褪黑素浸種對豌豆幼苗生長及鎘積累的影響①

唐 懿，任 緯，劉副剛，李煥秀，廖明安，蔣 偉，林立金*

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褪黑素浸種對豌豆幼苗生長及鎘積累的影響①

唐 懿1，任 緯2，劉副剛3，李煥秀1，廖明安3，蔣 偉4，林立金1*

(1 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)果蔬研究所，成都 611130； 2 四川省內(nèi)江市農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，四川內(nèi)江 641000；3 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，成都 611130；4 成都師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，成都 611130)

通過盆栽試驗，研究了不同濃度褪黑素浸種對豌豆幼苗生長及鎘積累的影響。結(jié)果表明：用50、100、150、200 μmol/L的褪黑素浸種處理后，豌豆幼苗的生物量、含水量、光合色素含量、抗氧化酶活性均高于對照，且豌豆幼苗植株的鎘含量明顯降低。當(dāng)褪黑素濃度為200 μmol/L時，豌豆幼苗的生物量、光合色素含量均達到最大值；而根系及地上部分的鎘含量最低，分別為6.72 mg/kg和0.104 mg/kg，較對照分別降低了20.28% 和46.39%。因此，褪黑素浸種能夠促進豌豆幼苗生長，降低其對鎘的吸收，其中200 μmol/L褪黑素效果最好。

褪黑素；豌豆幼苗；生長；鎘

土壤是人類賴以生存的最重要資源之一，但是，近年來土壤鎘污染日益加重。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)如今中國鎘污染土地面積已經(jīng)達到了1.3×104hm2，涉及了11個省市25個地區(qū)[1]。鎘是植物非必需元素，也是毒性最大的重金屬污染物之一，極容易被植物根系吸收并轉(zhuǎn)移到其他部位[2]。此外，鎘還具有累積效應(yīng)，通過食物鏈進入人體，若攝入過多，會致突變、致畸、致癌，嚴(yán)重影響人體健康[3-4]。另一方面，蔬菜鎘污染正逐漸成為人們關(guān)注的焦點，其污染主要來源為污灌和污泥施用等[5-6]。值得留意的是，近幾年隨著菜地大量化肥的不合理施用，肥料已成為蔬菜鎘污染的一個重要來源[7]。蔬菜是人們生活必不可少的食材，但重金屬元素進入蔬菜體內(nèi)后，對蔬菜的生長發(fā)育產(chǎn)生毒害作用，降低蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)[8]。

褪黑素又稱松果體素，化學(xué)名稱為N-乙酰基-5-甲氧基-色胺，是生物進化中的一種保守分子，廣泛存在于動、植物和微生物中，具有促進睡眠、調(diào)節(jié)時差、抗衰老、調(diào)節(jié)免疫、抗腫瘤、抗氧化等多項生理功能[9]。有研究發(fā)現(xiàn)，褪黑素處理可緩解低溫對菘藍種子膜脂過氧化的傷害，提高菘藍種子在低溫脅迫條件下的萌發(fā)，促進其幼苗的生長[10]。褪黑素還能提高NaCl脅迫下狼尾草種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率，提高狼尾草胚根的直徑，促進其壯根[11]。在鎘脅迫條件下，褪黑素可以有效地緩解鎘對水稻的毒害作用，可提高水稻種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢，促進水稻幼根和幼芽的生長[12]。因此，源褪黑素可能是一種抗氧化劑而緩解逆境脅迫對植物造成的傷害。

豌豆是一種豆科蔬菜植物，含有人體所必須的多種氨基酸和分解亞硝胺的酶，具有高營養(yǎng)價值和防癌、抗癌的作用，在全國各地大面積栽培[13]。然而，近年來的菜地鎘污染直接影響到豌豆的安全生產(chǎn)[5-6]。鑒于此，本試驗采用褪黑素浸種的方式研究其對豌豆幼苗生長及鎘積累的影響，以期篩選出能降低豌豆幼苗鎘積累及提升豌豆幼苗生產(chǎn)效益的褪黑素濃度，為豌豆安全生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

豌豆品種為成豌8號，市場購買，其生長勢旺，分枝多，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性廣。

土壤為潮土，取自四川省成都市溫江區(qū)農(nóng)田，其基本理化性質(zhì)為：pH 6.29，有機質(zhì)21.16 g/kg，全氮1.09 g/kg，全磷1.20 g/kg，全鉀22.21 g/kg，堿解氮68.12 mg/kg，有效磷16.22 mg/kg，速效鉀156.21 mg/kg，鎘全量0.10 mg/kg，有效態(tài)鎘含量0.028 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

將土壤風(fēng)干，用11 cm × 15 cm(直徑×高)塑料盆裝入過6.72 mm(3目)篩的風(fēng)干土0.5 kg，加入鎘溶液(以CdCl2·2.5H2O分析純形式加入土壤中)，使土壤鎘含量為10 mg/kg[14]，保持土壤濕潤，放置30 d，不定期翻土混合，使土壤充分混合均勻。

將豌豆用濃度分別0(CK，清水)、50、100、150、200 μmol/L的褪黑素溶液浸種24 h，每個處理重復(fù)3次，催芽，種植在已經(jīng)裝好土壤的PVC盆中。每盆種植8粒，種植深度淺，保持濕潤，放置于培養(yǎng)室中，保持培養(yǎng)室的溫度在24℃左右。待出苗后將PVC盆移至遮雨棚中，育苗，每盆保留生長一致的幼苗5株，并及時澆水以保持土壤濕潤。

豌豆在種植40 d后整株收獲，測定株高、根長、根基部直徑、莖基部直徑、根系體積和生物量。采用丙酮-乙醇混合浸提法[15]測定光合色素(葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素)含量；可溶性蛋白含量用考馬斯亮白G250法測定；過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)的活性按照《植物生理學(xué)實驗教程》[15]的方法進行測定。稱取5.000 g植物鮮樣并磨成勻漿，加入硝酸-高氯酸(體積比為4∶1)放置12 h后消化至溶液透明，過濾，定容至50 ml，用iCAP 6300型ICP光譜儀(Thermo Scientific, USA)測定鎘含量[16]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)用SPSS進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 豌豆幼苗的形態(tài)指標(biāo)

由表1可知，與對照比較，褪黑素浸種處理后豌豆幼苗的株高、根長、根基部直徑和莖基部直徑都有所提高，且隨著褪黑素濃度的增加同步增長。當(dāng)褪黑素濃度為200 μmol/L時，豌豆幼苗的株高、根長、根基部直徑和莖基部直徑均達到最大值，分別較各自對照提高了14.27%(＜0.05)、16.75%(＜0.05)、220.29%(＜0.05)和193.42%(＜0.05)。由此可見，褪黑素浸種可改善、提高豌豆幼苗的外部形態(tài)指標(biāo)，且200 μmol/L的濃度效果最顯著。

2.2 豌豆幼苗的生物量

如表2所示，與對照相比，褪黑素浸種處理后，豌豆幼苗的鮮重及根系體積均得到提高。隨著褪黑素濃度的增加，豌豆幼苗的根系、莖稈、葉片及地上部分鮮重呈增加的趨勢。當(dāng)褪黑素濃度為200 μmol/L時，豌豆幼苗的根系、莖稈、葉片及地上部分鮮重達最大值，較各自對照分別提高了56.93%(＜0.05)、33.53%(＜0.05)、51.46%(＜0.05)和43.56%(＜0.05)。不僅如此，褪黑素浸種后，豌豆幼苗的根系體積也得到提高，且隨著褪黑素濃度的增加而呈增大的趨勢。當(dāng)褪黑素濃度為50、100、150、200 μmol/L時，豌豆幼苗的根系體積分別提高了6.38%(＜0.05)、13.09%(＜0.05)、31.17%(＜0.05)和36.17%(＜0.05)。由此可見，褪黑素浸種促進豌豆幼苗的生長，且200 μmol/L的濃度效果最佳。

表1 豌豆幼苗的形態(tài)指標(biāo)

注： 同列不同小寫字母表示各處理間差異達到顯著水平(＜0.05)，下同。

表2 豌豆幼苗的生物量(以鮮重計)

2.3 豌豆幼苗的含水量

隨著褪黑素的濃度增加，豌豆幼苗根系、莖稈、葉片及地上部分的含水量都呈增加的趨勢(表3)。當(dāng)褪黑素濃度為200 μmol/L時，豌豆幼苗根系、莖稈、葉片及地上部分的含水量分別較各自對照提高了2.51%(＜0.05)、2.67%(＞0.05)、4.65%(＞0.05)和3.89%(＜0.05)。可見，褪黑素浸種可以提高豌豆幼苗的含水量，且褪黑素濃度為200 μmol/L時效果最佳。

表3 豌豆幼苗的含水量(g/kg)

2.4 豌豆幼苗的光合色素含量

褪黑素浸種處理后，豌豆幼苗的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量較對照均有提高(表4)。隨著褪黑素濃度的增加，豌豆幼苗的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量呈增加的趨勢，說明褪黑素能夠提高豌豆幼苗的葉綠素含量。褪黑素浸種處理的豌豆幼苗葉綠素a和葉綠素b與各自對照相比，差異均不顯著(＞0.05)。當(dāng)褪黑素濃度為50、100、150、200 μmol/L時，豌豆幼苗葉綠素總量較對照分別提高了1.04%(＞0.05)、2.07%(＞0.05)、9.84%(＜0.05)和11.40%(＜0.05)，類胡蘿卜素含量較對照分別提高了5.41%(＞0.05)、21.62%(＜0.05)、35.14%(＜0.05)和43.24%(＜0.05)。從葉綠素a/b來看，褪黑素濃度增加的同時，豌豆幼苗葉綠素a/b也在提高，且在褪黑素濃度為200 μmol/L最大。

表4 豌豆幼苗的光合色素含量

2.5 豌豆幼苗的抗氧化酶活性

從表5可知，褪黑素浸種后，豌豆幼苗的POD、SOD、CAT活性及可溶性蛋白含量均隨著褪黑素濃度的增加而呈增加的趨勢。當(dāng)褪黑素濃度為50、100、150、200 μmol/L時，豌豆幼苗POD活性較對照分別提高了3.86%(＞0.05)、19.93%(＜0.05)、49.22%(＜0.05)和54.63%(＜0.05)，SOD活性較對照分別提高了16.05%(＜0.05)、46.91%(＜0.05)、97.53%(＜0.05)和114.81%(＜0.05)，CAT活性較對照分別提高了25.00%(＜0.05)、43.75%(＜0.05)、65.63%(＜0.05)和100.00%(＜0.05)。褪黑素浸種也提高了豌豆幼苗可溶性蛋白含量，且隨褪黑素濃度的增加而增加(表5)。當(dāng)褪黑素濃度為200 μmol/L時，豌豆幼苗可溶性蛋白含量較對照提高了96.26%(＜0.05)。由此可見，褪黑素可以提高豌豆幼苗的抗氧化酶活性和可溶性蛋白的含量，從而提高其抗逆性。

表5 豌豆幼苗的抗氧化酶活性

2.6 豌豆幼苗的鎘含量

褪黑素浸種處理后，豌豆幼苗各個器官的鎘含量均有所降低(表6)。隨著褪黑素濃度的增加，豌豆幼苗的鎘含量呈降低的趨勢，這說明褪黑素可以降低豌豆幼苗的鎘含量。當(dāng)褪黑素濃度達到200 μmol/L時，豌豆幼苗根系、莖稈和葉片的鎘含量分別較各自對照降低了20.28%(＜0.05)、44.10%(＜0.05)和46.94%(＜0.05)。當(dāng)褪黑素濃度達到50、100、150、200 μmol/L時，豌豆幼苗地上部分的鎘含量分別較對照降低了18.56%(＜0.05)、34.02%(＜0.05)、42.27%(＜0.05)和46.39%(＜0.05)。由此可見，褪黑素浸種可有效降低豌豆幼苗的鎘含量。

表6 豌豆幼苗的鎘含量

3 討論

本試驗研究表明，在鎘脅迫下，褪黑素浸種處理促進了豌豆幼苗的生長，緩解了鎘對豌豆幼苗的毒害，增強了豌豆幼苗對鎘脅迫的抗性，這與王立新等[17]、崔曉峰等[18]的研究類似。同時，褪黑素浸種處理也改變了豌豆幼苗的形態(tài)，促進其長高、根系增長、增粗，可能的原因是褪黑素在植物中起著生長調(diào)節(jié)作用，如促進細(xì)胞膨大、促進根的再生、促進節(jié)間生長、葉片擴大等[19]，因而使得豌豆幼苗生長更加良好，也說明褪黑素能緩解鎘對豌豆生長的抑制作用。

葉綠素與植物光合作用密切相關(guān)，其含量多少能夠直接影響到植物的生長發(fā)育[20]。在重金屬污染的條件下，植物體內(nèi)葉綠素酸酯還原酶活性受到抑制，葉綠體膜結(jié)構(gòu)受到破壞、礦物質(zhì)的吸收減少，反應(yīng)酶活性降低，葉綠素被降解，導(dǎo)致了光合作用下降，生物量降低[21]。本試驗研究表明，褪黑素浸種后，豌豆幼苗的葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量及類胡蘿卜素含量都有所增加，這可能與褪黑素防止植物葉綠素的降解有關(guān)[12, 21]。此外，這也可能是褪黑素緩解了鎘對植物葉綠素酸酯還原酶活性的抑制作用，保護了葉綠體膜結(jié)構(gòu)免受破壞，增強了礦質(zhì)元素的吸收能力，提高了參與光合反應(yīng)酶的活性，從而使得葉綠素含量提高，光合作用增強[21]。

在逆境條件下，植物產(chǎn)生的活性氧自由基含量會明顯增加，嚴(yán)重影響植物的生長，使得植物保護系統(tǒng)平衡被打破，且當(dāng)自由基的產(chǎn)生和積累達到一定值時，就會發(fā)生膜傷害，最終導(dǎo)致植物死亡[22]。此時，植物體內(nèi)的SOD、POD和CAT等保護酶在一定程度上能夠分解活性氧自由基，保護植物免受傷害[23]。本試驗研究表明，隨著褪黑素濃度的增加，豌豆幼苗的抗氧化酶(SOD、POD和CAT)活性也呈升高的趨勢，且可溶性蛋白含量也呈增加的趨勢，可能的原因是褪黑素提高了豌豆幼苗的SOD、POD和CAT活性，從而提高了其清除活性氧自由基的能力，增強了豌豆幼苗對鎘的抗性。同時，褪黑素作為一種抗氧化劑直接參與清除活性氧自由基的反應(yīng)[24]，也間接地增強了豌豆幼苗對鎘的抗性。

有研究表明，重金屬進入植株體內(nèi)后，會大量聚集于根部，導(dǎo)致植物根系的重金屬含量升高，因而根系最容易受到毒害[25]。重金屬進入植物體后也會與許多物質(zhì)結(jié)合，如蛋白質(zhì)、多糖、有機酸等，降低其對植物的毒性[26]。Casterlin和Barnett[27]發(fā)現(xiàn)在植物體內(nèi)有類似金屬硫蛋白的物質(zhì)存在，而褪黑素可以通過半胱氨酸殘基上的巰基與金屬離子結(jié)合形成無毒或低毒的絡(luò)合物，降低金屬對植物的毒害作用。多數(shù)重金屬會誘導(dǎo)植物形成植物絡(luò)合素，且鎘誘導(dǎo)速度最快，數(shù)量最多，這也是植物降低重金屬毒性的一種方式[28]。本試驗研究表明，褪黑素浸種可降低豌豆幼苗的鎘含量，且隨褪黑素濃度的增加，豌豆幼苗的鎘含量呈降低的趨勢，可能與褪黑素提高了豌豆幼苗對鎘的抗性，從而降低其對鎘的吸收有關(guān)，這有待進一步研究。

4 結(jié)論

褪黑素浸種可促進豌豆幼苗的生長，降低其對鎘的吸收與積累。本試驗中，效果最佳的褪黑素濃度是試驗設(shè)計的最大濃度，即200 μmol/L。因此，在今后的研究中，還可以進一步提高褪黑素的濃度，最大程度的降低豌豆植株鎘含量，促進豌豆生長。

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Effects of Melatonin Soaking on Growth and Cadmium Accumulation of Pea Seedlings

TANG Yi1, REN Wei2, LIU Fugang3, LI Huanxiu1, LIAO Ming’an3, JIANG Wei4, LIN Lijin1*

(1 Institute of Pomology and Olericulture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 2Maize Research Institute, Neijiang Academy of Agricultural Sciences, Neijiang, Sichuan 641000, China; 3 College of Horticulture, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China; 4College of Chemistry and Life Science, Chengdu Normal University, Chengdu 611130, China)

A pot experiment was conducted to study the effects of different concentrations of melatonin soaking on the growth and cadmium accumulation of pea seedlings. The results showed that the doses of 50, 100, 150 and 200 μmol/L melatonin treatments increased the biomasses, water contents, photosynthetic pigment contents and antioxidant enzyme activities of pea seedlings compared with the control, and cadmium contents in pea seedlings reduced significantly. When the dose of melatonin was 200 μmol/L, the biomasses and photosynthetic pigment contents of pea seedlings reached the maxima, and cadmium contents in roots and shoots of pea seedlings were the minima of 6.72 and 0.104 mg/kg, reduced by 20.28% and 46.39% respectively compared with the control. Therefore, melatonin soaking could promote the growth of pea seedlings and reduce cadmium uptake, and the best dose of melatonin is 200 μmol/L.

Melatonin; Pea seedlings; Growth; Cadmium

四川省教育廳青年項目(15ZA0011)資助。

(llj800924@163.com)

唐懿(1984—)，女，四川內(nèi)江人，博士，副研究員，主要從事蔬菜遺傳育種及栽培研究。E-mail：tangyi84@qq.com

10.13758/j.cnki.tr.2018.01.015

X53；S482.8

A