鎘脅迫下曼陀羅體內鎘累積和氧化應激生理研究

王建武，相微微，郭建華

（榆林學院陜西省陜北礦區生態修復重點實驗室，陜西 榆林 719000）

有毒重金屬污染對土壤及水源的污染已經成為環境污染的一個重要問題，嚴重危害到人類的健康[1]。鎘作為一種有毒重金屬而廣泛存在于自然界，它是人體非必需元素，在自然界中鎘與鋅、鉛常以化合物狀態存在，含量較低。若土壤受到重金屬鎘污染后，鎘可以通過食物鏈在生物體內富集，繼而使人引起慢性中毒。目前，修復重金屬污染土壤的途徑主要有2 種：一是將重金屬從土壤中去除，使其存留濃度接近或低于背景值；二是將土壤中的重金屬固定，改變土壤中的重金屬形態，使其由活化態轉變為穩定態，減弱重金屬的移動性和生物毒性。其修復方法主要可分為物理方法、化學方法、生物方法和聯合修復法[2-3]，其中尤其以生物方法中的植物修復更為突出，此方法成本低、操作簡單、不產生2 次污染，可大面積推廣應用，具有廣闊的研究前景。

對于大多數植物來說，環境中一定濃度的重金屬鎘會對植物的生長產生一定的脅迫作用，一旦這種脅迫超過了植株的忍受范圍，就會危害到植株的正常發育，使得植株體內代謝紊亂、生理活性以及生長發育受到嚴重影響，嚴重時會導致植株因重金屬毒害而死亡[4-5]。同時，鎘會降低植物葉綠素的含量以及降低植物中可溶性蛋白的含量，加大質膜過氧化作用，影響SOD，CAT 和POD 等抗氧化酶的活性，使得植株的細胞超微結構受損[6-7]。生物修復中的植物修復需要有重金屬耐受性甚至是超富集植物來完成。

目前，國際上已報道的重金屬超富集植物已有500 多種，其中，80%是鎳的超富集植物。就鎘的超富集植物來說，目前已經發現并研究的有天藍遏藍菜[8]、印度芥菜[9]、芥菜型油菜（川油 II-10）[10]、礦山型東南景天[11]、寶山堇菜[12]、龍葵[13]等。曼陀羅（Datura stramonium Linn.）又叫曼荼羅、山茄子等，在我國各地均有分布，且曼陀羅耐受性強[14]。研究表明，曼陀羅對鎘具有較好的積累、富集能力，但對鎘的轉運能力較差[15-17]。

在前人研究的基礎上，本試驗就鎘脅迫對曼陀羅生長發育和生理生化的影響進行研究，旨在闡明曼陀羅對鎘的吸收積累特征及曼陀羅鎘吸收積累隨時間變化的規律，為發展和豐富植物修復重金屬鎘污染土壤的理論研究提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

野生白花曼陀羅（Datura stramonium）種子采于榆林市榆陽區。

1.2 試驗方法

曼陀羅種子發芽及幼苗的培養參考張鴻等[18]的方法，待植株長至15 cm 時，挑選長勢一致的幼苗進行處理，其中，試驗組用含 100 μmol/L 的 CdCl2的1/8 Hoagland 培養液處理，對照組只用1/8 Hoagland培養液處理。其余條件相同，并設置3 個重復，測定結果取其平均值。處理后，每5 d 進行一次樣本采樣，持續30 d 左右，并對樣本的葉綠素含量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性和 MDA 含量生理指標以及鎘含量進行測定分析。

1.3 測定指標及方法

采用Lichtenthaler 法[19]進行葉綠素含量的測定；采用氮藍四唑（NBT）光還原法[20]測定超氧化物歧化酶（SOD）；采用硫代巴比妥酸（TBA）顯色法[20]測定丙二醛（MDA）含量；采用紫外吸收法[21]測定過氧化氫酶（CAT）活性；采用張志良等[22]的愈創木酚法測定過氧化物酶（POD）的活性；采用ICP-MS 法測定鎘的含量。測定材料均為曼陀羅鮮葉，每個生理指標進行3 次重復。

1.4 數據處理

試驗中均使用Excel 2010 和SigmaPlot 10.0 軟件進行數據統計分析與處理，并繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫下曼陀羅生理生化指標的測定

2.1.1 鎘脅迫對葉片葉綠素含量的影響 從圖1可以看出，與對照相比，鎘脅迫下，曼陀羅葉綠素含量呈下降趨勢，處理15 d 后低于對照。說明鎘脅迫對曼陀羅葉綠素的合成起到了一定的抑制作用。

2.1.2 鎘脅迫對SOD 活性的影響 從圖2可以看出，在鎘脅迫下，隨脅迫時間的延長，曼陀羅SOD活性呈先增強后減弱的趨勢，并均高于對照；在鎘處理 10 d 時，SOD 活性達到最大，為 101.94 U/g；但隨著處理時間的延長，曼陀羅SOD 活性越來越低。說明長時間的處理使曼陀羅植株對重金屬鎘的耐受力降低。

2.1.3 鎘脅迫對POD 活性的影響 由圖3可知，鎘脅迫下，隨脅迫時間的延長，POD 活性呈先上升后下降的趨勢，且均比同期對照高，在鎘處理10 d時，POD 活性達到最大值；但隨著處理時間的延長，曼陀羅中POD 活性逐漸降低。表明曼陀羅植株可通過提高其POD 活性來抵御一定濃度范圍內對其毒害或生長的抑制。

2.1.4 鎘脅迫對MDA 含量的影響 從圖4可以看出，鎘脅迫下，隨脅迫時間的延長，MDA 含量呈先上升后下降的趨勢，且均比同期對照高，處理10 d后的曼陀羅植株MDA 含量最高，約為同期對照的1.9 倍。但隨著處理時間的增長，曼陀羅中MDA 的含量逐漸降低。

2.1.5 鎘脅迫下CAT 活性的影響 從圖5可以看出，在鎘脅迫下，隨脅迫時間的延長，CAT 活性呈先增強后降低的變化趨勢，至15 d 時，CAT 活性達到最高，且在5～25 d 時，CAT 活性均高于同期對照組，但隨著時間的延長，曼陀羅中CAT 活性有下降的趨勢。

2.2 鎘脅迫下曼陀羅葉片中鎘的含量變化

圖6結果表明，在鎘脅迫下，老葉（EO）和新葉（EN）中鎘的含量顯著高于對照，只有處理7 d 時，新葉中鎘含量高于老葉，16 d 后老葉中的鎘含量略高于新葉。說明曼陀羅對重金屬鎘具有較強的富集能力，但轉運能力較低。

3 結論與討論

在鎘脅迫下，曼陀羅葉片葉綠素含量逐漸下降，說明在鎘污染脅迫條件下，曼陀羅的光合作用受到影響，葉綠體的膜結構受到損傷，葉綠體內的光合酶含量降低，葉綠素合成受到一定的抑制。

高濃度鎘能夠誘導植物產生大量活性氧（ROS），對細胞膜、蛋白和核酸等生物大分子具有破壞作用，嚴重時會導致細胞死亡[23]。因此，在鎘脅迫下，植物體內參與氧化應激的酶活性會發生劇烈變化。葉片膜保護酶系統主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD），這3 種酶的活性是衡量植物抗重金屬脅迫能力強弱的重要指標。在重金屬脅迫下，植物的器官會發生膜質過氧化作用，丙二醛是膜脂過氧化的最終分解產物，其含量可反映植物受逆境傷害的程度，也是衡量植物抗性的一項重要生理指標。SOP，CAT，POD和MDA 在重金屬鎘脅迫處理中活性（含量）變化趨勢基本一致，雖然變化幅度有所不同，但整體均呈先上升后下降趨勢，表明當植株受到鎘脅迫時會通過升高其部分酶的活性來降低重金屬對其自身的毒害。在鎘脅迫至10～15 d 時，酶活性（含量）達到最大，之后隨著處理時間的延長，各項指標均呈下降趨勢。說明曼陀羅對鎘的耐受性有一定的限度，隨著處理時間的延長，鎘的積累量逐漸增加，曼陀羅對鎘的耐受性逐漸降低。

鎘脅迫下，曼陀羅對鎘的吸收量呈逐漸上升的趨勢，只有在處理7 d 時，新葉中鎘含量高于老葉，16 d 后老葉中的鎘含量略高于新葉。說明曼陀羅對重金屬鎘具有較強的富集能力，但轉運能力較低。同時隨著處理時間的延長，葉片只是明顯出現黃色斑點，曼陀羅雖然受到鎘的毒害，但并不影響其正常的生命活動，說明曼陀羅具有很強的耐受性。

BAKER 等[24]研究發現，生物富集系數和轉運系數均小的植物，只要其生長量大，那么該植物的生長量與污染元素質量分數的乘積（即污染元素吸收總量）就比其他植物的值大，該植物的污染元素富集能力就強。例如盡管遏藍菜（Thlaspi caeulescens）吸收重金屬能力很強，但其生物量小，而印度芥菜（Brassica juncea） 對重金屬的富集能力雖不如Thlaspi caeulescens，但其生物量至少是它的20 倍，因而顯示，Brassica juncea 在植物修復上具有更大的潛力。曼陀羅生物量大、水肥條件好時，株高可以達到1.5 m，綜合抗逆性強，適合北方地區的干旱、寒冷及土壤偏鹽堿的生長條件。基于以上2 個方面的考慮，曼陀羅可以作為通過植物修復方法治理北方重金屬污染土壤的候選植物。

本研究結果表明，在100 μmol/L CdCl2脅迫下，隨著處理時間的延長，除葉綠素含量逐漸下降外，曼陀羅的 SOD，CAT，POD，MDA 均呈先上升后下降的變化趨勢，說明在一定的處理時間內，當受到重金屬鎘脅迫時，曼陀羅會升高其部分生理指標來抵御鎘的毒害作用，但葉綠素的合成受到了一定的抑制。曼陀羅葉片對鎘的吸收量呈逐漸上升的變化趨勢，只是老葉中的鎘含量略高于新葉，但并不影響曼陀羅的正常生命活動，說明曼陀羅對重金屬鎘具有很強的耐受性和較強的富集能力。因此，曼陀羅是一種重金屬耐受型植物但不是重金屬超富集植物。