表油菜素內酯對鎘脅迫下黃瓜生長生理的調控效應

中圖分類號：S642.201 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）11-0127-06

鎘（Cd）是一種非必需元素，會對植物產生不利的生理影響；它易于在土壤和植物中積累，一旦進入植物體內，鎘往往會從根部快速轉移到地上部分[1]，對植物造成嚴重影響，包括生長速度變慢、光合作用受阻，甚至導致細胞死亡等生理問題[2]。隨著工業化進程的加快，工業廢水和廢渣中所含的鎘污染日益嚴重。另外，在生產過程中，農藥和肥料中也會存在鎘的殘留量，尤其是純度不高的產品，更易引起鎘的累積；這些化肥和農藥的使用，也會進一步加劇土壤中鎘的累積[3]。城市近郊的蔬菜種植地通常接近工業廢水和廢渣處理區，這導致了蔬菜中鎘等重金屬超標的風險增加，可能對它們的正常生長和發育造成嚴重影響[4]

油菜素內酯（brassinosteroid，BR）是一種在植物體內發現的活性高、采用極低濃度處理植物后可表現出顯著的生理效果的第六大植物生長激素，在植物的正常生長發育和對生物、非生物脅迫適應過程中發揮積極作用5，能夠減少重金屬和放射性元素在植物中的累積，改善植物的生理代謝及生長發育，增強其耐性，進而提高作物品質和產量[6-7]。研究表明，BR 在面對高鹽[8-9]、干旱[10]、低氧[1]、高溫[12]、低溫[13]及病菌侵染[14-15]等多種逆境脅迫時，能有效減輕植物損傷的程度。表油菜素內酯（epibrassinolide，EBR）是一種合成的高活性植物生長調節劑，已經廣泛應用于生產。EBR可以減輕逆境引起的氧化性損傷，增加植株的光合作用和生物量。前人研究表明，EBR信號與鎘（Cd）存在交互作用，可調節植物對重金屬的敏感性，EBR對多種植物在重金屬脅迫下具有減緩作用[17]。但有關外源表油菜素內酯EBR與黃瓜在鎘脅迫條件下耐性的研究卻鮮有報道，本研究將黃瓜品種津優1號作為試驗對象，研究EBR對鎘脅迫下黃瓜生長生理的調控效應，揭示EBR在鎘脅迫下的生理調控機制，以期為通過EBR緩解鎘脅迫的農業應用奠定理論基礎。

1材料與方法

1.1 試驗時間和地點

本試驗于2024年4月在太原科技大學玻璃溫室和植物生理實驗室完成。

1.2試驗材料

本研究采用黃瓜津優1號作為研究材料，其種子購自太原市種子公司；所用化學試劑均采用普通分析純，購自上海生物工程有限公司。試驗所用鎘和表油菜素內酯分別以氯化鎘（ CdCl₂?2.5H₂O 和2，4-表油菜素內酯（EBR）的形式加入。

1.3 試驗方法與處理

選取健康的黃瓜種子，在 2% H₂O₂ 中浸泡30min 后采用蒸餾水沖洗5次，在蒸餾水里在泡^1h ，然后在發芽盒中沙床發芽。發芽盒放在恒溫箱中常規培養，每天光照 ^10h ，設置白天（ 25±2 ） C ！晚上（ 20±2 ） C ，濕度 70% ，培養至2葉1心期；選擇生長狀況一致的黃瓜幼苗移植入 3L 的桶內，桶內裝有約 2.5L 的基本營養液，營養液的 pH 值為（6.1±0.1） ，并采用通氣泵持續為營養液通氣。在每個桶的桶蓋上均勻地打出6個孔，其中，外圍5個孔移栽入使用海綿輕柔包裹的黃瓜幼苗，每孔移栽3株長勢均勻的黃瓜幼苗，中間孔用于充氣。對黃瓜幼苗水培移植后緩苗培養第10天進行如下處理：（1）空白對照，基本營養液； （2）EBR，0.15μmol/L EBR;（3）Cd， 50μmol/L CdCl₂ ;（4） Cd+EBR ，50μmol/LCdCl₂+0.15μmol/L EBR;EBR于鎘處理前 24h 添加，每組處理設置3次重復。處理 10d 后取樣并對相關指標進行測定，所有數據使用DPS軟件進行方差分析、利用 LSD 法進行多重比較。

1.4分析測定方法

1.4.1生長指標測定參照文獻[18]中的方法對株高、根長等指標進行測定。生物量相關測定參考孫紅艷等的方法[19]，取樣并洗凈黃瓜幼苗后，將表面水分用吸水紙吸干，使用電子天平準確稱重即為鮮重;將幼苗置于烘干箱中， 105^°C 下殺青 0.5h ，之后 65^°C 烘干至恒重后稱重即為干重。

1.4.2生理指標測定葉綠素含量采用Beligni等的方法[20]測定，準確稱取新鮮葉片 ，采用10mL 提取液（乙醇：丙酮：水 =4.5：4.5：1.0 025^°C 黑暗提取 24h ，過濾后用紫外分光光度計在663，645，470nm 處比色測定其吸光度，分別計算葉綠素a、b和類胡蘿卜素含量;利用LI-6400便攜式光合測定儀測定黃瓜葉片光合參數。

多酚氧化酶（PPO）活性參照林植芳等的方法[21]進行測定。可溶性蛋白含量以Bradford提出的方法[22]進行測定，采用牛血清蛋白繪制標準曲線；可溶性糖含量用Ren等的方法[23]測定，采用蔗糖制做標準曲線；黃酮和總酚含量按照Matic等的方法[24]測定。

2 結果與分析

2.1表油菜素內酯對鎘脅迫下黃瓜幼苗生長指標的影響

由圖1可知，黃瓜幼苗的生長在鎘脅迫下受到明顯抑制。與對照相比，鎘處理后幼苗的根長、株高分別下降了 20.58% ） .15.24% 。添加外源表油菜素內酯（ ）后，黃瓜幼苗的根長、株高較單獨鎘處理升高了 22.5% 和 29.1% （ Plt;0.05 ），并基本恢復到對照水平，表明外源表油菜素內酯緩解了鎘對黃瓜幼苗生長的損傷，促進了黃瓜幼苗生長。

2.2表油菜素內酯對鎘脅迫下黃瓜幼苗生物量積累的影響

由圖2可知，鎘處理導致黃瓜幼苗鮮重和干重受到明顯抑制，根系、莖和葉片干重分別較對照下降了 25.12% ） 9.54% 和 19.78% 。但隨著EBR的添加，復合處理中黃瓜莖和根系的鮮重和干重均比單獨鎘處理顯著增加，根系和莖的鮮重分別增加了51.80% 和11. 16% 、干重分別增加了 39.56% 和16. 85% （ Plt;0.05 ）。由黃瓜整株來觀察，外源表油菜素內酯顯著促進了黃瓜幼苗鮮重和干重的積累，表明外源表油菜素內酯可提高鎘脅迫下黃瓜幼苗的總生物量積累。

2.3表油菜素內酯對鎘脅迫下黃瓜幼苗葉綠素含 量的影響

由圖3可知，與對照相比， 50μmol/L 鎘處理顯著減少了黃瓜幼苗光合色素含量，葉綠素 ^a，b 和類胡蘿卜素含量的下降幅度分別為 27.55% （204 ，32.14% 及 25.58% （ Plt;0.05 ）。加入外源表油菜素內酯后（ Cd+EBR） ，黃瓜幼苗葉綠素a ?^b 和類胡蘿卜素的含量均顯著增加，與單一鎘處理相比，增幅分別為74.65% （204 ，73.68% 及 68.75% 。結果表明， 50μmol/L 鎘對黃瓜幼苗葉綠素合成有抑制作用，但外源表油菜素內酯能顯著促進鎘處理下黃瓜幼苗葉綠素的合成，進而提高黃瓜幼苗的耐鎘性 （Plt;0.05 ）。

2.4表油菜素內酯對鎘脅迫下黃瓜光合參數的影響由表1可知，與對照相比， 50μmol/L 鎘處理下黃瓜幼苗的 P_n，G_s 和 T_r 顯著降低，分別降低34.95% 、45. 45% 和 25.00% （ Plt;0. 05 ）；同時， C_i 顯著提高，增長 34.47% （ Plt;0.05 ）。外源表油菜素內酯（ Cd+EBR） 處理顯著提高了 P_nG_s 和 T_r 的值，與單獨鎘處理相比，添加EBR復合處理使其分別提高了 22.39% 、41. 67% 和 30.95% （ Plt;0. 05 ；此外，表油菜素內酯（ Cd+EBR ）處理也顯著降低了鎘脅迫下黃瓜幼苗的 C_i ，比單獨鎘處理降低了15.34% 。無鎘條件下，單獨EBR處理對黃瓜光合參數無顯著影響。結果表明，EBR可以改善鎘脅迫下黃瓜幼苗的光合作用。

2.5表油菜素內酯對鎘脅迫下黃瓜幼苗多酚氧化 酶活性的影響

由圖4可知，鎘處理降低了黃瓜根系多酚氧化酶PPO活性，比對照降低了 12.94% ；莖和葉片與對照相比無顯著差異。相比于單獨鎘處理，在復合處理中，隨著表油菜素內酯（ Cd+EBR ）的添加，黃瓜幼苗根、莖、葉多酚氧化酶活性均顯著提高，分別增加了 16.48% .10.84% 及 97.48% （ Plt;0.05 ）；表明

0.15μmol/L 油菜素內酯對鎘脅迫下黃瓜根系、莖和葉片多酚氧化酶活性的提升具有一定促進作用。

2.6表油菜素內酯對鎘脅迫下黃瓜可溶性蛋白、可溶性糖、黃酮、總酚含量的影響

由表2可知，相比于對照，鎘處理下黃瓜幼苗根系、莖和葉片中可溶性蛋白含量分別降低了35.93% （204號 28.23% 和 26.69% 。而相比于單獨Cd處理， Cd+EBR 處理使黃瓜幼苗根、莖和葉片蛋白質含量分別提高了 38.32%.26.97% 和 22.12% 。與對照相比，鎘脅迫將黃瓜幼苗根系和莖可溶性糖含量顯著提高了 36.13% 和 23.23% （ Plt;0.05， ，但葉片可溶性糖含量無顯著差異；與單獨鎘處理相比，鎘和表油菜素內酯復合處理將根系可溶性糖含量顯著降低 34.39% （ Plt;0.05 ），而莖和葉片可溶性糖含量無明顯變化。

相比于對照，鎘脅迫下黃瓜幼苗各組織中的類黃酮含量也有明顯的提高，而添加外源表油菜素內酯（ 對黃瓜葉片中黃酮類化合物含量的影響不大，而根系和莖中黃酮含量較單獨鎘處理顯著降低 19.44% 和 23.81% （ Plt;0.05 ）。同時，鎘脅迫顯著升高了黃瓜莖和葉的總酚含量，相較于對照分別增長了 19.35% 和 21.64% （ Plt;0.05 ），外源EBR（ Cd+EBR） 處理與單獨鎘處理相比，黃瓜組織中總酚含量無顯著差異。

3討論與結論

鎘是高危害有毒重金屬，它極易在土壤中遷移，并通過根系吸收、運輸到地上部積累，再通過食物鏈進入到動物和人類體內，從而給動植物生長及人類的健康帶來巨大的威脅[25-26]。BR 是一類甾醇類植物激素，它在植物的生長發育過程中扮演著重要角色，促進細胞分裂和發育，改善植物代謝，增強植物的抗逆性，促進生長發育和提高產量品質[27]。但EBR與黃瓜對Cd耐性關系的研究卻鮮見報道。故本研究采用營養液水培法，測定油菜素內酯對鎘脅迫下黃瓜幼苗生理特性指標，分析油菜素內酯在黃瓜應答鎘脅迫中的調節作用。

生物積累量可作為評估植物逆境耐受性和適應性的重要指標之一，反映了植物對環境變化的直接響應和生存策略[28]。已有研究表明，植物體內過多的非必需鎘元素積累會對其生長和發育產生負面影響。鎘的積累會導致細胞分裂速度減慢，根系生長受到阻礙，同時還會影響植物對其他必需礦物元素的吸收和利用效率；這些效應綜合作用下，從而使植物的鮮重、干重減少[29]。本試驗表明，單獨鎘脅迫使黃瓜幼苗的根長、株高均下降，而添加外源表油菜素內酯使黃瓜幼苗根長、株高顯著增加。說明表油菜素內酯能促進細胞分裂，而使黃瓜幼苗的生物量得到積累，其原因可能是EBR通過調節細胞壁的合成和修飾，增強了細胞壁的可塑性。具體來說，EBR可刺激ATP酶活性，導致細胞壁中大量H⁺ 泵的運輸，這有助于細胞壁松弛和伸長過程中的細胞外 pH 值調節。這種作用有助于促進細胞伸長和分裂，從而促進整體的生長和發育過程[30]

在已有研究中，Hasan等發現，EBR可調節番茄幼苗的生長和發育過程，同時也被發現具有一定的抗逆性作用，特別是在重金屬脅迫下[31]。在菜豆中也發現類似效應，Rady研究發現，1mmol/LCd脅迫下，5 μmol/L EBR 噴施促進了菜豆植株的生長[32]本試驗中，鎘處理下黃瓜幼苗的生物量顯著降低，50μmol/LCd+0.15μmol/L EBR復合處理顯著促進了黃瓜幼苗莖和根系干重和鮮重的增加。此結果與前人研究類似，表明外源施用油菜素內酯能夠減輕鎘對黃瓜幼苗的毒害作用，從而促進幼苗生長。

葉綠素含量與光合速率之間存在著一定聯系，植物葉片的光合速率隨著其葉綠素含量的增加而提高[33]。可見，葉片中的光合色素水平可被用來評價植物對重金屬的耐性。一般情況下，鎘毒害會降低葉綠素含量，導致光合作用受到抑制，從而影響植物的生長和光能利用效率。然而，通過添加外源表油菜素內酯，可有效提升葉綠素的合成能力，增加其含量，進而促進光合作用的進行。這種作用機制顯著提升了植物的光合效率，表現為增強植物的P_nG_s 和 T_r 指標，同時降低了 C_i 。說明外源表油菜素內酯能顯著緩解鎘對黃瓜葉綠素生物合成量的抑制，防止葉綠素降解，可提高黃瓜光合作用，進而提高黃瓜幼苗的耐鎘性。

此外，表油菜素內酯對多酚氧化酶活性也有不同程度的影響。本試驗表明，與對照相比， 50μmol/L 鎘處理能在一定程度上降低黃瓜根系多酚氧化酶的活性，而 0.15μmol/L 表油菜素內酯對黃瓜葉中多酚氧化酶活性有促進作用，但對根系和莖部的PPO活性無明顯促進作用。在 Cd+EBR 復合處理中，油菜素內酯的添加顯著提高了鎘脅迫對黃瓜根系、莖和葉PPO活性的降低，其中，葉中的PPO活性與單獨鎘處理相比提高幅度最高，達 97.48% ，表明 鎘對黃瓜幼苗各部分的多酚氧化酶活性作用效果不同，其原因可能是 50μmol/L 鎘濃度尚未達到危害莖葉中多酚氧化酶的活性；在鎘和EBR復合處理下， 0.15μmol/L EBR可能處于提升鎘處理下黃瓜幼苗葉中多酚氧化酶活性的最佳濃度范圍內，且鎘處理下黃瓜幼苗各部位的多酚氧化酶活性對 0.15μmol/L EBR的敏感度不同。

在非生物脅迫的情況下，植物蛋白質合成對于抵抗脅迫至關重要[35]。鎘脅迫通常會導致植物細胞的核酸和細胞膜受損，從而降低蛋白質的生物合成能力，如鎘脅迫使降低煙草各組織中的可溶性蛋白含量降低[36-37]。本研究發現，外源施加表油菜素內酯（EBR）顯著改善了鎘誘導的可溶性蛋白含量變化，這種現象可能是因為鎘脅迫導致了黃瓜幼苗代謝活性受損以及與蛋白質合成相關酶活性下降。Khan 等在棗椰樹中也發現了類似的結果[38]

植物在面對鎘毒害時，通過多種機制來應對，其中包括解毒ROS、維持細胞膜完整性、保持酶活性穩定以及調節滲透壓[39]。可溶性糖在植物中不僅是能量的重要來源，還在維持細胞內外的滲透壓平衡中起到關鍵作用。本研究中，鎘脅迫下黃瓜幼苗中可溶性糖和類黃酮化合物含量有所增加，然而，外源添加表油菜素內酯（ Cd+EBR ）卻減少了鎘脅迫引起的可溶性糖和黃酮類化合物的積累，這種減少可能表明，表油菜素內酯通過某種方式緩解了鎘毒害對植物造成的影響，Mauad等也發現了相似的結果[40]。在面對鎘脅迫時，植物通常會調整其相關滲透調節物質的含量，這些含量的變化通常與鎘脅迫的強度、品種的抗性差異、滲透調節物質的類型有關。因此，植物在鎘脅迫下的這種滲透調節物質調控策略會使植物適應環境壓力并維持生長和代謝的相對穩定。

綜合分析可知，外源表油菜素內酯可有效減輕鎘毒害對黃瓜幼苗產生的不同程度的損傷，主要通過促進黃瓜幼苗生長及生物量的積累，提高光合色素含量、光合效率和多酚氧化酶活性，維持滲透壓來抵抗鎘毒害；鎘脅迫下，添加外源油菜素內酯對黃瓜分子層面的調控作用，還有待進一步深入研究和探討。

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