生物刺激素对大豆幼苗镉胁迫的缓解效应

吴烈善，卢小勇，俞丹丹，牛润，周阳波，黄诗蔚，拜俊岑

( 1.广西大学 资源环境与材料学院，广西 南宁 530004；2.广西华谊能源化工有限公司，广西 钦州 535000)

0 引言

我国土壤环境现状总体上不容乐观，农用耕地土壤环境较为突出。我国土壤总的点位超标率16.1 %，其中轻微污染占比11.2 %[1]，表明我国土壤环境中镉的轻度污染更为严重。在重金属轻微污染的农田上，如何确保灌区农产品的健康与安全已成为当今环境科学的热点问题。

当前，耕地重金属的轻微污染治理主要分为两个方面。一方面是通过物理，化学，生物学或常规处理方法减少土壤中重金属的总量或有效含量来改善土壤环境，从而减少重金属的毒性及其在农作物中的积累。另一方面是种植不对重金属吸收或者少量吸收的植物[2]。植物阻隔修复主要有两种手段：①利用转基因的手段或者传统育种方法培育重金属低吸收品种；②对生长在重金属污染环境的植物施加具有阻隔钝化功能的物质，减少植物对重金属的吸收。

生物刺激素可以提高植物抗逆性[3-4]。通过水培实验，探讨大豆幼苗在镉胁迫下喷施生物刺激素对镉积累分布、抗氧化指标以及亚细胞分布的影响。

1 材料与方法

1.1 供试材料

大豆；霍格兰营养液；生物刺激素，配制0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 g/L浓度溶液，用酸将其pH调至5～7。

1.2 水培试验

选取颗粒大小且饱满的当年大豆，采用5 %双氧水消毒，消毒时间控制在30 min，消毒后用大量的去离子水冲洗。将消毒后的种子在25 ℃的水中浸泡12 h进行浸种，浸种后的大豆转移至育苗盘中用湿润毛巾覆盖进行萌发，萌发时间一般为12 h，萌发条件设置为严格避光，温度为25 ℃，相对湿度保持70 %。发芽后(以露白为准)，继续培养持续2 d，直到胚根长到2～4 cm。选择生长基本相同的幼苗，然后将其转移至培养盘进行水培，长出真叶后，使用10 mg/L Cd2+的1/2 改良Hoagland’s培养液继续培养，空白组用不含Cd2+的1/2 改良Hoagland’s培养液。培养条件为光照时间设16 h，温度设26 ℃，避光时间8 h，温度设24 ℃，昼夜湿度均为70 %。用喷雾器将配置好不同浓度的生物刺激素喷向幼苗，叶片滴液为限，对照组喷施去离子水，每个梯度设3组平行。每3 d更换1次营养液以确保营养液中pH值、镉离子浓度、溶解氧等指标的稳定，每次更换营养液后喷施一次相应浓度的生物刺激素，继续幼苗培养15～20 d，采集新鲜的植株，用自来水冲洗幼苗根部，滤纸吸干水分后浸泡在20 mmol/L EDTA·2Na中，浸泡时间为30 min，去除附着在幼苗根部的Cd离子，浸泡后用去离子水充分冲洗，用滤纸吸干植株表面水分，然后用塑料刀剪切按照根、茎、叶三部分进行分解，根茎叶的样品置于超低温冷冻冰箱中于-30 ℃保存。

1.3 指标测定

幼苗各器官生物量；丙二醛含量；SOD、CAT、POD；幼苗各器官镉含量；亚细胞组分镉含量。

1.4 测定方法

生物量的测定，取10株大豆幼苗的根部、茎部、叶部及荚壳于105 ℃下杀青30 min，然后于70 ℃烘至恒重，对其称重；SOD活性的测定采用氮蓝四唑(NBT)法；MDA含量测定采用硫代巴比妥酸(TBA)法[5]；CAT的活性采用紫外吸收法测定[6]；镉参照《食品安全国家标准食品中镉的测定》；亚细胞组分的分离参照文献[7-10]，分别取0.2 g的大豆幼苗根、茎、叶、荚壳样品，配置50 mmol/L Tris-HCl(pH=7.5)、250 mmol/L蔗糖以及10 mmol/L二硫苏糖醇配置的缓冲液，使用10 mL缓冲溶液将植物样品研磨成匀浆以进行分离。

2 结果与分析

2.1 生物刺激素对镉胁迫下大豆幼苗生物量的影响

在10 mg/L的Cd2 +胁迫下，以喷施生物刺激素浓度为横坐标，大豆幼苗各部位生物量干重为纵坐标，实验结果如图1所示。喷施低浓度0.1、0.2 g/L的生物刺激素2组实验组，植株根部生物量与对照组无显著性差异(p>0.05)，喷施0.5 g/L的生物刺激素实验组根部生物量较对照组稍有增加，喷施1.0 g/L和2.0 g/L的生物刺激素的两组试验组，试验组的植株根部生物量较对照组显著性增加(p<0.05)。随着喷施生物刺激素浓度的不断提高，大豆幼苗茎部生物量呈现先增高后回落的趋势，茎部生物量较对照组增加1.27 % ～ 24.10 %，喷施低浓度0.1、0.2 g/L的生物刺激素两组实验组，植株茎部生物量与对照组无显著性差异(p>0.05)，喷施浓度为0.5 g/L的生物刺激素，茎部生物量略有增加，喷施1.0 g/L和2.0 g/L的生物刺激素，茎部生物量出现显著性增加(p<0.05)。叶部干重较对照组增加2.13 %～39.00 %，喷施浓度为0.1、0.2、0.5 g/L生物刺激素，实验组叶片生物量与对照组无明显区别(p>0.05)，喷施1.0 g/L和2.0 g/L的生物刺激素的试验组植株叶部生物量较对照组显著性增加(p<0.05)。喷洒各种梯度的生物刺激素后，试验组和对照组植物的荚壳生物量无明显差异(p>0.05)。

(a) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(b) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(c) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(d) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

2.2 生物刺激素对镉胁迫下大豆幼苗叶片抗氧化作用代谢酶活性及膜脂过氧化产物MDA含量的影响

SOD、CAT和POD对缓解植物的膜脂过氧化有重要作用[11]。当镉胁迫超过植物细胞的耐受极限时，细胞内自由基产生速率大于分解速率，自由基的积累导致膜脂质过氧化作用加剧，该反应的产物MDA含量升高。反应产物MDA含量，能够反映膜脂过氧化反应程度[12]。

10 mg/L Cd2+胁迫下，以喷施生物刺激素浓度为横坐标，大豆幼苗新鲜叶片细胞中SOD、CAT、POD的活性和叶片细胞中MDA的含量为纵坐标，实验结果如图2所示。实验表明大豆幼苗叶片中的SOD活性随着喷施生物刺激素浓度升高表现出先升高后降低，新鲜叶片细胞SOD活性较对照组提高了8.26 %～54.38 %。喷施0.1、0.2 g/L生物刺激素的实验组叶片细胞中SOD的活性与对照组无明显差异(p>0.05)，喷施0.5、1、2 g/L的生物刺激素其活性明显高于对照组(p<0.05)。随着喷施生物刺激素的浓度增加，大豆幼苗叶片中CAT活性呈现先增高后降低的趋势，叶片细胞中CAT活性较对照组提高了4.22 %～47.07 %，喷施0.1、0.2 g/L的生物刺激素，与对照组相比叶片细胞CAT活性无明显差异(p>0.05)，喷施0.5、1.0、2.0 g/L生物刺激素时，叶片细胞CAT活性较对照组出现显著性提高(p<0.05)。图示显示随着喷施生物刺激素的浓度升高，叶片细胞中POD的活性先升高后降低，实验组叶片细胞中的POD的活性较对照组增加了3.64 %～34.94 %。喷洒0.1、0.2 g/L的生物刺激素的实验组叶片细胞POD的活性与对照组无明显差异(p>0.05)，喷施0.5、1.0、2.0 g/L生物刺激素，较对照组叶片POD活性出现显著性提高(p<0.05)。随着喷施生物刺激素的浓度升高，叶片细胞中MDA的含量先降低后升高，实验组叶片细胞中MDA含量较对照组降低了8.94 %～28.6 %，其中喷施1.0 g/L的生物刺激素的大豆幼苗叶片中的MDA含量降幅最大。喷施0.1、0.2 g/L的生物刺激素的实验组叶片细胞的MDA与对照组含量无明显差异(p>0.05)，喷施0.5、1.0、2.0 g/L生物刺激素，较对照组相比叶片细胞MDA含量出现显著性减少(p<0.05)。

(a) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(b) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(c) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(d) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

2.3 生物刺激素对镉胁迫下大豆幼苗各器官镉的累积和分布的影响

根部、茎部对镉进入叶部和果实有重要影响[13]。在镉胁迫下，以喷施的生物刺激素浓度为横坐标，大豆幼苗各部位的镉离子积累为纵坐标，实验结果如图3所示。随着喷施生物刺激素浓度的升高，大豆幼苗根部镉累积先升高后降低，实验组根部镉累积较对照组增加了4.65 %～22.61 %，喷施1.0 g/L的生物刺激素根部镉含量增加最多。喷施0.1、0.2 g/L的生物刺激素，与对照组相比根部镉含量无明显差异，喷施0.5、1.0、2.0 g/L的生物刺激素，根部镉含量明显高于较对照组(p<0.05)。随着喷施生物刺激素浓度的升高，大豆幼苗根部镉累积先升高后降低，实验组茎部镉累积较对照组降低了7.32 %～34.05 %，喷施1 g/L的生物刺激素茎部镉含量减少最多。喷施0.1、0.2 g/L的生物刺激素，与对照组相比茎部镉累积无明显差异，喷施0.5、1.0、2.0 g/L的生物刺激素，实验组茎部镉累积较对照组呈显著性减少(p<0.05)。随着喷施生物刺激素浓度的升高，实验组叶部镉累积先降低后升高，实验组镉累积较对照组降低了3 %～37.85 %，喷施1.0 g/L的生物刺激素叶部镉含量减少最多。喷施0.1、0.2 g/L的生物刺激素，幼苗叶部镉累积较对照组无明显差异(p>0.05)，喷施0.5、1.0、2.0 g/L的生物刺激素，实验组叶部镉累积较对照组呈现显著性降低(p<0.05)。喷施生物刺激素的多少对荚壳部位镉含量无显著性差异(p>0.05)。生物刺激素改变大豆幼苗中镉累积及其分布的原因可能是刺激细胞产生植物螯合素[14]，植物螯合素可以对进入植物体内的Cd进行螯合滞留在根部，有效地阻隔Cd向茎部、叶部的转移，从而降低了根上部位的镉含量。

(a) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(b) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(c) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(d) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

在镉胁迫下，将镉固定在细胞壁或胞间以减缓对细胞的毒害作用[15]。由图4可知，喷施0.1、0.2 g/L的生物刺激素根部细胞壁、细胞器、细胞质组分中镉含量与对照组无显著性差异(p>0.05)，喷施0.5、1.0、2.0 g/L的生物刺激素时根部细胞壁和细胞器组分中镉含量较对照组显著性提高(p<0.05)，实验组细胞的细胞质组分中镉累积较对照组出现了显著性降低(p<0.05)。喷施0.1、0.2 g/L的生物刺激素茎部细胞壁、细胞器及细胞质中镉含量与对照组无显著性差异(p>0.05)，喷施0.5、1.0、2.0 g/L的生物刺激素时茎部细胞壁中镉含量较对照组显著性提高(p<0.05)；幼苗茎部细胞器、细胞质组分中镉含量较对照组出现显著性降低(p<0.05)。喷施0.1、0.2、0.5、1.0、2.0 g/L的生物刺激素叶部细胞壁、细胞器、细胞质组分中镉含量较对照组显著性降低(p<0.05)。喷施生物刺激素可以提高细胞壁对重金属镉的固定作用，抑制镉离子进入细胞内部结构，阻隔了镉离子由根部向地上部分的转移。

(a) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(b) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

(c) 生物刺激素浓度/(g·L-1)

3 结论

① 10 mg/L Cd2+胁迫下，向大豆幼苗喷洒生物刺激素可以增加幼苗根、茎、叶的生物量，喷施2.0 g/L的生物刺激素后，实验组幼苗根系干重较对照组提高27.42 %，喷施1.0 g/L的生物刺激素幼苗茎、叶干重较对照组分别提高了24.1 %、39.0 %。

② 10 mg/L Cd2+胁迫下，喷施1.0 g/L的生物刺激素，叶片细胞CAT、SOD和POD的活性提升了47.07 %、54.38 %、34.94 %，MDA含量降低28.6 %。

③ 生物刺激素能够抑制大豆幼苗根部镉离子向根上部分的转移，1.0 g/L生物刺激素对镉胁迫下大豆幼苗茎部、叶部镉含量较对照组分别降低34.0 %、37.87 %，并且可以提高细胞壁对镉的固定作用，抑制镉离子进入细胞内部结构，阻隔了镉离子由根部向地上部分的转移。