不同浓度镉对芹菜幼苗生长及生理特性的影响

王昱卜，汪天宇，韩莹琰，郝敬虹，刘超杰，范双喜

(农业应用新技术北京市重点实验室，植物生产国家级实验教学示范中心，北京农学院，北京 102206)

随着国内外工农业和经济迅猛发展，材料化工等领域废水和废物中含有大量的重金属，如镉(Cd)[1]，Cd在环境中大多以化合物的形式存在[2]，植物更容易将其吸收入体内，对植物造成严重危害，镉是重金属中生物毒性最强的之一[3]。重金属胁迫会使植物的根、茎生长缓慢，叶片泛黄、产量和质量大幅度下降[4]。吸收重金属后，植物体内叶绿素的合成受到抑制，影响光合作用。植物细胞若长时间暴露于重金属环境，还会导致膜变性和脂质过氧化，最终会导致细胞死亡[5]。植物受镉的毒害程度，因镉的浓度、植物的种类、植物发育阶段等的不同而异[6]。

芹菜，属伞形科植物，是中国栽培面积最大的叶类蔬菜，其生长周期较长，容易富集重金属[7]。前人对重金属胁迫芹菜的研究多从外源添加剂缓解金属胁迫的影响[8]，或是两个以上重金属复合胁迫芹菜生长[9]等方面入手，但Cd胁迫下芹菜的生长、Cd的积累特征、以及膜磷脂过氧化程度等的变化情况尚待进一步明确。本试验选用芹菜幼苗，研究在水培条件下，不同浓度Cd对芹菜幼苗生长的影响和镉的积累和富集情况。以期为芹菜对Cd的适应性提供信息，也为芹菜的重金属污染防治和农田土壤Cd污染区域的综合应用提供理论参考，对芹菜的安全优质生产和环境保护具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试芹菜品种为北京农学院与中国农业大学共同培育的‘芹杂145’。试验于2017年10月至2018年5月在北京农学院实验楼进行。

总共用芹菜幼苗45株，设置4个Cd浓度梯度(5、10、15和20 mg/L)，并以不添加镉为对照CK，每个处理3个重复， 每个重复选择3株植株。每天12 h的光照(15 W日光灯)，全天培养温度为23 ℃。

当芹菜幼苗长到5叶1心，选择出其中长势优良、株高和质量相近、根系健壮的芹菜幼苗，以备试验所用。将芹菜幼苗转移到塑料水培盒缓苗一星期后，采用Hogland营养液继续培养，Cd2+由CdCl2提供，每周更换1次。处理10 d后测定Cd2+对芹菜幼苗生长状态和生理特性的影响。

1.2 测定方法

芹菜幼苗的株高、最长叶柄长、最宽叶柄宽、根长使用直尺测定；茎粗采用游标卡尺测定；鲜质量生物量使用电子天平测定；干重生物量先105 ℃下杀青10 min，再在80 ℃下烘干24 h至恒重，使用电子天平测量；鲜叶叶绿素含量采用乙醇丙酮浸提法[10]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[11]测试盒测定，由南京建成科技有限公司生产；芹菜Cd元素含量采用等离子体质谱法测定[12]；转运系数是指植株地上部镉含量与地下部镉含量的比值；富集系数是指地上部镉含量与溶液中镉含量的比值[13]。

所有试验数据均采用3次重复实验的平均值，并且使用IBM SPSS Statistics 20软件进行了单因素方差分析，分析有效的数据使用Duncan`s新复极差法进行多重比较(P<0. 05)。采用 Excel 2016绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同浓度镉对芹菜幼苗生长的影响

由表1可知，施加镉后芹菜幼苗的生长受到一定影响。与不添加Cd的CK相比，营养液中添加Cd质量浓度为5 mg/L时株高、茎粗、叶柄宽等指标略有下降但差异不显著；而当添加Cd质量浓度≥10 mg/L时，随着Cd浓度的增加，株高、根长显著抑制；与CK相比，当添加Cd质量浓度为10、15和20 mg/L时，株高依次下降26.22%、29.69%、30.94%；根长减少28.90%、31.39%、34.72%，且根尖伴有褐化或黑化现象。

表1 不同浓度镉对芹菜幼苗形态指标的影响Tab.1 Effect of different concentrations of Cd on the growth of celery seedlings

注:同列中字母不同表示差异显著(P<0.05)，表2、表3、表4、图1同。

Note: Different letters in the same column mean significant difference(P<0.05), the same as below.

由表2可知，营养液中添加Cd质量浓度为5 mg/L时，芹菜幼苗鲜重与CK相比几乎没有差异；当添加Cd质量浓度≥10 mg/L时，鲜重显著下降，依次减少7.20%、34.23%、44.14%，其15 mg/L和20 mg/L时受害最为严重，出现明显萎蔫、干枯等现象。在Cd质量浓度为5～10 mg/L时，干重与CK相比无显著差异；当浓度达到15 mg/L时，干质量有所下降。与CK相比，当添加Cd质量浓度≥10 mg/L时，根冠比开始有所下降，抑制根的生长。

表2 不同浓度镉对芹菜幼苗生长量的影响Tab.2 Effect of different concentrations of Cd on the biomass of celery seedlings

2.2 不同浓度镉对芹菜幼苗镉分布特征的影响

由表3可知，芹菜幼苗中各部分的Cd含量均随添加的Cd 处理浓度的增加而上升，Cd分布特征为根系大于地上部。在全株植物中，根部对镉的富集所占比重较大，其中当Cd质量浓度为20 mg/L时，地上部和地下部Cd含量达到最大值，分别为37.77 mg/kg和78.43 mg/kg；当Cd质量浓度为10 mg/L时，富集系数达到最大，当镉浓度继续增加时，富集系数呈递减趋势。在营养液中Cd质量浓度在0～20 mg/L范围时，转运系数呈增长趋势。

表3 不同浓度镉对芹菜幼苗镉分布特征的影响Tab.3 Effects of different concentrations of Cd on Cd distribution in celery seedlings

2.3 不同浓度镉对芹菜幼苗叶绿素含量的影响

从表4可以看出，与CK相比，当营养液中添加Cd处理后，随着Cd 浓度增大，叶绿素a和总叶绿素的含量下降，叶绿素b和类胡萝卜素含量的变化不明显。叶绿素a/叶绿素b随着Cd浓度的变化与叶绿素a变化一致。总体上，芹菜幼苗中叶绿素a/b和类胡萝卜素含量均与营养液中添加的镉浓度呈线性负相关。与CK相比，当添加的Cd浓度在10～15 mg/L时，芹菜幼苗叶片均有黄化现象，而达到20 mg/L时大部分芹菜幼苗叶片还伴有卷曲、萎蔫和斑点出现，接近枯死状。

表4 不同浓度镉对芹菜幼苗叶绿素含量的影响Tab.4 Effects of different concentrations of Cd on chlorophyll content in celery seedlings

2.4 不同浓度镉对芹菜幼苗中丙二醛含量的影响

由图1可知，Cd胁迫对芹菜幼苗丙二醛含量有影响，在添加Cd质量浓度5～20 mg/L区间上，随着添加Cd的浓度增加，芹菜幼苗的丙二醛含量逐渐上升，说明膜质过氧化对芹菜叶片的损伤逐渐增大。与CK相比，当Cd质量浓度为5、10、15和20 mg/L时，丙二醛含量分别增加了1.10倍、2.55倍、3.32倍、3.45倍。15 mg/L和20 mg/L镉处理下，与CK相比，MDA含量上升幅度最大，但两处理间差异不显著，说明 Cd质量浓度达到一定高度(≥15 mg/L)后，对芹菜幼苗的伤害达到一定上限。

图1 不同浓度镉对芹菜幼苗丙二醛含量的影响Fig.1 Effects of different concentrations of cadmium on the content of MDA in celery seedlings

3 讨 论

镉是植物生长发育过程中的非必需元素，但镉元素在土壤中具有高度移动性的特征[14]，容易被植物所吸收，从而影响植物进行光合作用和其他正常的生理代谢过程[15]。植物受镉的毒害最先反映在生物量的变化上[16]。本研究表明，当Cd质量浓度为5 mg/L时，株高、茎粗、生物量等各项形态学指标与CK差异不显著。当Cd质量浓度≥10 mg/L时，株高、干鲜生物量显著下降。高浓度Cd对根和地上部分抑制作用不一致[17]，造成了根冠比逐渐下降，抑制芹菜幼苗的根系的生长发育，影响芹菜产量与品质。试验表明，低浓度Cd(5 mg/L)处理时，芹菜幼苗生长状态几乎不受影响；高浓度Cd(≥10 mg/L)处理时，芹菜幼苗的生长受到胁迫，但还有一定的生长状态，说明芹菜幼苗对镉有一定的耐受性。

在自然环境中，植物体内地上部的镉含量呈现增加趋势，既是由于生长环境中镉污染程度增加所致，也是植物在镉胁迫条件下生长自身进化的结果[18]。本研究表明，随着Cd处理浓度的升高，外源重金属物质在蒸腾作用的驱动下迁移至地上部[19]，芹菜幼苗根系和地上部中镉元素含量都升高，说明芹菜幼苗对Cd2+具有富集作用。随着Cd浓度上升，富集系数和转运系数也上升，在浓度为10 mg/L时达到最大，随后下降。该结果表明Cd浓度越高芹菜幼苗的富集能力越高，芹菜幼苗对镉有一定的适应性，但当浓度达到10 mg/L时，芹菜幼苗对镉的富集能力达到饱和；而转运系数始终小于1，因此芹菜不是Cd超积累植物[20]，转运系数很小说明Cd由根系向地上部转移的很少，所以根系最先受害，也最为严重。本研究表明，Cd 在芹菜幼苗体内的分布特征为根系高于地上部，且根系中Cd含量远高于地上部，说明根是芹菜幼苗积累 Cd的主要部位。Cd通过植物根系进入芹菜体内后，会影响其他离子的转运吸收，造成植物体内新陈代谢紊乱[19]。植物响应重金属离子的抗性机制不仅是排斥还有积累，芹菜将镉元素积累于根系，会形成难溶性的化合物或者产生特定的有机化合物[21]。当高浓度Cd处理时，根系出现黑斑腐烂状态。说明芹菜对镉的富集能力和转运能力不强，不适宜用于改善环境条件。

叶绿素是植物进行光合作用的重要色素，反映了光合作用的能力[22]。通过测定Cd对芹菜叶绿素含量的影响，能够了解芹菜光合作用受镉污染后的影响程度。本研究表明，添加Cd后，叶绿素a和总叶绿素显著下降，叶片颜色变浅发黄，品质变差。Cd对叶绿素a影响比叶绿素b影响大，高浓度的Cd2+会导致叶绿素a含量减小。这可能是由于镉被芹菜幼苗吸收后，会与叶绿体中蛋白质的巯基结合，从而使叶绿体的结构被破坏或者改变叶绿体酶活性，最终影响叶绿体的合成以及植物的光合作用[23]。

MDA是膜磷脂过氧化的产物，MDA含量的变化可以反映植物遭受抗性条件—重金属污染的程度[24]。MDA含量可以了解膜磷脂过氧化程度，间接表示植物器官的受损程度[4]。ROS由Cd2+诱导所产生，当其积累到一定程度，便可促进Cd2+与含 N、S的基团或蛋白质相结合，从而形成二硫键(-S-S-)，最终导致膜离子通道结构被破坏[25]。本试验结果表明，添加Cd处理后，低浓度Cd(5 mg/L)处理时，芹菜幼苗的MDA含量与对照CK差异不显著；随着Cd浓度的升高，MDA含量升高，高浓度Cd处理时，MDA含量大幅上升。

综上所述，芹菜幼苗对Cd有一定的耐受性，低浓度(≤5 mg/L)时芹菜幼苗的株高、茎粗和根长与CK相比差异不显著，故芹菜幼苗的生长及生理特性与对照无明显差异；当营养液中镉浓度≥10 mg/L时，芹菜幼苗的生长受到胁迫，植株外观形态干枯萎蔫，叶绿素显著下降，MDA含量上升；当营养液中镉浓度达到20 mg/L时，芹菜幼苗会遭到严重胁迫逐步致死。