重金属铅胁迫对人参光合特征与皂苷含量的影响(1)
[收稿日期] 2014-01-02
[基金项目] 吉林省科技发展计划重大项目(20126046)；吉林省博士后科研项目(RB201321)
[通信作者] *李刚，教授，主要从事药用植物资源与质量安全研究，Tel：(0431)87063825，E-mail：ligang6@yeah.net
[作者简介] 梁尧，博士，主要从事农产品质量安全风险评估研究，E-mail：liangyaosmart@163.com
[摘要] 为阐明Pb胁迫对人参光合作用与次生代谢产物的影响，探讨药用植物对重金属胁迫的响应机制，采用筒栽试验方法，对不同浓度铅(Pb)处理(0，100，250，500，1 000 mg·kg-1)下人参的光合特征参数与皂苷含量进行了测定与分析。结果表明，低浓度Pb处理(≤250 mg·kg-1)时，人参叶片净光合速率和SPAD的变化并不显著，当Pb质量分数达到500 mg·kg-1时，叶片净光合速率和SPAD均显著下降(P<0.05)，当Pb质量分数为1 000 mg·kg-1时，二者达到最低，降低幅度分别为57.8%，11.0%。从人参根部总皂苷含量来看，Pb胁迫浓度为100 mg·kg-1时，总皂苷含量的变化并不显著，而当Pb质量分数达到250 mg·kg-1时，总皂苷含量显著增加(P<0.05)，并在Pb质量分数为1 000 mg·kg-1时，达到最高。在Pb质量分数为0～1 000 mg·kg-1时，Pb浓度与叶片净光合速率和SPAD均呈现极显著的负线性相关(P<0.01)，而与人参总皂苷含量呈现出显著的正线性相关关系(P<0.05)。由此说明，人参叶片光合作用与根部次生代谢对Pb胁迫的响应规律是反向的，高浓度Pb胁迫将抑制人参叶片的光合能力，但能够促进人参根部的次生代谢过程。
, http://www.100md.com
[关键词] 铅；人参；净光合速率；SPAD；皂苷
近年来，工农业迅速发展所造成的土壤铅(Pb)污染问题已引起了各国科学家的广泛关注[1]。Pb是植物和动物生存与代谢的非必须元素，植物生长在Pb污染的土壤中，过量的Pb进入植物体内将对植物的各种代谢途径产生强烈影响，降低其产量和质量，并通过食物链的富集作用对人类健康产生严重危害[2]。
重金属Pb对植物代谢的影响是广泛的。首先，Pb将直接影响植物的光合作用，相关研究多集中于探讨Pb对玉米、小麦与蔬菜等农作物的影响，但研究结果并不一致，如Pb胁迫将造成玉米叶绿体含量下降与叶绿体结构损伤，从而抑制光合能力[3]，也有研究发现低浓度Pb胁迫将有利于小麦和蔬菜光合速率的提高[4-5]，目前关于Pb胁迫对药用植物光合作用影响的研究仍鲜见报道。在受到环境胁迫时，植物次生代谢将被诱导产生更多的代谢产物，从而提高植物生存和自身保护的能力[6]，因而次生代谢产物在协调植物与环境关系方面具有重要作用，同时，它是许多药用植物药理作用发挥的主要成分[7]，因此，研究Pb胁迫对药用植物次生代谢的影响具有十分重要的意义。
, 百拇医药
人参Panax ginseng C. A. Mey.属于五加科多年生宿根草本植物，被誉为“百药之王”，其药用功效与药理作用是举世公认的。皂苷是人参的主要次生代谢产物，也是其药理作用发挥的主要有效成分。与传统伐林栽参相比，农田栽参由于其对森林资源与生态环境的保护作用而被广泛应用[8]，随着其种植面积的逐年增加，科学制定农田栽参土壤环境重金属元素的安全标准对人参产业的可持续发展具有重要的意义。因此，本研究利用人参筒栽试验模拟土壤Pb污染，通过测定和分析人参光合特征与次生代谢产物的变化来探讨人参对土壤Pb胁迫的响应规律，以期为加深理解重金属对人参的伤害机制与制定农田栽参土壤环境质量标准提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验设计 采用筒栽土培方式于2013年5月初进行。试验用土选择未经其他污染、改良后的阔叶林下土壤，待土壤自然风干后，过5 mm筛，备用。根据土壤环境质量标准，Pb添加量共设5个处理水平，分别为0，100，250，500，1 000 mg·kg-1(以纯Pb2+计)，Pb采用PbCl2，各处理重复3次。试验用筒选择内径30 cm、高度45 cm的塑料筒，每筒装土约18 kg。将PbCl2用水溶解后，分别加入土壤中拌匀，静置半个月后使用，使土壤各组分的Pb达到平衡，期间定期补水使土壤含水量维持在田间最大持水量的50%左右。人参种植采用移栽方式进行，选择生长年限为3年、大小和重量一致的人参，每筒栽种人参3株。将种植好的人参筒置于遮阴棚内(PVC蓝色塑料薄膜覆盖黑色遮阴网，透光率为30%)，埋入土中，筒上边缘与地面齐平，模拟人参栽培地区的温湿度和光照条件，定期等量补水，保持70%左右的田间持水量。
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1.2 光合指标的测定 在人参绿果期(7月10日)选择晴朗天气上午9：00—10：00，用Li-6400光合系统测定仪测定人参叶片中部的光合作用特征指标，采用内置光源，设定光强为400 μE·m-2·s-1[9]。同时采用SPAD-502测定仪测定人参叶片的叶绿素含量，10片叶测定后取平均值记为1次重复。
1.3 人参皂苷含量的测定 在人参枯萎前(9月20日)，将人参根部取出，经清洗晾干后在40 ℃烘干至恒重，粉碎过100目筛，精确称取样品0.500 0 g，用中性滤纸包好，置索式提取器中，加入甲醇浸泡过夜，次日再加入适量甲醇在85 ℃左右微沸回流提取，控制滴速100～120滴/min，虹吸次数为5～6次/h，回流提取3次，每次2 h，以人参皂苷提尽为准(定性鉴别为阴性)。合并甲醇提取液，回收甲醇，将提取液置蒸发皿中，水浴蒸干，加甲醇溶解后，转移至10 mL量瓶中，用甲醇稀释至刻度，摇匀，静置过夜，取上清液过0.22 μm滤膜即得供试样品。人参皂苷含量采用超高效液相色谱法(UPLC)测定，单体皂苷标准品购置于中国食品药品检定研究院，人参单体皂苷对照品超高效液相色谱图见图1。色谱条件为：ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱(2.1 mm×50 mm， 1.7 μm)，柱温35 ℃， 流速0.5 mL·min-1，PDA检测器，检测波长203 nm，进样量2 μL，流动相为乙腈和水，梯度洗脱(0～3 min，19%乙腈；3～4 min，19%～21%乙腈；4～5 min，21%～26%乙腈； 5～9 min，26%～27%乙腈；9～12 min，27%～32%乙腈；12～15 min，32% ～43%乙腈；15～19 min，43%～60%乙腈；19～20 min，60%～80%乙腈；20～21 min，80%～90%乙腈；21～23 min，90%乙腈)，方法学考察结果显示精密度、重复性和稳定性良好。, 百拇医药(梁尧 姜晓莉 杨粉团 曹庆军 李刚)
[基金项目] 吉林省科技发展计划重大项目(20126046)；吉林省博士后科研项目(RB201321)
[通信作者] *李刚，教授，主要从事药用植物资源与质量安全研究，Tel：(0431)87063825，E-mail：ligang6@yeah.net
[作者简介] 梁尧，博士，主要从事农产品质量安全风险评估研究，E-mail：liangyaosmart@163.com
[摘要] 为阐明Pb胁迫对人参光合作用与次生代谢产物的影响，探讨药用植物对重金属胁迫的响应机制，采用筒栽试验方法，对不同浓度铅(Pb)处理(0，100，250，500，1 000 mg·kg-1)下人参的光合特征参数与皂苷含量进行了测定与分析。结果表明，低浓度Pb处理(≤250 mg·kg-1)时，人参叶片净光合速率和SPAD的变化并不显著，当Pb质量分数达到500 mg·kg-1时，叶片净光合速率和SPAD均显著下降(P<0.05)，当Pb质量分数为1 000 mg·kg-1时，二者达到最低，降低幅度分别为57.8%，11.0%。从人参根部总皂苷含量来看，Pb胁迫浓度为100 mg·kg-1时，总皂苷含量的变化并不显著，而当Pb质量分数达到250 mg·kg-1时，总皂苷含量显著增加(P<0.05)，并在Pb质量分数为1 000 mg·kg-1时，达到最高。在Pb质量分数为0～1 000 mg·kg-1时，Pb浓度与叶片净光合速率和SPAD均呈现极显著的负线性相关(P<0.01)，而与人参总皂苷含量呈现出显著的正线性相关关系(P<0.05)。由此说明，人参叶片光合作用与根部次生代谢对Pb胁迫的响应规律是反向的，高浓度Pb胁迫将抑制人参叶片的光合能力，但能够促进人参根部的次生代谢过程。
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[关键词] 铅；人参；净光合速率；SPAD；皂苷
近年来，工农业迅速发展所造成的土壤铅(Pb)污染问题已引起了各国科学家的广泛关注[1]。Pb是植物和动物生存与代谢的非必须元素，植物生长在Pb污染的土壤中，过量的Pb进入植物体内将对植物的各种代谢途径产生强烈影响，降低其产量和质量，并通过食物链的富集作用对人类健康产生严重危害[2]。
重金属Pb对植物代谢的影响是广泛的。首先，Pb将直接影响植物的光合作用，相关研究多集中于探讨Pb对玉米、小麦与蔬菜等农作物的影响，但研究结果并不一致，如Pb胁迫将造成玉米叶绿体含量下降与叶绿体结构损伤，从而抑制光合能力[3]，也有研究发现低浓度Pb胁迫将有利于小麦和蔬菜光合速率的提高[4-5]，目前关于Pb胁迫对药用植物光合作用影响的研究仍鲜见报道。在受到环境胁迫时，植物次生代谢将被诱导产生更多的代谢产物，从而提高植物生存和自身保护的能力[6]，因而次生代谢产物在协调植物与环境关系方面具有重要作用，同时，它是许多药用植物药理作用发挥的主要成分[7]，因此，研究Pb胁迫对药用植物次生代谢的影响具有十分重要的意义。
, 百拇医药
人参Panax ginseng C. A. Mey.属于五加科多年生宿根草本植物，被誉为“百药之王”，其药用功效与药理作用是举世公认的。皂苷是人参的主要次生代谢产物，也是其药理作用发挥的主要有效成分。与传统伐林栽参相比，农田栽参由于其对森林资源与生态环境的保护作用而被广泛应用[8]，随着其种植面积的逐年增加，科学制定农田栽参土壤环境重金属元素的安全标准对人参产业的可持续发展具有重要的意义。因此，本研究利用人参筒栽试验模拟土壤Pb污染，通过测定和分析人参光合特征与次生代谢产物的变化来探讨人参对土壤Pb胁迫的响应规律，以期为加深理解重金属对人参的伤害机制与制定农田栽参土壤环境质量标准提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 试验设计 采用筒栽土培方式于2013年5月初进行。试验用土选择未经其他污染、改良后的阔叶林下土壤，待土壤自然风干后，过5 mm筛，备用。根据土壤环境质量标准，Pb添加量共设5个处理水平，分别为0，100，250，500，1 000 mg·kg-1(以纯Pb2+计)，Pb采用PbCl2，各处理重复3次。试验用筒选择内径30 cm、高度45 cm的塑料筒，每筒装土约18 kg。将PbCl2用水溶解后，分别加入土壤中拌匀，静置半个月后使用，使土壤各组分的Pb达到平衡，期间定期补水使土壤含水量维持在田间最大持水量的50%左右。人参种植采用移栽方式进行，选择生长年限为3年、大小和重量一致的人参，每筒栽种人参3株。将种植好的人参筒置于遮阴棚内(PVC蓝色塑料薄膜覆盖黑色遮阴网，透光率为30%)，埋入土中，筒上边缘与地面齐平，模拟人参栽培地区的温湿度和光照条件，定期等量补水，保持70%左右的田间持水量。
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1.2 光合指标的测定 在人参绿果期(7月10日)选择晴朗天气上午9：00—10：00，用Li-6400光合系统测定仪测定人参叶片中部的光合作用特征指标，采用内置光源，设定光强为400 μE·m-2·s-1[9]。同时采用SPAD-502测定仪测定人参叶片的叶绿素含量，10片叶测定后取平均值记为1次重复。
1.3 人参皂苷含量的测定 在人参枯萎前(9月20日)，将人参根部取出，经清洗晾干后在40 ℃烘干至恒重，粉碎过100目筛，精确称取样品0.500 0 g，用中性滤纸包好，置索式提取器中，加入甲醇浸泡过夜，次日再加入适量甲醇在85 ℃左右微沸回流提取，控制滴速100～120滴/min，虹吸次数为5～6次/h，回流提取3次，每次2 h，以人参皂苷提尽为准(定性鉴别为阴性)。合并甲醇提取液，回收甲醇，将提取液置蒸发皿中，水浴蒸干，加甲醇溶解后，转移至10 mL量瓶中，用甲醇稀释至刻度，摇匀，静置过夜，取上清液过0.22 μm滤膜即得供试样品。人参皂苷含量采用超高效液相色谱法(UPLC)测定，单体皂苷标准品购置于中国食品药品检定研究院，人参单体皂苷对照品超高效液相色谱图见图1。色谱条件为：ACQUITY UPLC BEH C18色谱柱(2.1 mm×50 mm， 1.7 μm)，柱温35 ℃， 流速0.5 mL·min-1，PDA检测器，检测波长203 nm，进样量2 μL，流动相为乙腈和水，梯度洗脱(0～3 min，19%乙腈；3～4 min，19%～21%乙腈；4～5 min，21%～26%乙腈； 5～9 min，26%～27%乙腈；9～12 min，27%～32%乙腈；12～15 min，32% ～43%乙腈；15～19 min，43%～60%乙腈；19～20 min，60%～80%乙腈；20～21 min，80%～90%乙腈；21～23 min，90%乙腈)，方法学考察结果显示精密度、重复性和稳定性良好。, 百拇医药(梁尧 姜晓莉 杨粉团 曹庆军 李刚)