Cd胁迫对不同砧穗组合葡萄植株光合作用、膜脂过氧化和抗氧化酶活性的影响

李小红，李辉信，任俊鹏，李运景，吴亚蓓，马晓青，陶建敏

(1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所，河南 郑州 450002； 2.南京农业大学 资源与环境科学学院，江苏 南京 210095； 3.江苏丘陵地区镇江农业科学研究所,江苏 句容 212400；4.南京农业大学 园艺学院，江苏 南京 210095)

目前，由于工业和农业的快速发展，人类的各种活动比如采矿、车辆运载、污水灌溉、化肥施用等引起的重金属污染问题日益严重，研究表明，我国耕地重金属污染面积占耕地总面积的16.7%左右，Cd污染概率为25.2%，远超过Ni、Hg、As和Pb等其他几种重金属[1-3]。Cd不是植物生长发育的必需元素，但是易于被植物吸收并累积,对植物的生长发育产生一系列的影响，比如抑制植物生长、降低植物光合作用、干扰植物矿质营养吸收，导致作物产量降低和品质下降[4-13]。Cd积累不仅对植物生长造成影响，并且能够沿食物链富集进入人体，引起身体机能失调和一系列疾病，比如痛痛病、癌症和中毒性肾损伤[14-15]。Cd作为毒害较强且污染严重的重金属，引起了国内外学者的关注和研究。

果农为了提高果品质量和产量，长期使用农药、化肥，加之不当的农业生产方式，造成许多果园土壤质量下降，微生物数量减少，甚至有的果园土壤还出现了重金属累积[16-18]。果园土壤被Cd污染后，轻者阻碍果树的生长和发育，影响果品的产量和质量，严重者导致果品富集Cd，并通过食物链进入人体，给人类健康带来潜在的风险。

葡萄生产中，通过嫁接可以调整栽培品种的生长势、成熟期、产量和果实品质[19-21]。大量研究发现，嫁接还能够提高果树和蔬菜等园艺作物对逆境胁迫如水分胁迫、盐分胁迫、有机物和重金属污染[22-25]的适应能力。但是，关于嫁接对重金属胁迫下果树生长、膜脂过氧化产物的累积及抗性机制方面的影响研究较少，而关于Cd胁迫条件下嫁接对葡萄植株影响的研究还未见报道。因此，以不同的葡萄砧木嫁接生产上的优良早熟葡萄品种矢富罗莎，研究不同砧穗组合在Cd胁迫下的生长和生理响应差异，以期为葡萄抗性砧木的选择提供初步理论支撑，并为葡萄安全、优质生产提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 供试土壤和葡萄植株材料

试验在南京农业大学沧波门葡萄实验基地进行。选取7个葡萄砧木品种(巨峰、5BB、110R、99R、华佳8号、8B、SO4)作为试验材料，于3月中旬将生长相对一致的7个品种砧木苗和矢富罗莎扦插苗定植于塑料盆(35 cm×30 cm)中，待砧木苗生长至3～4片叶时，采用绿枝嫁接矢富罗莎，分别记作Y/巨峰、Y/5BB、Y/110R、Y/99R、Y/华佳8号、Y/8B和Y/SO4，以矢富罗莎扦插苗为对照。

盆土所用土壤来自南京农业大学沧波门葡萄试验基地，土壤类型为黄棕壤，pH值6.8，有机碳含量为6.86 g/kg，阳离子交换量为10.79 cmol/kg，速效磷含量为16.2 mg/kg，Cd的背景值为0.56 mg/kg。

1.2 试验处理与设计

1.2.1 污染浓度的确定 预备试验设置4个Cd水平，分别为2.5、5、15、25 mg/kg，以未添加Cd土壤为对照，共5个处理。试验结果表明：25 mg/kg Cd处理水平下，葡萄植株生长迟缓、叶片变小、新梢节间变短，葡萄果粒小，不能正常着色，有僵果，严重影响树体生长、果实正常发育和成熟；2.5、5 mg/kg 2个Cd处理水平下，葡萄植株生长状况良好，与对照差异不明显；15 mg/kg Cd处理水平下，葡萄植株生长状况与对照相比，明显受到影响，但未严重阻碍植株生长，果实能够正常发育和成熟，由于试验材料有限，最终确定Cd 15 mg/kg作为试验处理。

1.2.2 试验处理 在风干过筛后的土壤中加入CdCl2溶液，以模拟成15 mg/kg的Cd污染土壤，在常温下熟化平衡2个月，然后装入塑料盆，将3年生矢富罗莎葡萄苗栽入塑料盆中，每个处理重复4次。采用避雨栽培，常规土肥水管理和病虫害防治。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 光合参数的测定 采用Li-6400(美国LI-COR公司生产)光合测定仪，于5月31日(晴天)9：00—10：00进行测定，每个处理均选择3株生长基本一致、无病虫害的植株，取新梢部位第3～5节位的功能叶片进行净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)的测定。

1.3.2 叶绿素和丙二醛(MDA)含量的测定 叶绿素含量的测定采用丙酮提取法[26]：称取0.1 g葡萄叶片，加入5 mL 80% 的丙酮溶液在黑暗条件下浸提，时间为48 h。MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法[27]。

1.3.3 酶活性的测定 超氧化物歧化酶(SOD)的活性采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定，过氧化物酶(POD)的活性采用愈创木酚法测定，过氧化氢酶(CAT)的活性通过单位时间内H2O2含量的变化来表示。

1.4 统计分析

试验数据采用SPSS for Windows 13.0软件和EXCEL进行统计分析，显著性差异水平为P<0.05。

2 结果与分析

2.1 不同砧木嫁接对Cd胁迫下矢富罗莎葡萄叶片光合参数的影响

表1显示，Cd胁迫下，矢富罗莎不同砧穗组合葡萄叶片的光合参数存在差异。嫁接苗葡萄叶片的Pn均高于自根苗，Y/巨峰和Y/华佳8号组合略高于对照自根苗，与对照差异不显著，以Y/99R和Y/8B组合较高，分别为9.62、7.09 μmol/(m2·s)，分别是对照自根苗的4.74、3.49倍；矢富罗莎不同砧穗组合葡萄叶片的Tr存在显著差异，以Y/99R和Y/110R组合较高，分别为2.84、1.47 mmol/(m2·s)；除Y/SO4组合外，所有嫁接组合葡萄叶片的Ci均显著高于对照，其中以Y/99R和Y/巨峰组合最高，分别为对照的2.96、2.73倍。嫁接减轻了Cd胁迫对葡萄植株的光合作用和蒸腾作用的抑制程度，细胞间隙CO2供应也更为充足。

表1 不同砧木嫁接对Cd胁迫下葡萄叶片光合参数的影响

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 不同砧木嫁接对Cd胁迫下矢富罗莎葡萄叶片叶绿素和MDA含量的影响

Cd处理下，矢富罗莎不同砧穗组合葡萄的叶绿素含量存在差异(图1)。以Y/巨峰、Y/华佳8号和Y/5BB嫁接组合的叶绿素含量较高，比对照自根苗叶片叶绿素含量分别提高了17.9%、14.9%和14.2%，Y/110R、Y/8B和 Y/SO4组合居中，比对照自根苗叶片叶绿素含量分别提高了9.7%、9.0%和7.5%，Y/99R略高于对照，与对照差异不显著。这说明嫁接有效减轻了Cd胁迫对葡萄叶片光合色素的破坏。此外，与对照自根苗相比，嫁接减轻了Cd胁迫对葡萄植株叶片的膜脂过氧化损伤程度，降低了葡萄植株叶片的MDA 含量，所有嫁接组合叶片的MDA 含量均显著低于对照，为对照葡萄叶片含量的35.0%～80.8%，其中以 Y/110R的下降幅度最大，为对照植株葡萄叶片含量的35.0%(图2)。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，图2同

图2 不同砧木嫁接对Cd胁迫下葡萄叶片MDA含量的影响

2.3 不同砧木嫁接对Cd胁迫下矢富罗莎葡萄叶片抗氧化酶活性的影响

由表2可以看出，Cd胁迫下矢富罗莎不同砧穗组合葡萄叶片的抗氧化酶活性不同，Y/99R、Y/5BB组合葡萄叶片的SOD和CAT活性分别为9.35 U/g和 13.27 U/(g·min)、8.42 U/g和 9.92 U/(g·min)，均明显高于对照和其他组合，POD活性以Y/110R、Y/99R和 Y/8B较高，Y/华佳8号和Y/5BB居中，Y/巨峰和Y/SO4 最低。除Y/110R、Y/8B、Y/巨峰和Y/华佳8号组合的SOD活性低于对照或与对照差异不显著外，其他嫁接组合的抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性均显著高于对照自根苗。

表2 嫁接对Cd胁迫下葡萄叶片抗氧化酶活性的影响

3 结论与讨论

光合作用作为植物体内极为重要的生理过程，也是植物对环境变化最为敏感的代谢过程，其强弱与植物生长发育、产量和抗逆性有着十分密切的关系，因而可用作判断植物生长状况和抗逆性强弱的指标[28]。有学者研究发现，嫁接作为提高植物抗逆性的有效措施之一，能够提高甜瓜幼苗对铜胁迫的耐性，减轻对甜瓜幼苗叶片光合色素的毒害，从而提高光合作用[29]。本研究表明，嫁接减弱了Cd胁迫对葡萄植株叶片光合色素的损伤程度，除Y/99R与对照自根苗差异不显著以外，其他嫁接组合葡萄植株叶片的叶绿素含量均显著高于自根苗。同时本研究结果显示，葡萄嫁接苗在Cd胁迫下表现出较高的净光合速率和蒸腾速率，细胞间隙CO2浓度也明显高于自根苗，不同砧穗组合之间存在差异，其中以Y/99R、Y/110R和Y/5BB组合的较高。所以，嫁接减轻了Cd胁迫对葡萄叶片叶绿素含量、光合作用的损伤和抑制程度，从而减轻了对葡萄植株的毒害作用。

Cd胁迫能够引起植物体内活性氧自由基的过量产生，对植物细胞产生毒害作用，从而导致细胞膜脂过氧化作用，MDA是膜脂过氧化的主要产物之一，可与膜上蛋白质结合，导致蛋白质分子间和分子内产生交联，严重损失和破坏细胞膜系统，MDA含量高低反映了膜脂的损伤程度[30-31]。研究表明，嫁接能够减弱铜胁迫对甜瓜幼苗的膜脂过氧化损伤，减少MDA含量的累积[32]。本试验的研究结果与此一致，在Cd胁迫条件下，嫁接葡萄苗叶片的MDA含量明显低于自根苗，这表明嫁接葡萄苗膜脂过氧化的程度比自根苗轻，嫁接能够减弱Cd胁迫对葡萄植株的膜脂过氧化损伤。

正常情况下植物体细胞内自由基的产生和清除处于动态平衡状态，但是当植物受到Cd胁迫时，超氧阴离子产生速率升高、过氧化氢含量增加，引起植物细胞活性氧爆发，平衡被打破，最终使植物受到了氧化损伤[33-34]。SOD、POD和CAT等抗氧化酶类作为植物细胞中内源活性氧的清除剂，能够在逆境胁迫中清除过量的活性氧自由基，维持细胞内的活性氧的代谢平衡，减轻对膜结构的破坏，从而在一定程度上减缓了逆境胁迫对植物的伤害[35]。本试验结果显示，在Cd胁迫条件下，所有嫁接组合的POD和CAT活性都显著高于自根苗，这表明嫁接增强了葡萄植株对活性氧的清除能力，减轻了对质膜的氧化损伤，从而提高了葡萄植株对Cd胁迫的耐受性。这与谭明明[29]在甜瓜上的研究结果一致。此外，本试验中，Y/8B、Y/巨峰和Y/华佳8号葡萄植株的SOD活性低于自根葡萄植株，这可能是由于不同组合葡萄植株的抗氧化机制存在差异，Y/8B和Y/华佳8号表现出较高的POD活性。

研究发现，甜瓜不同砧木嫁接苗在铜胁迫下抗氧化酶活性大小存在差异[29]，本试验也得出了一致的结果，在Cd胁迫条件下，不同组合葡萄植株体内的SOD、POD和CAT活性均存在差异。研究表明，作物对Cd的耐性具有明显的种间和种内差异[36]，Cd耐性植物种间和种内差异与体内抗氧化能力有关，本试验结果表明，在Cd胁迫条件下，Y/99R 和Y/5BB 组合的SOD 和 CAT活性显著高于其他组合，这与之前文献报道的Y/99R 和Y/5BB 组合Cd积累浓度较低相一致[37]。

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