鎘脅迫對小白菜種子萌發、生理特性及其鎘積累的影響

王迪華 王改玲 樊存虎

摘? ? 要：以豐抗80為試驗材料，研究不同鎘含量（w，后同）（0、5、10、20、30、40 mg·kg-1）對小白菜種子萌發及生理特性的影響。結果表明，在鎘脅迫下，小白菜種子萌發和生理特性受到不同程度的影響。低鎘含量（5 mg·kg-1）促進種子萌發，高鎘含量（≥20 mg·kg-1）則抑制種子發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數。隨著鎘含量的增大，植株的抗氧化酶活性和MDA含量均顯著高于CK。在30 mg·kg-1鎘處理下，小白菜葉片中SOD、POD、CAT活性和MDA含量分別是CK的1.63、2.63、3.89和2.80倍。同時，小白菜植株地下部分富集鎘能力較強，且高于地上部分。這表明高含量（≥20 mg·kg-1）的鎘脅迫可顯著抑制小白菜種子萌發和植株的生長發育。

關鍵詞：小白菜;鎘脅迫;萌發特性;生理特性;鎘積累

中圖分類號：S634.3 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2021）09-080-04

Effects of soil cadmium stress on seed germination， physiological characteristics and cadmium accumulation of pakchoi

WANG Dihua1， WANG Gailing2， FAN Cunhu1

（1. Shanxi Yuncheng Vocational and Technical College of Agriculture， Yuncheng 044000， Shanxi， China; 2. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， Shanxi， China）

Abstract： In order to study the effects of different concentrations（0， 5， 10， 20， 30， and 40 mg·kg-1） of cadmium on the seed germination and physiological characteristics of Pakchoi， the Feng Kang 80 of cabbage cultivar was used as experimental material. The results showed that seed germination and physiological characteristics of Feng Kang 80 were affected to varying degrees under cadmium stress. Low concentration（5 mg·kg-1） promoted seed germination， while high concentration（≥20 mg·kg-1） significantly inhibited seed germination rate， germination potential， germination index and vigor index. With the increasing of cadmium concentration， the antioxidant enzyme activities and MDA content of the Feng Kang 80 plants were significantly higher than those of CK. When the concentration of cadmium was 30 mg·kg-1， the activities of SOD， POD and CAT， and the content of MDA were 1.63， 2.63， 3.89 and 2.80 times of the CK. Besides， the underground part of Feng Kang 80 plants showed a higher cadmium accumulation capacity than the above-ground part. This indicated that high concentration（≥20 mg·kg-1）of cadmium stress could significantly inhibit the seed germination and physiological characteristics of Feng Kang 80.

Key words： Pakchoi; Cadmium stress;Germination characteristics; Physiological characteristics; Cadmium accumulation

隨著工業化的深入推進和迅速發展，大量工業廢水通過灌溉而進入農田，最終使得我國約1/5的耕地面積受到不同程度的重金屬污染[1]。重金屬鎘（Cd）是危害性大、分布廣的污染物之一，具有降解難、可移動性強、隱蔽性高、毒性大等特點[2-3]，能被植物吸收和富集而進入食物鏈，嚴重危害人類的健康[3-4]。研究表明，土壤重金屬鎘可以抑制植物的生長與發育，導致植物發育遲緩、生長受阻、產量降低、品質下降、鎘含量超標，引發嚴重的環境問題和社會問題[5-7]。

葉菜類蔬菜是國民日常生活中不可缺少的蔬菜之一，其對鎘的富集能力高于根莖類、豆類和茄果類蔬菜[8]。在居民的生活消費中，白菜類蔬菜占有較大的比重。我國白菜類蔬菜生產區域土壤存在不同程度的鎘污染[9]，但是不同植物和不同品種對重金屬的富集及其在各器官的分配能力不同，部分植物將富集的重金屬大量轉移至植株的地下部分[10-11]。因此，研究土壤鎘脅迫下白菜類蔬菜的植株生長情況和不同部位的鎘含量，不僅對于蔬菜的安全性評估和安全生產具有指導作用，而且對降低人體對鎘的攝入風險，保證人類健康有重要的意義。鑒于此，筆者以小白菜為對象，研究土壤不同鎘含量脅迫下小白菜的種子萌發特性、植株生長及其對鎘的富集情況，以期為鎘污染農田的蔬菜安全生產提供可能的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試白菜品種為豐抗80，購自河北神禾種業有限公司。

1.2 方法

2018年9月，從山西運城農業職業技術學院的實驗基地田土里挖取適量的土壤。土壤理化性質：鎘含量（w，后同）0.19 mg·kg-1，速效鉀119.80 mg·kg-1，全氮1.85 g·kg-1，全磷1.60 g·kg-1，有機質20.54 g·kg-1）。將土壤置于實驗室內自然通風陰干。粉碎后，用0.2 cm×0.2 cm的篩網進行過篩，并充分攪拌混勻。試驗設置6個水平的土壤鎘含量，根據試驗設置，人工加入鎘質量濃度為50 mg·L-1的CdCl2溶液適量，分別制成鎘含量為0（CK，即不加鎘溶液的原土，默認為對照）、5、10、20、30、40 mg·kg-1的對照組和試驗組土壤基質。

2018年10—11月，在山西運城農業職業技術學院的實驗室和溫室分別進行種子萌發和植株生長試驗。萌發時，在培養皿中墊2張濾紙，而后分別加入0、5、10、20、30、40 mg·kg-1的鎘溶液10 mL，以蒸餾水為空白對照，即CK。每個處理3次重復，每個重復50粒種子。培養皿放在25 ℃的恒溫光照培養箱中進行培養，光照/黑暗周期為：12 h/12 h，光照度為2000 lx。植株生長試驗時，先在溫室里的育苗床上，對小白菜統一育苗;而后將已制備好的含鎘土壤基質裝入一次性塑料花盆（上底×下底×高=240 mm×190 mm×210 mm），用電子秤稱量，確保每盆的質量一致。當幼苗長出2～3片真葉時，將幼苗移栽至已備好的花盆里，并置于溫室中培養。每個處理重復15盆，每盆栽植1棵小白菜。45 d后，對樣品進行全株式采樣，并將樣品保存備用。

1.3 指標測定及方法

每間隔24 h，統計白菜的萌發情況，當萌發停止時，計算種子的發芽率和發芽勢。發芽率/%=發芽種子數/供試種子數×100，發芽勢/%=萌發到達高峰期時的發芽種子數/供試種子數×100，發芽指數（GI）=∑（Gt/Dt），活力指數（VI）=S×GI。式中，Gt為處理t日的發芽數，Dt為相應的發芽天數，S為幼苗根長。

用硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛（MDA）含量;采用NBT光還原比色法測定抗氧化酶系統的超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈瘡木酚法測定過氧化物酶（POD）活性，采用紫外分光光度法檢測[12]過氧化氫酶（CAT）活性。小白菜植株的地上和地下部分鎘含量檢測參照國標（GB/T 5009.15—2014）。

1.4 數據分析

利用Microsoft Excel 2016對數據進行統計與整理，用SPSS 2.0軟件進行處理與分析，并用Graph Pad Prism 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 鎘脅迫對小白菜種子萌發的影響

由表1可以看出，在鎘脅迫下，小白菜種子發芽率存在低劑量刺激效應，即在鎘含量為5 mg·kg-1時，種子發芽率為96.00%，高于對照，但與對照差異不顯著。隨著鎘含量增大，小白菜種子萌發特性呈現出與鎘含量呈負相關的趨勢。在鎘含量≥20 mg·kg-1時，小白菜的發芽率和發芽勢急劇下降;當鎘含量為40 mg·kg-1時，種子的發芽率和發芽勢均最低，僅為18.67%和12.67%，與對照相比，分別降低了80.41%和85.15%。當鎘含量為5 mg·kg-1時，小白菜種子發芽指數為24.45，略高于對照，但與對照差異不顯著;活力指數則為87.50，與對照差異不顯著。當鎘含量為20 mg·kg-1時，種子發芽指數和活力指數也急劇降低，分別僅為16.87和37.08，均顯著低于對照。隨著鎘含量進一步提高，達到本試驗最高含量時，發芽指數和活力指數僅為4.13和6.97。這表明在高含量下，鎘嚴重抑制了種子的萌發和幼苗根系的生長。

2.2 鎘脅迫對小白菜植株抗氧化酶活性和MDA含量的影響

由圖1可以看出，在鎘脅迫下，各處理組抗氧化酶活性均顯著高于對照，對照小白菜植株SOD、POD和CAT活性均最低，分別為150.44、63.73、39.53 U·g-1。隨土壤鎘含量增大，SOD酶和POD活性呈先升高而后下降趨勢，CAT酶活性則與土壤鎘含量呈正相關。當鎘含量為30 mg·kg-1時，處理組SOD和POD活性均達到最大，分別為244.51 U·g-1和167.71 U·g-1，分別是對照的1.63倍和2.63倍。當鎘含量為40 mg·kg-1時，處理組的CAT活性達到最大，為174.78 U·g-1，是對照的4.42倍。

由圖2可以看出，小白菜植株MDA含量（b，后同）呈現隨著鎘含量升高而顯著上升趨勢。其中，對照植株MDA含量最低，為1.16 μmol·g-1。當鎘含量分別為5、10、20、30、40 mg·kg-1時，小白菜植株MDA含量分別為1.50、2.03、2.72、3.32、4.14 μmol·g-1，分別是對照組的1.27、1.72、2.30、2.80、3.50倍。這表明小白菜植株的細胞膜系統受到了鎘的脅迫和毒害，植株生長發育受到抑制。

2.3 鎘脅迫對小白菜不同部位鎘積累的影響

由圖3可以看出，隨土壤鎘含量升高，小白菜對鎘的富集增大，小白菜植株地上部分、地下部分鎘含量均顯著增加。在土壤鎘含量相同情況下，對照和鎘處理組小白菜植株的地下部分鎘含量均大于地上部分。這表明小白菜對于鎘的吸收和富集，其地下部分相對高于地上部分。

進一步分析可以看出，對照白菜植株也有一定的鎘含量，地上部分為0.031 3 mg·kg-1，地下部分為0.063 7 mg·kg-1，表明試驗用的土壤含有重金屬鎘。當土壤鎘含量為5 mg·kg-1時，小白菜植株的總體鎘含量為0.347 3 mg·kg-1，地上與地下部分鎘含量分別為0.118 6、0.228 7 mg·kg-1。在該鎘污染水平下，小白菜的鎘總體含量超過國家標準（國標GB 2762—2017，葉菜類Cd≤0.2 mg·kg-1 ，以鮮質量計）;然而就小白菜地上食用部分而言，其鎘含量僅為0.118 6 mg·kg-1，尚遠低于國標。隨著土壤鎘含量的進一步提高，其植株的總體鎘含量、地上與地下部分的含量均顯著高于國標。當土壤鎘含量為40 mg·kg-1時，地上與低下部分的鎘含量均達到最高，分別為3.966 mg·kg-1和7.316 mg·kg-1。

3 討論與結論

植物種子萌發和幼苗生長不僅是其生活周期的起點，也是感知外界環境因素變化的最初生命階段[5]。重金屬對植物種子萌發的影響，通常有“低劑量”刺激效應，即低濃度促進萌發，高濃度則抑制萌發的現象;在臨界值處，隨著重金屬離子濃度提高，植物的自我防御機制將受到破壞，引起代謝紊亂，生長發育受到影響[1]。彭昌琴等[13]研究重金屬鎘對尾穗莧種子萌發特性的影響時發現，在鎘質量濃度較低時（0～50 mg·L-1），發芽率與鎘質量濃度呈正相關;而鎘質量濃度大于50 mg·L-1時，二者則呈負相關。本試驗也發現類似的結果，即土壤鎘含量對小白菜的萌發也有低劑量促進，高劑量抑制的特性，但是綠葉蔬菜的鎘耐受性相對尾穗莧較低。

抗氧化系統是植物的重要保護機制，對重金屬脅迫下種子的萌發有重要的保護作用[1]。丙二醛是細胞膜脂質過氧化產物之一，可以對細胞膜造成損傷，增加膜的通透性[14]。植物在逆境脅迫下，為了防止生物膜脂過氧化，植物抗氧化酶的活性會發生相應的變化，SOD、POD與CAT等酶的活性將提高而清除過量的氧自由基和丙二醛，以應對或緩解脅迫因子對膜系統的傷害[15]。低濃度Cd2+脅迫下， 蔬菜體內抗氧化酶活性呈上升趨勢， 當Cd2+濃度達到或超過一定范圍后， 活性氧清除酶的能力則會降低[1-2]。本研究結果表明，隨著鎘含量的增大，小白菜的SOD和POD的活性先升高后降低，但均顯著高于對照;CAT的活性則隨著鎘含量的增加而提高。這和張睿等[16]、何俊瑜等[17]關于鎘脅迫下苦蕎與小麥幼苗生長發育的結果相一致。同時，隨著植物受脅迫程度的加大，抗氧化酶活性提高，有機體MDA也將逐漸積累;當脅迫程度超過臨界值時，抗氧化酶活性受到抑制，MDA將進一步積累，破壞生物膜系統，影響植物的生長發育[18-19]。試驗結果表明，當土壤鎘含量為40 mg·kg-1時，幼苗的MDA含量顯著高于前面處理，而SOD和POD酶活性則顯著低于30 mg·kg-1的處理。這表明在40 mg·kg-1鎘的脅迫下，小白菜的SOD、POD酶喪失對膜系統的保護作用。

不同植物品種對重金屬的耐受性和積累能力有較大差異，同一品種不同部位對于重金屬的積累也有所不同[19-21]。本試驗結果表明，在不同鎘含量處理下，小白菜豐抗80植株不同部位對重金屬鎘的富集能力有較大差異，其地下根系的富集能力強于地上莖葉部分。這也與前人研究報道一致[2，7-8，19]。同時，在低鎘含量（5 mg·kg-1）污染下，小白菜植株的總體鎘含量為0.347 3 mg·kg-1，地上與地下部分鎘含量則分別為0.118 6和0.228 7 mg·kg-1;而國標GB 2762—2017規定：葉菜類蔬菜的重金屬鎘含量≤ 0.2 mg·kg-1則為安全。鑒于土壤環境復雜多樣，而且不同栽培模式、不同品種對鎘的富集能力存在顯著差異[7，19]，因此，小白菜對鎘的耐受性評價還應該結合更多的品種進行更深入的研究。

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