綠豆對(duì)鎘脅迫的生理響應(yīng)

張曉娟 莊楓紅

摘要：采用水培法研究了不同鎘濃度對(duì)綠豆（Vigna radiata L. ）生長(zhǎng)及生理生化特性的影響。結(jié)果表明，隨著Cd2+濃度的升高，綠豆幼苗的株高、鮮重均受到顯著抑制，幼苗葉片中葉綠素含量降低，而丙二醛含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、過氧化物酶（POD）活性和過氧化氫酶（CAT）活性均呈上升趨勢(shì)，可溶性糖含量則呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。這說明Cd脅迫會(huì)破壞綠豆的生物膜功能特性，造成氧化脅迫，從而影響綠豆的生長(zhǎng)發(fā)育。

關(guān)鍵詞：綠豆（Vigna radiata L. ）;鎘脅迫;幼苗生長(zhǎng);生理生化特性

中圖分類號(hào)：S522 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2020）15-0071-04

Abstract： Hydroponic culture was conducted to study the effect of different concentrations of cadmium stress on the growth and physiological and biochemical characteristicsof seedings of Vigna radiata L.. The results showed that the plant height and fresh weight of seedings of Vigna radiata L. were inhibited with the increase of Cd2+ concentration; The chlorophyll content of the leaves of seedings decreased， but malondialdehyde （MDA） content， superoxide dismutase （SOD）activities， peroxidase （POD） activities and catalase （CAT） activities gradually increased with the increase of Cd concentration，while the soluble sugar content increased at the beginning then decreased. The results indicated that the Cd2+ stress would destroy the biofilm function of Vigna radiata L.， caused the oxidative intimidation and affected their growth and development.

Key words： Vigna radiata L.; Cd2+ stress; seedling growth; physiological and biochemical characteristics

近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)過程中“三廢”的過度排放、礦產(chǎn)資源的開采和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥的過量使用，導(dǎo)致土壤重金屬含量日益增多，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染[1-3]。從2014年的全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)可知，中國耕地土壤重金屬鎘（Cd）點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%，是重金屬污染物中超標(biāo)率最高的[4，5]。鎘是自然環(huán)境中最具攻擊性和持久性的重金屬元素之一，具有來源廣、降解難度大、隱蔽性強(qiáng)、移動(dòng)性強(qiáng)、毒性大等特點(diǎn)[6，7]。鎘污染不僅讓5%～10%的農(nóng)田出現(xiàn)了明顯的減產(chǎn)現(xiàn)象[8]，還在農(nóng)作物可食部分積累，通過食物鏈進(jìn)入人體后引發(fā)各種疾病，如痛風(fēng)病、神經(jīng)痛、高血壓、肺癌、精神分裂癥、抑郁癥、癌癥等[9，10]。當(dāng)環(huán)境中Cd含量達(dá)到或超過了作物的傷害閾值時(shí)，會(huì)干擾作物的生理生化過程，如抑制作物生長(zhǎng)[11]、降低光合作用和葉綠素含量、干擾碳和氮代謝及營養(yǎng)吸收、破壞作物體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)、加大質(zhì)膜透性和損傷細(xì)胞膜等[12，13]。

綠豆（Vigna radiata L.）又稱為青小豆，屬于藥食兩用作物[14]，有著耐貧瘠、抗干旱、適應(yīng)性強(qiáng)和生育期短等特點(diǎn)，還能固氮養(yǎng)地，因此在農(nóng)業(yè)高效發(fā)展和種植結(jié)構(gòu)調(diào)整中如開墾荒地時(shí)起著重要的作用[15]。綠豆生長(zhǎng)受到多方面因素影響，如溫度、光照、水分、土壤及其養(yǎng)分等方面，其中土壤中的重金屬離子含量對(duì)綠豆生長(zhǎng)有著顯著影響[16]。研究表明，鉻脅迫會(huì)抑制綠豆幼苗的根莖生長(zhǎng)和鮮重的積累，且葉片可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量隨著Cr6+濃度的增加而增加[17]。銅脅迫會(huì)影響綠豆活性氧酶清除系統(tǒng)，導(dǎo)致綠豆活性氧代謝失調(diào)[18]。鉛、汞脅迫均能抑制綠豆幼苗根、莖的生長(zhǎng)[19]。因此，本試驗(yàn)以綠豆為研究對(duì)象，測(cè)定鎘脅迫對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)、膜系統(tǒng)、保護(hù)酶系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響，以期為綠豆對(duì)Cd的適應(yīng)性提供信息，也為農(nóng)田土壤中Cd污染區(qū)域的綜合應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用綠豆種子購于廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蔬菜所。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過在1/2 Hoaglands溶液中添加分析純CdCl2配制成Cd2+濃度分別為0（CK）、0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L的溶液。選取子粒飽滿、大小一致的綠豆種子，用5%次氯酸鈉溶液殺菌5 min，去離子水反復(fù)沖洗，均勻擺在鋪有3層濾紙培養(yǎng)盒中（每盒100粒），用配制的含不同濃度Cd2+的1/2 Hoaglands溶液浸種，每天更換1次溶液，每處理3次重復(fù)。將培養(yǎng)盒放入溫度25 ℃、濕度60%、光照度4 000 lx的光照恒溫培養(yǎng)箱中連續(xù)培養(yǎng)7 d。處理第8 天測(cè)量綠豆幼苗株高、鮮重以及綠豆幼苗葉片中的葉綠素、丙二醛、可溶性糖含量和抗氧化酶活性。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

植株株高和鮮重的測(cè)量采用常規(guī)法，用直尺（最小分度單位為mm）測(cè)量株高，用萬分之一電子天平稱量植株鮮重;葉綠素含量采用乙醇提取法測(cè)定[20]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定[20]，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法測(cè)定[20]，超氧化物歧化酶（SOD）采用氮藍(lán)四唑（NBT）還原法測(cè)定[21]，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定[21]，過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測(cè)定[21]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 19.0軟件分析。采用單因素方差分析（One-way ANOVA）對(duì)不同處理間的差異進(jìn)行檢驗(yàn)，采用Duncan?s法對(duì)不同數(shù)據(jù)間的差異進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Cd2+濃度對(duì)綠豆幼苗生長(zhǎng)的影響

由圖1可知，施加鎘后，綠豆幼苗的生長(zhǎng)受到一定影響。隨著Cd2+濃度升高，綠豆植株的株高、鮮重均受到顯著抑制。與CK相比，當(dāng)添加Cd2+濃度為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L時(shí)，株高依次下降6.64%、10.76%、35.29%、45.7%，單株鮮重依次下降19.75%、26.77%、41.04%、51.90%。

2.2 不同Cd2+濃度對(duì)綠豆幼苗葉片中葉綠素含量的影響

由圖2可以看出，與CK相比，隨著Cd2+濃度升高，綠豆幼苗葉片中葉綠素含量呈下降趨勢(shì)。CK的葉綠素含量最高，當(dāng)Cd2+濃度為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L時(shí)，葉綠素含量分別下降了17.19%、22.02%、36.89%、52.22%。當(dāng)Cd2+濃度為0.5、1.0 mg/L時(shí)，綠豆幼苗葉片中葉綠素含量無顯著差異，但其他處理間葉綠素含量差異均達(dá)顯著水平。

2.3 不同Cd2+濃度對(duì)綠豆幼苗葉片中丙二醛含量的影響

由圖3可知，Cd2+脅迫對(duì)綠豆幼苗葉片中丙二醛含量有顯著影響，隨著Cd2+濃度的增加，丙二醛含量逐漸上升，說明膜脂過氧化對(duì)綠豆葉片的損傷逐漸加大。與CK相比，當(dāng)添加Cd2+濃度為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L時(shí)，綠豆葉片中丙二醛含量分別升高了32.54%、36.56%、68.49%和97.06%。

2.4 不同Cd2+濃度對(duì)綠豆幼苗葉片中可溶性糖含量的影響

可溶性糖是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。由圖4可知，與CK相比，隨著Cd2+濃度升高，綠豆幼苗可溶性糖含量呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。當(dāng)Cd2+濃度為0.5、1.0 mg/L時(shí)，可溶性糖含量比CK分別升高了9.41%、24.34%，而Cd2+濃度為2.0、4.0 mg/L時(shí)，可溶性糖含量比CK分別下降了22.58%、42.60%。

2.5 不同Cd2+濃度對(duì)綠豆幼苗葉片中抗氧化酶活性的影響

由圖5可知，Cd2+處理下，綠豆葉片中抗氧化酶活性均呈上升的變化趨勢(shì)。與CK相比，當(dāng)添加Cd2+濃度為0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L時(shí)，綠豆葉片中SOD活性依次升高了35.53%、47.27%、79.52%和114.30%，POD活性依次升高了35.41%、48.35%、85.96%和134.94%，CAT活性依次升高了28.07%、32.67%、59.59和93.02%。當(dāng)Cd2+濃度為0.5、1.0 mg/L時(shí)，綠豆幼苗中抗氧化酶活性無顯著差異，但其他處理間的抗氧化酶活性差異均達(dá)顯著水平。

3 討論

土壤被重金屬污染后會(huì)影響植物生長(zhǎng)發(fā)育[22]，顯著降低種子的發(fā)芽率，嚴(yán)重阻礙了幼苗的生長(zhǎng)，使得幼苗鮮重顯著下降[23]。鎘不是植物生長(zhǎng)的必需元素，當(dāng)其在植物體內(nèi)累積到一定程度時(shí)會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生毒害效應(yīng)[24]。本研究結(jié)果表明，鎘脅迫會(huì)顯著抑制綠豆植株的株高、鮮重，并表現(xiàn)出劑量效應(yīng)，這可能是隨著Cd2+濃度的升高，超過了植物的耐受性，導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)葉綠體的合成受到影響，葉綠素的含量下降，不利于植物的光合作用[25，26]，從而導(dǎo)致了生物量的下降。結(jié)果表明，葉綠素含量隨著Cd2+濃度的升高而降低，可能是因?yàn)镃d2+與葉綠體蛋白上的巰基結(jié)合，破壞葉綠體結(jié)構(gòu)，還會(huì)與葉綠素的某些酶如膽色素原脫氨酶結(jié)合，抑制其活性，使葉綠素合成減少、分解加快[27]。

植物面對(duì)逆境脅迫時(shí)，會(huì)進(jìn)行膜脂過氧化反應(yīng)，丙二醛作為其最終產(chǎn)物，常用來衡量細(xì)胞膜過氧化程度和植物對(duì)逆境條件的反應(yīng)強(qiáng)弱[28]。本研究結(jié)果表明，MDA含量隨著Cd2+濃度的升高呈升高趨勢(shì)。這表明隨Cd2+脅迫強(qiáng)度增加，綠豆葉片的膜脂過氧化程度加劇，膜系統(tǒng)受到損傷，導(dǎo)致碳代謝途徑受到破壞，植株光合能力下降，使得可溶性糖等同化物積累降低[29]。因此，低濃度Cd2+顯著增加葉片中可溶性糖含量，起著滲透調(diào)節(jié)的作用，而隨著Cd2+濃度升高，植株自我調(diào)節(jié)能力下降，這也解釋了可溶性糖含量降低的原因。

Cd2+脅迫會(huì)誘導(dǎo)植物體產(chǎn)生大量的活性氧，從而發(fā)生氧化脅迫。SOD、POD、CAT等是植物適應(yīng)逆境脅迫時(shí)重要的抗氧化酶，SOD能夠催化O2-·轉(zhuǎn)化為H2O2，POD和CAT則將H2O2分解為水，通過清除體內(nèi)的活性氧自由基，在一定程度上緩解鎘脅迫的傷害，從而保護(hù)膜系統(tǒng)[30-32]。本研究結(jié)果表明，隨著Cd2+濃度的升高，綠豆葉片的SOD、POD和CAT活性均出現(xiàn)不同程度的升高。這是因?yàn)槟婢硹l件下SOD是保護(hù)植物細(xì)胞免受活性氧傷害的第一道防線，是植物對(duì)Cd2+脅迫的應(yīng)激反應(yīng);POD活性升高則可能與植株自身的H2O2濃度和底物濃度的增加有關(guān)，也可能是Cd2+脅迫誘導(dǎo)了綠豆POD基因的大量表達(dá)有關(guān)[33];而CAT與SOD、POD協(xié)同作用減緩了Cd2+脅迫對(duì)綠豆造成的傷害。

綜上所述，Cd2+脅迫對(duì)綠豆的生長(zhǎng)有一定的抑制作用，隨著處理濃度的增加，綠豆受抑制程度加劇，通過影響綠豆幼苗的株高、鮮重以及葉片中葉綠素、丙二醛、可溶性糖含量和抗氧化酶活性來影響綠豆的生理機(jī)制，阻礙了幼苗生長(zhǎng)。

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