外源褪黑素對(duì)鎘脅迫下豌豆種子萌發(fā)、幼苗抗性生理及鎘含量的影響

李 冬 王艷芳 王悅?cè)A 溫?zé)@琳 蔡慧英 鄭曉蕾 陳彤彤 劉 領(lǐng)

(河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

近年來(lái)隨著我國(guó)工農(nóng)業(yè)和城市化的快速發(fā)展，重金屬造成的土壤污染和水污染已經(jīng)成為全球重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。鎘(Cd)污染是最常見(jiàn)的重金屬污染之一。Cd不是植物生長(zhǎng)和發(fā)育必需的元素，但其在土壤中具有較強(qiáng)的化學(xué)活性和親水特性，易被植物吸收積累，且存留在可食用部分，進(jìn)而通過(guò)食物鏈富集在人體中，毒害人體器官和生殖系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)，危害人體健康[1-2]。Cd被植物吸收后，易導(dǎo)致植物遺傳物質(zhì)損傷和變異，輕度脅迫導(dǎo)致植物葉片干枯萎黃，根莖縮短，側(cè)根數(shù)量減少，降低營(yíng)養(yǎng)元素的吸收；重度脅迫則會(huì)減少葉綠素含量，擾亂水分平衡，抑制抗氧化酶活性，引起活性氧積累，細(xì)胞膜透性降低，導(dǎo)致細(xì)胞損傷，進(jìn)而顯著抑制植物生長(zhǎng)[3-4]。Cd對(duì)植物的傷害首先表現(xiàn)在對(duì)種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響，而種子萌發(fā)時(shí)期的生長(zhǎng)狀況直接影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量[5]。因此，研究作物種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)階段受Cd污染的影響尤為重要。

豌豆(Pisumsativum)豆科豌豆屬一年生或越年生草本植物，世界第二大食用豆類，是高品質(zhì)蛋白質(zhì)的重要來(lái)源，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和防癌、抗癌等作用，因其具有較高的固氮能力和較強(qiáng)的適應(yīng)性，在全國(guó)各地均有大面積栽培[15]。目前有關(guān)外源褪黑素對(duì)重金屬脅迫下植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響已有研究，而對(duì)Cd脅迫下豌豆種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究以豌豆為材料，采用褪黑素浸種處理豌豆種子，探究外源褪黑素在緩解豌豆Cd脅迫方面的生理機(jī)制，以期為提高作物對(duì)重金屬脅迫的耐受性提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試豌豆品種為中豌6號(hào)，甘肅利源農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司。供試外源褪黑素(MT)，美國(guó)SIGMA-ALDRICH公司。供試模擬鎘脅迫制劑為氯化鎘(CdCl2·2.5H2O，優(yōu)級(jí)純)，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 主要儀器與設(shè)備

GZX型光照培養(yǎng)箱，北京中興偉業(yè)儀器公司；NexION300-X型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，美國(guó)PerkinElmer公司。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用雙因素隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)置Cd脅迫和外源褪黑素處理2個(gè)因素，采用培養(yǎng)皿濾紙法進(jìn)行豌豆種子萌發(fā)試驗(yàn)，Cd脅迫設(shè)3個(gè)水平，分別為：Cd0(添加去離子水，Cd2+濃度為0 μmol·L-1)、Cd10(添加氯化Cd溶液，Cd2+濃度為10 μmol·L-1)、Cd100(添加氯化鎘溶液，Cd2+濃度為100 μmol·L-1)。每個(gè)鎘脅迫水平下設(shè)置5個(gè)濃度的褪黑素浸種處理，分別為：MT0(去離子水浸種，不加褪黑素溶液)、MT50(50 μmol·L-1褪黑素浸種)、MT100(100 μmol·L-1褪黑素浸種)、MT200(200 μmol·L-1褪黑素浸種)和MT400(400 μmol·L-1褪黑素浸種)，共組合為15個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，每個(gè)重復(fù)1皿。

挑選大小一致、籽粒飽滿的豌豆種子，用3%次氯酸鈉(NaClO)消毒10 min，然后用自來(lái)水沖洗5次，再用蒸餾水沖洗5次，吸水紙吸干種子表面水分，在室溫下用不同濃度褪黑素溶液避光浸種24 h后均勻排列在墊有2層濾紙、直徑9 cm的培養(yǎng)皿中，每皿30粒豌豆種子，最后分別向培養(yǎng)皿中加入預(yù)先用去離子水和水合氯化鎘(CdCl2·2.5H2O)配置的不同Cd2+濃度的溶液10 mL，加蓋后置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。光照培養(yǎng)箱設(shè)定光照時(shí)間為12 h·d-1，晝/夜溫度25℃/15℃，光照強(qiáng)度4 000 Lx，培養(yǎng)期間每天定時(shí)觀察和記錄種子的發(fā)芽情況，并用稱重法補(bǔ)充蒸發(fā)的水分。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 萌發(fā)指標(biāo)測(cè)定 培養(yǎng)時(shí)期每天記錄豌豆種子萌發(fā)的數(shù)量，以下胚軸突破種皮長(zhǎng)度超過(guò)種子自身長(zhǎng)度一半視為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，第3天統(tǒng)計(jì)種子的發(fā)芽勢(shì)，第8天統(tǒng)計(jì)豌豆種子的發(fā)芽率；第8天從各培養(yǎng)皿中隨機(jī)選取10株豌豆幼苗測(cè)定根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根鮮重和芽鮮重。按照公式計(jì)算發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率：

發(fā)芽勢(shì)=3 d內(nèi)發(fā)芽的種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%

(1)

發(fā)芽率=8 d內(nèi)發(fā)芽的種子粒數(shù)/供試種子數(shù)×100%

(2)。

1.4.2 生理指標(biāo)測(cè)定 取萌發(fā)8 d的幼芽，于-80℃超低溫保存，用于生理指標(biāo)的測(cè)定。MDA含量采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)溶液法測(cè)定[16]；SOD、POD和CAT活性參照高俊鳳[17]的方法測(cè)定。

1.4.3 鎘含量的測(cè)定 隨機(jī)選取豌豆幼苗，進(jìn)行烘干粉碎后，加入10 mL優(yōu)級(jí)純HNO3-HClO4(體積比為 4∶1)消煮，用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)定Cd含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2016和SPSS 22.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，試驗(yàn)均測(cè)定3次重復(fù)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤表示；采用Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫下外源褪黑素對(duì)豌豆種子發(fā)芽勢(shì)的影響

由圖1可知，在同一濃度外源MT處理下，隨著Cd2+濃度的增加，豌豆種子的發(fā)芽勢(shì)均逐漸降低。在未添加MT處理時(shí)，10和100 μmol·L-1Cd2+濃度的發(fā)芽勢(shì)分別較0 μmol·L-1Cd2+濃度處理降低了40.73%和56.36%，說(shuō)明Cd脅迫嚴(yán)重抑制了豌豆種子的萌發(fā)。同一Cd2+濃度處理下，隨著外源MT濃度的提高，豌豆種子的發(fā)芽勢(shì)表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Cd2+濃度為10 μmol·L-1時(shí)，與未添加MT處理相比，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的發(fā)芽勢(shì)分別提高了34.98%、90.47%、49.47%和28.85%；在100 μmol·L-1Cd2+濃度下，與未添加MT處理相比，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的發(fā)芽勢(shì)分別提高了74.99%、124.97%、99.14%和66.63%，說(shuō)明在Cd脅迫下，不同濃度外源MT浸種均能顯著提高豌豆種子的發(fā)芽勢(shì)，且以100 μmol·L-1MT處理效果最為顯著。雙因素分析表明，Cd處理與MT處理對(duì)豌豆幼苗的發(fā)芽勢(shì)均有極顯著影響，而兩者的交互作用對(duì)發(fā)芽勢(shì)無(wú)顯著影響。

注：*和**分別表示差異顯著(P<0.05)和差異極顯著(P<0.01)；不同小寫(xiě)字母表示同一Cd水平不同褪黑素處理之間差 異顯著(P< 0.05)。下同。Note: * and ** mean significant difference (P< 0.05) and extremely significant difference (P< 0.01), respectively. Different lowercase letters in the same Cd level meant significant difference among different melatonin treatments at 0.05 level. The same as following.圖1 不同濃度外源MT對(duì)Cd脅迫下豌豆種子發(fā)芽勢(shì)的影響Fig.1 Effects of different concentrations of exogenous melatonin on the germination potential of pea seeds under cadmium stress

2.2 鎘脅迫下外源褪黑素對(duì)豌豆種子發(fā)芽率的影響

由圖2可知，同一濃度外源MT處理下，隨著Cd2+濃度的增加，豌豆種子的發(fā)芽率逐漸降低。在未添加MT處理時(shí)，10和100 μmol·L-1Cd2+濃度的發(fā)芽率較0 μmol·L-1Cd2+濃度處理分別降低了24.13%和32.76%，說(shuō)明Cd脅迫嚴(yán)重降低了豌豆種子的發(fā)芽率。同一Cd2+濃度處理下，隨著外源MT濃度的提高，豌豆種子的發(fā)芽率均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Cd2+濃度為10 μmol·L-1時(shí)，與未添加MT處理相比，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的發(fā)芽率分別提高了59.09%、82.94%、64.53%和49.31%；當(dāng)Cd2+濃度為100 μmol·L-1時(shí)，與未添加MT處理相比，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的發(fā)芽率分別提高了61.55%、85.92%、63.10%和50.27%，說(shuō)明Cd脅迫下，不同濃度外源MT浸種均能顯著提高豌豆種子的發(fā)芽率，且以100 μmol·L-1MT處理效果最為明顯。雙因素分析表明，Cd處理與MT處理對(duì)豌豆幼苗的發(fā)芽率的影響均極顯著，而兩者的交互作用對(duì)發(fā)芽率無(wú)顯著影響。

圖2 不同濃度外源MT對(duì)Cd脅迫下豌豆種子發(fā)芽率的影響Fig.2 Effects of different concentrations of exogenous melatonin on the germination percentage of pea seeds under cadmium stress

2.3 鎘脅迫下外源褪黑素對(duì)豌豆幼苗生長(zhǎng)的影響

由表1可知，在同一濃度外源MT處理下，隨著Cd2+濃度的增加，芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮重和根鮮重基本表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)。在未添加MT處理時(shí)，與 0 μmol·L-1Cd2+濃度處理相比，10和100 μmol·L-1Cd2+濃度處理的豌豆幼苗的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮重和根鮮重分別降低了50.75%、65.20%、65.64%、42.93%和64.18%、75.09%、68.16%和59.69%，說(shuō)明Cd脅迫嚴(yán)重抑制了豌豆幼苗的生長(zhǎng)。同一Cd2+濃度處理下，隨著外源MT濃度的提高，豌豆幼苗的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮重和根鮮重均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，且均在100 μmol·L-1MT處理下達(dá)到最大值。當(dāng)Cd2+濃度為10 μmol·L-1時(shí)，100 μmol·L-1MT處理的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮重和根鮮重較未添加MT處理分別提高了127.27%、129.47%、131.71%和83.33%；當(dāng)Cd2+濃度為100 μmol·L-1時(shí)，100 μmol·L-1MT處理的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮重和根鮮重較未添加MT處理分別提高了139.58%、117.65%、85.09%和92.77%，說(shuō)明不同濃度外源MT浸種均能明顯緩解Cd脅迫下幼苗的損傷，促進(jìn)幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育，且以100 μmol·L-1MT處理效果最佳。雙因素分析表明，Cd處理與MT處理及兩者的交互作用對(duì)豌豆幼苗的芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮重和根鮮重均有極顯著影響。

表1 不同濃度外源MT對(duì)Cd脅迫下豌豆芽長(zhǎng)、根長(zhǎng)、芽鮮重、根鮮重的影響Table 1 Effects of different concentrations of exogenous melatonin on the shoot length, root length, shoot fresh weight and root fresh weight of pea under cadmium stress

注：同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)。**表示差異極顯著(P<0.01)。
Note: Different lowercase letters in the same line indicate significant difference at 0.05 level. ** indicates extremely significant difference at 0.01 level.

2.4 鎘脅迫下外源褪黑素對(duì)豌豆幼芽MDA含量的影響

由圖3可知，在同一濃度外源MT處理下，隨著Cd2+濃度的增加，豌豆幼芽的MDA含量表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。在未添加MT處理時(shí)，10和100 μmol·L-1Cd2+濃度的MDA含量較0 μmol·L-1Cd2+濃度處理提高了249.62%和438.35%；同一Cd濃度處理下，隨著外源MT濃度的增加，豌豆幼芽的MDA含量表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。當(dāng)Cd2+濃度為0 μmol·L-1時(shí)，不同褪黑素浸種處理之間無(wú)顯著性差異；在10 μmol·L-1Cd2+濃度處理下，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的MDA含量分別較未添加MT處理下降了46.74%、57.64%、41.31%和24.03%；在100 μmol·L-1Cd2+濃度處理下，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的MDA含量分別較未添加MT處理下降了32.66%、46.90%、29.92%和16.76%，說(shuō)明在Cd脅迫下，不同濃度外源MT浸種均能顯著降低豌豆幼芽的MDA含量，抑制膜脂過(guò)氧化對(duì)細(xì)胞膜的傷害，對(duì)細(xì)胞膜的完整具有保護(hù)作用。雙因素分析表明，Cd處理與MT處理及兩者的交互作用對(duì)豌豆幼芽MDA含量的影響均極顯著。

圖3 不同濃度外源MT對(duì)Cd脅迫下豌豆幼芽MDA含量的影響Fig.3 Effects of different concentrations of exogenous melatonin on the MDA contents of pea plumule under cadmium stress

2.5 鎘脅迫下外源褪黑素對(duì)豌豆幼芽SOD活性的影響

由圖4可知，在同一濃度外源MT處理下，隨著Cd2+濃度的上升，豌豆幼芽的SOD活性均逐漸下降。在未添加MT處理時(shí)，10和100 μmol·L-1Cd2+濃度的SOD活性較0 μmol·L-1Cd2+濃度處理降低了24.59%和35.08%。在同一Cd2+濃度處理下，隨著外源MT濃度的增加，豌豆幼芽的SOD活性均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Cd2+濃度為10 μmol·L-1時(shí)，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的SOD活性分別較未添加MT處理提高了15.45%、24.17%、14.01%和12.35%；當(dāng)Cd2+濃度為100 μmol·L-1時(shí)，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的SOD活性分別較未添加MT處理提高了15.10%、25.79%、17.35%和9.96%，說(shuō)明在Cd脅迫下，不同濃度外源MT浸種均能顯著提高豌豆幼芽的SOD活性，且以100 μmol·L-1MT處理效果最為顯著。雙因素分析表明，Cd處理與MT處理及兩者的交互作用對(duì)豌豆幼芽的SOD活性的影響均極顯著。

2.6 鎘脅迫下外源褪黑素對(duì)豌豆幼芽POD活性的影響

由圖5可知，在同一 濃度外源MT處理下，豌豆幼芽的POD活性隨著Cd2+濃度增加逐漸降低。在未添加MT處理時(shí)，相比0 μmol·L-1Cd2+濃度處理，10和100 μmol·L-1Cd2+濃度處理的POD活性分別降低了25.44%和47.34%。同一Cd濃度處理下，隨著外源MT濃度的提高，豌豆幼芽的POD活性均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)Cd2+濃度為10 μmol·L-1時(shí)，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的POD活性分別較未添加MT處理提高了21.79%、40.50%、29.80%和10.91%；當(dāng)Cd2+濃度為100 μmol·L-1時(shí)，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的POD活性分別較未添加MT處理提高了37.95%、62.05%、49.34%和20.71%，說(shuō)明不同濃度外源MT浸種均能顯著提高Cd脅迫下豌豆幼芽的POD活性，且以100 μmol·L-1MT處理效果最為顯著。雙因素分析表明，Cd處理與MT處理對(duì)豌豆幼芽的POD活性的影響均極顯著，兩者的交互作用對(duì)POD活性的影響顯著。

圖5 不同濃度外源MT對(duì)鎘脅迫下豌豆幼芽POD活性的影響Fig.5 Effects of different concentrations of exogenous melatonin on the POD activity of pea plumule under cadmium stress

2.7 鎘脅迫下外源褪黑素對(duì)豌豆幼芽CAT活性的影響

由圖6可知，在同一濃度外源MT處理下，隨著Cd2+濃度的增加，豌豆幼芽的CAT活性逐漸降低。在未添加MT處理時(shí)，10和100 μmol·L-1Cd2+濃度處理的CAT活性較0 μmol·L-1Cd2+處理降低了44.28%和62.66%。同一Cd濃度處理下，隨著外源MT濃度的提高，豌豆幼芽的CAT活性均表現(xiàn)為先升高后降低。當(dāng)Cd2+濃度為10 μmol·L-1時(shí)，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的CAT活性分別較未添加MT處理提高了54.37%、76.91%、62.03%和35.48%；當(dāng)Cd2+濃度為100 μmol·L-1時(shí)，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理的CAT活性分別較未添加MT處理提高了32.91%、86.40%、48.50%和28.92%，說(shuō)明不同濃度外源MT浸種均能顯著提高Cd脅迫下豌豆幼芽的CAT活性，且以100 μmol·L-1MT處理效果最為顯著。雙因素分析表明，Cd處理與MT處理及兩者的交互作用對(duì)豌豆幼芽的CAT活性的影響均極顯著。

圖6 不同濃度外源MT對(duì)鎘脅迫下豌豆幼芽CAT活性的影響Fig.6 Effects of different concentrations of exogenous melatonin on the CAT activity of pea plumule under cadmium stress

2.8 鎘脅迫下外源褪黑素對(duì)豌豆幼苗鎘含量的影響

由圖7可知，在同一濃度外源MT處理下，隨著Cd2+濃度的增加，豌豆幼苗內(nèi)的Cd含量逐漸增加，當(dāng)Cd2+濃度為0 μmol·L-1時(shí)，豌豆幼苗內(nèi)Cd含量為0。同一Cd濃度處理下，隨著外源MT濃度的增加，豌豆幼苗Cd含量表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，但始終低于未添加MT處理。當(dāng)Cd2+濃度為10 μmol·L-1時(shí)，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理豌豆幼苗Cd含量分別較未添加MT處理降低了46.72%、57.62%、41.28%和24.00%；當(dāng)Cd2+濃度為100 μmol·L-1時(shí)，50、100、200和400 μmol·L-1MT處理豌豆幼苗Cd含量分別較未添加MT處理降低了34.54%、48.60%、31.66%和12.41%，表明外源MT能減少Cd在豌豆幼苗體內(nèi)的積累，降低豌豆幼苗Cd含量，且對(duì)低濃度Cd2+處理效果更為明顯。雙因素分析表明，Cd處理與MT處理及兩者的交互作用對(duì)豌豆幼苗Cd含量的影響均極顯著。

圖7 不同濃度外源MT對(duì)Cd脅迫下豌豆幼苗鎘含量的影響Fig.7 Effects of different concentrations of exogenous melatonin on the Cd contents of pea seedlings under cadmium stress

3 討論

Cd是危害作物生長(zhǎng)發(fā)育的重金屬元素，經(jīng)植物吸收進(jìn)入細(xì)胞后能夠結(jié)合酶活性中心或蛋白巰基，取代蛋白反應(yīng)中心的Ca2+、Mg2+、Fe2+等必需金屬離子，引發(fā)膜脂過(guò)氧化，導(dǎo)致細(xì)胞膜遭受損傷，進(jìn)而抑制植物種子萌發(fā)及植株幼苗生長(zhǎng)[18-20]。種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)是植物生命的開(kāi)始，也是植物生命周期中最早接觸外界環(huán)境、對(duì)外界做出反應(yīng)的重要階段，其中發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率是衡量作物種子發(fā)芽能力的重要指標(biāo)[21-22]。當(dāng)植物體內(nèi)累積了一定量的Cd后，會(huì)產(chǎn)生毒害作用，嚴(yán)重阻礙植株對(duì)水分、營(yíng)養(yǎng)元素的吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，導(dǎo)致植株生長(zhǎng)緩慢乃至死亡[23]。尚宏芹等[24]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Cd2+對(duì)桔梗種子萌發(fā)作用無(wú)顯著影響，但會(huì)抑制桔梗幼苗生長(zhǎng)；高濃度Cd2+會(huì)顯著抑制種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)，導(dǎo)致植株體內(nèi)Cd含量明顯增加。歐麗等[5]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度Cd2+脅迫能夠促進(jìn)野茼蒿種子萌發(fā)，高濃度Cd2+脅迫則顯著抑制其種子萌發(fā)。劉自力等[25]研究發(fā)現(xiàn)，外源褪黑素可能通過(guò)影響IRT1(iron-regulated transporter 1)、IRT2(iron-regulated transporter 2)的轉(zhuǎn)錄來(lái)影響小白菜對(duì)Cd的吸收，降低植株幼苗Cd含量。本研究結(jié)果表明，Cd脅迫下豌豆種子的萌發(fā)受到抑制，其發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率均明顯降低，豌豆幼苗的根長(zhǎng)、芽長(zhǎng)、根鮮重和芽鮮重均明顯降低，豌豆幼苗的Cd含量明顯增加；而添加外源褪黑素能顯著促進(jìn)豌豆種子的萌發(fā)以及幼苗的生長(zhǎng)，降低豌豆幼苗的Cd含量，緩解Cd脅迫對(duì)豌豆種子的毒害作用，這與蔣航等[14]研究褪黑素對(duì)重金屬砷脅迫下水稻種子萌發(fā)的結(jié)果相符，說(shuō)明外源褪黑素能增強(qiáng)胚細(xì)胞合成代謝，提高種子耐重金屬脅迫的萌發(fā)能力，從而促進(jìn)種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)及根系的生理代謝。

在逆境脅迫下，植物細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生大量的自由基，自由基通過(guò)啟動(dòng)膜脂過(guò)氧化作用使細(xì)胞膜受到損傷，導(dǎo)致活性氧過(guò)量積累[26-27]。活性氧過(guò)度積累容易引發(fā)細(xì)胞膜中不飽和脂肪酸發(fā)生膜脂過(guò)氧化作用，產(chǎn)生MDA等產(chǎn)物，MDA與蛋白質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)使其內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)，從而使蛋白質(zhì)變性失活，因此MDA常用來(lái)反映膜損傷程度和植物抗逆性強(qiáng)弱[28-29]。研究表明，植物在Cd脅迫下會(huì)導(dǎo)致抗氧化系統(tǒng)受損，植物體內(nèi)活性氧清除酶(SOD、CAT和POD等)活性降低，使植物體內(nèi)的活性氧、羥基自由基、單線態(tài)氧和過(guò)氧化氫等含量明顯增加[30]。高濃度的活性氧會(huì)進(jìn)一步破壞細(xì)胞膜的流動(dòng)性和通透性，損傷脂質(zhì)、核酸和蛋白質(zhì)等主要的生物大分子，細(xì)胞逐漸程序性死亡，最終導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育受抑制[31-34]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著Cd2+處理濃度的增加，豌豆幼芽的抗氧化酶活性均逐漸降低，膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物MDA含量逐漸升高，說(shuō)明較高濃度的Cd2+進(jìn)入植物體內(nèi)，對(duì)植物產(chǎn)生的傷害遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了植物自我修復(fù)的能力范圍，導(dǎo)致細(xì)胞受到嚴(yán)重的損傷。這與田丹等[35]研究發(fā)現(xiàn)隨著Cd脅迫濃度的升高，生菜幼苗根芽中的MDA含量和POD活性逐漸提高的結(jié)果不一致，可能與Cd脅迫濃度以及不同植物材料對(duì)Cd脅迫的耐受性不同有關(guān)。本研究通過(guò)褪黑素浸種處理發(fā)現(xiàn)，隨著MT濃度增加，豌豆幼芽的SOD、CAT和POD活性均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)，MDA含量先降低后升高，說(shuō)明MT作為一種抗氧化劑，直接參與了清除活性氧自由基的反應(yīng)，顯著提高了豌豆幼芽的SOD、CAT和POD活性，而對(duì)逆境脅迫下豌豆幼芽體內(nèi)的活性氧清除能力及細(xì)胞膜保護(hù)效應(yīng)會(huì)隨MT的濃度升高有所減弱。這與Posmyk等[36]在研究不同濃度褪黑素前處理對(duì)紫甘藍(lán)在銅(Cu)脅迫下種子萌發(fā)的影響時(shí)所得結(jié)論較為一致，說(shuō)明褪黑素具有明顯的劑量效應(yīng)，對(duì)逆境脅迫下植物體的代謝影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，與很多生理生化過(guò)程和信號(hào)傳遞都有關(guān)，也可能與不同植物體內(nèi)褪黑素的含量有關(guān)。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，Cd脅迫嚴(yán)重抑制了豌豆種子的萌發(fā)以及幼苗的生長(zhǎng)，施用外源褪黑素(MT)能有效緩解Cd脅迫對(duì)豌豆種子及幼苗的損害，且以100 μmol·L-1MT處理效果最佳。外源MT能夠通過(guò)提高抗氧化酶活性，增強(qiáng)活性氧及自由基的清除能力，降低脂質(zhì)過(guò)氧化的終產(chǎn)物MDA含量，減少植物Cd的積累，從而增強(qiáng)植株的抗逆性，促進(jìn)豌豆種子萌發(fā)及幼苗的生長(zhǎng)，減少重金屬脅迫傷害。本研究結(jié)果為受重金屬污染的農(nóng)田作物的抗逆栽培提供了理論依據(jù)和技術(shù)支撐，但有關(guān)MT對(duì)鎘脅迫下植株體內(nèi)活性氧代謝的直接關(guān)系與調(diào)節(jié)機(jī)理仍有待進(jìn)一步深入研究。