不同濃度鎘脅迫對3種芥菜型油菜幼苗生理特性的影響

劉文英,張東旭，張永芳，張雁云

（1.山西大同大學生命科學學院,山西大同037009；2.高寒地區(qū)作物研究所,山西大同037009）

不同濃度鎘脅迫對3種芥菜型油菜幼苗生理特性的影響

劉文英1，2,張東旭1，2，張永芳1，2，張雁云1，2

（1.山西大同大學生命科學學院,山西大同037009；2.高寒地區(qū)作物研究所,山西大同037009）

2012年全球鎘產(chǎn)量已增至2.3萬t，鎘污染對人類的傷害日趨嚴重。在芥菜型油菜（Brassica juncea）晉油6號、川油A-6和內(nèi)引I號中，篩選出一個對重金屬鎘有較強耐受力的品種。水培條件下，利用不同濃度的外源鎘對油菜幼苗進行處理，研究鎘脅迫對芥菜型油菜幼苗葉綠素和丙二醛（MDA）含量、可溶性蛋白質(zhì)濃度以及過氧化氫酶（CAT）活性的影響。3個參試品種中，晉油6號對重金屬鎘的耐受力最強。隨著鎘處理濃度的增大，晉油6號葉綠素含量的降低最為緩和，丙二醛的增長量最低，且通過產(chǎn)生新的可溶性蛋白質(zhì)和提高過氧化氫酶活性來抵御逆境的能力最強。晉油6號在作為鎘污染修復的植物材料上具有應用價值。

鎘;脅迫;芥菜型油菜;生理特性

隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，重金屬污染已成為世界各國研究的重點問題之一。重金屬對水和土壤的污染，關(guān)系著農(nóng)業(yè)、環(huán)境、生態(tài)、食品安全以及人類健康等諸多實際的問題。作為重金屬的一種，鎘對環(huán)境與人類的傷害尤為嚴重。目前，相當數(shù)量的鎘正通過廢水、廢氣、廢渣等形式排入環(huán)境，造成了許多地方土地和水源的不同程度污染。鎘雖然不是植物生長的必需元素，但其毒性強，易被植物攝取、富集[1]，這不僅影響了農(nóng)林生態(tài)的可持續(xù)性，也危害到了人類的生存。

十字花科植物芥菜型油菜耐旱、抗寒、生物量較大，可大量富集Pb，Cd，Ni，Zn和Cu等多種重金屬[2-3]，對于這些重金屬污染土壤的凈化作用較顯著，可作為鎘污染礦區(qū)土壤修復的植物材料[4]。但是，不同油菜品種不同生長期對鎘的吸收、遷移和累積特征不同[5]，因此，有必要對不同種類油菜的耐鎘性進行研究。

目前，國內(nèi)外對芥菜型油菜本身在鎘污染條件下各生理指標的變化和各地方油菜響應鎘污染的差異研究較少。本試驗以3個地方的油菜品種（晉油6號、川油A-6和內(nèi)引I號）為試驗材料，研究了水培條件下，不同濃度Cd2+脅迫對芥菜型油菜幼苗生理特性的影響，探討3個油菜品系對重金屬鎘脅迫的響應方式和耐鎘脅迫能力的強弱，為進一步了解植物對重金屬的抗性機理以及研究修復土壤鎘污染的植物材料提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

芥菜型油菜晉油6號、川油A-6、內(nèi)引Ι號種子，均由山西省高寒植物研究所提供。

1.2 實驗方法

將供試油菜種子播種于3×4孔的播種盒中。以黏土墊底防止水分過度流失，在黏土上蓋以砂土，用自來水潤濕后將數(shù)好的10粒種子撒于其上，再灑上2 mm左右厚度的細砂，用自來水潤濕，蓋上塑料蓋，等待發(fā)芽。共3個品系，各播種10盒。

在6支15 mL的塑料離心管中，分別加入配好的各濃度鎘液15 μl，用即配的Hoagland營養(yǎng)液將每支離心管都定容到15 mL。（重復此步驟10次，得6個鎘濃度的裝液離心管各10支）。另設(shè)一組對照（一共10只15 mL的離心管），加入15 μL去離子水后，以即配營養(yǎng)液定容到15 mL后，將這些離心管放于試管架上。待播種的油菜長出2～5片真葉后，將長勢一致的油菜幼苗從播種盒中拔出，用去離子水洗凈根系，以干凈紗布吸干水分，移栽到加好液的離心管中，在光照下培養(yǎng)（明暗12∕12 h）。每12 h在旋渦振蕩器上振蕩5 min，以防油菜根系缺氧。

處理48 h后，將油菜幼苗從離心管中取出，用去離子水漂洗2遍，確定其表面的Cd2+全部洗脫。將洗好的幼苗放于干凈的紗布表面，待紗布將植物表面的水分吸干后，再用剪刀剪取幼苗葉片，每株幼苗的葉片（除子葉外）全部剪取。將剪下的葉片剪碎混勻后，用于測葉綠素和丙二醛含量及過氧化氫酶活性；剪取每株相同部位的莖，剪碎混勻，用于測幼苗可溶性蛋白質(zhì)的濃度[6-7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對芥菜型油菜葉綠素含量的影響

圖1為不同Cd2+濃度處理對3種芥菜型油菜葉片葉綠素含量（以鮮質(zhì)量計）的影響。由圖可知，鎘處理后，各個品系芥菜型油菜葉綠素含量均低于的對照。對照間葉綠素含量也極為不同，其中,晉油6號＞內(nèi)引I號＞川油A-6。

鎘處理后，油菜幼苗表現(xiàn)出子葉枯萎黃化，外圍真葉的邊緣也有干枯現(xiàn)象，以內(nèi)引I號尤為嚴重。當鎘濃度達100 mg／L時，晉油6號的葉綠素含量降低了46.4%，川油A-6的葉綠素含量降低了46.8%，內(nèi)引I號的葉綠素含量降低了49.7%，內(nèi)引I號＞川油A-6＞晉油6號。

當鎘濃度小于50 mg／L時，內(nèi)引I號的葉綠素含量降低幅度最大，而晉油6號在50～100 mg／L時葉綠素含量急劇降低，幅度大于川油A-6和內(nèi)引I號，也許是由于鎘濃度過高對晉油6號的影響較大的緣故。但總體上，晉油6號的葉綠素含量大于川油A-6和內(nèi)引I號。

圖1 Cd脅迫下3種芥菜型油菜葉綠素含量的變化規(guī)律

2.2 鎘脅迫對芥菜型油菜丙二醛（MDA）含量的影響

圖2為不同鎘處理對芥菜型幼苗丙二醛含量變化的影響。鎘濃度為10 mg／L時，只有晉油6號丙二醛含量低于對照，說明Cd2+濃度小于10 mg／L時，晉油6號耐鎘性優(yōu)于川油A-6和內(nèi)引I號。

Cd2+濃度在100 mg／L時各品系芥菜型油菜與對照相比MDA的變化為晉油6號89.37%,；川油A-6 145.55%,內(nèi)引I號120.68%。若以MDA為判斷標準，則川油A-6受重金屬鎘傷害最為嚴重，與觀察現(xiàn)象符合；晉油6號在高濃度下的MDA增加量遠遠低于川油A-6和內(nèi)引I號，因而耐性最強。

重金屬鎘脅迫下，3種芥菜型油菜幼苗丙二醛含量均隨Cd2+濃度的增大而先降低后升高。

圖2 Cd脅迫下3種芥菜型油菜MDA含量的變化規(guī)律

2.3 鎘脅迫對芥菜型油菜可溶性蛋白含量的影響

圖3為不同濃度Cd2+脅迫下芥菜型油菜可溶性蛋白質(zhì)濃度的變化。當Cd2+濃度較低時，可溶性蛋白質(zhì)的濃度會有一定的減小，而隨著處理Cd2+濃度的增大，可溶性蛋白質(zhì)的濃度又會增大，而且會超出對照的蛋白質(zhì)濃度。這說明，芥菜型油菜能通過誘導產(chǎn)生新的可溶性蛋白來抵御逆境。

不同品種芥菜型油菜的對照間可溶性蛋白質(zhì)濃度不同。幼苗對鎘脅迫的響應也有所不同，即便在兩個相同鎘處理濃度間，不同芥菜型油菜幼苗可溶性蛋白質(zhì)濃度的變化方式和程度也不同。其中，晉油6號在Cd2+濃度100 mg／L時，可溶性蛋白比對照增加了25.9%,內(nèi)引I號增加了24.95%,川油A-6增加了20.70%。如果僅以可溶性蛋白質(zhì)濃度為判定這3種芥菜型油菜耐鎘能力的標準，則從其總變化量和濃度間的變化幅度可以大致推斷出，3種芥菜型油菜抵御鎘脅迫的能力為：晉油6號＞內(nèi)引I號＞川油A-6。

圖3 Cd脅迫下3種芥菜型油菜可溶性蛋白質(zhì)濃度的變化規(guī)律

2.4 鎘脅迫對芥菜型油菜過氧化氫酶（CAT）活性的影響

圖4為不同Cd2+濃度脅迫下3種芥菜型油菜過氧化氫酶活性的變化。隨著鎘濃度的增大，芥菜型油菜的過氧化氫酶活性呈現(xiàn)出先下降后上升再下降的趨勢。這可能是因為鎘處理濃度大小在中間階段時，植物體內(nèi)產(chǎn)生了抗逆機制，它通過提高過氧化氫酶活性或者產(chǎn)生更多的過氧化氫酶來抵御逆境。但不同芥菜型油菜對鎘處理濃度大小的響應不同，這是因為不同品系油菜本身的生活力、抗逆性不同，因而對重金屬鎘的耐受力也不同。

本試驗選用的3個品系中以晉油6號的過氧化氫酶活性變化度最為顯著，最高達95.39u∕g?min，最低至46.75u∕g?min。而以川油A-6的變化最不明顯，過氧化氫酶活性最高時只有69.57u∕g?min，最低時為50.27u∕g?min。如果單以過氧化氫酶活性變化度為指標，則晉油6號提高過氧化氫酶活性或產(chǎn)生新過氧化氫酶的調(diào)節(jié)性大于川油A-6和內(nèi)引I號，因此它通過這種方式來抵抗重金屬鎘脅迫的能力也最強。

圖4 Cd脅迫下3種芥菜型油菜過氧化氫酶活性的變化規(guī)律

川油A-6在鎘濃度為100 mg／L時過氧化氫酶活性明顯高于晉油6號和內(nèi)引I號，這說明在高濃度下，川油A-6依然能保持較高的過氧化氫酶活性，但綜合低濃度和中濃度時其過氧化氫酶活性的變化情況，則不能說川油A-6的耐鎘性最強。圖4可以直觀的反映出3種芥菜型油菜在不同濃度鎘脅迫下過氧化氫酶活性的變化規(guī)律。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

鎘影響植物的生長發(fā)育。本研究表明，鎘脅迫對芥菜型油菜葉綠素、丙二醛、可溶性蛋白質(zhì)含量和過氧化氫酶活性的變化都有一定的影響。且在不同油菜品系間的影響程度和方式不盡相同。筆者通過對4個指標的分析，認為在3個參試品種（晉油6號、川油A-6和內(nèi)引I號）中，晉油6號對重金屬鎘的耐受性最強，具有作為土壤、水源鎘污染修復植物材料的潛力。

3.2 討論

近年來各地重金屬污染日益嚴重，因而需要研究人員不斷開發(fā)出高效、節(jié)約的修復材料和方法。張利強對2個水稻品種的研究發(fā)現(xiàn)，2個品種在不同生育期，其體內(nèi)Cd的分配均表現(xiàn)為根＞莖＞葉＞籽粒[8]。油菜體內(nèi)鎘的分布也為根＞莖＞葉＞籽粒，芥菜型油菜主要用于收取籽粒榨油，因而如果可將籽粒中的鎘控制在安全范圍內(nèi)，那么就可利用強富集鎘品種在生產(chǎn)的同時修復環(huán)境中的鎘污染。此外，油菜的秸稈還可用于生產(chǎn)沼氣，作為清潔能源。這樣就達到了可持續(xù)的要求，對人類的長久發(fā)展有極大的益處。

隨著研究的深入，需要明確油菜或者其他超富集植物耐重金屬的分子機制，確定植物中抗重金屬的基因，對其進行克隆，并將其轉(zhuǎn)入其它生物量大、易生產(chǎn)、繁殖快的生物種類中，為加快重金屬污染區(qū)重金屬的清除提供材料。在蘆葦抗重金屬的研究中發(fā)現(xiàn)，植物絡(luò)合素(Phytochelatins,PCs)能鰲合重金屬，是植物應對重金屬脅迫最重要的機制，其合成限速酶基因主要有植物絡(luò)合素合酶基因(PCS)和γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶基因(γ-ECS)[9]。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)重金屬超富集植物的合成限速酶基因都有γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶基因(γ-ECS)，由此可見，對該基因的分離、克隆和尋找合適的轉(zhuǎn)基因客體都是當下迫切需要的，該方面的研究也有可能成為研究重金屬污染修復材料的下一個機遇和挑戰(zhàn)。

[1]陳會,任艷芳,陳秀蘭,等.鎘脅迫下不同耐性水稻植株幼苗生長和抗氧化酶的變化[J].江西農(nóng)業(yè)大學學報,2012,34(6): 1099-1104.

[2]Liu D H,Kottke I.Subcellular localization of Cd in the root cells of Allium sativum by electron energy loss spectroscopy[J].Biore?source Technology,2004,94(2):153-158.

[3]王愛云,鐘國鋒,徐剛標,等.鉻脅迫對芥菜型油菜生理特性和鉻富集的影響[J].環(huán)境科學,2011,32(6):1717-1725.

[4]Jin Y H,Clark A B,Slebos R J C,et al.Cadmium is a mutagen that acts by inhibiting mismatch repair[J].Nature Genetics,2003, 34:326-329.

[5]宋瑜,金樑,曹宗英,等.植物對重金屬鎘的響應及其耐受機制[J].草業(yè)學報,2008,17(5):84-91.

[6]李志丹,韓瑞宏,廖桂蘭,等.植物葉片中葉綠素提取方法的比較研究[J].廣東第二師范學院學報,2011，31(3):80-83.

[7]高俊鳳.植物生理學實驗指導[M].北京:高等教育出版社,2006.

[8]張利強.水稻重金屬鎘的吸收、轉(zhuǎn)運和積累特性研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學院,2012.

[9]趙翠珠.蘆葦抗重金屬基因的克隆和功能鑒定[D].濟南：山東大學,2011.

Effects of Cadmium Stress on Physiological Characteristics of Three Types of Brassica juncea Seedlings

LIU Wen-ying1,2,ZHANG Dong-xu1,2,ZHANG Yong-fang1,2,ZHANG Yan-yun1,2
(1.School of Life Science,Shanxi Datong University,Datong Shanxi,037009;2.Crops Research Institute of Alpine Region,)

As the increasing of cadmium production reached to 23,000 tons in 2012,its harm to human healthy is more and more serious.This experiment selected the strongest tolerance variety to cadmium from Brassica juncea Jin 6,Sichuan A-6 and Inner Mongo?lia NO.I.Different concentrations of exogenous cadmium were used to treat Brassica juncea seedlings under hydroponics condition. This paper mainly studied the influence of cadmium stress on chlorophyll,MDA content,soluble protein concentration and catalase ac?tivity in B.junceas.Among the three tested varieties Brassica juncea Jin 6 has the strongest tolerance to cadmium.With the increasing of cadmium concentration,the decreasing of chlorophyll content was graduall,and the increasing of MDA content was slight.At the same time,Brassica juncea Jin 6’s ability of producing new soluble protein and improving CAT activity to resist adversity is the stron?gest one.Brassica juncea Jin 6 has practical value on plant material that could be used to repair cadmium pollution

cadmium;stress;brassica juncea;physiological characteristics

X833

A

1674-0874(2014)04-0045-04

2014-04-15

山西大同大學高寒作物研究所科研項目[2009-Y-14]

劉文英（1981-），女，山西大同人，博士，講師，研究方向：植物基因克隆。

〔責任編輯 楊德兵〕