鎘脅迫對油菜生長發育中生理生化特性的影響

苑麗霞　孫毅　楊艷君

摘要[目的] 為了研究不同濃度的Cd2+脅迫對油菜種子的發芽、生長、葉綠素含量以及超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量等生理生化特性的影響。[方法]以3個油菜品種四月慢、100金牌華冠、日本花冠為供試材料，采用砂培法。[結果] Cd2+脅迫對油菜的發芽情況、株高、鮮重、SOD活性、POD活性、MDA含量的影響均為極顯著（P<0.01）；低濃度的Cd2+脅迫對油菜的生長有刺激作用，可以提高發芽率和發芽勢、株高、鮮重，高濃度的Cd2+脅迫對油菜的生長有抑制作用；當Cd2+濃度為0002/L水平時，油菜種子發芽率、植株的株高、鮮重、葉綠素含量達到最高值，差異達到極顯著（P<0.01）；且在3個品種中，100金牌華冠的相應值最高，顯著高于另外2個品種（P<0.05）；低濃度的Cd2+脅迫對油菜有刺激作用，可以促進SOD活性、POD活性、MDA含量的提高，高濃度的Cd2+脅迫對油菜的生長有抑制作用；當Cd2+濃度為0.01 mg/L時，油菜SOD活性、POD活性達到最高值，當Cd2+濃度為0.02 mg/L時，Cd2+對植物的傷害已超出保護性酶對植物調節和保護作用的能力；在3個品種中100金牌華冠的對應值最高，也與四月慢和日本花冠2個品種呈顯著差異（P<0.05）；當Cd2+濃度為0.005 mg/L水平時，油菜MDA含量達到最高值，呈極顯著差異（P<001），表明加重了植物體脂質過氧化的程度和細胞損傷的程度。[結論] 該研究可以為我國煤礦集中地區農田土壤鎘污染的治理以及農產品的安全保障提供科學依據。

關鍵詞油菜；鎘脅迫；生理生化特性

中圖分類號S634.3文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）09-02544-04

基金項目山西省科技攻關項目（20110311009）。

作者簡介苑麗霞（1979-），女，山西武鄉人，講師，從事植物生理生化與基因工程方面的研究。*通訊作者，研究員，博士，從事植物生化與基因工程方面的研究。

鎘（Cd）是對人體和植物有毒害作用的重金屬元素之一。在自然界中，鎘多以化合態存在，常與鋅、鉛等共生。自20世紀初以來，鎘的產量逐年增加。隨著采礦業的發展，相當數量的鎘通過廢氣、廢水、廢渣排入環境，農田土壤Cd污染日趨嚴重[1]。Cd污染問題已成為威脅土壤生態安全和制約農業可持續發展的重要因素。植物體內富集鎘，通過食物鏈進入人體，引起慢性中毒。不同植物種對鎘吸收和積累存在差異。不同植物種對鎘具有不同的生理生化反應[2-3]。油菜作為一種主要的蔬菜被廣泛種植。近來有關對水稻[4-5]、小麥[6]、 大豆[7]、玉米[8-9]、擬南芥[10]、小白菜[11]、煙草[12]等在鎘脅迫下的生理生化反應已有了文獻報道，但對于鎘脅迫下油菜生長發育中生理生化特性的系統研究還很少。筆者采用室外盆栽試驗，對鎘脅迫下油菜整個生長發育中生理生化變化過程進行初步研究，旨在篩選油菜鎘污染脅迫的診斷指標，并且進一步探討油菜受鎘污染的預警機制，以期為我國煤礦集中地區農田土壤鎘污染的治理以及農產品的安全保障提供科學依據。

1材料與方法

1.1試驗材料選用3個油菜品種，分別為四月慢、100金牌華冠和日本花冠小油菜，由山西農業科學院提供。

1.2試驗方法選取籽粒飽滿、大小一致、無病蟲害的油菜種子，用濃度0.1% KMnO4消毒15 min，并且用蒸餾水洗凈，晾干后擺放到平鋪3 層濾紙的培養皿中（所用培養皿、濾紙要提前高壓蒸氣滅菌），每皿50粒。各皿分別加入濃度為 0（CK）、0.001、0.002、0.005、0.010、0.020 mg/L 的Cd2+溶液10 ml，以種子濕潤為宜，在（25±1）℃、普通光照條件下培養，以蒸餾水作對照，設3次重復。每天定時觀察，種子的胚芽出現則認為萌發，連續6 d觀察、記錄其發芽情況，直至蒸餾水對照的發芽率不再變化為止。

1.3測定方法待油菜幼苗第2片真葉全部展開7 d后（播種后第27天），每隔7 d取油菜植株頂端全部展開的第3葉片測定生理生化指標，直至油菜成熟。同時，測定油菜整株生物量（鮮重）和油菜植株莖基部至頂芽的高度表示植株高度。

超氧化物歧化酶（SOD）活性的測定采用氮藍四唑（NBT）法[14]，用南京建成生物工程研究所的SOD試劑盒測定，利用紫外分光光度計在560 nm波長下測定吸光度，以每毫升反應液SOD抑制率達到50%時所對應的SOD量為一個SOD活力單位，單位用U/g表示； 過氧化物酶（POD）活性的測定采用愈創木酚顯色法[15]， 利用紫外分光光度計在470 nm波長下比色，酶活性以每分鐘內吸光度A470變化0. 01為一個酶活性單位，單位用U/（min·g）表示；丙二醛（MDA）含量的測定采用TBA （硫代巴比妥酸）法[14]測定，利用紫外分光光度計在532、600、450 nm下測定吸光度值，單位為μmol/g；葉綠素含量測定用濃度95% 酒精浸提研磨葉片，分光光度計（SPECORDS600）比色測定，計算總葉綠素含量，單位為mg/g[7]。

將培養皿放在人工氣候箱中，晝/夜溫度為28℃/25℃，濕度60%，光照強度為134 μmol/（m2·s），以胚根長0.2 mm作為種子發芽標志，在第2～7天統計發芽種子數，第7天收獲，并從每個培養皿中取有代表性的5株，測量其根長、芽苗長、芽苗鮮重、根鮮重，并且計算平均值。將收獲的芽苗在液氮中速凍后保存在-80 ℃冰箱中備用。

1.4數據處理利用軟件DPS進行統計分析。試驗數據用平均值+標準差表示。區組間數據差異進行t檢驗。利用Excel進行數據處理與作圖。

2結果與分析

2.1鎘脅迫對油菜種子萌發的影響由表1可知，在Cd2+脅迫下，3個品種的油菜種子受到刺激作用，促進油菜種子的萌發。發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數均隨著Cd2+濃度的升高均呈上升趨勢。與對照相比，當Cd2+濃度達到0002 mg/L時，發芽率達到最高值，并且與對照有005水平顯著差異。而后隨著Cd2+濃度的提高轉而抑制發芽，方差分析表現為差異在001水平顯著。同時，3個品種油菜種子的發芽情況對Cd2+脅迫的耐受能力相當，不存在差異。

2.2鎘脅迫對油菜植株生長的影響由圖1、2可知，低濃度的Cd2+脅迫對油菜植株的株高和鮮重都具有刺激效應，但隨著Cd2+濃度的增加，轉而抑制油菜植株株高和鮮重，且濃度越高，其抑制作用越明顯。與對照相比，當Cd2+濃度達到0.002 mg/L時，對油菜植株株高和鮮重的刺激效應最大；當Cd2+濃度繼續升高時，對油菜植株株高與鮮重的增長受到001水平顯著抑制，且隨著濃度的增加其抑制作用逐漸加強。

不同濃度的Cd脅迫對油菜株高的影響圖2不同濃度的Cd脅迫對油菜鮮重的影響安徽農業科學2014年2.3鎘脅迫對油菜葉綠素含量的影響植物體內的葉綠素與光合作用、氮素營養有密切關系。由圖3可知，一定濃度的Cd2+脅迫對油菜幼苗期葉片葉綠素的合成具有刺激效應，當外源Cd2+濃度為0.002 mg/L 時其刺激效應最大，但隨著Cd2+濃度的進一步增加轉而抑制葉綠素含量的提高。

不同濃度的Cd脅迫對油菜葉綠素含量的影響2.4鎘脅迫對油菜SOD活性的影響由圖4可知，在不同Cd2+濃度下，四月慢、100金牌華冠、日本花冠3個品種SOD活性變化趨于一致，均隨著Cd2+濃度的增加而提高，說明一定量的鎘脅迫會使油菜植株SOD活性提高。當Cd2+濃度達到0.01 mg/L時，油菜SOD活性達到最大值，而后隨著Cd2+濃度的提高有所下降，且差異達0.01顯著水平。其中，100金牌華冠在0.01 mg/L Cd2+脅迫下SOD活性最高，并與其他2個品種都有0.05水平顯著差異。

不同濃度的Cd脅迫對油菜SOD活性的影響2.5鎘脅迫對油菜POD活性的影響由圖5可知，與對照相比，隨著Cd2+濃度的增加，不同的油菜品種POD活性逐漸升高，當Cd2+濃度達到0.01 mg/L水平時，POD活性達到最高，當Cd2+濃度達到0.02 mg/L水平時，POD活性又有下降趨勢。統計分析結果表明，POD活性隨外源Cd2+濃度的增加與對照組相比差異呈0.01水平顯著。其中，日本花冠在Cd2+濃度為0.02 mg/L脅迫下，POD活性有下降趨勢，但維持在較高水平。

圖5不同濃度的Cd脅迫對油菜POD活性的影響2.6鎘脅迫對油菜MDA含量的影響由圖6可知，當外源Cd2+脅迫維持一定水平時，油菜中MDA含量隨著Cd2+濃度的增加而增加，當Cd2+濃度為0.005 mg/L水平時，油菜MDA含量達到最大值，而后隨著Cd2+濃度的提高有所下降，差異在0.01水平顯著。這表明油菜對Cd2+的毒害作用是有一定耐受范圍的。當Cd2+濃度達到0.005 mg/L水平時，3個品種的MDA含量沒有顯著差異。

3結論與討論

鎘是對人體有害的元素之一。它比其他重金屬易被農作物所吸附。相當數量的鎘通過廢氣、廢水、廢渣排入環境而造成污染。當環境受到鎘污染后，鎘可在生物體內富集，通過食物鏈進入人體，引起慢性中毒。所以，近幾年鎘對植物的毒性效應被廣泛研究。

Cd2+脅迫能有效地促進植株體內生長素（IAA）的生物合成[16]，而IAA能顯著增加植株高度和生物量[17-19]。研究表明，油菜種子發芽情況均隨著Cd2+濃度的變化而變化，低濃度的Cd2+對油菜發芽有刺激作用，高濃度的Cd2+能抑制油菜種子的發芽，且濃度越高抑制作用越明顯。當Cd2+濃度達0002 mg/L時，發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數均達到最大值。油菜株高、鮮重開始受到抑制的Cd2+濃度為0.005 mg/L，遠高于油菜種子發芽率受到抑制的濃度，說明油菜種子發芽階段對Cd2+的敏感性高于油菜生長后期。有研究表明，當Cd2+濃度高于0.002 mg/L時，對油菜植株株高與鮮重的增長有顯著的抑制（P<0.01），且隨著濃度的增加其抑制作用逐漸加強。這表明油菜株高和鮮重的受抑制程度對土壤Cd2+污染程度具有一定的指示作用。

有研究表明，葉綠體合成、光合作用植物生理過程也會受到低劑量的Cd2+的影響而失調[20]；高濃度的Cd2+會對植物構成毒害作用[21]；在鎘脅迫下植物細胞中活性氧增加，參與對葉綠素的降解[22]，或直接破壞葉綠體微結構，使得葉綠素含量降低[23]。該研究表明，低濃度的Cd2+對油菜葉綠素含量有刺激作用，高濃度的Cd2+能抑制油菜葉綠素含量的積累，且濃度越高抑制效果越明顯。當Cd2+濃度達到0002 mg/L水平時，葉綠素含量達到最大值。

SOD是植物清除體內多余的·O2和H2O2等活性氧的重要酶，對抵御多種理化因子脅迫、減少活性氧積累、維護細胞膜結構完整等起著重要作用[24]。該酶的活性在一定程度上隨植物細胞代謝活動的增強而上升[25]。該研究表明，3種油菜品種的SOD活性均隨著外源Cd2+脅迫濃度的增加而逐漸升高并維持在較高水平，當外源Cd2+脅迫濃度達到0.01 mg/L水平時達到最大值，隨后SOD活性隨著外源Cd2+脅迫濃度的增加而下降，其中100金牌華冠品種的油菜SOD活性最高。這表明隨著環境中Cd2+濃度的增加，油菜植株抗逆性逐漸增強，在一定濃度范圍內Cd2+脅迫能刺激油菜SOD 活性，激發油菜植株抵抗逆境的防御機制，且濃度越高刺激效應越大；但是，刺激效應有一定限度，超出這個限度就會導致油菜SOD 活性急劇降低。過高的Cd2+濃度脅迫已對油菜構成毒害作用，致使油菜SOD活性的急劇下降。

POD普遍存在于植物體內，在植物的生長、發育以及植物對環境的應答方面起著重要的調節和保護作用[26-27]。該研究表明，3種油菜品種的POD活性均隨著外源Cd2+脅迫濃度的增加而升高，外源Cd2+脅迫濃度為0.01 mg/L水平時達到最大值，隨后POD活性隨著外源Cd2+脅迫濃度的增加而下降。其中，日本花冠的POD活性在3個品種中雖未達到最高值，但當外源Cd2+脅迫濃度高于001 mg/L水平時仍能持續在較高水平。這表明油菜在受到外源Cd2+脅迫時，其植株的保護酶POD 活性得到加強，并且激發植株自身的防御機制，在一定程度上抵制和清除因Cd2+脅迫而引起的對植物構成的脂膜過氧化及其他傷害過程；但是，由于它促進植物細胞壁中半纖維素、果膠質等發生交鏈，形成木質素，阻止細胞伸長，從而抑制油菜植株的生長。

MDA含量可反映機體脂質過氧化的程度，間接地反映細胞損傷程度。該研究表明，油菜葉片MDA含量隨著Cd2+脅迫濃度的提高而急劇增加，外源Cd2+脅迫濃度為0005 mg/L水平時達到最大值，隨后MDA含量隨著外源Cd2+脅迫濃度的增加而下降。油菜MDA含量受到抑制的Cd2+濃度為0.01 mg/L，遠低于SOD、POD活性開始受到抑制的濃度0.02 mg/L，說明油菜MDA含量對Cd2+的敏感性高于油菜SOD、POD活性對Cd2+的敏感性。由此可知，油菜MDA含量的抑制程度對土壤Cd2+污染程度具有一定的指示作用。

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