镉胁迫对辣椒幼苗生长与生理特性的影响

韩 畅,蒋 琪,覃 成,吕朝燕,高智席

1.遵义师范学院,贵州 遵义 563006

2.遵义职业技术学院,贵州 遵义 563006

镉广泛分布于土壤中，属于植物生长发育的非必须元素，是一种严重危害植物正常生长的重金属。镉元素易在植物果实中富集，由此通过食物链传递到动物和人体内，积累到一定量时可导致相关疾病发生，进而危害人类健康[1]。镉元素可破坏植物细胞内部平衡，进而限制光合作用等植物的基本生命活动，妨碍植物正常生长，最终导致植物非正常死亡。不同作物抗Cd 胁迫能力存在显著差异[2]，甚至同一作物不同品种间也存在明显不同[3,4]。镉污染治理需花费大量人力物力，而在污染土地上种植低富集镉的作物种类和品种是迄今为止最经济可行的方法，可有效降低作物整体或其主要食用部位的镉含量，降低农产品的安全风险。

辣椒（Capsicum annuumL.）自明朝末年由东南沿海传入我国以来一直深受广大人民群众的喜爱，是重要的调味品且具有消炎镇痛药效，因此具有较高的经济和药用价值。目前全国辣椒种植面积居蔬菜作物第2 位，且具有较高的经济附加值，在助农增收方面发挥巨大作用。但是辣椒属于镉易富集植物[5]，镉含量超标不仅影响口感、降低营养价值和品质，最终会通过食物链传递严重威胁人体健康。因此在镉污染土壤中种植低吸收、低积累镉的辣椒品种可有效降低辣椒果实中的镉含量，是培育食用安全的合格辣椒产品的最有效、最经济的途径。但目前对不同辣椒基因型中镉低富集生理和分子机制的研究较少。本试验在前期进行不同辣椒品种镉富集能力评估的基础上，在不同镉浓度处理下对镉富集值差异显著的辣椒品种的生物量、生理特性等指标进行比较，试图从不同角度探讨辣椒品种镉富集能力差异的原因，为选育镉低富集型辣椒品种提供基础实验资料。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验选用YJ425（Cd 低积累型品种）和ZL-1（Cd 高积累型品种）作为试验材料，上述材料均由遵义职业技术学院现代农艺系辣椒分子育种课题组提供。

1.2 试验方法

供试辣椒种子经1%（w/v）的次氯酸钠表面消毒后，用自来水充分冲洗，在25 ℃培养箱中进行萌发。选择萌发程度一致的辣椒种子种入珍珠岩中，采用Hoagland 营养液浇施培养。待辣椒长至四叶一心时，将辣椒苗移至装有不含Cd 的Hoagland 营养液的实验室自制水培系统（由10 L 塑料周转箱、80 孔泡沫板和通气泵组成）中进行水培试验预培养。1 周后，将试验材料移至含有不同Cd 浓度（0，20，40 mg/L，以CdCl2的形式加入）的Hoagland 营养液中进行为期1 周的试验。试验均重复5 次，随机排列。

利用直尺和万分之一天平测量辣椒根、苗的长度和重量，采用硫代巴比妥酸法、氯化三苯基四氮唑法、高锰酸钾滴定法、愈创木酚法和氮蓝四唑（NBT）光还原法的等方法分别测定丙二醛（MDA）含量、根系活力、过氧化氢酶（CAT）活性、过氧化物酶（POD）活性和超过氧化物歧化酶（SOD）活性的等生理指标[6]，利用叶绿素仪(SPAD-502PLUS，Konica Minolta，Japan）测定不同处理中辣椒叶的叶绿素含量。每种测定重复进行3 次，利用SPSS19.0 软件处理试验数据。

2 结果分析

2.1 不同镉浓度对辣椒幼苗生长的影响

从表1 可以看出在水培条件下Cd2+浓度较低时（20 mg/L），辣椒的根长、苗长等指标较对照有小幅增长，但在Cd2+浓度升高后（40 mg/L），两个辣椒品种根、苗伸长长度和干重等指标均下降，ZL-1 的4 项指标明显低于YJ425，各处理间差异显著。试验结果表明：低浓度Cd2+对辣椒根、苗生长效果有一定促进作用；随Cd2+浓度的提升，辣椒地上和地下部分的生长均受到明显抑制，根部受到毒害尤其严重；低积累品种受到毒害较轻。

表1 Cd2+对辣椒根和苗生长的影响Table 1 Effects of Cd2+on root and seedling growth of pepper

2.2 镉对辣椒幼苗生理生化指标的影响

2.2.1 叶绿素含量的变化 镉通过影响叶绿素的含量、破坏类囊体的超微结构、抑制参与光合作用的部分酶的活性等方式破坏植物的光合作用[7]。由表2 可知，供试辣椒品种叶片中的叶绿素含量均随Cd 浓度的升高而下降，高积累品种ZL-1 比低积累品种YJ425 减少的幅度大。在高浓度Cd（40 mg/L）处理下，供试材料的叶绿素含量下降明显，表明镉离子对叶绿体产生严重毒害。

表2 Cd2+对辣椒叶绿素、根系活力和MDA（根和叶）含量的影响Table 2 Effects of Cd2+on chlorophyll,root activity and MDA content（root and leaf）in Pepper

2.2.2 根系活力的变化 从表2 可以看出在水培条件下Cd2+浓度较低时（20 mg/L），辣椒根系活力有小幅提高，但与对照相比不显著；在Cd2+浓度较高时（40 mg/L），辣椒根系活力显著下降，ZL-1较之YJ425，其根系活力下降程度较大。试验结果表明：在低Cd2+浓度下辣椒根部生长受到一定促进，但是随着Cd2+浓度升高，Cd2+会显著抑制辣椒根系生长。

2.2.3 丙二醛（MDA）含量的变化MDA 含量是反映机体抗氧化潜在能力的重要参数，可以反映机体脂质过氧化速率和强度，也能间接反映组织过氧化损伤程度[8,9]。不同Cd2+浓度下，ZL-1 和YJ425根系和叶片MDA 含量见表2。随着Cd2+浓度升高，供试材料的根系和叶片的MDA 含量均显著增加，在高浓度Cd2+处理（40 mg/L）中，YJ425 和ZL-1 的根系MDA 含量分别为对照的166.7%和180.9%，叶片MDA 含量分别为对照的184.1%和197.2%。说明Cd2+诱发产生的活性氧导致膜脂过氧化，对辣椒根系和叶片细胞膜系统均造成较严重的损伤，Cd2+浓度越高，毒害越大，但同等情况下低积累品种受到的伤害相对较小。在相同Cd2+浓度下，根系的MDA 含量始终高于叶片，说明Cd2+对根部造成的毒害大于叶片部分。

2.2.4 抗氧化酶活性的变化 在镉胁迫下，植物体内一系列的抗氧化酶如过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶（CAT）的活性会受到显著影响[10]。由表3 可知，随着Cd2+浓度增加，ZL-1 和YJ425 各自的CAT 和POD 活性均表现为先降低，后增加；但SOD 活性表现为持续下降。其中，YJ425 体现出较高的CAT 和POD 活性，ZL-1 则体现出较高的SOD 活性。

表3 Cd2＋对辣椒幼苗SOD、POD、CAT 活性的影响Table 3 Effects of Cd2+on activities of SOD,POD and CAT in Pepper seedlings

3 讨论

研究表明，低浓度的镉对植物生长有促进作用[11]。本试验条件下，低浓度的镉（20 mg/L）对镉富集能力有差异的两个辣椒品种根和苗部分的生长均有微小的促进作用。但在高浓度的镉（40 mg/L）环境中，供试材料的地上部分和地下部分的各项生理指标均显著降低。原因可能是Cd 作为重金属元素，低浓度下触发辣椒自我的防卫机制，间接导致促进生长的表象呈现，高浓度下辣椒的整体生长受到严重抑制，尤其对辣椒的根部损害更大，对根部的损害直接影响到营养物质的吸收和分配，从而抑制辣椒的生长。综合供试材料的表现，YJ425 的各项生理指标受到Cd 的影响相对较小，对Cd表现出较强的耐性。

供试辣椒中叶绿素含量伴随Cd2+浓度的增加而明显降低，这一现象可能与Cd2+进入叶绿体细胞后阻碍叶绿素前体合成或直接分解叶绿素，进而使叶绿素含量降低有关[12]。供试辣椒品种中，高镉富集的辣椒品种ZL-1 的叶绿素含量下降幅度较YJ425 大，揭示在辣椒细胞内高镉富集会导致叶绿素本身及叶绿体的结构受到Cd2+的严重破坏。

镉胁迫会导致大量活性氧自由基出现在受镉毒害的植物体内，造成膜质过氧化，MAD 含量显著升高，而POD、SOD 和CAT 等抗氧化酶能够及时消除氧自由基，解除细胞遭受氧化胁迫的危险[13-15]。在本试验中，随Cd2+浓度的增加，供试材料的CAT 和POD 活性均表现为先降低，而后略有增加，但MDA 含量和SOD 活性分别呈上升和下降趋势。该结果与周红卫等[10]报道Cd2+胁迫下，水花生根中SOD 和CAT 的活性呈现先升后降，过氧化物酶（POD）活性持续下降的变化趋势不相符，其原因有待进一步研究。

4 结论

（1）高Cd2+浓度水平（40 mg/L）能显著抑制供试辣椒材料的生长，且对根系生长抑制作用明显。和对照相比较，ZL-1 根系干重和地上部干重减少量显著大于YJ425 根系干重减少量。与ZL-1相比，YJ425 生长受到镉的抑制作用较小，从相关生长指标变化来看YJ425 应对镉胁迫能力较强；

（2）供试辣椒品种在镉毒害下叶绿素含量均表现为不断降低的趋势，叶绿素含量受Cd 抑制程度在品种间表现为ZL1>YJ425；根系活力数值随Cd2+浓度的增加先增加后减少，且两个品种间增长或减少的关系均体现为ZL1>YJ425。从叶绿素含量和根系活力数值等指标变化趋势来看，YJ425 应对镉胁迫能力较强；

（3）不同Cd2+浓度下，根部和叶片部SOD、POD 和CAT 活性变化在品种间均表现为YJ425优于ZL-1。其中CAT 和POD 活性随Cd 处理浓度的增加先小幅降低而后增加，SOD 活性则均表现为持续下降。辣椒根系和叶片MDA 含量随Cd2+浓度的增加而增加，且相同Cd2+浓度下的增加量均表现为ZL-1>YJ425。从抗氧化酶活性和MDA 含量指标来看，YJ425 应对镉胁迫能力也较强。