鎘脅迫對油菜、白菜和蘿卜生長和生理特性的影響

劉 鳳，魏雨蒙，劉霜平，張鳳嬌，趙曉蕓，劉楚漢，趙夢霞，張 瑩，卓秀麗，褚天龍

(吉林師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 四平 136000)

鎘脅迫對油菜、白菜和蘿卜生長和生理特性的影響

劉 鳳，魏雨蒙，劉霜平，張鳳嬌，趙曉蕓，劉楚漢，趙夢霞，張 瑩，卓秀麗，褚天龍

(吉林師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 四平 136000)

鎘(Cd)是非必需的有毒元素，是農(nóng)業(yè)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品的重要污染物，因此，Cd的毒性效應(yīng)已成為國內(nèi)外研究的熱點。實驗研究手段主要有濾紙法、水培法、土壤栽培，以發(fā)芽率、葉綠素含量、生物量為毒理學(xué)指標探討Cd脅迫對油菜、白菜和蘿卜的毒性效應(yīng)。采用SPSS進行統(tǒng)計分析得出，植物生長指標與對照相比差異明顯，且呈現(xiàn)明顯的劑量-效應(yīng)關(guān)系，其中葉綠素和根長變化幅度較大，表明這兩種指標較為敏感，可以作為生物標志物診斷Cd毒性。

鎘脅迫；重金屬；毒性效應(yīng)；葉綠素

重金屬鎘(Cd)因污染周期長、毒性高、難降解和移動性大備受關(guān)注[1]。在我國Cd 污染涉及11 個省的25 個地區(qū)，污染耕地面積超過1.33萬hm2，受污染糧食高達1200 萬t[2]。Cd 不是植物生長必需元素，但易被植物大量吸收積累，產(chǎn)生嚴重的毒害作用，同時Cd 通過食物鏈進入人體積累，加劇人的衰老進程，引發(fā)多種疾病[3-5]。因此，研究Cd 對植物的毒害機理及植物對Cd 的抗性機理對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境治理及生態(tài)保護都具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤為棕壤，采自吉林師范大學(xué)實驗站，取0～20 cm表層土，自然風(fēng)干，剔除其中的植物殘體和石塊，磨碎，過2 mm尼龍篩備用。供試土壤基本理化性質(zhì)為：土壤pH值 6.75，全氮含量0.82 mg/kg，全磷含量0.75 mg/kg，全鉀含量19.89 mg/kg，全鎘含量0.10 mg/kg，有機質(zhì)含量2.26 %。試驗所選用試劑均為分析純。

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1 濾紙法

選取直徑為9 cm的培養(yǎng)皿洗凈烘干，用濾紙墊在培養(yǎng)皿的底部。設(shè)置六個不同濃度CdCl2的改良Hoagland溶液，取20粒種子隨機放入培養(yǎng)皿中，每一濃度設(shè)3個重復(fù)。將培養(yǎng)皿放入?yún)?shù)已調(diào)節(jié)好的培養(yǎng)箱中(白天25℃光照強度為11000lx、夜晚20℃光照0、控制濕度為65%～75%)觀察。每隔24 h添加1次溶液，3天后計算發(fā)芽率。

1.2.2 水培法

取適量種子用1%H2O2消毒20 min，用去離子水清洗。將種子放入內(nèi)鋪有濕潤濾紙的托盤中，置于培養(yǎng)箱中催芽。待露白2 mm左右后挑選長勢一致的種子待用。

待用種子漂浮載體為方形聚乙烯泡沫板(長寬20 cm)，其上按一定間距開9個圓孔，并用紗布縫制泡沫板底面。以方形PVC桶(長寬21cm)為容器，設(shè)置六個不同濃度CdCl2改良Hoagland溶液，每一濃度設(shè)3個重復(fù)。將預(yù)培養(yǎng)好的種子均勻隨機放人圓孔內(nèi)，每孔3-4粒。接著將PVC桶放入?yún)?shù)已調(diào)節(jié)好的培養(yǎng)箱中觀察。每隔72h換1次溶液，做好實驗記錄。6天后將植株取出測其葉綠素含量。

1.2.3 土培法

每個直徑9 cm培養(yǎng)皿土壤用量30g，重金屬Cd以CdCl2·2.5H2O固體形態(tài)施入土壤中，使其中Cd形成一定的濃度梯度，從小到大依次為0，12.5，25，50，100，200，400 mg/kg，每個處理設(shè)3個重復(fù)。充分混勻，加去離子水調(diào)節(jié)土壤含水率達到其田間最大持水量的60%左右，25℃下培養(yǎng)7 d，模擬重金屬Cd污染土壤。

每個培養(yǎng)皿均勻隨機放入20粒種子，之后放入培養(yǎng)箱內(nèi)，每日向培養(yǎng)皿內(nèi)加適量的水以維持田間最大持水量。做好實驗觀測記錄。72h后將植株取出測其生物量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel軟件和SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，并用Origin軟件進行繪圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎘脅迫對種子發(fā)芽率的影響

種子萌發(fā)是植物生命起始的重要事件，也是植物最早接受重金屬脅迫的階段。了解種子萌發(fā)對鎘的脅迫反應(yīng)，是系統(tǒng)認識重金屬傷害機理的較好途徑[6]。實驗結(jié)果表明Cd脅迫均抑制了三種植物種子的萌發(fā)(圖1)，其中油菜發(fā)芽率顯著性降低(P<0.05)，油菜對于Cd脅迫響應(yīng)較為敏感。

圖1 不同濃度Cd處理下植物的發(fā)芽率(A:油菜B:白菜C:蘿卜)

2.2 葉綠素

葉綠素含量的多少是植物光合作用、生長能力強弱的重要標志。由圖2可見，隨Cd2+濃度的升高，除0.05、0.1 mmol·L-1Cd2+濃度下蘿卜葉綠素b降低之外，其他處理組葉綠素a與b含量均高于對照組，且Cd2+濃度越高刺激作用越明顯。處理組白菜葉綠素含量與對照相比差異顯著，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(圖3)。

圖2 不同濃度Cd處理下蘿卜葉綠素含量(A:葉綠素a B:葉綠素b)

圖3 不同濃度Cd處理下白菜葉綠素含量(A:葉綠素a B:葉綠素b)

2.3 生物量

由圖4和圖5可見，隨著Cd2+濃度的升高，實驗組的油菜和白菜株高、根長和鮮重整體呈現(xiàn)降低的趨勢，Cd2+濃度越高抑制作用越明顯，根長整體降低幅度較大，其中白菜根長顯著低于對照(P<0.05)。Cd2+脅迫對根長的影響大于對胚芽長的影響，可能是由于重金屬與植物作用時，總是最先接觸根部，根細胞壁中存在大量交換位點，能將重金屬離子固定在這些位點上，從而阻止重金屬進一步向芽轉(zhuǎn)移。當(dāng)Cd2+毒害達到一定程度, 植株就會表現(xiàn)出生長遲緩、植株矮小、褪綠等中毒癥狀, 嚴重影響其產(chǎn)量[7]。

圖4 不同濃度Cd處理下油菜生長指標(A:鮮重B:株高C:根長)

圖5 不同濃度Cd處理下白菜生長指標(A:鮮重B:株高C:根長)

3 結(jié)論

Cd脅迫均抑制了三種植物種子的萌發(fā)，其中油菜發(fā)芽率顯著性降低(P<0.05)，油菜對于Cd脅迫響應(yīng)較為敏感。隨著Cd2+濃度的升高，白菜葉綠素含量與對照相比差異顯著，呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。油菜和白菜株高、根長和鮮重整體呈現(xiàn)降低的趨勢，Cd2+濃度越高抑制作用越明顯，根長整體降低幅度較大，表明葉綠素和根長這兩種指標較為敏感，可以作為生物標志物診斷Cd毒性。

[1] 馮漢青,杜變變,王慶文,等.鎘脅迫下活性炭對小麥幼根的保護作用[J].生態(tài)學(xué)報,2016,36(10):1-7.

[2] 張 軍,吳秀寧,王新軍.鎘脅迫對蘭黑粒小麥幼苗光合生理特性的影響[J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,62(04):6-8,19.

[3] González A, Gil-Díaz M, Lobo MC.Response of two barley cultivars to increasing concentrations of cadmium or chromium in soil during the growing period[J].Biological Trace Element Research,2015,163(1-2):235-243.

[4] Marinari S, Carbone S, Vittori Antisari L,et al. Microbial activity and functional diversity in Psamment soils in a forested coastal dune-swale system[J].Geoderma,2012,173-174:249-257.

[5] Hongbo G, Nan Z, Deyholos MK, et al. Calcium mobilization in salicylic acid-induced salvia miltiorrhiza cell cultures and its effect on the accumulation of rosmarinic acid[J].Applied Biochemistry&Biotechnology, 2015,175(05):2689-2702.

[6] 曲凱麗,張藝馨,朱 宏.鎘脅迫對小麥種子萌發(fā)的影響[J].哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2014,30(6):94-98.

[7] 賈 夏,周春娟,董歲明,等.鎘脅迫對小麥的影響及小麥對鎘毒害響應(yīng)的研究進展[J].麥類作物學(xué)報,2011,31(4):786-792.

(本文文獻格式：劉 鳳，魏雨蒙，劉霜平，.鎘脅迫對油菜、白菜和蘿卜生長和生理特性的影響[J].山東化工，2017，46(04)：162-164.)

Effects of Cadmium Stress on the Seedlings Growth and Physiological Characteristics of Rape, Chinese Cabbage and Radish

LiuFeng,WeiYumeng,LiuShuangping,ZhangFengjiao,ZhaoXiaoyun,LiuChuhan,ZhaoMengxia,ZhangYing,ZhuoXiuli,ChuTianlong

(College of Environmental Science and Engineering, Jilin Normal University, Siping 136000, China)

Cadmium (Cd) is non-essential but toxic element. It is an important agricultural pollutant in environment and farm product.Therefore, toxicity effect of Cd has become a hot research at home and abroad. Research methods mainly contain the filter paper culture, hydroponics, soil culture. We choose germination rate, chlorophyll content, growth indexes as toxicological indicators to explore Cd stress tolerance and toxic effects on rape, Chinese cabbage and radish. Using SPSS for statistical analysis, we find that the growth indexes are significantly different compared to the control, and show a clear dose-response relationship between Cd pollution and toxicity. Among these indexes,Chlorophyll and root length change by a big margin, indicating that these two indicators are more sensitive, which can be used as biomarkers to diagnosis Cd toxicity.

cadmium stress; heavy metal; toxic effect; chlorophyll

2016-12-26

2016年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(G2016-35 )；吉林師范大學(xué)第十五批大學(xué)生科研基金(15321)

劉 鳳(1987—) ，女，講師，研究方向：環(huán)境污染與健康評價。

X503.231

A

1008-021X(2017)04-0162-03