镉胁迫对芥菜型油菜幼苗生理特性的影响

湛润生，王 莉，岳新丽，田宏先，王瑞霞

(1.山西大同大学生命科学学院，山西 大同 037009； 2.山西省农业科学院高寒区作物研究所，山西 大同 037008)

长期以来，随着人类社会的生产活动，土壤重金属逐年累积。重金属对于土壤来说是一种不可逆性的污染物，在土壤中很难被降解，并通过食物链传递，最终在人体内累积[1]。镉(Cd)是一种对动植物都有毒害作用的非必需重金属元素,被镉污染的土壤有隐蔽性、长期性和不可逆性等特点。Cd在进入植物体后，极易在体内富集，会影响植物的各项生理指标，延缓植物生长，甚至会使植物死亡[2]。

在众多的重金属污染土壤修复技术中，利用超富集植物修复重金属污染土壤，操作简单、成本低、效果明显，且不会引起二次污染[3]。芥菜型油菜(BrassicajunceaL.)十字花科芸薹属植物，一、二年生草本，高30～90 cm，种子含油量约40%，在全国各地均有种植，是国内主要油料作物之一。芥菜型油菜与印度芥菜同属于十字花科芸薹属植物，后者对特定的重金属具有超积累作用，经常被作为植物土壤修复引进的植物，进一步研究表明芥菜型油菜同样具有重金属超累积功能，可以用于土壤重金属污染治理[4,5]。在种子植物整个生活史中，早期种子萌发和幼苗阶段是其一生中最脆弱的阶段，易受外界环境因素影响，死亡率较高，因此对种子萌芽和幼苗生理指标的研究具有重要意义。本试验选用不同浓度的镉处理油菜种子及幼苗，探讨Cd2+胁迫下对油菜种子萌发、植株光合作用、膜系统、抗氧化酶系统等方面进行研究，进而讨论Cd2+对植物的损伤机理，也为利用芥菜型油菜修复重金属污染土壤的相关研究奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

晋油12号由山西省农业科学院高寒区作物研究所提供，该品种适应性强，耐旱、抗虫害、不易倒、产量高、品质好，是由9212-2(♀)和晋油6号(♂)杂交育种而成，属于中晚熟品种，生长期95 d左右，适宜在晋北和晋西北地区种植[6]。

1.2 试验方法

1.2.1Cd2+对种子萌发的影响

选取油菜种子若干，用沉降法选取颗粒饱满的种子，用75%的乙醇消毒30 min，然后冲洗掉表面的残留物，在放有滤纸的培养皿内放15粒种子，设置5个不同浓度的Cd2+(0、5 mg·L-1、10 mg·L-1、25 mg·L-1、50 mg·L-1)溶液进行处理，每组设置3个重复。培养期间保持滤纸湿润，每天观察种子的发芽情况以及培养皿内的水分流失情况，每12 h添加相应溶液保持培养皿内水分供应充足。用陈花等[7]的方法测定发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数等指标。

发芽势(%)=(3 d内的发芽种子总数/供试种子总数)×100%；

发 芽 率(%)=(7 d内的发芽种子总数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑(Gt/Dt)；

活力指数=S×∑(Gt/Dt)。

其中Gt是t日内的发芽数；Dt为发芽天数；S为胚根鲜重，以每皿胚根的总重计算。

1.2.2Cd2+对油菜幼苗生理指标的影响

将晋油12号籽粒播种在5×10的穴盘中，期间保持营养土湿润。待幼苗长到3叶期，选取长势一致的幼苗，平均分成5组，用去离子水洗净根部。同时在试管中加入不同浓度的Cd2+培养液，以蒸馏水为对照，然后将油菜苗放进试管中，以露出茎上部为宜，每组设置3个重复。将试管置于光照培养箱中，每日光照12 h，温度25 ℃下培养。同时每12 h用震荡培养箱摇瓶5～10 min，保证试管内氧气充足。2 d后，将幼苗从试管中取出，用蒸馏水反复冲洗，将表面的镉离子全部冲洗干净，滤纸吸干油菜幼苗表面的水分，将其叶子剪碎用于测定以下指标。

参照李合生[8]的实验方法，测定以下指标：分光光度计法测叶绿素含量；硫代巴比妥酸处理，紫外分光光度计测定丙二醛(MDA)含量；高锰酸钾滴定法测定过氧化氢酶(CAT)活性。

2 结果与分析

2.1 Cd2+对油菜种子萌发的影响

从图1可以看出，对照处理发芽势和发芽率分别为85.71%和80%，5 mg·L-1Cd2+浓度处理时，发芽势、发芽率分别较对照增加了7.14%和6.67%。随着处理Cd2+浓度的升高，发芽势、发芽率逐渐降低，浓度越高下降越明显，50 mg·L-1Cd2+浓度时，种子的发芽势和发芽率达到最低，仅为对照的66.67%。

图1 Cd2+胁迫对种子发芽势和发芽率的影响

从图2可以看出，晋油12号的发芽指数随Cd2+浓度增加呈先小幅度上升后逐渐下降的趋势。经5 mg·L-1Cd2+浓度处理，种子发芽指数(5.571)比对照增加0.428，50 mg·L-1Cd2+浓度处理发芽指数最低(3.429)。说明低浓度的Cd2+对油菜种子的萌发有促进作用，高浓度Cd2+抑制种子萌发。活力指数则随着处理Cd2+浓度的升高而逐渐下降，说明Cd2+对胚根的生长有抑制作用，且浓度越高，抑制作用越明显。试验中发现，Cd2+处理后，种子根部发生不同程度的发黄发黑现象，部分植物根部发黑导致植株死亡。

图2 Cd2+胁迫对种子发芽指数和活力指数的影响

2.2 不同浓度的Cd2+处理对油菜幼苗生理指标的影响

2.2.1不同浓度Cd2+处理对叶绿素含量的影响

从图3可以看出，经Cd2+处理的油菜幼苗体内叶绿素含量均低于对照，并且叶绿素a、叶绿素总含量和类胡萝卜素的含量均随着Cd2+浓度的升高而逐渐降低。试验过程中还发现经Cd2+处理的幼苗，叶片呈不同程度的发黄、卷曲，且浓度越高越严重；整体表现为植株矮小，叶片面积小。

图3 Cd2+胁迫对油菜幼苗叶绿素含量的影响

2.2.2不同浓度Cd2+处理对MDA含量的影响

从图4可以看出，对照组油菜幼苗单位鲜重MDA含量为11.08 μmol·g-1；5 mg·L-1Cd2+浓度处理时，MDA含量较对照降低了3.90 μmol·g-1；10 mg·L-1Cd2+浓度处理时，MDA含量较对照降低1.88 μmol·g-1；25 mg·L-1Cd2+浓度处理时，幼苗MDA含量较对照增加0.48 μmol·g-1；50 mg·L-1Cd2+浓度处理时，其含量比对照增加4.71 μmol·g-1。随着Cd2+处理浓度的升高，油菜幼苗单位鲜重MDA含量整体呈先降低后升高的趋势。

图4 Cd2+胁迫对油菜幼苗MDA含量的影响

2.2.3不同浓度的Cd2+对CAT活性的影响

由图5可见，当Cd2+浓度为5 mg·L-1、10 mg·L-1时，CAT活性分别比对照降低了3.03 mg·(g·min)-1和2.95 mg·(g·min)-1；25 mg·L-1Cd2+浓度时，CAT活性最高，为13.99 mg·(g·min)-1；50 mg·L-1Cd2+浓度时，CAT活性为10.10 mg·(g·min)-1，比25 mg·L-1Cd2+浓度时下降了3.89 mg·(g·min)-1。总体来看，随着Cd2+浓度的升高，CAT活性整体呈下降-升高-下降的趋势。

图5 Cd2+胁迫对油菜幼苗CAT活性的影响

3 讨 论

随着Cd2+浓度的升高，除活力指数外，种子萌发各项指标均呈先小幅升高后逐渐降低的趋势，5 mg·L-1Cd2+浓度时,种子发芽势、发芽率、发芽指数均达到最大值，这一结论与郑本川等[9]的研究结果一致。大量研究表明，低浓度Cd2+胁迫对油菜种子发芽有一定的促进作用，随着重金属处理浓度的升高，植株中蓄积量越多，种子萌发相关的各项指标下降愈加明显，对植物的毒害作用也越强。

叶绿素是反映植物光合作用的重要指标之一，叶绿素含量高低可以反映出植物遭受毒害的程度。Cd2+对晋油12号的光合作用影响较大，Cd2+处理浓度越高，叶绿素含量愈低，光合系统被破坏程度越高。在形态上表现为叶片褪绿、发黄、延展性变弱，叶面积变小，叶边缘略微卷曲，而叶片发黄是植物在遭受胁迫后的普遍现象。叶绿素含量降低的原因多样，可能因为Cd2+干扰有关叶绿素合成酶的活性，使叶绿素合成受阻；同时，增加了叶绿素酶的活性，使叶绿素分解，最终表现为净含量减少[10]。

抗氧化防御系统在近年来已作为反映分子生态毒理的指标，其中氧化自由基反应和脂质过氧化反应在生物新陈代谢中至关重要，它们维持着相对平衡。当机体损伤时，平衡遭到破坏，发生一系列连锁反应，膜脂过氧化产生MDA， 因此MDA含量通常被作为判断膜脂过氧化作用的指标[11]。在本试验中，MDA含量随着Cd2+浓度的升高呈先下降后上升的趋势。具体表现为植物在受低浓度的Cd2+胁迫下，MDA含量较对照低，说明膜脂过氧化作用减弱，植物的新陈代谢速率减慢；当Cd2+浓度升高后，植物所受的胁迫加重，MDA含量明显高于对照，膜脂过氧化作用增强，膜受害程度加重，给植物组织细胞带来了极大的损伤。目前关于重金属损害植物的机制，徐楠研究认为，当植物吸收大量重金属离子时，会破坏其组织内的离子平衡，使植物在吸收利用离子时造成困难，从而影响植物生长发育[12]。在低浓度重金属离子的胁迫下，植物组织内的保护酶活性提高，以此消除H2O2过多造成的影响，从而维护膜系统的平衡；而在高浓度离子的胁迫下，保护酶活性降低，细胞膜受损，产生了MDA等膜脂过氧化物，使细胞膜进一步受到损伤。刘春艳研究表明，重金属可能会与膜表面的巯基结合，破坏膜的结构，影响膜功能，使各细胞器受损，导致细胞内液外渗[13]。在分子水平上，重金属还会破坏DNA和RNA的结构以及蛋白质的构象。

过氧化氢酶(CAT)是植物内的抗氧化物保护酶之一。CAT在植物逆境生理、生物应答等方面有着极其重要的作用，它会清除植物体产生的H2O2。植物在遭受到重金属胁迫后，植物的抗氧化系统也会受到不同程度的损伤[14]。试验中低浓度Cd2+处理时，CAT活性受到抑制，说明晋油12号可能对Cd2+较为敏感；而在25 mg·L-1时，CAT活性急剧升高，植物的抗氧化能力增强；在50 mg·L-1处理下，较25 mg·L-1处理酶活性水平下降，造成植物内H2O2积累，此时Cd2+破坏了植物的保护系统。徐楠[12]、刘春艳等[13]认为，CAT对Cd2+较为敏感，随着Cd2+浓度的升高，酶活力下降迅速。周希琴等[15]研究表明，重金属Cd2+还会对植物的可溶性糖和蛋白质含量造成不同程度的影响，关于晋油12号的表现有待深入研究。

4 结 论

重金属对植物生理生化过程的损伤研究近些年有很多报道。本研究表明，镉胁迫后晋油12号种子发芽指标、幼苗生理指标如叶绿素、MDA含量以及CAT活性都有所变化，影响到种子萌发、植株光合作用、膜系统、抗氧化酶系统等生理生化过程，但是关于镉对其他品种油菜的影响有待进一步研究。