镉胁迫对油菜生长发育中生理生化特性的影响

苑丽霞　孙毅　杨艳君

摘要[目的] 为了研究不同浓度的Cd2+胁迫对油菜种子的发芽、生长、叶绿素含量以及超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性和丙二醛（MDA）含量等生理生化特性的影响。[方法]以3个油菜品种四月慢、100金牌华冠、日本花冠为供试材料，采用砂培法。[结果] Cd2+胁迫对油菜的发芽情况、株高、鲜重、SOD活性、POD活性、MDA含量的影响均为极显著（P<0.01）；低浓度的Cd2+胁迫对油菜的生长有刺激作用，可以提高发芽率和发芽势、株高、鲜重，高浓度的Cd2+胁迫对油菜的生长有抑制作用；当Cd2+浓度为0002/L水平时，油菜种子发芽率、植株的株高、鲜重、叶绿素含量达到最高值，差异达到极显著（P<0.01）；且在3个品种中，100金牌华冠的相应值最高，显著高于另外2个品种（P<0.05）；低浓度的Cd2+胁迫对油菜有刺激作用，可以促进SOD活性、POD活性、MDA含量的提高，高浓度的Cd2+胁迫对油菜的生长有抑制作用；当Cd2+浓度为0.01 mg/L时，油菜SOD活性、POD活性达到最高值，当Cd2+浓度为0.02 mg/L時，Cd2+对植物的伤害已超出保护性酶对植物调节和保护作用的能力；在3个品种中100金牌华冠的对应值最高，也与四月慢和日本花冠2个品种呈显著差异（P<0.05）；当Cd2+浓度为0.005 mg/L水平时，油菜MDA含量达到最高值，呈极显著差异（P<001），表明加重了植物体脂质过氧化的程度和细胞损伤的程度。[结论] 该研究可以为我国煤矿集中地区农田土壤镉污染的治理以及农产品的安全保障提供科学依据。

关键词油菜；镉胁迫；生理生化特性

中图分类号S634.3文献标识码A文章编号0517-6611（2014）09-02544-04

基金项目山西省科技攻关项目（20110311009）。

作者简介苑丽霞（1979-），女，山西武乡人，讲师，从事植物生理生化与基因工程方面的研究。*通讯作者，研究员，博士，从事植物生化与基因工程方面的研究。

镉（Cd）是对人体和植物有毒害作用的重金属元素之一。在自然界中，镉多以化合态存在，常与锌、铅等共生。自20世纪初以来，镉的产量逐年增加。随着采矿业的发展，相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境，农田土壤Cd污染日趋严重[1]。Cd污染问题已成为威胁土壤生态安全和制约农业可持续发展的重要因素。植物体内富集镉，通过食物链进入人体，引起慢性中毒。不同植物种对镉吸收和积累存在差异。不同植物种对镉具有不同的生理生化反应[2-3]。油菜作为一种主要的蔬菜被广泛种植。近来有关对水稻[4-5]、小麦[6]、 大豆[7]、玉米[8-9]、拟南芥[10]、小白菜[11]、烟草[12]等在镉胁迫下的生理生化反应已有了文献报道，但对于镉胁迫下油菜生长发育中生理生化特性的系统研究还很少。笔者采用室外盆栽试验，对镉胁迫下油菜整个生长发育中生理生化变化过程进行初步研究，旨在筛选油菜镉污染胁迫的诊断指标，并且进一步探讨油菜受镉污染的预警机制，以期为我国煤矿集中地区农田土壤镉污染的治理以及农产品的安全保障提供科学依据。

1材料与方法

1.1试验材料选用3个油菜品种，分别为四月慢、100金牌华冠和日本花冠小油菜，由山西农业科学院提供。

1.2试验方法选取籽粒饱满、大小一致、无病虫害的油菜种子，用浓度0.1% KMnO4消毒15 min，并且用蒸馏水洗净，晾干后摆放到平铺3 层滤纸的培养皿中（所用培养皿、滤纸要提前高压蒸气灭菌），每皿50粒。各皿分别加入浓度为 0（CK）、0.001、0.002、0.005、0.010、0.020 mg/L 的Cd2+溶液10 ml，以种子湿润为宜，在（25±1）℃、普通光照条件下培养，以蒸馏水作对照，设3次重复。每天定时观察，种子的胚芽出现则认为萌发，连续6 d观察、记录其发芽情况，直至蒸馏水对照的发芽率不再变化为止。

1.3测定方法待油菜幼苗第2片真叶全部展开7 d后（播种后第27天），每隔7 d取油菜植株顶端全部展开的第3叶片测定生理生化指标，直至油菜成熟。同时，测定油菜整株生物量（鲜重）和油菜植株茎基部至顶芽的高度表示植株高度。

超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用氮蓝四唑（NBT）法[14]，用南京建成生物工程研究所的SOD试剂盒测定，利用紫外分光光度计在560 nm波长下测定吸光度，以每毫升反应液SOD抑制率达到50%时所对应的SOD量为一个SOD活力单位，单位用U/g表示； 过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚显色法[15]， 利用紫外分光光度计在470 nm波长下比色，酶活性以每分钟内吸光度A470变化0. 01为一个酶活性单位，单位用U/（min·g）表示；丙二醛（MDA）含量的测定采用TBA （硫代巴比妥酸）法[14]测定，利用紫外分光光度计在532、600、450 nm下测定吸光度值，单位为μmol/g；叶绿素含量测定用浓度95% 酒精浸提研磨叶片，分光光度计（SPECORDS600）比色测定，计算总叶绿素含量，单位为mg/g[7]。

将培养皿放在人工气候箱中，昼/夜温度为28℃/25℃，湿度60%，光照强度为134 μmol/（m2·s），以胚根长0.2 mm作为种子发芽标志，在第2～7天统计发芽种子数，第7天收获，并从每个培养皿中取有代表性的5株，测量其根长、芽苗长、芽苗鲜重、根鲜重，并且计算平均值。将收获的芽苗在液氮中速冻后保存在-80 ℃冰箱中备用。

1.4数据处理利用软件DPS进行统计分析。试验数据用平均值+标准差表示。区组间数据差异进行t检验。利用Excel进行数据处理与作图。

2结果与分析

2.1镉胁迫对油菜种子萌发的影响由表1可知，在Cd2+胁迫下，3个品种的油菜种子受到刺激作用，促进油菜种子的萌发。发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均随着Cd2+浓度的升高均呈上升趋势。与对照相比，当Cd2+浓度达到0002 mg/L时，发芽率达到最高值，并且与对照有005水平显著差异。而后随着Cd2+浓度的提高转而抑制发芽，方差分析表现为差异在001水平显著。同时，3个品种油菜种子的发芽情况对Cd2+胁迫的耐受能力相当，不存在差异。

2.2镉胁迫对油菜植株生长的影响由图1、2可知，低浓度的Cd2+胁迫对油菜植株的株高和鲜重都具有刺激效应，但随着Cd2+浓度的增加，转而抑制油菜植株株高和鲜重，且浓度越高，其抑制作用越明显。与对照相比，当Cd2+浓度达到0.002 mg/L时，对油菜植株株高和鲜重的刺激效应最大；当Cd2+浓度继续升高时，对油菜植株株高与鲜重的增长受到001水平显著抑制，且随着浓度的增加其抑制作用逐渐加强。

不同浓度的Cd胁迫对油菜株高的影响图2不同浓度的Cd胁迫对油菜鲜重的影响安徽农业科学2014年2.3镉胁迫对油菜叶绿素含量的影响植物体内的叶绿素与光合作用、氮素营养有密切关系。由图3可知，一定浓度的Cd2+胁迫对油菜幼苗期叶片叶绿素的合成具有刺激效应，当外源Cd2+浓度为0.002 mg/L 时其刺激效应最大，但随着Cd2+浓度的进一步增加转而抑制叶绿素含量的提高。

不同浓度的Cd胁迫对油菜叶绿素含量的影响2.4镉胁迫对油菜SOD活性的影响由图4可知，在不同Cd2+浓度下，四月慢、100金牌华冠、日本花冠3個品种SOD活性变化趋于一致，均随着Cd2+浓度的增加而提高，说明一定量的镉胁迫会使油菜植株SOD活性提高。当Cd2+浓度达到0.01 mg/L时，油菜SOD活性达到最大值，而后随着Cd2+浓度的提高有所下降，且差异达0.01显著水平。其中，100金牌华冠在0.01 mg/L Cd2+胁迫下SOD活性最高，并与其他2个品种都有0.05水平显著差异。

不同浓度的Cd胁迫对油菜SOD活性的影响2.5镉胁迫对油菜POD活性的影响由图5可知，与对照相比，随着Cd2+浓度的增加，不同的油菜品种POD活性逐渐升高，当Cd2+浓度达到0.01 mg/L水平时，POD活性达到最高，当Cd2+浓度达到0.02 mg/L水平时，POD活性又有下降趋势。统计分析结果表明，POD活性随外源Cd2+浓度的增加与对照组相比差异呈0.01水平显著。其中，日本花冠在Cd2+浓度为0.02 mg/L胁迫下，POD活性有下降趋势，但维持在较高水平。

图5不同浓度的Cd胁迫对油菜POD活性的影响2.6镉胁迫对油菜MDA含量的影响由图6可知，当外源Cd2+胁迫维持一定水平时，油菜中MDA含量随着Cd2+浓度的增加而增加，当Cd2+浓度为0.005 mg/L水平时，油菜MDA含量达到最大值，而后随着Cd2+浓度的提高有所下降，差异在0.01水平显著。这表明油菜对Cd2+的毒害作用是有一定耐受范围的。当Cd2+浓度达到0.005 mg/L水平时，3个品种的MDA含量没有显著差异。

3结论与讨论

镉是对人体有害的元素之一。它比其他重金属易被农作物所吸附。相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境而造成污染。当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体，引起慢性中毒。所以，近几年镉对植物的毒性效应被广泛研究。

Cd2+胁迫能有效地促进植株体内生长素（IAA）的生物合成[16]，而IAA能显著增加植株高度和生物量[17-19]。研究表明，油菜种子发芽情况均随着Cd2+浓度的变化而变化，低浓度的Cd2+对油菜发芽有刺激作用，高浓度的Cd2+能抑制油菜种子的发芽，且浓度越高抑制作用越明显。当Cd2+浓度达0002 mg/L时，发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数均达到最大值。油菜株高、鲜重开始受到抑制的Cd2+浓度为0.005 mg/L，远高于油菜种子发芽率受到抑制的浓度，说明油菜种子发芽阶段对Cd2+的敏感性高于油菜生长后期。有研究表明，当Cd2+浓度高于0.002 mg/L时，对油菜植株株高与鲜重的增长有显著的抑制（P<0.01），且随着浓度的增加其抑制作用逐渐加强。这表明油菜株高和鲜重的受抑制程度对土壤Cd2+污染程度具有一定的指示作用。

有研究表明，叶绿体合成、光合作用植物生理过程也会受到低剂量的Cd2+的影响而失调[20]；高浓度的Cd2+会对植物构成毒害作用[21]；在镉胁迫下植物细胞中活性氧增加，参与对叶绿素的降解[22]，或直接破坏叶绿体微结构，使得叶绿素含量降低[23]。该研究表明，低浓度的Cd2+对油菜叶绿素含量有刺激作用，高浓度的Cd2+能抑制油菜叶绿素含量的积累，且浓度越高抑制效果越明显。当Cd2+浓度达到0002 mg/L水平时，叶绿素含量达到最大值。

SOD是植物清除体内多余的·O2和H2O2等活性氧的重要酶，对抵御多种理化因子胁迫、减少活性氧积累、维护细胞膜结构完整等起着重要作用[24]。该酶的活性在一定程度上随植物细胞代谢活动的增强而上升[25]。该研究表明，3种油菜品种的SOD活性均随着外源Cd2+胁迫浓度的增加而逐渐升高并维持在较高水平，当外源Cd2+胁迫浓度达到0.01 mg/L水平时达到最大值，随后SOD活性随着外源Cd2+胁迫浓度的增加而下降，其中100金牌华冠品种的油菜SOD活性最高。这表明随着环境中Cd2+浓度的增加，油菜植株抗逆性逐渐增强，在一定浓度范围内Cd2+胁迫能刺激油菜SOD 活性，激发油菜植株抵抗逆境的防御机制，且浓度越高刺激效应越大；但是，刺激效应有一定限度，超出这个限度就会导致油菜SOD 活性急剧降低。过高的Cd2+浓度胁迫已对油菜构成毒害作用，致使油菜SOD活性的急剧下降。

POD普遍存在于植物体内，在植物的生长、发育以及植物对环境的应答方面起着重要的调节和保护作用[26-27]。该研究表明，3种油菜品种的POD活性均随着外源Cd2+胁迫浓度的增加而升高，外源Cd2+胁迫浓度为0.01 mg/L水平时达到最大值，随后POD活性随着外源Cd2+胁迫浓度的增加而下降。其中，日本花冠的POD活性在3个品种中虽未达到最高值，但当外源Cd2+胁迫浓度高于001 mg/L水平时仍能持续在较高水平。这表明油菜在受到外源Cd2+胁迫时，其植株的保护酶POD 活性得到加强，并且激发植株自身的防御机制，在一定程度上抵制和清除因Cd2+胁迫而引起的对植物构成的脂膜过氧化及其他伤害过程；但是，由于它促进植物细胞壁中半纤维素、果胶质等发生交链，形成木质素，阻止细胞伸长，从而抑制油菜植株的生长。

MDA含量可反映機体脂质过氧化的程度，间接地反映细胞损伤程度。该研究表明，油菜叶片MDA含量随着Cd2+胁迫浓度的提高而急剧增加，外源Cd2+胁迫浓度为0005 mg/L水平时达到最大值，随后MDA含量随着外源Cd2+胁迫浓度的增加而下降。油菜MDA含量受到抑制的Cd2+浓度为0.01 mg/L，远低于SOD、POD活性开始受到抑制的浓度0.02 mg/L，说明油菜MDA含量对Cd2+的敏感性高于油菜SOD、POD活性对Cd2+的敏感性。由此可知，油菜MDA含量的抑制程度对土壤Cd2+污染程度具有一定的指示作用。

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