镉胁迫对菠菜和油菜早期生长的影响

陈花，王建军，杨斌

（1.榆林学院生命科学学院，陕西榆林719000；2.榆林学院能源工程学院，陕西榆林719000）

镉胁迫对菠菜和油菜早期生长的影响

陈花1，王建军2，杨斌1

（1.榆林学院生命科学学院，陕西榆林719000；2.榆林学院能源工程学院，陕西榆林719000）

为了解重金属镉对蔬菜早期生长的影响，以菠菜和油菜2种不同蔬菜种子为材料，研究了不同Cd2＋浓度下种子萌发和幼苗生长的情况。结果表明，油菜在Cd2+质量浓度为10 mg/L时，其种子的发芽势、发芽率、发芽指数、种子活力指数和幼苗的株高、叶绿素含量均高于对照组；菠菜种子在Cd2+质量浓度为25 mg/L时，发芽指数和种子活力略高于对照组，在Cd2+质量浓度为10 mg/L时，叶绿素含量高于对照组；其余处理浓度各指标均低于对照组。不同蔬菜种子对镉胁迫反应不一致，油菜具有更强的抗镉胁迫能力。

镉；发芽指标；形态学指标；叶绿素

随着全球经济的迅速发展以及人们日常生活水平的提高，环境污染及食品安全问题越来越引起人们的关注。含重金属的污染物以各种途径进入土壤，造成土壤重金属污染[1-2]，如果食用了这些被重金属污染的动植物，动植物中积累的重金属会通过食物链进入人体，毒性会在人体内慢慢积累，给人类健康带来潜在的危害[3]。镉是环境中最普遍存在和危害性较强的重金属，我国的农田土壤、城市土壤均在不同程度上受到了镉的污染。对以种子为主要繁殖方式的植物，重金属首先会伤害种子萌发[3]和幼苗生长阶段，而种子萌发时期的生长状况直接影响作物后期的生长[4]。因此，研究种子在萌发阶段和早期生长阶段受重金属污染的影响就显得尤为重要。研究表明，一定浓度的Cd对小麦、玉米的发芽率、幼苗生长、根的伸长均有抑制作用[5]。目前，关于镉对蔬菜种子萌发和幼苗生理生化作用的研究尚不多见。菠菜（Spinacia oleracea）、油菜（Brassica campestris L）分别为藜科、十字花科植物，是人们日常食用的绿色蔬菜，其具有较高的营养价值，而且对自然环境具有很强的适应能力和生存能力，耐粗放管理，适合大面积种植。

本试验研究了CdCl2溶液对菠菜和油菜早期生长的影响，通过测定不同浓度的CdCl2溶液对菠菜和油菜种子萌发期发芽指标（发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数）以及幼苗三叶期形态学指标（根长、株高）和叶绿素含量的影响，以综合评价菠菜和油菜对镉的耐受性程度，旨在为研究其他蔬菜种子受重金属的影响程度及蔬菜产品的安全性奠定理论和实践基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试油菜品种为乐油4号（四川农大高科农业有限责任公司）；菠菜品种为春秋大叶菠菜（郑州神牛种苗有限公司）。

1.2 供试种子的处理及培养

首先挑选颗粒饱满的种子，用沉降法再挑选饱满的种子，对种子进行消毒处理，油菜和菠菜种子用30%双氧水浸种1 h。处理后果皮变薄，用水冲洗后，透过果皮可清晰地看到种皮，说明浸泡程度适宜，再用自来水冲洗干净。将2种蔬菜种子浸泡于20℃的温水中，3 h后将种子均匀摆放在培养皿中，每皿30粒，然后每个培养皿加入等量蒸馏水，将Cd以CdCl2的形式溶入水中，配制成不同浓度的CdCl2溶液（Cd2+质量浓度为10，25，50，100 mg/L），以不加CdCl2为对照（CK）。用不同浓度的CdCl2溶液处理种子，油菜种子置于25℃左右温度下催芽，菠菜种子置于20℃左右温度下催芽，每个处理设3个重复。之后每天用称重法向各培养皿中加入散失的水分，以尽量减少水势变动。幼苗初期将其放入GZ-025型全自动光照培养箱（温度为（25±2）℃，昼夜光照时间为12 h/12 h，光照强度15 000 lx）中育苗，并向培养皿中加入营养液，满足其生长所需，待其长到三叶期测量幼苗的根长、株高和叶绿素含量。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 发芽指标的测定[6]当种子泡胀开始萌动后，每日观察发芽与出苗情况，并按郑光华[7]的方法计算发芽指标。

发芽势＝3 d内种子发芽数/供试种子数× 100%；发芽率＝7 d内种子发芽数/供试种子数× 100%；发芽指数GI＝∑（Gt/Dt）；活力指数VI＝S×∑（Gt/Dt）。

式中，Gt为不同时间的发芽数，Dt为相应的发芽日数；S为一定时期内幼苗生长势，用萌发试验结束时每株苗的平均鲜质量（FW）表示。

1.3.2 根长、株高指标的测定选取每个培养皿长势一致的10株幼苗，用直尺测定其根长、株高。最后求出平均值即为每株幼苗的平均根长或者平均茎长。

1.3.3 叶绿素含量的测定采用分光光度法[8]测定叶绿素含量。

1.4 数据分析

试验所有数据均采用Microsoft excel进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 重金属镉对菠菜和油菜种子发芽指标的影响

从表1可以看出，随着CdCl2溶液浓度的增加，2种蔬菜种子的发芽指标变化呈不同趋势。与对照组相比，当CdCl2溶液质量浓度为25 mg/L时，菠菜种子除发芽指数略高于对照组外，其余指标在Cd-Cl2溶液各浓度胁迫下均低于对照组，且质量浓度高于25 mg/L时，CdCl2对菠菜种子的发芽指标抑制效果更加明显；而油菜在CdCl2溶液质量浓度为10 mg/L时，对种子的发芽均起到了促进作用，当质量浓度高于10 mg/L，则抑制油菜种子的发芽。试验结果表明，当CdCl2溶液质量浓度高于10 mg/L时，油菜种子在发芽时受镉的影响比菠菜小，即油菜种子对镉的抗性更强。

表1 不同浓度CdCl2溶液对菠菜和油菜种子发芽指标的影响

2.2 重金属镉对菠菜和油菜种子活力指数的影响

种子的活力指数可以反映种子的活力，进而可以为挑选优质种子奠定基础。由图1可知，CdCl2处理对油菜种子仍表现为低浓度下的激活效应和高浓度下抑制作用，且激发种子活力的质量浓度仍是10 mg/L，高于对照组17.12%；菠菜种子的活力指数在CdCl2溶液质量浓度为25 mg/L时，种子活力指数呈上升趋势，比对照组提高了2.70%，CdCl2溶液其他处理浓度对菠菜种子的活力指数均低于对照组，表现为抑制作用。

2.3 重金属镉对菠菜和油菜形态学指标的影响

2.3.1 不同浓度CdCl2溶液对菠菜和油菜平均主根长的影响从图2可以看出，菠菜和油菜的主根长随着CdCl2溶液质量浓度的递增呈现递减趋势。从2种蔬菜幼苗平均主根长下降的幅度来看，镉对菠菜主根长的影响比对油菜的影响大。根在土壤中扎得越深，生长得越牢固，承受恶劣环境的能力就越强。试验结果表明，一定浓度的镉会影响植株主根的生长，因此，镉污染的植株承受大风大雨等恶劣天气的能力可能较弱。

2.3.2 不同质量浓度CdCl2溶液对菠菜和油菜平均株高的影响由图3可知，随着CdCl2溶液浓度的增高，对菠菜和油菜植株的平均株高均产生了一定的影响。与对照组相比，菠菜的平均株高在受到不同程度的镉胁迫下，均表现为抑制作用，但在CdCl2溶液质量浓度为25 mg/L时，抑制作用相对最弱；而CdCl2溶液对油菜的影响与菠菜不同，当CdCl2溶液质量浓度为10 mg/L时，促进了油菜的生长，比对照组提高了14.46%，高于10 mg/L时各处理组平均株高均低于对照组，仍表现为低浓度促进高浓度抑制效应。

2.4 重金属镉对菠菜和油菜叶绿素含量的影响

叶绿素是植物光合作用的物质基础，含量的高低将直接影响光合作用的强弱及物质的合成。从表2可以看出，当CdCl2溶液浓度逐渐升高时，菠菜和油菜的叶绿素a、叶绿素b及叶绿素总量的含量均呈先上升后下降的趋势，与对照组相比，当CdCl2溶液质量浓度为10 mg/L时促进叶片中叶绿素的生成，高于10 mg/L时则出现抑制作用，且对菠菜的叶绿素破坏程度大于油菜，说明菠菜幼苗对镉的耐受性低于油菜幼苗。

表2 不同质量浓度CdCl2溶液对菠菜和油菜叶绿素含量的影响

3 结论与讨论

本研究结果表明，不同浓度的CdCl2溶液对菠菜和油菜种子萌发和种子活力均有显著影响，但存在差异。CdCl2溶液对油菜种子发芽和种子活力指数的影响均表现为“低促高抑”效应，即当CdCl2溶液浓度为10 mg/L时能提高油菜种子的发芽率、发芽势、发芽指数和种子活力；但当CdCl2溶液质量浓度高于10 mg/L时，其发芽率、发芽势、发芽指数和种子活力均低于对照组，并且表现为CdCl2溶液浓度越高，抑制效果更为突出，这种抑制是建立在对胚、芽伤害的基础上[5]，这与付世景等[9]研究镉对板蓝根种子发芽的结果和李子芳等[10]研究小麦种子萌发的结果一致。而CdCl2对菠菜种子的胁迫效应并未表现为“低促高抑”效应，当CdCl2溶液质量浓度为25 mg/L，除发芽指数和种子活力高于对照组外，其他指标在CdCl2溶液各浓度范围内均低于对照组；但从抑制作用来看，在25 mg/L的CdCl2溶液胁迫下，各项指标的抑制效应是最小的。推测镉促进菠菜种子萌发也存在一定的剂量效应，这与刘文胜等[11]研究镉对玉米种子萌发结果相似。在CdCl2溶液质量浓度高于50 mg/L时，与对照组相比，菠菜的各项发芽指标和种子活力下降幅度均高于油菜，说明镉对蔬菜种子萌发的影响存在差异性，在种子发芽期，油菜的耐镉性高于菠菜。杨居荣等[12-13]的研究表明，植物忍耐镉胁迫性的强弱，与镉胁迫下植物体内形成的重金属结合蛋白有关。

另外，种子萌发是在水的活化下启动基因组中新基因的表达或原有基因的活化，使胚恢复代谢和生长。有研究表明，镉胁迫下，植物细胞中核酸含量下降[14]，由此我们推测，镉对菠菜和油菜种子发芽的影响，与抑制胚细胞中核酸的合成有关。

镉影响菠菜和油菜的形态学指标（根长和株高），但是对这2种蔬菜幼苗期的根长和株高的影响存在差异。根长随着CdCl2溶液浓度的增大，2种蔬菜均呈降低趋势。其原因可能是Cd2+是植物体生命过程中的非必需元素，而且是毒性较大的诱变剂[15]，而植物吸收金属离子的方式主要是根从土壤中吸收后再运输到其他部位，因此，Cd2+被吸收后，大多数积累在根的生长部位[4]，主要破坏细胞内染色体和核仁，随着体内Cd2+量的增加，对染色体和核仁的破坏加剧[16]，最后导致植物根伸长受到抑制，严重影响了根的生长[9]。但与对照组相比，菠菜平均根长的下降幅度高于油菜，可能是由于油菜的耐镉性，其根系的分泌物能够络合重金属，减少了对环境中重金属的吸收或利用根系质膜上重金属反转运子介导体内重金属离子外排达到降低自身重金属积累的目的[17]。但株高不同，就油菜而言，在低浓度10 mg/L时促进株高，高于此浓度则抑制其生长；菠菜则表现为被CdCl2溶液胁迫后，各处理组株高均低于对照组，且浓度越高，抑制作用越大，而且这种抑制的幅度也大于油菜。首先，镉影响植物株高是由于种子吸水膨胀萌动，胚根快速吸水伸长并最先突破种皮，这使得根在镉的积累量上及受镉胁迫的时间进程上大于幼芽，即影响植株的株高；油菜平均株高下降幅度低于菠菜也缘于油菜可能通过自身某些机制如抗氧化系统、区室化作用、金属螯合蛋白等来避免或降低重金属引起的氧化损伤，促进其正常生长[17]。

叶绿素是植物进行光合作用的必要物质，其含量的高低直接影响光合速率，进而影响植物的长势。本试验结果表明，2种蔬菜的叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b均呈先升后降趋势。与王晶晶等[18]发现低浓度Cd对珍珠梅植物叶绿素a、叶绿素b和叶绿素a+b合成有促进作用，高浓度Cd对其合成有抑制作用的结果相同。有研究表明，这种抑制作用是由于Cd在植物体内的过量积累，导致其与叶绿素蛋白质上的-SH结合或取代其中的Fe2+，Zn2+和Mg2+等，致使叶绿素蛋白质变性而失活，从而降低叶绿素的含量。

本研究结果表明，镉对菠菜和油菜早期生长的影响结果存在差异。镉对油菜的影响表现为“低促高抑”现象，且10 mg/L的CdCl2溶液是促进油菜种子萌发和早期生长的最佳浓度；对菠菜而言，这种促进作用几乎不存在。说明油菜早期生长对镉的抗性优于菠菜。也进一步说明，油菜在早期生长过程中受到镉的胁迫，能够激发自身的防御机制使得这种伤害降到最低程度，体现了一定的耐受性。那么这种Cd耐性是如何获得的，还有待于进一步深入到分子生物学水平上进行研究。

［1］陈怀满.土壤-植物系统中的重金属污染[M].北京：科学出版社，1996：1-14，71-91，210-247.

［2］韩阳，李雪梅，朱延姝.环境污染与植物功能[M].北京：化学工业出版社，2005：10-11.

［3］张春荣，夏立江，杜相革，等.镉对紫花苜蓿种子萌发的影响[J].中国农学通报，2004，20（5）：253-255.

［4］EditorA A.种子休眠和萌发的生理生化[M].王沙生，译.北京：农业出版社，1989：359-380.

［5］周青，黄晓华，张一.镉对种子萌发的影响[J].农业环境保护，2000，19（3）：156-158.

［6］张秋霞.生物活性水对玉米种子萌发及幼苗生长的影响[J].长江蔬菜，2014（20）：48-52.

［7］郑光华.植物生理生化进展（IV）[M].北京：科学出版社，1986：154.

［8］刘萍，李明军.植物生理学实验技术[M].北京：科学出版社，2007：39-42.

［9］付世景，宗良纲，张丽娜，等.镉、铅对板蓝根种子发芽及抗氧化系统的影响[J].种子，2007，26（3）：14-17.

［10］李子芳，刘惠芬，熊肖霞，等.镉胁迫对小麦种子萌发幼苗生长及生理生化特性的影响[J].农业环境科学学报，2005，24（Z）：17-20.

［11］刘文胜，周婵，郭盘江，等.镉对玉米种子萌发及胚生长的影响[J].湖北农业科学，2010，49（4）：842-844.

［12］杨居荣，贺建群，张国祥.作物对镉毒害的耐性机理探讨[J].农业环境科学学报，2003，22（6）：660-663.

［13］杨居荣，贺建群，张国祥，等.作物对Cd毒害的耐性机理探讨[J].应用生态学报，1995，6（1）：87-91.

［14］周毅.土壤Cd污染对作物的影响[J].国外农业环境保护，1986（4）：1-3.

［15］张小兰，徐兰.Hg，Cd对轮藻部分生理生化指标的影响[J].南京师范大学学报，2002，23（3）：165-169.

［16］杨善元.关于测定叶绿素含量及a：b值等若干问题[J].植物生理学通讯，1983（4）：61-62.

［17］吴志超.高低镉积累油菜品种筛选及其生化机制研究[D].武汉：华中农业大学，2015：113.

［18］王晶晶，杨春文，蔡赫，等.镉胁迫对珍珠梅生理生态特征的影响[J].北方园艺，2010（13）：72-74.

Effects of Cd Stress on the Early Growth of Spinach and Rape

CHENHua1，WANGJianjun2，YANGBin1
（1.Department ofLife Sciences，Yulin College，Yulin 719000，China；2.Department ofEnergyEngineering，Yulin College，Yulin 719000，China）

To research the heavy metal cadmium effects on the early growth ofvegetable,two kinds of vegetable seeds,spinach and rape,were as materials to explore the seed germination and seedling growth under the different Cd2+concentration gradient conditions. The results showed that the germination potential,germination rate,germination index,seed vigor index,and the plant height and chlorophyll content ofthe rape seedlings were higher than those ofthe control group at the concentration of10 mg/L.Spinach seeds at the concentration of25 mg/L,germination index and seed vigor were slightly higher than the control group,the concentration of 10 mg/L,the chlorophyll content was higher than the control group.The other groups were lower than the control group.The results showed that the seed ofdifferent vegetables tocadmiumstress response was inconsistent,rape had stronger resistance tocadmiumstress ability.

cadmium;germination index;morphological index;chlorophyll

X173

A

1002-2481（2016）09-1308-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.09.19

2016-05-10

陕西省教育厅科学研究计划项目（14JK1857）；榆林学院校内科研项目（12YK41）

陈花（1979-），女，山西神池人，讲师，硕士，主要从事作物抗性生理教学与研究工作。