鎘脅迫對菠菜和油菜早期生長的影響

陳花，王建軍，楊斌

（1.榆林學院生命科學學院，陜西榆林719000；2.榆林學院能源工程學院，陜西榆林719000）

鎘脅迫對菠菜和油菜早期生長的影響

陳花1，王建軍2，楊斌1

（1.榆林學院生命科學學院，陜西榆林719000；2.榆林學院能源工程學院，陜西榆林719000）

為了解重金屬鎘對蔬菜早期生長的影響，以菠菜和油菜2種不同蔬菜種子為材料，研究了不同Cd2＋濃度下種子萌發和幼苗生長的情況。結果表明，油菜在Cd2+質量濃度為10 mg/L時，其種子的發芽勢、發芽率、發芽指數、種子活力指數和幼苗的株高、葉綠素含量均高于對照組；菠菜種子在Cd2+質量濃度為25 mg/L時，發芽指數和種子活力略高于對照組，在Cd2+質量濃度為10 mg/L時，葉綠素含量高于對照組；其余處理濃度各指標均低于對照組。不同蔬菜種子對鎘脅迫反應不一致，油菜具有更強的抗鎘脅迫能力。

鎘；發芽指標；形態學指標；葉綠素

隨著全球經濟的迅速發展以及人們日常生活水平的提高，環境污染及食品安全問題越來越引起人們的關注。含重金屬的污染物以各種途徑進入土壤，造成土壤重金屬污染[1-2]，如果食用了這些被重金屬污染的動植物，動植物中積累的重金屬會通過食物鏈進入人體，毒性會在人體內慢慢積累，給人類健康帶來潛在的危害[3]。鎘是環境中最普遍存在和危害性較強的重金屬，我國的農田土壤、城市土壤均在不同程度上受到了鎘的污染。對以種子為主要繁殖方式的植物，重金屬首先會傷害種子萌發[3]和幼苗生長階段，而種子萌發時期的生長狀況直接影響作物后期的生長[4]。因此，研究種子在萌發階段和早期生長階段受重金屬污染的影響就顯得尤為重要。研究表明，一定濃度的Cd對小麥、玉米的發芽率、幼苗生長、根的伸長均有抑制作用[5]。目前，關于鎘對蔬菜種子萌發和幼苗生理生化作用的研究尚不多見。菠菜（Spinacia oleracea）、油菜（Brassica campestris L）分別為藜科、十字花科植物，是人們日常食用的綠色蔬菜，其具有較高的營養價值，而且對自然環境具有很強的適應能力和生存能力，耐粗放管理，適合大面積種植。

本試驗研究了CdCl2溶液對菠菜和油菜早期生長的影響，通過測定不同濃度的CdCl2溶液對菠菜和油菜種子萌發期發芽指標（發芽勢、發芽率、發芽指數、活力指數）以及幼苗三葉期形態學指標（根長、株高）和葉綠素含量的影響，以綜合評價菠菜和油菜對鎘的耐受性程度，旨在為研究其他蔬菜種子受重金屬的影響程度及蔬菜產品的安全性奠定理論和實踐基礎。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試油菜品種為樂油4號（四川農大高科農業有限責任公司）；菠菜品種為春秋大葉菠菜（鄭州神牛種苗有限公司）。

1.2 供試種子的處理及培養

首先挑選顆粒飽滿的種子，用沉降法再挑選飽滿的種子，對種子進行消毒處理，油菜和菠菜種子用30%雙氧水浸種1 h。處理后果皮變薄，用水沖洗后，透過果皮可清晰地看到種皮，說明浸泡程度適宜，再用自來水沖洗干凈。將2種蔬菜種子浸泡于20℃的溫水中，3 h后將種子均勻擺放在培養皿中，每皿30粒，然后每個培養皿加入等量蒸餾水，將Cd以CdCl2的形式溶入水中，配制成不同濃度的CdCl2溶液（Cd2+質量濃度為10，25，50，100 mg/L），以不加CdCl2為對照（CK）。用不同濃度的CdCl2溶液處理種子，油菜種子置于25℃左右溫度下催芽，菠菜種子置于20℃左右溫度下催芽，每個處理設3個重復。之后每天用稱重法向各培養皿中加入散失的水分，以盡量減少水勢變動。幼苗初期將其放入GZ-025型全自動光照培養箱（溫度為（25±2）℃，晝夜光照時間為12 h/12 h，光照強度15 000 lx）中育苗，并向培養皿中加入營養液，滿足其生長所需，待其長到三葉期測量幼苗的根長、株高和葉綠素含量。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 發芽指標的測定[6]當種子泡脹開始萌動后，每日觀察發芽與出苗情況，并按鄭光華[7]的方法計算發芽指標。

發芽勢＝3 d內種子發芽數/供試種子數× 100%；發芽率＝7 d內種子發芽數/供試種子數× 100%；發芽指數GI＝∑（Gt/Dt）；活力指數VI＝S×∑（Gt/Dt）。

式中，Gt為不同時間的發芽數，Dt為相應的發芽日數；S為一定時期內幼苗生長勢，用萌發試驗結束時每株苗的平均鮮質量（FW）表示。

1.3.2 根長、株高指標的測定選取每個培養皿長勢一致的10株幼苗，用直尺測定其根長、株高。最后求出平均值即為每株幼苗的平均根長或者平均莖長。

1.3.3 葉綠素含量的測定采用分光光度法[8]測定葉綠素含量。

1.4 數據分析

試驗所有數據均采用Microsoft excel進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 重金屬鎘對菠菜和油菜種子發芽指標的影響

從表1可以看出，隨著CdCl2溶液濃度的增加，2種蔬菜種子的發芽指標變化呈不同趨勢。與對照組相比，當CdCl2溶液質量濃度為25 mg/L時，菠菜種子除發芽指數略高于對照組外，其余指標在Cd-Cl2溶液各濃度脅迫下均低于對照組，且質量濃度高于25 mg/L時，CdCl2對菠菜種子的發芽指標抑制效果更加明顯；而油菜在CdCl2溶液質量濃度為10 mg/L時，對種子的發芽均起到了促進作用，當質量濃度高于10 mg/L，則抑制油菜種子的發芽。試驗結果表明，當CdCl2溶液質量濃度高于10 mg/L時，油菜種子在發芽時受鎘的影響比菠菜小，即油菜種子對鎘的抗性更強。

表1 不同濃度CdCl2溶液對菠菜和油菜種子發芽指標的影響

2.2 重金屬鎘對菠菜和油菜種子活力指數的影響

種子的活力指數可以反映種子的活力，進而可以為挑選優質種子奠定基礎。由圖1可知，CdCl2處理對油菜種子仍表現為低濃度下的激活效應和高濃度下抑制作用，且激發種子活力的質量濃度仍是10 mg/L，高于對照組17.12%；菠菜種子的活力指數在CdCl2溶液質量濃度為25 mg/L時，種子活力指數呈上升趨勢，比對照組提高了2.70%，CdCl2溶液其他處理濃度對菠菜種子的活力指數均低于對照組，表現為抑制作用。

2.3 重金屬鎘對菠菜和油菜形態學指標的影響

2.3.1 不同濃度CdCl2溶液對菠菜和油菜平均主根長的影響從圖2可以看出，菠菜和油菜的主根長隨著CdCl2溶液質量濃度的遞增呈現遞減趨勢。從2種蔬菜幼苗平均主根長下降的幅度來看，鎘對菠菜主根長的影響比對油菜的影響大。根在土壤中扎得越深，生長得越牢固，承受惡劣環境的能力就越強。試驗結果表明，一定濃度的鎘會影響植株主根的生長，因此，鎘污染的植株承受大風大雨等惡劣天氣的能力可能較弱。

2.3.2 不同質量濃度CdCl2溶液對菠菜和油菜平均株高的影響由圖3可知，隨著CdCl2溶液濃度的增高，對菠菜和油菜植株的平均株高均產生了一定的影響。與對照組相比，菠菜的平均株高在受到不同程度的鎘脅迫下，均表現為抑制作用，但在CdCl2溶液質量濃度為25 mg/L時，抑制作用相對最弱；而CdCl2溶液對油菜的影響與菠菜不同，當CdCl2溶液質量濃度為10 mg/L時，促進了油菜的生長，比對照組提高了14.46%，高于10 mg/L時各處理組平均株高均低于對照組，仍表現為低濃度促進高濃度抑制效應。

2.4 重金屬鎘對菠菜和油菜葉綠素含量的影響

葉綠素是植物光合作用的物質基礎，含量的高低將直接影響光合作用的強弱及物質的合成。從表2可以看出，當CdCl2溶液濃度逐漸升高時，菠菜和油菜的葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總量的含量均呈先上升后下降的趨勢，與對照組相比，當CdCl2溶液質量濃度為10 mg/L時促進葉片中葉綠素的生成，高于10 mg/L時則出現抑制作用，且對菠菜的葉綠素破壞程度大于油菜，說明菠菜幼苗對鎘的耐受性低于油菜幼苗。

表2 不同質量濃度CdCl2溶液對菠菜和油菜葉綠素含量的影響

3 結論與討論

本研究結果表明，不同濃度的CdCl2溶液對菠菜和油菜種子萌發和種子活力均有顯著影響，但存在差異。CdCl2溶液對油菜種子發芽和種子活力指數的影響均表現為“低促高抑”效應，即當CdCl2溶液濃度為10 mg/L時能提高油菜種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和種子活力；但當CdCl2溶液質量濃度高于10 mg/L時，其發芽率、發芽勢、發芽指數和種子活力均低于對照組，并且表現為CdCl2溶液濃度越高，抑制效果更為突出，這種抑制是建立在對胚、芽傷害的基礎上[5]，這與付世景等[9]研究鎘對板藍根種子發芽的結果和李子芳等[10]研究小麥種子萌發的結果一致。而CdCl2對菠菜種子的脅迫效應并未表現為“低促高抑”效應，當CdCl2溶液質量濃度為25 mg/L，除發芽指數和種子活力高于對照組外，其他指標在CdCl2溶液各濃度范圍內均低于對照組；但從抑制作用來看，在25 mg/L的CdCl2溶液脅迫下，各項指標的抑制效應是最小的。推測鎘促進菠菜種子萌發也存在一定的劑量效應，這與劉文勝等[11]研究鎘對玉米種子萌發結果相似。在CdCl2溶液質量濃度高于50 mg/L時，與對照組相比，菠菜的各項發芽指標和種子活力下降幅度均高于油菜，說明鎘對蔬菜種子萌發的影響存在差異性，在種子發芽期，油菜的耐鎘性高于菠菜。楊居榮等[12-13]的研究表明，植物忍耐鎘脅迫性的強弱，與鎘脅迫下植物體內形成的重金屬結合蛋白有關。

另外，種子萌發是在水的活化下啟動基因組中新基因的表達或原有基因的活化，使胚恢復代謝和生長。有研究表明，鎘脅迫下，植物細胞中核酸含量下降[14]，由此我們推測，鎘對菠菜和油菜種子發芽的影響，與抑制胚細胞中核酸的合成有關。

鎘影響菠菜和油菜的形態學指標（根長和株高），但是對這2種蔬菜幼苗期的根長和株高的影響存在差異。根長隨著CdCl2溶液濃度的增大，2種蔬菜均呈降低趨勢。其原因可能是Cd2+是植物體生命過程中的非必需元素，而且是毒性較大的誘變劑[15]，而植物吸收金屬離子的方式主要是根從土壤中吸收后再運輸到其他部位，因此，Cd2+被吸收后，大多數積累在根的生長部位[4]，主要破壞細胞內染色體和核仁，隨著體內Cd2+量的增加，對染色體和核仁的破壞加劇[16]，最后導致植物根伸長受到抑制，嚴重影響了根的生長[9]。但與對照組相比，菠菜平均根長的下降幅度高于油菜，可能是由于油菜的耐鎘性，其根系的分泌物能夠絡合重金屬，減少了對環境中重金屬的吸收或利用根系質膜上重金屬反轉運子介導體內重金屬離子外排達到降低自身重金屬積累的目的[17]。但株高不同，就油菜而言，在低濃度10 mg/L時促進株高，高于此濃度則抑制其生長；菠菜則表現為被CdCl2溶液脅迫后，各處理組株高均低于對照組，且濃度越高，抑制作用越大，而且這種抑制的幅度也大于油菜。首先，鎘影響植物株高是由于種子吸水膨脹萌動，胚根快速吸水伸長并最先突破種皮，這使得根在鎘的積累量上及受鎘脅迫的時間進程上大于幼芽，即影響植株的株高；油菜平均株高下降幅度低于菠菜也緣于油菜可能通過自身某些機制如抗氧化系統、區室化作用、金屬螯合蛋白等來避免或降低重金屬引起的氧化損傷，促進其正常生長[17]。

葉綠素是植物進行光合作用的必要物質，其含量的高低直接影響光合速率，進而影響植物的長勢。本試驗結果表明，2種蔬菜的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b均呈先升后降趨勢。與王晶晶等[18]發現低濃度Cd對珍珠梅植物葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b合成有促進作用，高濃度Cd對其合成有抑制作用的結果相同。有研究表明，這種抑制作用是由于Cd在植物體內的過量積累，導致其與葉綠素蛋白質上的-SH結合或取代其中的Fe2+，Zn2+和Mg2+等，致使葉綠素蛋白質變性而失活，從而降低葉綠素的含量。

本研究結果表明，鎘對菠菜和油菜早期生長的影響結果存在差異。鎘對油菜的影響表現為“低促高抑”現象，且10 mg/L的CdCl2溶液是促進油菜種子萌發和早期生長的最佳濃度；對菠菜而言，這種促進作用幾乎不存在。說明油菜早期生長對鎘的抗性優于菠菜。也進一步說明，油菜在早期生長過程中受到鎘的脅迫，能夠激發自身的防御機制使得這種傷害降到最低程度，體現了一定的耐受性。那么這種Cd耐性是如何獲得的，還有待于進一步深入到分子生物學水平上進行研究。

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Effects of Cd Stress on the Early Growth of Spinach and Rape

CHENHua1，WANGJianjun2，YANGBin1
（1.Department ofLife Sciences，Yulin College，Yulin 719000，China；2.Department ofEnergyEngineering，Yulin College，Yulin 719000，China）

To research the heavy metal cadmium effects on the early growth ofvegetable,two kinds of vegetable seeds,spinach and rape,were as materials to explore the seed germination and seedling growth under the different Cd2+concentration gradient conditions. The results showed that the germination potential,germination rate,germination index,seed vigor index,and the plant height and chlorophyll content ofthe rape seedlings were higher than those ofthe control group at the concentration of10 mg/L.Spinach seeds at the concentration of25 mg/L,germination index and seed vigor were slightly higher than the control group,the concentration of 10 mg/L,the chlorophyll content was higher than the control group.The other groups were lower than the control group.The results showed that the seed ofdifferent vegetables tocadmiumstress response was inconsistent,rape had stronger resistance tocadmiumstress ability.

cadmium;germination index;morphological index;chlorophyll

X173

A

1002-2481（2016）09-1308-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.09.19

2016-05-10

陜西省教育廳科學研究計劃項目（14JK1857）；榆林學院校內科研項目（12YK41）

陳花（1979-），女，山西神池人，講師，碩士，主要從事作物抗性生理教學與研究工作。