不同基因型普通白菜對鉻脅迫的生理響應(yīng)及鉻吸收差異

呂金印 齊 君 王 帥 李鷹翔 孫惠莉

（1西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院，陜西楊凌712100）

隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，含鉻（Cr3+）廢水廢渣的排出逐年增加，導(dǎo)致土壤、水體和生物受到不同程度的污染。作物受Cr3+污染后，生長發(fā)育滯后，產(chǎn)量降低，甚至死亡（Bini et al.，2008；王愛云 等，2011）。Cr3+進(jìn)入食物鏈，對人體健康造成危害。因此，篩選Cr3+低積累作物品種顯得較為重要和迫切。普通白菜〔Brassica campestrisL.ssp.chinensis（L.）Makino var.communisTsen et Lee〕是我國廣泛種植的大宗葉菜之一，對土壤環(huán)境中Zn、Cu、Pb有一定的富集能力，且品種間存在顯著差異（任安芝和高玉葆，2000，胡學(xué)玉 等，2002；于光金 等2009）。鉻對綠豆、黃瓜和油菜生長的影響已有報道（郭峰，2006；陳慶華，2009；沈奇 等，2009），但鉻處理下普通白菜對重金屬的吸收及生理變化鮮有報道。本試驗選用 6個普通白菜品種，測定鉻處理下不同基因型普通白菜對鉻的吸收積累及生理變化，探討普通白菜在鉻處理下的生理響應(yīng)，為普通白菜品種選育及無害化栽培提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試普通白菜品種為矮抗青、綠秀、五月慢、七寶青、雞毛菜和黃心菜。其中矮抗青、五月慢、雞毛菜、黃心菜種子購自陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)城種業(yè)科技中心，綠秀種子購自青島國際種苗有限公司，七寶青種子購自南京蘇豪種業(yè)有限公司。

1.2 試驗方法

試驗于2011年4月在西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院網(wǎng)室內(nèi)進(jìn)行。取大田耕層土壤，經(jīng)室溫風(fēng)干后過5 mm篩。土壤有機(jī)質(zhì)含量1.14%，速效氮85.94 mg·kg-1，速效磷40.01 mg·kg-1，速效鉀81.34 mg·kg-1，總鉻28.03 mg·kg-1，pH=8.3。以溶液態(tài)施入分析純CrCl3，制成全鉻含量為 90、150、200、250 mg·kg-1的污染土壤，其中最高濃度是參照國家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995）中的二級標(biāo)準(zhǔn)。以不施鉻為對照。室溫放置20 d后裝盆（上口徑20.6 cm，下口徑10.4 cm，高13.9 cm），每盆裝2.3 kg干土。將6個普通白菜品種分別播于盆中，每盆15粒，20 d后間苗至8株。每品種3次重復(fù)。培養(yǎng)期間，根據(jù)普通白菜生長需要正常水肥管理。生長40 d后收集全部植株，先用自來水沖凈表面污物，將地上部和地下部分開，用于測定各項指標(biāo)。

1.3 測定項目

1.3.1 土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分測定 栽種前采用棋盤法收集土壤樣品，土壤 pH測定采用電位法（水∶土=2.5∶1）；有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀滴定法；速效氮含量測定采用0.01 mol·L-1NaCl浸提、酚二磺酸比色法；速效磷含量測定采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提、鉬銻抗比色法；速效鉀含量測定采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提、火焰光度法；總鉻含量測定采用HNO3-HClO4聯(lián)合消化、原子吸收分光光度計（柳鈴 等，2010）。

1.3.2 生物量測定 分別取地上部和地下部植株，105 ℃殺青 10 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定地上部和地下部干質(zhì)量。

1.3.3 鉻含量測定 分別取地上部和地下部植株，自來水浸泡10 h，除去根系表面Cr3+。離子水沖洗，吸干水分，105 ℃殺青15 min，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，磨碎混勻，加入 HNO3-HCLO4（4V∶1V）混合酸，220 ℃沙浴消解至透明色，用火焰原子吸收分光光度計（Perkin Elmer AA180-80）測定鉻含量（孫守琴 等，2009；Liu et al.，2009）。

1.3.4 葉綠素、丙二醛、可溶性蛋白含量測定 用剪刀采集葉片鮮樣，每個樣品 0.5 g。葉綠素含量測定采用80%丙酮浸提法；丙二醛含量測定采用TBA比色法；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法（高俊鳳，2006）。

1.3.5 過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）活性測定 酶液提?。悍謩e稱取葉片0.5 g，加入磷酸緩沖液（pH=7.5），冰浴研磨，4 ℃下離心（4000 r·min-1）15 min，上清液即為粗酶提取液。CAT活性采用紫外吸收法測定；SOD活性采用氮藍(lán)四唑（NBT）比色法測定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測定（高俊鳳，2006；孫群和胡景江，2006）。

各項指標(biāo)測定均為3次重復(fù)，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉻處理對不同基因型普通白菜生物量的影響

由表1可知，隨著鉻濃度增加，6個普通白菜品種生物量均呈下降趨勢。低濃度Cr3+（90 mg·kg-1）處理下，6個普通白菜品種的生物量與對照相比下降均不顯著。高濃度Cr3+（250 mg·kg-1）處理下，黃心菜、矮抗青、五月慢、綠秀及七寶青的生物量與對照相比顯著下降，其中黃心菜、七寶青下降尤為明顯，分別比對照下降了58.0%和48.8%；雞毛菜下降幅度較小，比對照下降了34.0%。說明鉻脅迫會降低普通白菜的生物量，對雞毛菜的影響較小，而黃心菜、矮抗青、五月慢、綠秀及七寶青的生物量均顯著降低。

表1 不同濃度鉻處理對不同基因型普通白菜生物量的影響

2.2 鉻處理對不同基因型普通白菜鉻吸收量的影響

由表2可知，低濃度Cr3+（90 mg·kg-1）處理下，矮抗青、雞毛菜、五月慢、七寶青地上部鉻含量與對照相比下降，而黃心菜和綠秀略有增加；6個普通白菜品種地下部鉻含量均顯著增加。高濃度Cr3+（250 mg·kg-1）處理下，6個普通白菜品種地上部和地下部鉻含量大體上均顯著增加，其中地下部鉻含量增幅較大。說明高濃度Cr3+處理對普通白菜的根部傷害較大。

表2 不同濃度鉻處理對不同基因型普通白菜地上部、地下部鉻含量的影響

由圖1可以看出，6個基因型普通白菜的鉻轉(zhuǎn)移率均隨著鉻濃度的增加而降低。高濃度Cr3+（250 mg·kg-1）處理下，雞毛菜和矮抗青的鉻轉(zhuǎn)移率分別為0.18和0.19，低于綠秀（0.28）。表明在鉻處理下，雞毛菜和矮抗青根部滯留鉻較多，向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)較少；而綠秀向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)相對較多。

2.3 鉻處理對不同基因型普通白菜葉綠素含量的影響

由圖 2可以看出，隨著鉻濃度的增加，普通白菜葉片葉綠素含量呈降低趨勢。低濃度 Cr3+（90 mg·kg-1）處理下，雞毛菜、五月慢和綠秀的葉綠素含量與對照相比增加。高濃度Cr3+（250 mg·kg-1）處理下，黃心菜和七寶青的葉綠素含量分別比對照下降了 38.5%和41.9%。這可能是鉻處理下光合作用減弱，葉綠體結(jié)構(gòu)和功能受到影響，導(dǎo)致葉綠素分解。

2.4 鉻處理對不同基因型普通白菜丙二醛含量的影響

丙二醛可作為植物在逆境下細(xì)胞膜脂過氧化程度的指標(biāo)。由圖3可知，隨著鉻處理濃度的增加，6個基因型普通白菜葉片丙二醛含量呈增加趨勢。高濃度 Cr3+（250 mg·kg-1）處理下，雞毛菜、黃心菜、矮抗青的丙二醛含量分別是對照的1.86、1.59、1.51倍，而五月慢、綠秀、七寶青分別是對照的2.15、2.25、2.58倍。表明雞毛菜、黃心菜、矮抗青的耐鉻脅迫能力較強(qiáng)。

圖1 不同濃度鉻處理對不同基因型普通白菜鉻轉(zhuǎn)移率的影響

圖2 不同濃度鉻處理對不同基因型普通白菜葉片葉綠素含量的影響

圖3 不同濃度鉻處理對不同基因型普通白菜葉片丙二醛含量的影響

2.5 鉻處理對不同基因型普通白菜可溶性蛋白含量的影響

隨著鉻濃度的增加，普通白菜葉片可溶性蛋白含量呈先增后降的趨勢（圖 4）。低濃度 Cr3+（90 mg·kg-1）處理下，葉片可溶性蛋白含量增加，而高濃度（250 mg·kg-1）Cr3+處理則下降。中濃度Cr3+（150 mg·kg-1）處理下，雞毛菜和黃心菜的可溶性蛋白含量下降明顯，分別比對照降低了20.5%和36.3%。高濃度Cr3+（250 mg·kg-1）處理下，黃心菜和七寶青的可溶性蛋白含量降幅明顯，分別比對照下降了28.6%和25.5%，而矮抗青和雞毛菜分別比對照下降了16.9%和23.0%。

圖4 不同濃度鉻處理對不同基因型普通白菜葉片可溶性蛋白含量的影響

2.6 鉻處理對不同基因型普通白菜抗氧化酶活性的影響

SOD、CAT、POD是植物體內(nèi)清除活性氧重要的細(xì)胞保護(hù)酶類，其活性高低可以反映植物對逆境脅迫的適應(yīng)能力（鄒清成 等，2011）。由圖5可以看出，6個基因型普通白菜葉片POD、SOD、CAT活性隨著鉻濃度的增加呈先升后降的趨勢。高濃度Cr3+（250 mg·kg-1）處理下，綠秀、七寶青、五月慢POD活性分別比對照增加了 17.4%、9.2%、18.9%，SOD活性分別比對照增加了14.4%、12.6%、0.69%；而雞毛菜、黃心菜、矮抗青POD活性分別比對照增加了31.7%、29.3%、33.2%，SOD活性分別比對照增加了28.1%、18.2%、24.1%。中濃度Cr3+（200 mg·kg-1）處理下，雞毛菜、黃心菜、矮抗青、五月慢的CAT活性達(dá)到最高值，而綠秀、七寶青在150 mg·kg-1處理時達(dá)到最高值并開始下降。說明鉻脅迫下雞毛菜、黃心菜、矮抗青具有相對較高抗氧化酶活性，清除活性氧能力較強(qiáng)。

圖5 不同濃度鉻處理對不同基因型普通白菜葉片CAT、POD、SOD活性的影響

3 結(jié)論與討論

鉻對植物生長發(fā)育產(chǎn)生影響（Han et al.，2004），導(dǎo)致植物生理代謝紊亂，抑制正常生長。植物莖葉干物質(zhì)可作為篩選對重金屬耐性的指標(biāo)之一。本試驗中，低濃度鉻處理普通白菜的生物量與對照相比沒有顯著影響，但高濃度的鉻會明顯降低普通白菜的生物量。這與王愛云等（2011）對芥菜型油菜在鉻脅迫下的研究結(jié)果相符。可能高濃度鉻抑制植物根細(xì)胞分化，阻礙水分吸收，從而導(dǎo)致植株矮小，葉片泛黃，葉面積減少，生物量降低（Dixit et al.，2002；Suseela et al.，2002；Shanker et al.，2004）。隨著鉻濃度的增加，黃心菜和七寶青生物量下降顯著，而雞毛菜、矮抗青則下降較少，可以推測雞毛菜和矮抗青具有較強(qiáng)的鉻耐受力。

轉(zhuǎn)移率是反映植株富集重金屬能力的指標(biāo)之一，轉(zhuǎn)移率低表明植株地上部分的富集量少。本試驗中，雞毛菜和矮抗青在高濃度鉻脅迫下的鉻轉(zhuǎn)移率低于其他基因型普通白菜，表明雞毛菜和矮抗青的地上部鉻積累量相對較少。

丙二醛作為膜脂過氧化的產(chǎn)物（周希琴和吉前華，2005），其在機(jī)體內(nèi)的積累會對細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用，可作為膜脂過氧化程度的指標(biāo)之一。隨著鉻濃度的增加，6個基因型普通白菜葉片丙二醛含量都逐漸增加。鉻脅迫可促進(jìn)植株體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生，啟動膜脂過氧化，導(dǎo)致丙二醛積累，引起活性氧代謝平衡失調(diào)而最終破壞生物膜結(jié)構(gòu)。本試驗中，高濃度Cr3+（250 mg·kg-1）處理下，雞毛菜、黃心菜和矮抗青的丙二醛含量增幅小于五月慢、綠秀和七寶青。表明雞毛菜、黃心菜和矮抗青具有相對較高的抗氧化能力。

一般認(rèn)為，重金屬脅迫影響植物體內(nèi)蛋白質(zhì)代謝（柳玲 等，2010）。本試驗中，高濃度Cr3+處理下，黃心菜和七寶青可溶性蛋白含量下降幅度大，而矮抗青和雞毛菜可溶性蛋白含量下降幅度則相對較小，表明鉻脅迫對矮抗青和雞毛菜的影響相對較小。

葉綠素含量的高低在一定程度上反映光合作用水平。高濃度鉻處理下，黃心菜和七寶青的葉綠素含量下降明顯，可能是重金屬抑制葉綠體色素生物合成及光合電子傳遞，導(dǎo)致葉綠素含量減少（何冰 等，2009）。

植物對逆境的生理響應(yīng)與體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)密切相關(guān)（陳茂銓和劉術(shù)新，2011）。有研究指出，鎘脅迫下不同基因型的番茄幼苗抗氧化酶的生理活性存在差異（張微 等，2010）。黃永杰等（2009）通過水培試驗研究不同濃度銅脅迫下水花生生長特性和體內(nèi)生理特性的變化規(guī)律，結(jié)果表明低濃度銅處理下植物細(xì)胞內(nèi)的SOD、POD和CAT活性均有所提高，高濃度銅處理下則有所下降。本試驗中，隨著Cr3+濃度的增加，6個基因型普通白菜POD、SOD、CAT活性均先升后降。低濃度 Cr3+處理下，SOD活性呈上升趨勢，可能是由于鉻刺激了植物體本身存在的SOD或者誘導(dǎo)合成新的SOD，而POD為清除過多的H2O2與SOD起協(xié)同保護(hù)作用（Vannini et al.，2006），以延緩活性氧的積累和降低鉻脅迫造成的傷害。POD活性升高可能是鉻脅迫導(dǎo)致 H2O2等POD底物增加。高濃度Cr3+（250 mg·kg-1）處理下，綠秀、七寶青、五月慢POD和SOD 活性增幅低于雞毛菜、黃心菜和矮抗青，表明雞毛菜、黃心菜、矮抗青脂質(zhì)過氧化程度低，具有相對較高的抗氧化能力。

蔬菜對重金屬的吸收積累存在基因型差異的普遍性，有選擇的種植重金屬低積累品種，對蔬菜無害化栽培具有重要的意義。本試驗選用的 6個普通白菜品種中，雞毛菜、矮抗青在高濃度鉻處理下，生物量下降幅度低于五月慢、七寶青、黃心菜及綠秀；鉻轉(zhuǎn)移率低，地上部鉻積累相對較少；丙二醛含量相對較低；抗氧化酶 POD、SOD、CAT活性較強(qiáng)，具有較好的抗氧化能力，屬于鉻低積累品種，適宜在生產(chǎn)中推廣。

陳茂銓，劉術(shù)新．2011．Spd浸種對Cd脅迫下油菜幼苗的抗氧化系統(tǒng)的影響．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，30（10）：1953-1957．

陳慶華．2009．鉻脅迫對黃瓜種子萌發(fā)及某些生理生化指標(biāo)的影響．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，48（6）：1402-1405．

高俊鳳．2006．植物生理實驗指導(dǎo)．北京：高等教育出版社．

郭峰．2006．重金屬Hg、Pb、Cr單一污染對綠豆生理生化指標(biāo)的影響．山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，26（3）：382-387．

何冰，何計興，何新華，李峰，韋泓明，蔡春波．2009．鉛脅迫對楊梅生理特性的影響．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，28（6）：1263-1268．

胡學(xué)玉，李學(xué)垣，謝振翅．2002．不同青菜品種吸鋅能力差異及與根系分泌物的關(guān)系．植物營養(yǎng)與肥料，8（2）：234-238．

黃永杰，楊紅飛，楊集輝，王曉蘭，周守標(biāo)．2009．銅脅迫對水花生生長及活性氧代謝的影響．生態(tài)學(xué)雜志，28（6）：1112-1116．

柳玲，呂金印，張微．2010．不同濃度Cr6+處理下芹菜的鉻累積量及生理特性．核農(nóng)學(xué)報，24（3）：639-644．

任安芝，高玉葆．2000．鉛、鎘、鉻單一和復(fù)合污染對青菜種子萌發(fā)的生物學(xué)效應(yīng)．生態(tài)學(xué)雜志，19（1）：19-22．

沈奇，秦信蓉，張敏琴，郭貴敏，杜才富．2009．鉻脅迫對油菜種子萌發(fā)及幼苗生長的毒性效應(yīng)．貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，37（10）：25-26．

孫群，胡景江．2006．植物生理研究技術(shù)．楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)出版社：168-170，176-178．

孫守琴，何明，曹同，程頌，宋洪濤．2009．Pb、Ni脅迫對大羽蘚抗氧化酶系統(tǒng)的影響．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，20（4）：937-942．

王愛云，鐘國鋒，徐剛標(biāo)，劉志祥，申響保．2011．鉻脅迫對芥菜型油菜生理特性和鉻富集的影響．環(huán)境科學(xué)，32（6）：1717-1725．

于光金，成杰民，姜琪，徐淑新．2009．不同土壤施銅對小白菜生物效應(yīng)及吸收能力的研究．資源環(huán)境與發(fā)展，（4）：22-25．

張微，呂金印，柳玲．2010．不同基因型番茄幼苗對鎘脅迫的生理響應(yīng)及鎘吸收差異．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，29（6）：1065-1071．

周希琴，吉前華．2005．鉻脅迫下不同品種玉米種子和幼苗的反應(yīng)及其與鉻積累的關(guān)系．生態(tài)學(xué)雜志，24（9）：1048-1052．

鄒清成，朱開元，劉慧春，周江華，馬廣瑩．2011．外源茉莉酸甲酯對非生物脅迫下蝴蝶蘭幼苗葉綠素?zé)晒夂涂寡趸笜?biāo)的影響．植物生理學(xué)報，47（9）：913-917．

Bini C，Maleci L，Romanin A．2008．The chromium issue in soils of the leather tannery district in Italy．J Geochem Explor，96：194-202．

Dixit V，Pandey V，Shyam R．2002．Chromiumions inactivate electron transport and enhance superoxide generationin vivoin pea（Pisum sativumL. cv. Azad）root mitochondria．Plant，Cell & Environment，25（5）：687-693．

Han F X，Maruthi S B B，Monts D L，Su Y．2003．Phytoavailability and toxicity of trivalent and hexavalent chromium toBrassica juncea．New Phytol，162：489-499.

Liu W T，Zhou Q X，Sun Y B，Liu R．2009．Identification of Chinese cabbage genotypes with low cadmium accumulation for food safety．Environ Pollut，157：1961-1967．

Shanker A K，Djanaguiraman M，Sudhagar R，Chandrashekar C N，Pathmanabhan G．2004．Differential antioxidative response of ascorbate glutathione pathway enzymes and metabolites to chromium speciation stress in green gram〔Vigna radiata（L．）R．Wilczek．cv CO 4〕roots．Plant Science，166（4）：1035-1043．

Suseela M R，Sinha S，Singh S，Saxena R．2002．Accumulation of chromium and scanning electron microscopic studies inScirpus lacustrisL．treated with metal and tannery effluent．Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology，68（4）：540-548．

Vannini C，Iriti M，Bracale M，Locatelli F，F(xiàn)aoro F，Croce P，Pirona R，di Maro A，Coraggio I，Genga A．2006．The ectopic expression of the riceOsmyb4gene in Arabidopsis increases tolerance to abiotic，environmental and biotic stresses．Physiological and Molecular Plant Pathology，69（1-3）：26-42．

Wu F Y，Leng H M，Wu S C，Ye Z H，Wang M H．2009．Variation in arsenic，lead and zinc tolerance and accumulation in six populations ofPteris vittataL．from China．Enviromental Pollution，157：2394-2404．