鎘脅迫下磁場對綠豆幼苗根莖葉顯微結構的影響

陳怡平，鄭宏春

1.中國科學院地球環境研究所，西安710075

2.中國科學院研究生院生物系，北京100049

鎘脅迫下磁場對綠豆幼苗根莖葉顯微結構的影響

陳怡平1，*，鄭宏春2

1.中國科學院地球環境研究所，西安710075

2.中國科學院研究生院生物系，北京100049

以綠豆（Vigna radiata）為實驗材料，比較研究了不同劑量磁場處理綠豆種子對種子電導率、幼苗生長和葉綠素含量的影響以及鎘脅迫綠豆幼苗根、莖、葉顯微結構的影響.結果表明：1）與對照相比，400mT、600mT、800mT、1000mT磁場均顯著提高了種子電導率，且隨著磁場強度的增加電導率顯著增大；2）400mT、600mT、800mT磁場均能顯著提高綠豆幼苗葉片葉綠素含量和幼苗發育，比較而言600mT效果最好，1000mT處理則顯著降低了葉片葉綠素含量，抑制了幼苗發育；3）與對照組相比，5μmol·L-1鎘脅迫綠豆幼苗柵欄組織和海面組織細胞排列緊密，厚度變薄，而種子經過600mT磁場預處理后再進行鎘脅迫，厚度接近對照組.對于莖和根而言，鎘脅迫抑制了形成層細胞分裂，維管束體積縮小，而種子經過600mT磁場預處理后再進行鎘脅迫，其維管束體積增大接近對照組.表明，600mT磁場預處理種子可改善鎘脅迫對幼苗的傷害.

鎘；綠豆；種子；重金屬；顯微結構；磁場

1 引言（Introduction）

20世紀以來，由于人類活動導致的全球環境惡化已經直接威脅著人類的農業活動，乃至人類自身的生存，其中溫室效應、鹽漬、干旱、有機污染物和重金屬等非生物脅迫已經成為未來農、林業面臨的重大環境問題.它們直接影響植物的生長發育，導致作物產量降低，品質下降.目前土壤重金屬污染問題日益突出，我國受鎘、砷、鉛等重金屬污染的耕地面積近2.0×105km2，約占總耕地面積的1/5；每年因重金屬污染而減產糧食超過10×l07t，由此造成的經濟損失合計至少為200億元（陳懷滿，1996）.因此，控制與修復土壤重金屬污染，改善土壤質量是環境科學的研究熱點問題.

目前，磁場預處理種子已被廣泛應用于農業科學.研究表明，磁場預處理種子可以提高種子活力，促進種子生長并提高產量（Belyavskaya,2004）.Flórez等（2007）報道磁場處理玉米種子可以促進其萌發并提高其苗高、苗重.Yao等（2005）研究表明磁場預處理可以顯著提高黃瓜種子的萌發率.祝建等（2003）研究認為低頻電磁場可以促進綠豆萌發和生長.

鎘（Cd）是一種毒性較強的金屬，對植物生長發育和人類健康危害極大.農田一旦受到鎘的污染，將大部分殘留于土壤中，對農作物造成嚴重的危害，植物體內鎘積累到一定的程度就會表現出生長遲緩、植株矮小、葉綠素含量和光合強度下降、抗氧化酶活性降低等癥狀（馬文麗等，2004;余國瑩和吳玉樹，1992）.鎘對植物的毒害作用具有潛伏性和長期性的特點，日積月累在土壤環境中會嚴重影響植物生長發育，甚至嚴重威脅著人類健康.鎘脅迫可導致植物體內活性氧代謝失調和大量自由基積累，自由基對細胞膜具有傷害作用，導致細胞膜透性增大，其產物丙二醛（MDA）可導致細胞生命活動的紊亂.

適量磁場處理能否修復鎘對植物細胞的傷害，目前尚未健報道.為此，本研究以我國廣泛種植的綠豆為實驗材料，比較研究了不同劑量磁場處理綠豆種子對幼苗生長和葉綠素含量的影響以及對鎘脅迫綠豆幼苗根莖葉顯微結構的影響，以期為農業生產中利用磁場改善重金屬污染修復效果，提高重金屬污染作物品質提供基礎依據.

2 材料與方法（Materials and methods）

2.1 材料

綠豆（Vigna radiata）種子，購自西安市種子公司.CdCl2·21/2H2O，分析純，天津市福晨化學試劑廠.

2.2 暴露方法

2.2.1 磁場預處理種子實驗（劑量篩選）

尹美強等（2006）研究發現磁場處理芝麻種子可以提高其自由基含量并促進種子萌發、根系生長等.也有報道指出弱磁場可減緩植物根分生組織細胞增長和分裂等生物學效應（依艷麗等，2001）.由此可見磁場處理的生物學效應是一把“雙刃劍效應”.磁場的這種效應與其劑量有關，因此劑量的選擇十分重要.

選取籽粒飽滿、大小均勻的綠豆種子用蒸餾水浸種6h，待其表面水分晾干后進行處理.根據預實驗結果，劑量篩選實驗設對照組（CK）、400mT磁場處理組（400mT）、600mT磁場處理組（600mT）、800mT磁場處理組（800mT）和1000mT磁場處理組（1000mT）5組.每組100粒綠豆種子，3次重復.磁場處理采用2G magnetometer systerm進行（model:755R,2G Co.Mountain View,CA,USA）.加磁后將綠豆種子用塑料盆在光照培養箱（25℃、10h光照/14h黑暗、光照強度500μmol·m-2·s-1）中進行沙培.

2.2.2 修復實驗

根據預實驗結果，設對照組（CK）、5μmol·L-1鎘處理組（Cd）、600mT磁場預處理后再進行5μmol·L-1鎘脅迫（MF+Cd）3個處理組.每組100粒綠豆種子，3次重復.磁場處理采用2G magnetometer systerm進行（model:755R,2G Co.Mountain View,CA,USA）.加磁后待種子萌發2d后進行鎘脅迫4d（將綠豆幼苗放于30支試管里，放于光照培養箱中培養，溫度為25℃，10h光照/14h黑暗，光照強度為500μmol.m-2·s-1）.

2.3 指標測定

2.3.1 種子電導率測定

每處理組選取大小均勻的種子30粒，用蒸餾水沖洗3次，用濾紙吸干種子表面水分，10mL重蒸水25℃浸泡4h，用電導率儀（DDS211A，上海第二分析儀器廠）測定種子浸出液的電導率，然后沸煮10min，冷卻后測絕對電導率，最后計算各處理的相對電導率（相對電導率=電導率/絕對電導率）.

2.3.2 苗、根長、葉綠素含量測定

將各組的綠豆種子置于沙床，放在光照培養箱（25℃，10h光照/14h黑暗）中，待幼苗生長到第11d時，每處理組隨機選20～30株幼苗拔出，用刻度尺測量幼苗高度和根長，3次重復.待幼苗生長到第7d時進行葉綠素測定.葉綠素含量測定參照文獻（張振良，1985）.

2.3.3 顯微結構觀察

取各處理組8齡幼苗葉片、莖、根，用FAA固定.常規石蠟切片法和薄切片法制片，Olympus顯微鏡觀察并照相.

2.4 統計分析

全部實驗均3次以上重復，用SPSS 16.0對數據進行單因素方差分析（ANOVA）和多重比較（LSD）.

3 結果與分析（Results and analysis）

3.1 不同強度磁場對綠豆種子電導率的影響

不同強度磁場對綠豆種子生長發育的影響如圖1所示.由圖1可以看出，與對照組相比，各磁場處理組種子電導率均顯著高于對照組（p＜0.05），400mT、600mT、800mT和1000mT處理綠豆種子電導率分別升高約10%、18%、25%和38%.電導率增大說明細胞膜的透性增大，表明植物體內活性氧代謝失調和自由基積累（孫存普，1999）.

3.2 不同強度磁場對綠豆幼苗生長發育的影響

不同強度磁場對綠豆幼苗生長發育的影響如圖2所示.由圖2可見，隨著磁場強度的增大，總葉綠素含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量、苗高、根長和鮮重均呈先升高后降低趨勢，其中600mT磁場處理各生長發育指標均最高，且與對照組均差異顯著（p＜0.05）；1000mT磁場強度時，各生長發育指標均最低，部分指標顯著低于對照組（p＜0.05）.中等強度磁場導致總葉綠素含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量升高，有利于幼苗生長發育，表現為根、芽生長速率加快.這一結果說明600mT及以下磁場強度處理綠豆種子可以打破細胞內自由基的動態平衡（沒有超越綠豆自身修復能力），改變細胞膜透性，輕度刺激產生少量的自由基（圖1）有利于生物代謝，有利于細胞生物合成代謝，促進綠豆生長發育.而600mT以上磁場強度處理綠豆種子也可打破細胞內自由基的動態平衡，自由基產生超越綠豆自身修復能力，抑制了細胞生物合成代謝，從而抑制綠豆生長發育.因此，對綠豆而言，600mT磁場處理是最佳劑量，這一劑量可作為今后進一步研究磁場修復實驗劑量，也可以應用于農業栽培實踐.

3.3 磁場對鎘脅迫綠豆幼苗根莖葉顯微結構的影響

磁場對鎘脅迫綠豆幼苗根莖葉顯微結構的影響如圖3所示.由圖3可見，與對照組相比，鎘處理導致葉片的柵欄組織和海面組織結構發生了明顯的變化，柵欄組織和海面組織細胞排列緊密，厚度變薄，而種子經過600mT磁場預處理后再生長在5μmol·L－1鎘脅迫環境中，其柵欄組織和海面組織細胞排列比對照組更加緊密，且厚度比鎘脅迫下增厚，接近對照組.對于莖和根而言，鎘處理顯著抑制了綠豆幼苗形成層分裂，表現為維管束體積縮小，形成層、木質部和韌皮部厚度減小，而種子經過600mT磁場預處理后再生長在5μmol·L－1鎘脅迫環境中，其微管組織束體積增大，形成層、木質部和韌皮部厚度增厚，接近對照組.究其原因可能是：生物體細胞內水、蛋白質、碳水化合物等帶電離子在磁場作用下與周圍介質產生快速振蕩、互相碰撞，改變了蛋白質、酶及生物大分子構相以及酶動力學速率，促進了一系列生物化學反應，尤其是酶促代謝，提高了活性（Chen et al.,2005），最終促進了綠豆的生長發育.

本研究結果表明，中等強度磁場處理綠豆種子可促進其生長發育，改善鎘脅迫對幼苗的傷害.

致謝：本研究受黃土與第四紀國家重點實驗室專項項目資助（SKLLQG2007005）.

Belyavskaya N A.2004.Biological effects due to weak magnetic field on plants［J］.Advances in Space Research,34（7）:1566-1574

Chen Y P,Liu Y J,Wang X L,Ren Z Y,Yue M.2005.Effect of microwave and He-Ne laser on enzyme activity and biophoton emission of Isatis indigotica［J］.Journal of Integrative Plant Biology,47（7）:849-855

Flórez M,Carbonell M V,Martinez E.2007.Exposure of maize seeds to stationary magnetic field:Effects on germination and early growth［J］.Environmental and Experimental Botany,59（1）:68-75

Ma W L,Jin X D,Wang Z H.2004.Effects of cadmium on seed germination,growth of seedling and antioxidant enzymes of rye and wheat［J］.Journal of Agro-Environmental Science,23（1）:55-59（in Chinese）

Yao Y,Li Y,Yang Y,Li C.2005.Effect of seed pretratment bymagneticfieldonthesensitivityofcucumber（Cucumis sativus）seedings to ultraviolet-B radiation［J］.Environmental and Experimental Botany,54（3）:286-294（in Chinese）

Yi Y L,Zang D P,Xie X H,Liu X Y.2001.Effects of seeds treated with magnetic field on the biological characteristics of wheat［J］.Journal of Shenyang Agricultural University,32（5）:333-338（in Chinese）

Yin M Q,Zhang J L,Ma T C,Wang X Z,Lin Q S.2006.Effectofmagneticfieldwithdifferentstrengthsonthefree radicalconcentrationinSesamumindicumseeds［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture,14（1）:51-53（in Chinese）

Yu G Y,Wu Y S,Wang H X.1992.Effects of the diffential cadmium compounds and their interaction on the wheat（Triticum aestivun L.）［J］.Acta Ecologica Sinica,12（1）:29-31（in Chinese）

Zhu J,Liu X,Zhong J K,Hu Z H.2003.Biological effect on thegerminationandgrowthofmungbeanseedsunderlow frequency magnetic field［J］.Acta Botanica Boreali-occidentalia Sinica,23（5）:792-796（in Chinese）

中文參考文獻

陳懷滿.1996.土壤一植物系統中的重金屬污染［M］.北京:科學出版社,71-85

馬文麗,金小弟,王轉花.2004.鎘處理對烏麥種子萌發幼苗生長及抗氧化酶的影響［J］.農業環境科學學報,23（1）:55-59

孫存普.1999.自由基生物學導論［M］.合肥:中國科技大學出版社,12-84

依艷麗,張大庚,謝修鴻,劉孝義.2001.磁處理種子對小麥生物學性狀的影響［J］.沈陽農業大學報,32（5）:333-338

尹美強,張家良,馬騰才,王旭珍,林青松.2006.梯度磁場對芝麻種子生物效應的影響［J］.中國生態農業學報,14（1）:51-53

余國瑩,吳玉樹,王煥校.1992.不同化合形態鎘、鋅及其復合污染對小麥生理的影響［J］.生態學報,12（1）:29-31

張振良.1985.植物生理學實驗技術［M］.上海:上海科技出版社,134-135

祝建,劉歆,鐘季康,胡正海.2003.低頻電磁場與綠豆種子萌發［J］.西北植物學報,23（5）:792-796◆

Effects of Magnetic Field on the Mung Bean Structure of Root,Stem and Leaf under Cd Stress

CHEN Yi-ping1，*，ZHENG Hong-chun2

1.Institute of Earth Environment,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710075
2.Department of Biology,Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049

In order to determine the effects of magnetic field on the Mung bean（Vigna radiata）structure of root stem and leaf under Cd stress,changes in the leaf conductivity,root length,shoot length,fresh weight,the concentration of chlorophyll and structure of root,stem and leaf were analyzed.The results indicated that 1）the conductivity was enhanced step by step with the magnetic field increase;2）Pretreatment of 400mT,600mT and 800mT could improve significantly the seedlings growth and the chlorophyll concentration of leaf,and the best effects was 600mT;3）For the leaf structure,spongy tissue（st）and palisade tissue（pt）were thinned in the case dealing with 5μmol·L-1Cd,and the thickness was recovered in the 600mT magnetic field pretreatment followed by 5μmol·L-1Cd.For the root and stem structure,the cells size of vascular tissue（vt）diminished,and the size recovered when dealing with complex of 5μmol·L-1Cd and 600mT magnetic field.

Cd；Mung bean；seeds；heavy metal；structure；magnetic field

3 August 2009accepted15 September 2009

1673-5897（2010）1-112-06

X503.23，X171.5

A

2009-08-03錄用日期：2009-09-15

黃土與第四紀國家重點實驗室專項項目（No.SKLLQG2007005）

陳怡平（1968—），研究員；*通訊作者（Corresponding author），E-mail:lifesci@ieecas.cn

陳怡平（1968—），男，研究員，博士，主要從事環境生物學方面的研究.