鎘脅迫下磁場(chǎng)對(duì)綠豆幼苗根莖葉顯微結(jié)構(gòu)的影響

陳怡平，鄭宏春

1.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所，西安710075

2.中國(guó)科學(xué)院研究生院生物系，北京100049

鎘脅迫下磁場(chǎng)對(duì)綠豆幼苗根莖葉顯微結(jié)構(gòu)的影響

陳怡平1，*，鄭宏春2

1.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所，西安710075

2.中國(guó)科學(xué)院研究生院生物系，北京100049

以綠豆（Vigna radiata）為實(shí)驗(yàn)材料，比較研究了不同劑量磁場(chǎng)處理綠豆種子對(duì)種子電導(dǎo)率、幼苗生長(zhǎng)和葉綠素含量的影響以及鎘脅迫綠豆幼苗根、莖、葉顯微結(jié)構(gòu)的影響.結(jié)果表明：1）與對(duì)照相比，400mT、600mT、800mT、1000mT磁場(chǎng)均顯著提高了種子電導(dǎo)率，且隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加電導(dǎo)率顯著增大；2）400mT、600mT、800mT磁場(chǎng)均能顯著提高綠豆幼苗葉片葉綠素含量和幼苗發(fā)育，比較而言600mT效果最好，1000mT處理則顯著降低了葉片葉綠素含量，抑制了幼苗發(fā)育；3）與對(duì)照組相比，5μmol·L-1鎘脅迫綠豆幼苗柵欄組織和海面組織細(xì)胞排列緊密，厚度變薄，而種子經(jīng)過(guò)600mT磁場(chǎng)預(yù)處理后再進(jìn)行鎘脅迫，厚度接近對(duì)照組.對(duì)于莖和根而言，鎘脅迫抑制了形成層細(xì)胞分裂，維管束體積縮小，而種子經(jīng)過(guò)600mT磁場(chǎng)預(yù)處理后再進(jìn)行鎘脅迫，其維管束體積增大接近對(duì)照組.表明，600mT磁場(chǎng)預(yù)處理種子可改善鎘脅迫對(duì)幼苗的傷害.

鎘；綠豆；種子；重金屬；顯微結(jié)構(gòu)；磁場(chǎng)

1 引言（Introduction）

20世紀(jì)以來(lái)，由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的全球環(huán)境惡化已經(jīng)直接威脅著人類的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，乃至人類自身的生存，其中溫室效應(yīng)、鹽漬、干旱、有機(jī)污染物和重金屬等非生物脅迫已經(jīng)成為未來(lái)農(nóng)、林業(yè)面臨的重大環(huán)境問(wèn)題.它們直接影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低，品質(zhì)下降.目前土壤重金屬污染問(wèn)題日益突出，我國(guó)受鎘、砷、鉛等重金屬污染的耕地面積近2.0×105km2，約占總耕地面積的1/5；每年因重金屬污染而減產(chǎn)糧食超過(guò)10×l07t，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失合計(jì)至少為200億元（陳懷滿，1996）.因此，控制與修復(fù)土壤重金屬污染，改善土壤質(zhì)量是環(huán)境科學(xué)的研究熱點(diǎn)問(wèn)題.

目前，磁場(chǎng)預(yù)處理種子已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)科學(xué).研究表明，磁場(chǎng)預(yù)處理種子可以提高種子活力，促進(jìn)種子生長(zhǎng)并提高產(chǎn)量（Belyavskaya,2004）.Flórez等（2007）報(bào)道磁場(chǎng)處理玉米種子可以促進(jìn)其萌發(fā)并提高其苗高、苗重.Yao等（2005）研究表明磁場(chǎng)預(yù)處理可以顯著提高黃瓜種子的萌發(fā)率.祝建等（2003）研究認(rèn)為低頻電磁場(chǎng)可以促進(jìn)綠豆萌發(fā)和生長(zhǎng).

鎘（Cd）是一種毒性較強(qiáng)的金屬，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和人類健康危害極大.農(nóng)田一旦受到鎘的污染，將大部分殘留于土壤中，對(duì)農(nóng)作物造成嚴(yán)重的危害，植物體內(nèi)鎘積累到一定的程度就會(huì)表現(xiàn)出生長(zhǎng)遲緩、植株矮小、葉綠素含量和光合強(qiáng)度下降、抗氧化酶活性降低等癥狀（馬文麗等，2004;余國(guó)瑩和吳玉樹，1992）.鎘對(duì)植物的毒害作用具有潛伏性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)，日積月累在土壤環(huán)境中會(huì)嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)發(fā)育，甚至嚴(yán)重威脅著人類健康.鎘脅迫可導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧代謝失調(diào)和大量自由基積累，自由基對(duì)細(xì)胞膜具有傷害作用，導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增大，其產(chǎn)物丙二醛（MDA）可導(dǎo)致細(xì)胞生命活動(dòng)的紊亂.

適量磁場(chǎng)處理能否修復(fù)鎘對(duì)植物細(xì)胞的傷害，目前尚未健報(bào)道.為此，本研究以我國(guó)廣泛種植的綠豆為實(shí)驗(yàn)材料，比較研究了不同劑量磁場(chǎng)處理綠豆種子對(duì)幼苗生長(zhǎng)和葉綠素含量的影響以及對(duì)鎘脅迫綠豆幼苗根莖葉顯微結(jié)構(gòu)的影響，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中利用磁場(chǎng)改善重金屬污染修復(fù)效果，提高重金屬污染作物品質(zhì)提供基礎(chǔ)依據(jù).

2 材料與方法（Materials and methods）

2.1 材料

綠豆（Vigna radiata）種子，購(gòu)自西安市種子公司.CdCl2·21/2H2O，分析純，天津市福晨化學(xué)試劑廠.

2.2 暴露方法

2.2.1 磁場(chǎng)預(yù)處理種子實(shí)驗(yàn)（劑量篩選）

尹美強(qiáng)等（2006）研究發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)處理芝麻種子可以提高其自由基含量并促進(jìn)種子萌發(fā)、根系生長(zhǎng)等.也有報(bào)道指出弱磁場(chǎng)可減緩植物根分生組織細(xì)胞增長(zhǎng)和分裂等生物學(xué)效應(yīng)（依艷麗等，2001）.由此可見(jiàn)磁場(chǎng)處理的生物學(xué)效應(yīng)是一把“雙刃劍效應(yīng)”.磁場(chǎng)的這種效應(yīng)與其劑量有關(guān)，因此劑量的選擇十分重要.

選取籽粒飽滿、大小均勻的綠豆種子用蒸餾水浸種6h，待其表面水分晾干后進(jìn)行處理.根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，劑量篩選實(shí)驗(yàn)設(shè)對(duì)照組（CK）、400mT磁場(chǎng)處理組（400mT）、600mT磁場(chǎng)處理組（600mT）、800mT磁場(chǎng)處理組（800mT）和1000mT磁場(chǎng)處理組（1000mT）5組.每組100粒綠豆種子，3次重復(fù).磁場(chǎng)處理采用2G magnetometer systerm進(jìn)行（model:755R,2G Co.Mountain View,CA,USA）.加磁后將綠豆種子用塑料盆在光照培養(yǎng)箱（25℃、10h光照/14h黑暗、光照強(qiáng)度500μmol·m-2·s-1）中進(jìn)行沙培.

2.2.2 修復(fù)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)對(duì)照組（CK）、5μmol·L-1鎘處理組（Cd）、600mT磁場(chǎng)預(yù)處理后再進(jìn)行5μmol·L-1鎘脅迫（MF+Cd）3個(gè)處理組.每組100粒綠豆種子，3次重復(fù).磁場(chǎng)處理采用2G magnetometer systerm進(jìn)行（model:755R,2G Co.Mountain View,CA,USA）.加磁后待種子萌發(fā)2d后進(jìn)行鎘脅迫4d（將綠豆幼苗放于30支試管里，放于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，溫度為25℃，10h光照/14h黑暗，光照強(qiáng)度為500μmol.m-2·s-1）.

2.3 指標(biāo)測(cè)定

2.3.1 種子電導(dǎo)率測(cè)定

每處理組選取大小均勻的種子30粒，用蒸餾水沖洗3次，用濾紙吸干種子表面水分，10mL重蒸水25℃浸泡4h，用電導(dǎo)率儀（DDS211A，上海第二分析儀器廠）測(cè)定種子浸出液的電導(dǎo)率，然后沸煮10min，冷卻后測(cè)絕對(duì)電導(dǎo)率，最后計(jì)算各處理的相對(duì)電導(dǎo)率（相對(duì)電導(dǎo)率=電導(dǎo)率/絕對(duì)電導(dǎo)率）.

2.3.2 苗、根長(zhǎng)、葉綠素含量測(cè)定

將各組的綠豆種子置于沙床，放在光照培養(yǎng)箱（25℃，10h光照/14h黑暗）中，待幼苗生長(zhǎng)到第11d時(shí)，每處理組隨機(jī)選20～30株幼苗拔出，用刻度尺測(cè)量幼苗高度和根長(zhǎng)，3次重復(fù).待幼苗生長(zhǎng)到第7d時(shí)進(jìn)行葉綠素測(cè)定.葉綠素含量測(cè)定參照文獻(xiàn)（張振良，1985）.

2.3.3 顯微結(jié)構(gòu)觀察

取各處理組8齡幼苗葉片、莖、根，用FAA固定.常規(guī)石蠟切片法和薄切片法制片，Olympus顯微鏡觀察并照相.

2.4 統(tǒng)計(jì)分析

全部實(shí)驗(yàn)均3次以上重復(fù)，用SPSS 16.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）和多重比較（LSD）.

3 結(jié)果與分析（Results and analysis）

3.1 不同強(qiáng)度磁場(chǎng)對(duì)綠豆種子電導(dǎo)率的影響

不同強(qiáng)度磁場(chǎng)對(duì)綠豆種子生長(zhǎng)發(fā)育的影響如圖1所示.由圖1可以看出，與對(duì)照組相比，各磁場(chǎng)處理組種子電導(dǎo)率均顯著高于對(duì)照組（p＜0.05），400mT、600mT、800mT和1000mT處理綠豆種子電導(dǎo)率分別升高約10%、18%、25%和38%.電導(dǎo)率增大說(shuō)明細(xì)胞膜的透性增大，表明植物體內(nèi)活性氧代謝失調(diào)和自由基積累（孫存普，1999）.

3.2 不同強(qiáng)度磁場(chǎng)對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響

不同強(qiáng)度磁場(chǎng)對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響如圖2所示.由圖2可見(jiàn)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，總?cè)~綠素含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量、苗高、根長(zhǎng)和鮮重均呈先升高后降低趨勢(shì)，其中600mT磁場(chǎng)處理各生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)均最高，且與對(duì)照組均差異顯著（p＜0.05）；1000mT磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，各生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)均最低，部分指標(biāo)顯著低于對(duì)照組（p＜0.05）.中等強(qiáng)度磁場(chǎng)導(dǎo)致總?cè)~綠素含量、葉綠素a含量、葉綠素b含量升高，有利于幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，表現(xiàn)為根、芽生長(zhǎng)速率加快.這一結(jié)果說(shuō)明600mT及以下磁場(chǎng)強(qiáng)度處理綠豆種子可以打破細(xì)胞內(nèi)自由基的動(dòng)態(tài)平衡（沒(méi)有超越綠豆自身修復(fù)能力），改變細(xì)胞膜透性，輕度刺激產(chǎn)生少量的自由基（圖1）有利于生物代謝，有利于細(xì)胞生物合成代謝，促進(jìn)綠豆生長(zhǎng)發(fā)育.而600mT以上磁場(chǎng)強(qiáng)度處理綠豆種子也可打破細(xì)胞內(nèi)自由基的動(dòng)態(tài)平衡，自由基產(chǎn)生超越綠豆自身修復(fù)能力，抑制了細(xì)胞生物合成代謝，從而抑制綠豆生長(zhǎng)發(fā)育.因此，對(duì)綠豆而言，600mT磁場(chǎng)處理是最佳劑量，這一劑量可作為今后進(jìn)一步研究磁場(chǎng)修復(fù)實(shí)驗(yàn)劑量，也可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)栽培實(shí)踐.

3.3 磁場(chǎng)對(duì)鎘脅迫綠豆幼苗根莖葉顯微結(jié)構(gòu)的影響

磁場(chǎng)對(duì)鎘脅迫綠豆幼苗根莖葉顯微結(jié)構(gòu)的影響如圖3所示.由圖3可見(jiàn)，與對(duì)照組相比，鎘處理導(dǎo)致葉片的柵欄組織和海面組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，柵欄組織和海面組織細(xì)胞排列緊密，厚度變薄，而種子經(jīng)過(guò)600mT磁場(chǎng)預(yù)處理后再生長(zhǎng)在5μmol·L－1鎘脅迫環(huán)境中，其柵欄組織和海面組織細(xì)胞排列比對(duì)照組更加緊密，且厚度比鎘脅迫下增厚，接近對(duì)照組.對(duì)于莖和根而言，鎘處理顯著抑制了綠豆幼苗形成層分裂，表現(xiàn)為維管束體積縮小，形成層、木質(zhì)部和韌皮部厚度減小，而種子經(jīng)過(guò)600mT磁場(chǎng)預(yù)處理后再生長(zhǎng)在5μmol·L－1鎘脅迫環(huán)境中，其微管組織束體積增大，形成層、木質(zhì)部和韌皮部厚度增厚，接近對(duì)照組.究其原因可能是：生物體細(xì)胞內(nèi)水、蛋白質(zhì)、碳水化合物等帶電離子在磁場(chǎng)作用下與周圍介質(zhì)產(chǎn)生快速振蕩、互相碰撞，改變了蛋白質(zhì)、酶及生物大分子構(gòu)相以及酶動(dòng)力學(xué)速率，促進(jìn)了一系列生物化學(xué)反應(yīng)，尤其是酶促代謝，提高了活性（Chen et al.,2005），最終促進(jìn)了綠豆的生長(zhǎng)發(fā)育.

本研究結(jié)果表明，中等強(qiáng)度磁場(chǎng)處理綠豆種子可促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育，改善鎘脅迫對(duì)幼苗的傷害.

致謝：本研究受黃土與第四紀(jì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)項(xiàng)目資助（SKLLQG2007005）.

Belyavskaya N A.2004.Biological effects due to weak magnetic field on plants［J］.Advances in Space Research,34（7）:1566-1574

Chen Y P,Liu Y J,Wang X L,Ren Z Y,Yue M.2005.Effect of microwave and He-Ne laser on enzyme activity and biophoton emission of Isatis indigotica［J］.Journal of Integrative Plant Biology,47（7）:849-855

Flórez M,Carbonell M V,Martinez E.2007.Exposure of maize seeds to stationary magnetic field:Effects on germination and early growth［J］.Environmental and Experimental Botany,59（1）:68-75

Ma W L,Jin X D,Wang Z H.2004.Effects of cadmium on seed germination,growth of seedling and antioxidant enzymes of rye and wheat［J］.Journal of Agro-Environmental Science,23（1）:55-59（in Chinese）

Yao Y,Li Y,Yang Y,Li C.2005.Effect of seed pretratment bymagneticfieldonthesensitivityofcucumber（Cucumis sativus）seedings to ultraviolet-B radiation［J］.Environmental and Experimental Botany,54（3）:286-294（in Chinese）

Yi Y L,Zang D P,Xie X H,Liu X Y.2001.Effects of seeds treated with magnetic field on the biological characteristics of wheat［J］.Journal of Shenyang Agricultural University,32（5）:333-338（in Chinese）

Yin M Q,Zhang J L,Ma T C,Wang X Z,Lin Q S.2006.Effectofmagneticfieldwithdifferentstrengthsonthefree radicalconcentrationinSesamumindicumseeds［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture,14（1）:51-53（in Chinese）

Yu G Y,Wu Y S,Wang H X.1992.Effects of the diffential cadmium compounds and their interaction on the wheat（Triticum aestivun L.）［J］.Acta Ecologica Sinica,12（1）:29-31（in Chinese）

Zhu J,Liu X,Zhong J K,Hu Z H.2003.Biological effect on thegerminationandgrowthofmungbeanseedsunderlow frequency magnetic field［J］.Acta Botanica Boreali-occidentalia Sinica,23（5）:792-796（in Chinese）

中文參考文獻(xiàn)

陳懷滿.1996.土壤一植物系統(tǒng)中的重金屬污染［M］.北京:科學(xué)出版社,71-85

馬文麗,金小弟,王轉(zhuǎn)花.2004.鎘處理對(duì)烏麥種子萌發(fā)幼苗生長(zhǎng)及抗氧化酶的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),23（1）:55-59

孫存普.1999.自由基生物學(xué)導(dǎo)論［M］.合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社,12-84

依艷麗,張大庚,謝修鴻,劉孝義.2001.磁處理種子對(duì)小麥生物學(xué)性狀的影響［J］.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)報(bào),32（5）:333-338

尹美強(qiáng),張家良,馬騰才,王旭珍,林青松.2006.梯度磁場(chǎng)對(duì)芝麻種子生物效應(yīng)的影響［J］.中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),14（1）:51-53

余國(guó)瑩,吳玉樹,王煥校.1992.不同化合形態(tài)鎘、鋅及其復(fù)合污染對(duì)小麥生理的影響［J］.生態(tài)學(xué)報(bào),12（1）:29-31

張振良.1985.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)［M］.上海:上?？萍汲霭嫔?134-135

祝建,劉歆,鐘季康,胡正海.2003.低頻電磁場(chǎng)與綠豆種子萌發(fā)［J］.西北植物學(xué)報(bào),23（5）:792-796◆

Effects of Magnetic Field on the Mung Bean Structure of Root,Stem and Leaf under Cd Stress

CHEN Yi-ping1，*，ZHENG Hong-chun2

1.Institute of Earth Environment,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710075
2.Department of Biology,Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049

In order to determine the effects of magnetic field on the Mung bean（Vigna radiata）structure of root stem and leaf under Cd stress,changes in the leaf conductivity,root length,shoot length,fresh weight,the concentration of chlorophyll and structure of root,stem and leaf were analyzed.The results indicated that 1）the conductivity was enhanced step by step with the magnetic field increase;2）Pretreatment of 400mT,600mT and 800mT could improve significantly the seedlings growth and the chlorophyll concentration of leaf,and the best effects was 600mT;3）For the leaf structure,spongy tissue（st）and palisade tissue（pt）were thinned in the case dealing with 5μmol·L-1Cd,and the thickness was recovered in the 600mT magnetic field pretreatment followed by 5μmol·L-1Cd.For the root and stem structure,the cells size of vascular tissue（vt）diminished,and the size recovered when dealing with complex of 5μmol·L-1Cd and 600mT magnetic field.

Cd；Mung bean；seeds；heavy metal；structure；magnetic field

3 August 2009accepted15 September 2009

1673-5897（2010）1-112-06

X503.23，X171.5

A

2009-08-03錄用日期：2009-09-15

黃土與第四紀(jì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)項(xiàng)目（No.SKLLQG2007005）

陳怡平（1968—），研究員；*通訊作者（Corresponding author），E-mail:lifesci@ieecas.cn

陳怡平（1968—），男，研究員，博士，主要從事環(huán)境生物學(xué)方面的研究.