鎘脅迫對甜瓜幼苗葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)及光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

孔維萍，程 鴻，岳宏忠

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，農(nóng)業(yè)部西北地區(qū)蔬菜科學(xué)觀測實驗站，蘭州 730070)

鎘(Cadmium，Cd)是一種毒性很強的重金屬，通過土壤、水體等生長介質(zhì)被植物吸收后借助食物鏈進入人體并產(chǎn)生傷害[1]。植物吸收一定量的鎘后會對組織器官產(chǎn)生損傷，甚至死亡[2-3]。關(guān)于Cd對蔬菜的影響，國內(nèi)外進行了一些研究[4-5]，但主要集中于蔬菜對Cd吸收、富集、生長發(fā)育、抗重金屬栽培等方面，且多以葉菜類蔬菜如青菜、白菜等為研究對象[6]。對瓜菜類的研究多以生理指標(biāo)為主[7-9]。甜瓜因其豐富的營養(yǎng)價值和爽甜可口的品質(zhì)廣受消費者喜愛。本試驗選取3種類型甜瓜幼苗為試材，用0～100 mg·L-1質(zhì)量濃度的Cd溶液培養(yǎng)后，對甜瓜幼苗葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)及光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化展開研究和探討，以明確Cd對不同類型甜瓜幼苗生理生化指標(biāo)的影響差異，為挖掘抗鎘種質(zhì)資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為甘肅省農(nóng)科院蔬菜所引進并選純的單系：野生甜瓜(Y)、薄皮甜瓜(B)和厚皮甜瓜(H)。鎘(Cd)為Sigma公司生產(chǎn)的分析純試劑CdCl2·5H2O。

1.2 試驗設(shè)計

試驗在甘肅農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所實驗室開展。甜瓜幼苗用1/8 Hongland營養(yǎng)液培養(yǎng)至三葉一心后改用含CdCl2·5H2O的1/8Hongland溶液，每天更換新的培養(yǎng)液；CdCl2·5H2O質(zhì)量濃度依次為0、25 mg·L-1、50 mg·L-1、100 mg·L-1，重復(fù)3次。

1.3 電鏡樣品制備

取Cd溶液培養(yǎng)3 d后的甜瓜幼苗第2片真葉中部，切成0.5 cm2大小的樣塊，用pH 7. 2的磷酸緩沖液配制的體積分?jǐn)?shù)為5%戊二醛溶液固定24 h，后用磷酸緩沖液洗6次，轉(zhuǎn)入體積分?jǐn)?shù)2%鋨酸，0～4 ℃固定4 h，用磷酸緩沖液沖洗3次，經(jīng)各級酒精脫水，丙酮過渡，環(huán)氧樹脂Epom812包埋。用LKB型超薄切片機切片，經(jīng)醋酸雙氧鈾和檸檬酸鉛染色后，用JEOL-1230型電鏡觀察、拍照。

1.4 葉片葉綠素提取

葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定參照李合生[10]的方法。甜瓜幼苗經(jīng)Cd溶液培養(yǎng)7 d后，將葉片剪成約0.5 cm2方塊后稱量0.5 g，于25 mL具塞試管中，用10 mL 體積分?jǐn)?shù)為80%丙酮溶液黑暗浸提48 h，每12 h震蕩1次，混勻的浸提液在663 nm、645 nm和440 nm波長下比色測定OD值，體積分?jǐn)?shù)為80%丙酮調(diào)零。各光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg·g-1)計算方法如下：

葉綠素a (Chla)=12.71×OD663-2.59×OD645

葉綠素b (Chlb)=22.88×OD645-4.67×OD663

總?cè)~綠素(Chla+b)=20.29×OD645+ 8.04×OD663

類胡蘿卜素(Ccar)=4.7×OD440-0.27× Ch(a+b)

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫下不同類型甜瓜幼苗表型變化差異

圖1所示，Y幼苗莖稈細(xì)弱，葉片小，呈淺綠色；B幼苗長勢中等，葉片深綠色；H根和莖粗壯，葉片肥大呈綠色。不同類型甜瓜幼苗受Cd抑制程度存在明顯差異。Y幼苗只在100 mg·L-1Cd2+質(zhì)量濃度時葉緣出現(xiàn)干枯卷曲，根系表觀變化不明顯。B幼苗葉片在50 mg·L-1Cd2+質(zhì)量濃度下開始發(fā)黃，側(cè)根量明顯減少。H從Cd2+質(zhì)量濃度25 mg·L-1時受到嚴(yán)重的抑制，老葉葉緣出現(xiàn)褪綠壞死斑，隨Cd2+質(zhì)量濃度增加，整個葉片干枯壞死；側(cè)根量較對照明顯減少；當(dāng)Cd2+質(zhì)量濃度≥50 mg·L-1時，H根系褐化嚴(yán)重，甚至腐爛。由于根系與培養(yǎng)液直接接觸，對Cd脅迫也較地上部分敏感。較高質(zhì)量濃度Cd2+使甜瓜幼苗生長受到明顯抑制；長勢越強，吸收的Cd越多，受脅迫程度也越嚴(yán)重。

Y.野生甜瓜; B.薄皮甜瓜; H.厚皮甜瓜;下同

2.2 鎘對甜瓜幼苗葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)的影響

葉綠體是植物光合能量轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)變化對光合作用產(chǎn)生明顯影響。圖2所示，Cd脅迫下，甜瓜幼苗葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)變化較明顯。正常生長條件下，葉綠體緊貼細(xì)胞壁，多呈梭形，片層結(jié)構(gòu)排列緊密有序，有少量的嗜鋨顆粒和淀粉粒，葉綠體被膜完整；Y和B葉綠體排列較H整齊。Cd2+質(zhì)量濃度為25 mg·L-1時，Y葉綠體內(nèi)嗜鋨顆粒數(shù)量增多，少量葉綠體離壁；B大量葉綠體呈離壁狀態(tài)，淀粉粒體積明顯變大；H葉綠體呈離壁的不規(guī)則形狀，片層結(jié)構(gòu)完整性和有序性下降，嗜鋨顆粒數(shù)量增加。Cd2+質(zhì)量濃度為50 mg·L-1時，Y淀粉粒體積明顯增大，片層結(jié)構(gòu)呈無序狀態(tài)；B淀粉粒體積和數(shù)量均增大，片層結(jié)構(gòu)呈彌散狀態(tài)，葉綠體被膜殘缺，葉肉細(xì)胞壁膜溢縮，中央液泡明顯萎縮；H淀粉粒體積和數(shù)量均增大，片層結(jié)構(gòu)呈彌散模糊狀態(tài)。100 mg·L-1的Cd2+質(zhì)量濃度下，Y葉綠體外形及排列均呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)，淀粉粒體積和數(shù)量都增加；B和H葉綠體片層結(jié)構(gòu)完全解體，淀粉粒膨大到占據(jù)葉綠體2/3體積，中央液泡內(nèi)有大量的解體組織，葉綠體被膜嚴(yán)重缺損，葉肉細(xì)胞壁膜也有個別缺損。

甜瓜葉片葉肉細(xì)胞內(nèi)葉綠體數(shù)量及內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在個體差異。Y和B單個葉肉細(xì)胞內(nèi)的葉綠體數(shù)量相對較多且排列緊密，H葉綠體數(shù)量較少。在同等質(zhì)量濃度Cd脅迫下，Y葉綠體結(jié)構(gòu)較B和H完整。

2.3 鎘脅迫對甜瓜幼苗葉片光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

光合色素是植物吸收傳遞光能并進行光合作用的主要介質(zhì)，其對光能的吸收、轉(zhuǎn)化和利用起著非常重要的作用。植物葉片葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定程度上反映光合作用水平。葉綠素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，植物光合作用就會減弱，從而導(dǎo)致植物生長減緩甚至死亡。

如圖3所示，在Cd2+質(zhì)量濃度為25 mg·L-1時，B光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較對照有小幅提升，其中葉綠素a、葉綠素b以及類胡籮卜素提升幅度分別為2.9%、9.2%、7.7%，而Cd2+質(zhì)量濃度50 mg·L-1時光和色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于對照；100 mg·L-1Cd2+質(zhì)量濃度下，葉綠素a、葉綠素b下降幅度分別為10.7%和7.8%，類胡籮卜素降幅最大，為35.0%。Y和H光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨Cd2+質(zhì)量濃度增大呈下降趨勢，其中Y葉綠素a、葉綠素b以及類胡籮卜素分別下降 23.8%、23.0%和 13.8%；H分別下降33.0%、 24.9%和47.5%。隨Cd2+質(zhì)量濃度增加，甜瓜葉片光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)整體呈下降趨勢；不同類型甜瓜光合色素變化存在差異，H各光合色素的降幅最大，B次之，Y降幅最小。

3 討 論

光合作用是植物獲得能量、食物和氧氣的根本途徑，植物葉肉細(xì)胞內(nèi)葉綠體是進行光合作用的重要場所，而光合色素的主要作用是吸收光能。本試驗結(jié)果表明Cd對光合作用的影響有兩方面：首先對甜瓜幼苗葉片葉綠體超微結(jié)構(gòu)造成不可逆損傷；其次使光合色素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，這與葉綠體結(jié)構(gòu)受損有關(guān)。

中低質(zhì)量濃度的Cd2+會使植物發(fā)生光抑制，高質(zhì)量濃度Cd2+導(dǎo)致植物細(xì)胞損傷并影響其生理代謝[11-12]，嚴(yán)重時使植物死亡。高質(zhì)量濃度Cd2+使甜瓜幼苗葉片葉綠體片層結(jié)構(gòu)排列無序、疏松、甚至解體，葉綠體膜裂解，葉綠體數(shù)量明顯減少，這與譚曉榮等[13]研究結(jié)果一致。光合產(chǎn)物主要以淀粉的形式沉積，Cd脅迫使甜瓜葉片光合能力下降，阻礙了淀粉的水解和向外運輸，導(dǎo)致大量淀粉粒累積在葉綠體內(nèi)。葉綠素的合成和分解過程處于平衡狀態(tài)，在逆境條件下由于光合器官結(jié)構(gòu)損傷導(dǎo)致合成受阻，分解加劇，總質(zhì)量分?jǐn)?shù) 下降。

鎘對植物葉片光合系統(tǒng)的影響存在基因型差異[14]。本試驗中H隨著Cd脅迫濃度的增加光合色素以及葉綠體超微結(jié)構(gòu)變化較大，對Cd脅迫較敏感。分析原因，可能是H幼苗長勢強，吸收了更多的Cd所致。B幼苗的抗Cd性居中。而Y相對較穩(wěn)定，因此推斷Y對Cd抗性更強。可將其作為抗Cd資源開展分子機理研究，為挖掘抗Cd甜瓜種質(zhì)提供幫助。

CW.細(xì)胞壁； PM.細(xì)胞膜；CHl .葉綠體；SG.淀粉粒；OS.嗜鋨顆粒；Th.基質(zhì)類囊體；V.液泡；G.基粒類囊體；M.線粒體

圖上不同小寫字母表示在 0.05 水平上差異顯著

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