鎘脅迫對麻瘋樹幼苗生理生化特性的影響

侯定基等

摘要

[目的] 為研究了Cd脅迫處理對麻瘋樹幼苗生理生化指標的影響。[方法] 通過室內沙培試驗，測定丙二醛含量、根系活力、葉綠素含量、細胞膜透性、蛋白質含量、過氧化物酶活性、脯氨酸含量等的變化情況。[結果] 少量低濃度的鎘（5 mg/L）對植物的生長無明顯毒害作用。但，隨著鎘濃度的增加（10～200 mg/L），顯示出一定的負效應，表現為丙二醛和蛋白質含量的增加、電導率的增大、根系活力的下降、葉綠素和過氧化物酶活性的下降。[結論] 一定濃度的鎘會影響或改變麻風樹部分生理生化特征，從而對麻瘋樹的生長造成一定的危害。

關鍵詞 鎘脅迫；麻瘋樹；生理生化指標

中圖分類號S158.4文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）21-018-03

隨著社會的發(fā)展與進步，重金屬污染已越來越普遍。金屬冶煉和化工企業(yè)生產、灌水（污灌）、固體廢棄物、農藥和化學殘留等都是重金屬的主要來源。鎘污染是重金屬污染中較常見且污染嚴重的一種。當前我國受鎘污染的耕地面積達1.33萬hm2，涉及11個省區(qū)的25個市縣。在國內許多地方，在糧食、蔬菜中已檢測出含量超標及嚴重超標的砷、鉛、鎘、銅等[1-3]，鎘大米事件也常見報道。

過量的Cd 在土壤中極易被植物吸收和積累，對植物的生長發(fā)育造成較大影響，最終造成農作物產量和品質的下降[4]。鎘對植物毒害機理十分復雜。它不但影響植物細胞生長和分裂[4-5]，而且對葉綠素的合成和光合作用均有抑制作用[6-7]。研究表明，鎘毒害使小麥葉片的光系統(tǒng)I 受損嚴重；也有研究表明，Cd對光系統(tǒng)Ⅰ和光系統(tǒng)Ⅱ均有影響，但對后者的影響更加顯著。其機理主要是鎘促使葉綠體中光系統(tǒng)Ⅱ捕光葉綠素蛋白質復合物（LHCHⅡ）的部分寡聚體解聚成單體，且總量減少[8-9]。另外，鎘對光合作用色素、光合組織等也有破壞作用[10-12]，從而影響植物的光合效率[13-14]。

麻瘋樹（Jatropha curcus）在分類學上屬大戟科（Euphorbiaceae）麻瘋樹屬，用途十分廣泛，生長速度很快，可作為飼料、農藥、醫(yī)藥、能源等的原料。尤為重要的是，麻瘋樹具有耐旱瘠的特性，可以作為干熱河谷地區(qū)的生態(tài)林或水源林樹種[15]，是我國各地均推廣的一個樹種[16-17]。

近年來，人們越來越重視對重金屬污染環(huán)境的植物修復方法的研究[18]。筆者采用盆栽試驗，研究土壤中不同濃度的鎘脅迫污染對麻瘋樹幼苗生理生化特性的影響，為利用麻瘋樹修復重金屬污染的環(huán)境的可行性提供參考。

1 材料與方法

1.1試驗材料

供試麻瘋樹種子從云南壯大科技有限公司購買。

1.2試驗方法

1.2.1

種子催芽。先用清水浸泡12 h，再用1∶5 000的KMnO4溶液消毒，時間為10 min。培養(yǎng)皿中墊1層濕潤的棉花和2層濾紙，種子平鋪在濾紙上，置入培養(yǎng)箱進行恒溫培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25 ℃，定時用蒸餾水噴灑，以保持種子水分。

1.2.2

盆栽沙培處理。

1.2.2.1

播種育苗。準備直徑8 cm塑料杯作為栽培容器， 裝入珍珠巖作為栽培基質。在種子開始露白后，在培養(yǎng)基質上播種。每天以1/2霍格蘭培養(yǎng)液澆淋，以保持基質濕潤。

1.2.2.2

脅迫處理。設6個不同的鎘濃度：0、5、10、50、100、200 mg/L。每個處理10株麻瘋樹幼苗，要求幼苗長勢均勻、大小一致。每個處理用含不同濃度的1/2體積的培養(yǎng)液分別澆淋栽培基質。脅迫7 d后，測定各種生理生化指標。

1.3 測定項目與方法

試驗項目參照李玲等方法[19-20]。采用無水丙酮提取、可見光分光光度法測量的方法，測定葉綠素的含量；采用硫代巴比妥酸加熱顯色法，測定丙二醛（MDA）含量；采用考馬斯亮藍法，測定可溶性蛋白的含量；采用愈創(chuàng)木酚法，測定過氧化物酶（POD）的活性；采用氯化三苯四氮唑（TTC）法，測定根系的活力；通過測定外滲液電導率的變化，測定檢測植物細胞質膜的透性；采用酸性茚三酮法，測定脯氨酸含量。

1.4 數據處理

數據的整理、圖表繪制都采用 Excel2003軟件。

2 結果與分析

2.1鎘脅迫對麻瘋樹幼苗丙二醛含量的影響

丙二醛是膜脂過氧化物的重要產物。它可以和氨基酸、核酸、蛋白質等活性物質交聯，形成脂褐素（不溶化合物）沉積，干擾細胞的生命活動。其含量直接反映膜脂過氧化程度[12]。從圖1可以看出，在鎘脅迫下，隨著鎘濃度的增加，丙二醛含量增加，而當鎘濃度達100 mg/L時丙二醛含量開始下降。這說明低濃度重金屬處理能夠維持細胞膜的穩(wěn)定，促進麻風樹幼苗的生長，而高濃度則使其受害程度加劇。

2.2鎘脅迫對麻瘋樹幼苗根系活力的影響

根系是植物的重要器官，供應植物生長所必需的礦物質和水分，與植物生長密切相關。根系活力一般指根系的吸收、合成、氧化和還原能力等。根系活力的大小與根系代謝強度有關，根系活力越高，則根系的代謝就越旺盛。這有利于整株植株的生長。從圖2可以看出，在鎘處理時，麻風幼苗根系活力先降后升，當鎘濃度為100 mg/L時根系TTC還原強度為最高。

2.3鎘脅迫對麻瘋樹葉綠素含量的影響

葉綠素的作用是進行光合作用，其含量與光合作用水平有正相關。光合作用弱，則植物的濕重會降低[9-10]。從圖3可以看出，葉綠素含量隨著鎘濃度的增加而降低，但當鎘濃度為5 mg/L時，葉綠素含量出現上升趨勢；當鎘濃度超過50 mg/L時，葉綠素又開始呈下降趨勢，說明鎘破壞了葉綠素結構和功能活性，抑制光合作用，即葉綠素生長。

2.4鎘脅迫對麻瘋樹幼苗電導率的影響

植物細胞中的原生質膜在維持細胞內外離子的濃度差、物質的主動運輸中起著非常重要的作用。細胞內外物質的交換和運輸均由細胞膜調節(jié)和控制。細胞膜的選擇透過性是評價植物對污染物反應的重要指標之一。從圖4可以看出，在鎘脅迫下，電導率總體呈先下降后上升。

2.5鎘脅迫對麻瘋樹幼苗可溶性蛋白質含量的影響

植物體內的可溶性蛋白質大部分是參與各種代謝的酶類?？扇苄缘鞍踪|含量是一個重要的生理生化指標。人們可以通過其含量來了解植物體的總代謝水平?？扇艿鞍踪|含量的升高會使細胞滲透濃度升高，也會使功能蛋白數量增加，有利于細胞正常代謝的維持。

從圖5可以看出，不同濃度Cd2+脅迫對麻風樹幼苗葉片中的可溶性蛋白含量變化存在一定的影響。隨著處理濃度的增加，可溶性蛋白的含量也增加，當Cd脅迫濃度達200 mg/L時，麻風樹幼苗葉片中可溶性蛋白達最大值。

2.6鎘脅迫對麻瘋樹幼苗過氧化物酶活性的影響

過氧化物酶是一種含鐵的酶，能夠促進H2O2氧化酶類反應，使得植物免受傷害。其作用類似于氫的受體，在植物體的呼吸代謝中起著重要的作用。

從圖6可以看出，在鎘脅迫下，POD活性都隨濃度升高先緩慢上升后緩慢下降。當鎘濃度為10 mg/L時，POD活性達到最高值；當鎘濃度為200 mg/L時，POD活性達到最小值。這表明當鎘濃度較低時，它能誘導過氧化物酶消除脅迫下產生的活性氧。但是，它維持系統(tǒng)穩(wěn)定的能力并不是無限的。當脅迫達到一定強度時，這種能力會漸漸喪失。

2.7鎘脅迫對麻瘋樹幼苗脯氨酸含量的影響

脯氨酸的積累與逆境脅迫程度、植物的抗逆性有關。在逆境條件下，植物體內常有游離脯氨酸的積累，參與滲透調節(jié)過程，從而對細胞膜和生理代謝過程起到保護的作用。

從圖7可以看出，在5.0 mg/L 鎘脅迫下，脯氨酸含量增大；當鎘濃度為10 mg/L時，脯氨酸含量變小，為對照組的68.32%，說明10 mg/L 鎘阻礙了麻風樹體內脯氨酸的合成；當鎘濃度達50、100、200 mg/L，脯氨酸含量呈上升趨勢，分別為對照組的114.68%、165.66%、208.92%。

3討論

鎘對植物毒害機理十分復雜，不但影響植物細胞生長、分裂，而且對植物光合作用產生影響且較復雜。鎘對葉綠素的合成和光合作用均有抑制作用。活性氧代謝平衡對植物的生長發(fā)育起著至關重要的作用，而鎘在植物體內的積累可以破壞活性氧代謝平衡，使得活性氧濃度超過一定閾值，產

生連鎖反應，結果使得像脂肪酸之類的大分子物質發(fā)生氧化

作用，并且產生重要的脂質過氧化物丙二醛，丙二醛的積累又會引起蛋白質變性失活，破壞核酸等生物大分子， 最終使細胞膜滲透性增加，一些小分子物質及電解質外滲，導致細胞間物質交換失去平衡[17]。

鎘使麻瘋樹幼苗MDA含量增加；抑制根系的發(fā)育，導致根系活力降低，從而抑制營養(yǎng)物質的吸收；影響葉綠體的合成，降低葉綠素含量，從而抑制光合作用；破壞葉片膜結構和功能，增大細胞膜透性，提高可溶性蛋白的含量；降低過氧化物酶活性。由于碳源礦物質的積累速度降低，苗期生長速度降低，脯氨酸含量增加，導致膜結構遭到破壞。

綜上所述，低濃度鎘對作物生長有促進作用，但是隨著幼苗的生長，鎘在植物體內積累，逐漸表現出抑制作用，使得麻瘋樹幼苗受到毒害。

安徽農業(yè)科學2015年

參考文獻

[1]

楊蘇才，南忠仁，曾靜靜.土壤重金屬污染現狀與治理途徑研究進展[J].安徽農業(yè)科學，2006，34（3）：549-552.

[2] 徐應明，李軍幸.新型功能膜材料對污染土壤鉛汞鎘鈍化作用研究[J].農業(yè)環(huán)境科學學報，2003，22（l）：86-89.

[3] 王凱榮.我國農業(yè)重金屬污染現狀及其治理利用對策[J].農業(yè)環(huán)境保護，1997，16（6）：174-178.

[4] 陳懷滿.土壤-植物系統(tǒng)中的重金屬污染[M].北京：科學出版社，1996：71-125.

[5] 劉海亮，崔世民，李強，等.鎘對作物種子萌發(fā)、幼苗生長及氧化酶同工酶的影響[J].環(huán)境科學，1991，12（6）：29-31，37.

[6] 陳桂珠.重金屬對黃瓜籽苗發(fā)育影響的研究[J].植物學通報，1990，7（1）：34-39.

[7] 洪仁遠，蒲長輝.鎘對小麥幼苗的生長和生理生化反應的影響[J].華北農學報，1991，6（3）：70-75.

[8] 慈敦偉，姜東，戴廷波，等.鎘毒害對小麥幼苗光合及葉綠素熒光特性的影響[J].麥類作物學報， 2005，25（5）：88-91.

[9] 楊丹慧，許春輝，王可玢，等.鎘離子對菠菜葉綠體色素蛋白質復合物及激發(fā)能分配的影響[J].植物學報，1990，32（3）：198-204.

[10] 秦天才，阮捷，王臘嬌.鎘對植物光合作用的影響[J].環(huán)境科學與技術，2000（S1）：33-35，44.

[11] GUPTA A，SINGHAL G S.Inhibit ion of PS Ⅱ activity by copper and its effect on spectral properties on intact cells in Anacystis nidulans[J].Environ Exper Bot，1995，35：435-439.

[12] OUZOUNIDOU G.Copperinduced changes on growth，methal content and photosynthetic function of Al yssum montanum plants[J].Environ Experi Bot，1994，34（2）：165-172.

[13] 王友保，劉登義.Cu、As 及其復合污染對小麥生理生態(tài)指標的影響[J].應用生態(tài)學報，2001，12（5）：773-776.

[14] 林義章，徐磊.銅污染對高等植物的生理毒害作用研究[J].中國生態(tài)農業(yè)學報，2007，15（1）：201-204.

[15] CARGNELUITTI D，TABALDI L A，SPANEVELLO R M，et al.Mercury toxicity induces oxidative stress in growing cucumber seedlings[J].Chemosphere，2006，5（3）： 999-1006.

[16] 何文淑，肖榮貴，楊曉瓊，等.麻瘋樹在貧困地區(qū)農村發(fā)展和生態(tài)建設中的開發(fā)前景[J].中國中醫(yī)藥信息雜志，2002，7（10）： 56.

[17] 魏琴，賴家業(yè)，周錦霞，等.干旱脅迫下麻瘋樹毒蛋白的Western雜交分析[J].北京林業(yè)大學學報，2004，3（5）： 23.

[18] 母波，韓善華，張英慧，等.汞脅迫對植物細胞結構與功能的影響[J].中國微生態(tài)學雜志，2007，19（1）： 112-118.

[19] 李玲.植物生理學模塊實驗指導[M].北京：科學出版社，2009.

[20] 張志良，瞿偉菁，李小方.植物生理學實驗指導[M].北京： 高等教育出版社，2009.