瓜類(lèi)蔬菜砧木耐鎘研究進(jìn)展

孟凡茹,郭衛(wèi)麗,趙戴軍,陳碧華,李新崢

（1.河南科技學(xué)院園藝園林學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.河南省園藝植物資源利用與種質(zhì)創(chuàng)新工程研究中心,河南新鄉(xiāng)453003）

隨著當(dāng)代城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展,大量工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣等廢棄物排入環(huán)境,導(dǎo)致環(huán)境污染日趨嚴(yán)重.由于礦石開(kāi)采、城市垃圾處理、污水灌溉和化學(xué)肥料的廣泛使用導(dǎo)致土壤重金屬污染日益加劇[1-2].據(jù)統(tǒng)計(jì)全國(guó)土壤總點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%,農(nóng)田土壤重金屬鎘的點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%[3],同時(shí)被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)定為Ⅰ類(lèi)致癌物[4],中國(guó)農(nóng)田土壤大約1.0×107hm2遭受到重金屬Cd 污染[5-6].鎘（Cd）是一種生物毒性極強(qiáng)且對(duì)自然界危害較大的重金屬元素,在環(huán)境中的化學(xué)活性強(qiáng)、移動(dòng)性大、毒性持久.不但影響農(nóng)田土壤的理化性質(zhì),使土壤質(zhì)地變劣,并且鎘污染還毒害農(nóng)田中的各種作物生長(zhǎng)[7].重金屬鎘（Cd）是植物非必需元素,易于被植物如小麥、水稻和蔬菜吸收和富集[8-9],并通過(guò)食物鏈在人體內(nèi)傳遞富集,對(duì)人體健康造成極大危害.瓜類(lèi)蔬菜由于根系生長(zhǎng)力弱,土傳病害、連作障礙日益加劇且極易被重金屬污染,嚴(yán)重影響蔬菜質(zhì)量安全并威脅人類(lèi)健康.嫁接栽培技術(shù)廣泛應(yīng)用于瓜果類(lèi)蔬菜[10],嫁接提高了銅脅迫下甜瓜幼苗的生物量和光合特性,顯著降低了膜脂過(guò)氧化傷害[11],以南瓜為砧木的黃瓜和甜瓜嫁接苗均顯著提高了果實(shí)品質(zhì)和抗病性,有效緩解鹽脅迫對(duì)植株的傷害[12-13],而砧木的篩選對(duì)蔬菜嫁接起著至關(guān)重要的作用.南瓜是瓜類(lèi)蔬菜嫁接栽培中的主要砧木,具備根系發(fā)達(dá)、抗土傳病害、有效緩解重金屬脅迫等砧木特點(diǎn),但針對(duì)砧木耐鎘性的研究報(bào)道較少.逆境脅迫下,植物根系是最敏感的部位,鎘對(duì)植物生命活動(dòng)的影響首先體現(xiàn)在根部,隨后是地上部.根部是累積重金屬的主要部位,只有少部分進(jìn)入植物的地上部[14].所以從理論上揭示鎘脅迫對(duì)蔬菜吸收影響的機(jī)理,研究鎘脅迫對(duì)瓜類(lèi)蔬菜耐鎘砧木根系的影響,為加快篩選耐鎘砧木資源的應(yīng)用有重要意義.

1 鎘對(duì)蔬菜的毒害

鎘作為八大超標(biāo)重金屬之首,雖然不是植物所需的必須元素,但極易被根系吸收轉(zhuǎn)運(yùn)至地上部.過(guò)量的鎘在植物體內(nèi)積累產(chǎn)生大量的活性氧自由基,對(duì)植物原生質(zhì)膜、細(xì)胞器造成傷害,干擾機(jī)體正常生理代謝,抑制植物的生長(zhǎng)發(fā)育,嚴(yán)重影響植物的正常生命活動(dòng).

1.1 鎘對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育的影響

鎘對(duì)不同基因型植物的脅迫反應(yīng)有所不同[15].盧敏敏等[16]用鎘處理小型西瓜幼苗時(shí)發(fā)現(xiàn),低濃度鎘處理,對(duì)西瓜幼苗根系有促進(jìn)作用,隨著鎘處理濃度的增加,對(duì)其幼苗根系有明顯的抑制作用,導(dǎo)致根系活力下降影響幼苗生長(zhǎng).用高質(zhì)量濃度（64 mg/L）的鎘溶液處理桃樹(shù)幼苗,根系是最先受鎘毒害的器官,表現(xiàn)為嚴(yán)重抑制根系吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),葉片干枯脫落,生長(zhǎng)完全停止,最終死亡[17].馬超等[18]發(fā)現(xiàn)較高濃度鎘脅迫下嚴(yán)重抑制青菜根系的生長(zhǎng),葉面積減少,基部葉片發(fā)黃脫落并有枯死現(xiàn)象,各器官干質(zhì)量明顯下降.芹菜在較高濃度鎘脅迫下,根系褐化或黑化現(xiàn)象加重,根系總量明顯減少,局部根尖膨脹甚至彎曲[19].

1.2 鎘對(duì)蔬菜細(xì)胞器的影響

細(xì)胞器是植物細(xì)胞代謝中較活躍的部分,也是對(duì)鎘毒害最敏感的組分[20].正常情況下,植物葉綠體結(jié)構(gòu)規(guī)則完整,基粒間有基質(zhì)片層相連且排列整齊、液泡大,線粒體緊挨著葉綠體排列,內(nèi)含淀粉顆粒和嗜鋨顆粒清晰可見(jiàn)[21-22].Cd 脅迫下嚴(yán)重破壞了黃瓜葉片葉綠體結(jié)構(gòu),其中葉綠素a 含量下降百分比最為顯著[23].Cd 處理下,白菜葉綠體膨脹變形,發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象,基粒排列無(wú)序,膜系統(tǒng)損傷[24].馬鈴薯細(xì)胞受到嚴(yán)重破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體,膜系統(tǒng)損壞明顯,細(xì)胞膜緊貼細(xì)胞壁、結(jié)構(gòu)模糊,線粒體數(shù)量減少,基粒片層顏色加深,淀粉粒膨大,嗜鋨顆粒數(shù)量和顏色也有不同程度的改變[25].

1.3 鎘對(duì)蔬菜營(yíng)養(yǎng)吸收的影響

植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中需要Ca、Fe、Mg 和Zn 等必需營(yíng)養(yǎng)元素維持正常的生命活動(dòng),鎘是植物生長(zhǎng)非必需元素,植物體內(nèi)沒(méi)有專(zhuān)供鎘轉(zhuǎn)運(yùn)吸收通道,通常利用與鎘有相似結(jié)構(gòu)的Ca2+、Fe2+、Mn2+等陽(yáng)離子相互作用進(jìn)入植物體內(nèi),進(jìn)而抑制植物對(duì)一些金屬元素的吸收,擾亂各種金屬元素在植物體內(nèi)的均衡分布[26-27].張福順等[28]研究表明,甜菜在含有Cd 的營(yíng)養(yǎng)液栽培中,致使根、莖、葉中的多種礦質(zhì)元素發(fā)生不同程度的改變,改變了甜菜對(duì)微量元素的正常吸收,營(yíng)養(yǎng)失去平衡,隨著Cd 濃度的增加,甜菜生長(zhǎng)受到明顯影響.龍俊霞等[29]研究表明,高濃度鎘處理對(duì)紫葉生菜Ca2+、K2+、Mg2+的吸收有較強(qiáng)的抑制作用,抑制程度因品種不同而有顯著差異.葉面噴施低濃度的Fe2+可有效提高受鎘毒害的番茄生物量和產(chǎn)量,提高番茄體內(nèi)抗氧化酶活性進(jìn)而能夠清除因鎘脅迫產(chǎn)生的過(guò)量活性氧自由基[30].

2 鎘脅迫解毒機(jī)制

植物在受到鎘脅迫時(shí),表現(xiàn)為植株矮小、根系縮短增粗、葉片失綠干枯、生物量下降等[31-32],鎘毒害嚴(yán)重時(shí)影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量甚至致死.植物為了維持正常的生長(zhǎng)發(fā)育,通過(guò)調(diào)節(jié)生理和生化新陳代謝而形成一系列抗性防御機(jī)制緩解或去除Cd 的毒害.

2.1 細(xì)胞壁對(duì)鎘的固定作用

纖維素、半纖維素、果膠以及蛋白質(zhì)是構(gòu)成植物根細(xì)胞壁的主要成分[33].細(xì)胞壁是重金屬進(jìn)入植物原生質(zhì)體的第一道屏障,細(xì)胞壁中多糖羧基、醛基、氨基以及磷酸基等負(fù)電基團(tuán)與重金屬陽(yáng)離子產(chǎn)生絡(luò)合反應(yīng)將其固定至細(xì)胞壁[34-36].研究表明,植物細(xì)胞壁中半纖維素是蓄積Zn 的主要場(chǎng)所[37-40].閆雷等對(duì)鎘脅迫下黃瓜幼苗亞細(xì)胞的研究表明,黃瓜葉片中的鎘主要累積于細(xì)胞壁中,從而降低鎘對(duì)細(xì)胞器的毒害[41].宋阿琳等[42]研究表明細(xì)胞壁對(duì)Cd 的固定是小白菜耐Cd 的原因之一.

2.2 細(xì)胞膜對(duì)鎘的滯留作用

細(xì)胞膜又稱(chēng)原生質(zhì)膜,具有分隔細(xì)胞內(nèi)、外不同介質(zhì)和組成成分的功能[43],具有識(shí)別異物和自身物質(zhì)的功能,可有選擇性的調(diào)節(jié)控制細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)進(jìn)行交換,同時(shí)也可使細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)區(qū)域化互不影響[44].位于細(xì)胞質(zhì)膜上的重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在植物根系對(duì)Cd 的調(diào)控過(guò)程中發(fā)揮著重要作用,重金屬轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分為吸收蛋白（metal uptake proteins）和排出蛋白（metal efflux proteins）兩種,吸收蛋白中鋅鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白家族（ZRT）、天然抗性巨嗜細(xì)胞蛋白家族（NRAMP）和排出蛋白中三磷酸結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白等均有負(fù)責(zé)Cd吸收和排毒功能[45].研究表明,水稻根系細(xì)胞膜上Nramp1 和Nramp5 蛋白主要負(fù)責(zé)Fe2+、Cd2+和Mn2+的轉(zhuǎn)運(yùn)[46-47].

2.3 液泡區(qū)隔化作用

當(dāng)植物遭受Cd 毒害時(shí),為了減少植物根系吸收的鎘危害細(xì)胞器,植物液泡內(nèi)含有的多種氨基酸、蛋白質(zhì)等植物螯合肽與鎘螯合,以螯合物的形式區(qū)隔于代謝環(huán)境較為惰性的液泡內(nèi)[48].植物根系液泡對(duì)鎘的滯留作用與液泡膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白有關(guān),鎘能與植物體內(nèi)螯合肽合成高分子絡(luò)合物,并通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將鎘轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡內(nèi),有研究表明液泡膜上的AtHMA3 蛋白、轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABC 超家族等能將重金屬區(qū)隔至液泡內(nèi),提高植物對(duì)重金屬的耐性進(jìn)而減輕傷害[49-50].蓖麻根系中的鎘解毒機(jī)制主要依賴于液泡的區(qū)隔化作用來(lái)緩解對(duì)細(xì)胞器的傷害[51],這在馬纓丹、秋華柳、豌豆等植物上均得到證實(shí)[52-54].

2.4 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累

可溶性蛋白和脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),具有調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)滲透勢(shì)平衡、清除活性氧和增強(qiáng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等功能.重金屬脅迫下,植物體內(nèi)活性氧自由基（ROS）增加,超過(guò)閾值時(shí)對(duì)植物造成氧化傷害.Cd 能夠誘導(dǎo)植物體內(nèi)多種脯氨酸的積累,進(jìn)而降低細(xì)胞質(zhì)膜過(guò)氧化傷害,增加植物對(duì)重金屬的抗性[55].可溶性蛋白不僅是維持植物細(xì)胞正常生命活動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),還是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),當(dāng)植物受到鎘毒害時(shí),可溶性蛋白含量的升高能顯著降低細(xì)胞滲透勢(shì)以減輕細(xì)胞膜系統(tǒng)損害程度,常作為衡量植物抗逆性的重要指標(biāo)[56].通過(guò)高濃度Cd 脅迫下對(duì)不同植物材料蛋白質(zhì)組響應(yīng)發(fā)現(xiàn),抗逆性蛋白質(zhì)和氨基酸代謝相關(guān)蛋白的表達(dá)量上升[57-58].張永平等[59]研究表明,低濃度鎘脅迫下,甜瓜幼苗葉片中的可溶性蛋白和脯氨酸含量增加,進(jìn)而增強(qiáng)植株對(duì)重金屬的抗性,隨著鎘濃度的升高,不同甜瓜品種間脯氨酸和可溶性蛋白表現(xiàn)出不同的趨勢(shì),可能是不同濃度鎘處理下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在不同品種間所起的作用和調(diào)節(jié)機(jī)制不同.

2.5 抗氧化酶系統(tǒng)活性的提高

重金屬脅迫下植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)發(fā)生改變,引起一系列氧化還原反應(yīng),導(dǎo)致活性氧增加造成膜質(zhì)過(guò)氧化傷害[31].植物通過(guò)對(duì)逆境的響應(yīng)和應(yīng)答,產(chǎn)生抗氧化酶（SOD、POD、CAT、APX）及非酶抗氧化劑（抗壞血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）等[62].

Cd 脅迫條件下,植物體內(nèi)產(chǎn)生對(duì)細(xì)胞有毒害的活性氧自由基,對(duì)植物機(jī)體造成傷害,隨著活性氧的增多,誘導(dǎo)抗氧化系統(tǒng)酶活性升高.研究表明[59],甜瓜幼苗的SOD、POD、CAT、APX 活性隨著鎘濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì),在一定濃度的鎘處理閥值內(nèi),四種酶活增高說(shuō)明逆境脅迫下啟動(dòng)植物應(yīng)激保護(hù)能力進(jìn)而降低膜脂過(guò)氧化傷害,高濃度鎘脅迫下可能導(dǎo)致膜系統(tǒng)受損,細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞,抗氧化酶的合成及其自身活性降低,活性氧的產(chǎn)生與清除之間的平衡被破壞.湯葉濤等[61]對(duì)Cd 脅迫下滇苦菜抗氧化系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn),滇苦菜地上和地下部的SOD、POD 活性隨著Cd 脅迫濃度的增加呈上升趨勢(shì),且根部活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地上部.低Cd 濃度脅迫下,芥菜SOD、POD、CAT 活性顯著升高,這與前人對(duì)Cd 脅迫下不同水稻品種抗氧化酶研究結(jié)果相似,表明耐Cd 性品種由于自身的保護(hù)能力,抗氧化酶系統(tǒng)發(fā)揮功能有效清除活性氧自由基,減輕對(duì)植物體的傷害[63].

植物體內(nèi)AsA-GSH 循環(huán)系統(tǒng)中兩種重要的非酶抗氧化劑分別是抗壞血酸（AsA）與谷胱甘肽（GSH）[64].Cd 脅迫下石竹幼苗的生長(zhǎng)受阻,抗性急劇下降,對(duì)石竹幼苗葉面噴施適宜濃度的外源AsA和GSH 可有效緩解Cd 毒害,提高抗性,降低植物體內(nèi)過(guò)量活性氧,改善植株生長(zhǎng)狀況[65].AsA 是植物體內(nèi)小分子抗氧化物,可有效緩解或清除ROS 對(duì)植物細(xì)胞的毒害,外源噴施低濃度的AsA,油菜干物質(zhì)量明顯增加,抗氧化酶活增高,顯著抑制Cd 毒害導(dǎo)致的膜脂過(guò)氧化傷害[66].GSH 作為植物細(xì)胞內(nèi)解除重金屬毒害的重要物質(zhì),對(duì)植物體內(nèi)重金屬離子及其化合物有較強(qiáng)親和力,兩者結(jié)合可降低進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的重金屬量,進(jìn)而緩解鎘毒害對(duì)植物的傷害,適量的外源GSH 處理可有效緩解大豆種子萌發(fā)過(guò)程中的重金屬毒害,提高種子活力,增強(qiáng)抗氧化酶活性,降低膜脂過(guò)氧化傷害[67].

2.6 植物螯合物

進(jìn)入植物的重金屬與體內(nèi)的植物螯合肽（PCs）、金屬硫蛋白（MTs）和有機(jī)酸等絡(luò)合形成螯合物,轉(zhuǎn)運(yùn)至液泡、線粒體等區(qū)室,進(jìn)而減輕重金屬對(duì)植物體的毒害[68].

植物螯合肽（PCs）是在重金屬脅迫下,細(xì)胞質(zhì)中以GSH 為底物由植物絡(luò)合素合酶催化合成,一類(lèi)是低分子量的富含Cys（半胱氨酸）的硫基多肽復(fù)合物,對(duì)植物體內(nèi)的重金屬有較強(qiáng)的結(jié)合能力[69].劉俊祥等[70]研究表明,鎘脅迫下隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),多年生黑麥草植株地上部和地下部的植物絡(luò)合素濃度呈上升趨勢(shì),且與Cd 濃度呈顯著正相關(guān).董姬妃等[71]研究表明,單獨(dú)鎘處理白三葉草,其體內(nèi)植物螯合肽（PCs）含量顯著高于對(duì)照,而GSH 的含量顯著低于對(duì)照,GSH 含量的降低可能是用于大量合成PCs造成的,進(jìn)而減輕對(duì)植物體的鎘毒害.羅潔文等[72]對(duì)類(lèi)蘆根系進(jìn)行Cd 脅迫時(shí)發(fā)現(xiàn),低Cd 濃度處理下PCs含量增加.

另一類(lèi)是含有豐富的半胱氨酸殘基且能與重金屬螯合的低相對(duì)分子質(zhì)量的小分子金屬硫蛋白,金屬硫蛋白具有強(qiáng)烈的結(jié)合重金屬和清除活性氧自由基的能力[73].研究表明[74-75],重金屬處理下從蕓苔和木豆中分離得到的金屬硫蛋白Bc MT1、Bc MT2 和Cc MT1 基因轉(zhuǎn)化至不同的植物體中可有效清除活性氧,明顯增強(qiáng)對(duì)重金屬離子的抗性以及對(duì)重金屬離子的積累,這在牧豆和亞洲栽培稻等植物上也得到證實(shí)[76-77].

植物對(duì)重金屬的螯合與有機(jī)酸之間也存在著一定的聯(lián)系,低分子量的有機(jī)酸可與植物體內(nèi)的鎘發(fā)生絡(luò)合作用,可使高毒的鎘離子轉(zhuǎn)向低毒的Cd- 有機(jī)酸復(fù)合物[78-79].陳紅純等[80]研究表明,外源添加檸檬酸、酒石酸等有機(jī)酸可提高鎘脅迫下秋華柳根、莖的生物量.李俊芝等[81]對(duì)連作平邑甜茶幼苗的光合與根系生長(zhǎng)狀況研究,發(fā)現(xiàn)了草酸、檸檬酸、蘋(píng)果酸提高平邑甜茶幼苗的鮮質(zhì)量和抗氧化酶活性,并有效緩解了平邑甜茶的根系生長(zhǎng)障礙.

3 瓜類(lèi)蔬菜耐鎘砧木研究展望

隨著人類(lèi)物質(zhì)水平和生活質(zhì)量的提高,人們也越來(lái)越廣泛的關(guān)注蔬菜的綠色食用及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值.鎘作為八大超標(biāo)重金屬之一,前人對(duì)多種植物適應(yīng)Cd 脅迫或抗Cd 的機(jī)理已取得了顯著成效.蔬菜栽培生產(chǎn)中,嫁接可有效改善Cd 毒害,將一些高產(chǎn)、高重金屬積累的品種嫁接到一些根系生活力強(qiáng),低Cd 積累品種砧木上,從而減少重金屬向地上部分的轉(zhuǎn)運(yùn)積累[82].研究發(fā)現(xiàn)以野生茄（Solanum torvum,托魯巴姆）為砧木嫁接降低鎘在茄子體內(nèi)的富集量,最高可達(dá)到88.5%,油菜作為砧木對(duì)薺菜嫁接能明顯提高其后代對(duì)Cd 的積累,根部向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)能力增強(qiáng),增加了地上部的Cd 含量,嫁接誘導(dǎo)植物體內(nèi)富集性狀的改變可能源于植物種類(lèi)、植株體內(nèi)Cd 形態(tài)差異、抗逆響應(yīng)蛋白質(zhì)的合成以及總硫含量的變化[83-85].

南瓜作為瓜類(lèi)蔬菜耐鎘砧木,對(duì)鎘轉(zhuǎn)運(yùn)和積累相關(guān)機(jī)理研究較少.（1）篩選出抗逆性、適應(yīng)性及對(duì)重金屬耐性強(qiáng)的南瓜品種是我們首先要解決的問(wèn)題.對(duì)現(xiàn)有的中國(guó)南瓜資源或地方品種充分挖掘,通過(guò)對(duì)南瓜品種相關(guān)生理生化特性的研究,對(duì)其抗性及耐鎘性進(jìn)行初步鑒定篩選.（2）將篩選出的鎘耐性南瓜品種作砧木,黃瓜作接穗（生產(chǎn)上常用品種）,探討耐鎘南瓜砧木對(duì)瓜類(lèi)蔬菜的生長(zhǎng)狀況、體內(nèi)鎘含量積累、抗氧化酶活性及產(chǎn)量品質(zhì)的影響,驗(yàn)證篩選砧木的鎘耐性.（3）研究重金屬鎘在南瓜根系亞細(xì)胞中的分布特征和結(jié)合形態(tài),有助于認(rèn)識(shí)細(xì)胞中鎘的生理活動(dòng),揭示瓜類(lèi)蔬菜耐鎘砧木在遭受Cd 脅迫時(shí)根系細(xì)胞之間發(fā)生了何種變化,尤其是細(xì)胞壁對(duì)鎘的固定機(jī)理,以更全面、系統(tǒng)地詮釋鎘對(duì)植物的毒害機(jī)理.（4）揭示Cd 脅迫下瓜類(lèi)蔬菜耐鎘砧木根系鎘脅迫差異蛋白和基因表達(dá)的鑒定等,為南瓜耐鎘砧木的分子育種提供基因資源,為加快瓜類(lèi)蔬菜耐鎘砧木的篩選應(yīng)用有重要意義.