瓜类蔬菜砧木耐镉研究进展

孟凡茹,郭卫丽,赵戴军,陈碧华,李新峥

（1.河南科技学院园艺园林学院,河南新乡453003；2.河南省园艺植物资源利用与种质创新工程研究中心,河南新乡453003）

随着当代城市化和工业化的快速发展,大量工农业生产产生的废水、废气、废渣等废弃物排入环境,导致环境污染日趋严重.由于矿石开采、城市垃圾处理、污水灌溉和化学肥料的广泛使用导致土壤重金属污染日益加剧[1-2].据统计全国土壤总点位超标率为16.1%,农田土壤重金属镉的点位超标率为7.0%[3],同时被国际癌症研究机构定为Ⅰ类致癌物[4],中国农田土壤大约1.0×107hm2遭受到重金属Cd 污染[5-6].镉（Cd）是一种生物毒性极强且对自然界危害较大的重金属元素,在环境中的化学活性强、移动性大、毒性持久.不但影响农田土壤的理化性质,使土壤质地变劣,并且镉污染还毒害农田中的各种作物生长[7].重金属镉（Cd）是植物非必需元素,易于被植物如小麦、水稻和蔬菜吸收和富集[8-9],并通过食物链在人体内传递富集,对人体健康造成极大危害.瓜类蔬菜由于根系生长力弱,土传病害、连作障碍日益加剧且极易被重金属污染,严重影响蔬菜质量安全并威胁人类健康.嫁接栽培技术广泛应用于瓜果类蔬菜[10],嫁接提高了铜胁迫下甜瓜幼苗的生物量和光合特性,显著降低了膜脂过氧化伤害[11],以南瓜为砧木的黄瓜和甜瓜嫁接苗均显著提高了果实品质和抗病性,有效缓解盐胁迫对植株的伤害[12-13],而砧木的筛选对蔬菜嫁接起着至关重要的作用.南瓜是瓜类蔬菜嫁接栽培中的主要砧木,具备根系发达、抗土传病害、有效缓解重金属胁迫等砧木特点,但针对砧木耐镉性的研究报道较少.逆境胁迫下,植物根系是最敏感的部位,镉对植物生命活动的影响首先体现在根部,随后是地上部.根部是累积重金属的主要部位,只有少部分进入植物的地上部[14].所以从理论上揭示镉胁迫对蔬菜吸收影响的机理,研究镉胁迫对瓜类蔬菜耐镉砧木根系的影响,为加快筛选耐镉砧木资源的应用有重要意义.

1 镉对蔬菜的毒害

镉作为八大超标重金属之首,虽然不是植物所需的必须元素,但极易被根系吸收转运至地上部.过量的镉在植物体内积累产生大量的活性氧自由基,对植物原生质膜、细胞器造成伤害,干扰机体正常生理代谢,抑制植物的生长发育,严重影响植物的正常生命活动.

1.1 镉对蔬菜生长发育的影响

镉对不同基因型植物的胁迫反应有所不同[15].卢敏敏等[16]用镉处理小型西瓜幼苗时发现,低浓度镉处理,对西瓜幼苗根系有促进作用,随着镉处理浓度的增加,对其幼苗根系有明显的抑制作用,导致根系活力下降影响幼苗生长.用高质量浓度（64 mg/L）的镉溶液处理桃树幼苗,根系是最先受镉毒害的器官,表现为严重抑制根系吸收和转运,叶片干枯脱落,生长完全停止,最终死亡[17].马超等[18]发现较高浓度镉胁迫下严重抑制青菜根系的生长,叶面积减少,基部叶片发黄脱落并有枯死现象,各器官干质量明显下降.芹菜在较高浓度镉胁迫下,根系褐化或黑化现象加重,根系总量明显减少,局部根尖膨胀甚至弯曲[19].

1.2 镉对蔬菜细胞器的影响

细胞器是植物细胞代谢中较活跃的部分,也是对镉毒害最敏感的组分[20].正常情况下,植物叶绿体结构规则完整,基粒间有基质片层相连且排列整齐、液泡大,线粒体紧挨着叶绿体排列,内含淀粉颗粒和嗜锇颗粒清晰可见[21-22].Cd 胁迫下严重破坏了黄瓜叶片叶绿体结构,其中叶绿素a 含量下降百分比最为显著[23].Cd 处理下,白菜叶绿体膨胀变形,发生质壁分离现象,基粒排列无序,膜系统损伤[24].马铃薯细胞受到严重破坏导致结构解体,膜系统损坏明显,细胞膜紧贴细胞壁、结构模糊,线粒体数量减少,基粒片层颜色加深,淀粉粒膨大,嗜锇颗粒数量和颜色也有不同程度的改变[25].

1.3 镉对蔬菜营养吸收的影响

植物生长发育过程中需要Ca、Fe、Mg 和Zn 等必需营养元素维持正常的生命活动,镉是植物生长非必需元素,植物体内没有专供镉转运吸收通道,通常利用与镉有相似结构的Ca2+、Fe2+、Mn2+等阳离子相互作用进入植物体内,进而抑制植物对一些金属元素的吸收,扰乱各种金属元素在植物体内的均衡分布[26-27].张福顺等[28]研究表明,甜菜在含有Cd 的营养液栽培中,致使根、茎、叶中的多种矿质元素发生不同程度的改变,改变了甜菜对微量元素的正常吸收,营养失去平衡,随着Cd 浓度的增加,甜菜生长受到明显影响.龙俊霞等[29]研究表明,高浓度镉处理对紫叶生菜Ca2+、K2+、Mg2+的吸收有较强的抑制作用,抑制程度因品种不同而有显著差异.叶面喷施低浓度的Fe2+可有效提高受镉毒害的番茄生物量和产量,提高番茄体内抗氧化酶活性进而能够清除因镉胁迫产生的过量活性氧自由基[30].

2 镉胁迫解毒机制

植物在受到镉胁迫时,表现为植株矮小、根系缩短增粗、叶片失绿干枯、生物量下降等[31-32],镉毒害严重时影响农产品的质量甚至致死.植物为了维持正常的生长发育,通过调节生理和生化新陈代谢而形成一系列抗性防御机制缓解或去除Cd 的毒害.

2.1 细胞壁对镉的固定作用

纤维素、半纤维素、果胶以及蛋白质是构成植物根细胞壁的主要成分[33].细胞壁是重金属进入植物原生质体的第一道屏障,细胞壁中多糖羧基、醛基、氨基以及磷酸基等负电基团与重金属阳离子产生络合反应将其固定至细胞壁[34-36].研究表明,植物细胞壁中半纤维素是蓄积Zn 的主要场所[37-40].闫雷等对镉胁迫下黄瓜幼苗亚细胞的研究表明,黄瓜叶片中的镉主要累积于细胞壁中,从而降低镉对细胞器的毒害[41].宋阿琳等[42]研究表明细胞壁对Cd 的固定是小白菜耐Cd 的原因之一.

2.2 细胞膜对镉的滞留作用

细胞膜又称原生质膜,具有分隔细胞内、外不同介质和组成成分的功能[43],具有识别异物和自身物质的功能,可有选择性的调节控制细胞内外物质进行交换,同时也可使细胞内的生化反应区域化互不影响[44].位于细胞质膜上的重金属转运蛋白在植物根系对Cd 的调控过程中发挥着重要作用,重金属转运蛋白分为吸收蛋白（metal uptake proteins）和排出蛋白（metal efflux proteins）两种,吸收蛋白中锌铁转运蛋白家族（ZRT）、天然抗性巨嗜细胞蛋白家族（NRAMP）和排出蛋白中三磷酸结合盒转运蛋白等均有负责Cd吸收和排毒功能[45].研究表明,水稻根系细胞膜上Nramp1 和Nramp5 蛋白主要负责Fe2+、Cd2+和Mn2+的转运[46-47].

2.3 液泡区隔化作用

当植物遭受Cd 毒害时,为了减少植物根系吸收的镉危害细胞器,植物液泡内含有的多种氨基酸、蛋白质等植物螯合肽与镉螯合,以螯合物的形式区隔于代谢环境较为惰性的液泡内[48].植物根系液泡对镉的滞留作用与液泡膜上的转运蛋白有关,镉能与植物体内螯合肽合成高分子络合物,并通过转运蛋白将镉转运至液泡内,有研究表明液泡膜上的AtHMA3 蛋白、转运蛋白ABC 超家族等能将重金属区隔至液泡内,提高植物对重金属的耐性进而减轻伤害[49-50].蓖麻根系中的镉解毒机制主要依赖于液泡的区隔化作用来缓解对细胞器的伤害[51],这在马缨丹、秋华柳、豌豆等植物上均得到证实[52-54].

2.4 渗透调节物质积累

可溶性蛋白和脯氨酸是植物体内重要的渗透调节物质,具有调节细胞内渗透势平衡、清除活性氧和增强细胞结构稳定等功能.重金属胁迫下,植物体内活性氧自由基（ROS）增加,超过阈值时对植物造成氧化伤害.Cd 能够诱导植物体内多种脯氨酸的积累,进而降低细胞质膜过氧化伤害,增加植物对重金属的抗性[55].可溶性蛋白不仅是维持植物细胞正常生命活动的营养物质,还是一种重要的渗透调节物质,当植物受到镉毒害时,可溶性蛋白含量的升高能显著降低细胞渗透势以减轻细胞膜系统损害程度,常作为衡量植物抗逆性的重要指标[56].通过高浓度Cd 胁迫下对不同植物材料蛋白质组响应发现,抗逆性蛋白质和氨基酸代谢相关蛋白的表达量上升[57-58].张永平等[59]研究表明,低浓度镉胁迫下,甜瓜幼苗叶片中的可溶性蛋白和脯氨酸含量增加,进而增强植株对重金属的抗性,随着镉浓度的升高,不同甜瓜品种间脯氨酸和可溶性蛋白表现出不同的趋势,可能是不同浓度镉处理下渗透调节物质在不同品种间所起的作用和调节机制不同.

2.5 抗氧化酶系统活性的提高

重金属胁迫下植物体内抗氧化系统发生改变,引起一系列氧化还原反应,导致活性氧增加造成膜质过氧化伤害[31].植物通过对逆境的响应和应答,产生抗氧化酶（SOD、POD、CAT、APX）及非酶抗氧化剂（抗坏血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）等[62].

Cd 胁迫条件下,植物体内产生对细胞有毒害的活性氧自由基,对植物机体造成伤害,随着活性氧的增多,诱导抗氧化系统酶活性升高.研究表明[59],甜瓜幼苗的SOD、POD、CAT、APX 活性随着镉浓度的增加呈现先上升后下降趋势,在一定浓度的镉处理阀值内,四种酶活增高说明逆境胁迫下启动植物应激保护能力进而降低膜脂过氧化伤害,高浓度镉胁迫下可能导致膜系统受损,细胞结构破坏,抗氧化酶的合成及其自身活性降低,活性氧的产生与清除之间的平衡被破坏.汤叶涛等[61]对Cd 胁迫下滇苦菜抗氧化系统研究发现,滇苦菜地上和地下部的SOD、POD 活性随着Cd 胁迫浓度的增加呈上升趋势,且根部活性远远高于地上部.低Cd 浓度胁迫下,芥菜SOD、POD、CAT 活性显著升高,这与前人对Cd 胁迫下不同水稻品种抗氧化酶研究结果相似,表明耐Cd 性品种由于自身的保护能力,抗氧化酶系统发挥功能有效清除活性氧自由基,减轻对植物体的伤害[63].

植物体内AsA-GSH 循环系统中两种重要的非酶抗氧化剂分别是抗坏血酸（AsA）与谷胱甘肽（GSH）[64].Cd 胁迫下石竹幼苗的生长受阻,抗性急剧下降,对石竹幼苗叶面喷施适宜浓度的外源AsA和GSH 可有效缓解Cd 毒害,提高抗性,降低植物体内过量活性氧,改善植株生长状况[65].AsA 是植物体内小分子抗氧化物,可有效缓解或清除ROS 对植物细胞的毒害,外源喷施低浓度的AsA,油菜干物质量明显增加,抗氧化酶活增高,显著抑制Cd 毒害导致的膜脂过氧化伤害[66].GSH 作为植物细胞内解除重金属毒害的重要物质,对植物体内重金属离子及其化合物有较强亲和力,两者结合可降低进入细胞内的重金属量,进而缓解镉毒害对植物的伤害,适量的外源GSH 处理可有效缓解大豆种子萌发过程中的重金属毒害,提高种子活力,增强抗氧化酶活性,降低膜脂过氧化伤害[67].

2.6 植物螯合物

进入植物的重金属与体内的植物螯合肽（PCs）、金属硫蛋白（MTs）和有机酸等络合形成螯合物,转运至液泡、线粒体等区室,进而减轻重金属对植物体的毒害[68].

植物螯合肽（PCs）是在重金属胁迫下,细胞质中以GSH 为底物由植物络合素合酶催化合成,一类是低分子量的富含Cys（半胱氨酸）的硫基多肽复合物,对植物体内的重金属有较强的结合能力[69].刘俊祥等[70]研究表明,镉胁迫下随着处理时间的延长,多年生黑麦草植株地上部和地下部的植物络合素浓度呈上升趋势,且与Cd 浓度呈显著正相关.董姬妃等[71]研究表明,单独镉处理白三叶草,其体内植物螯合肽（PCs）含量显著高于对照,而GSH 的含量显著低于对照,GSH 含量的降低可能是用于大量合成PCs造成的,进而减轻对植物体的镉毒害.罗洁文等[72]对类芦根系进行Cd 胁迫时发现,低Cd 浓度处理下PCs含量增加.

另一类是含有丰富的半胱氨酸残基且能与重金属螯合的低相对分子质量的小分子金属硫蛋白,金属硫蛋白具有强烈的结合重金属和清除活性氧自由基的能力[73].研究表明[74-75],重金属处理下从芸苔和木豆中分离得到的金属硫蛋白Bc MT1、Bc MT2 和Cc MT1 基因转化至不同的植物体中可有效清除活性氧,明显增强对重金属离子的抗性以及对重金属离子的积累,这在牧豆和亚洲栽培稻等植物上也得到证实[76-77].

植物对重金属的螯合与有机酸之间也存在着一定的联系,低分子量的有机酸可与植物体内的镉发生络合作用,可使高毒的镉离子转向低毒的Cd- 有机酸复合物[78-79].陈红纯等[80]研究表明,外源添加柠檬酸、酒石酸等有机酸可提高镉胁迫下秋华柳根、茎的生物量.李俊芝等[81]对连作平邑甜茶幼苗的光合与根系生长状况研究,发现了草酸、柠檬酸、苹果酸提高平邑甜茶幼苗的鲜质量和抗氧化酶活性,并有效缓解了平邑甜茶的根系生长障碍.

3 瓜类蔬菜耐镉砧木研究展望

随着人类物质水平和生活质量的提高,人们也越来越广泛的关注蔬菜的绿色食用及营养价值.镉作为八大超标重金属之一,前人对多种植物适应Cd 胁迫或抗Cd 的机理已取得了显著成效.蔬菜栽培生产中,嫁接可有效改善Cd 毒害,将一些高产、高重金属积累的品种嫁接到一些根系生活力强,低Cd 积累品种砧木上,从而减少重金属向地上部分的转运积累[82].研究发现以野生茄（Solanum torvum,托鲁巴姆）为砧木嫁接降低镉在茄子体内的富集量,最高可达到88.5%,油菜作为砧木对荠菜嫁接能明显提高其后代对Cd 的积累,根部向地上部的转运能力增强,增加了地上部的Cd 含量,嫁接诱导植物体内富集性状的改变可能源于植物种类、植株体内Cd 形态差异、抗逆响应蛋白质的合成以及总硫含量的变化[83-85].

南瓜作为瓜类蔬菜耐镉砧木,对镉转运和积累相关机理研究较少.（1）筛选出抗逆性、适应性及对重金属耐性强的南瓜品种是我们首先要解决的问题.对现有的中国南瓜资源或地方品种充分挖掘,通过对南瓜品种相关生理生化特性的研究,对其抗性及耐镉性进行初步鉴定筛选.（2）将筛选出的镉耐性南瓜品种作砧木,黄瓜作接穗（生产上常用品种）,探讨耐镉南瓜砧木对瓜类蔬菜的生长状况、体内镉含量积累、抗氧化酶活性及产量品质的影响,验证筛选砧木的镉耐性.（3）研究重金属镉在南瓜根系亚细胞中的分布特征和结合形态,有助于认识细胞中镉的生理活动,揭示瓜类蔬菜耐镉砧木在遭受Cd 胁迫时根系细胞之间发生了何种变化,尤其是细胞壁对镉的固定机理,以更全面、系统地诠释镉对植物的毒害机理.（4）揭示Cd 胁迫下瓜类蔬菜耐镉砧木根系镉胁迫差异蛋白和基因表达的鉴定等,为南瓜耐镉砧木的分子育种提供基因资源,为加快瓜类蔬菜耐镉砧木的筛选应用有重要意义.