胁迫呈抑制效应结果相近，孙秀梅[6]等研究发现Cd胁迫浓度为50 mg/kg时拟南芥Pro比对照低，当胁迫达到100 mg/kg时其含量是对照样品的1.5倍多，与本研究结果有相似之处，与张金彪等[16]研究发现的Cd可引起小草莓体内游离Pro累积的结果不一致。程旺大等[15]研究发现Cd胁迫下水稻籽粒游离氨基酸含量的变化存在较大的基因型差异。结合前人研究结果及本研究结果，作物Pro含量的变化情况可能与作物种类及其基因型差异有关。

4 结论

Cd胁迫下甘蔗茎叶中的Cd含量显著增加，其生长发育受到严重影响。Cd胁迫可改变甘蔗体内游离氨基酸的含量，对甘蔗氮代谢造成严重影响。

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