鎘脅迫對辣椒幼苗生長與生理特性的影響

韓 暢,蔣 琪,覃 成,呂朝燕,高智席

1.遵義師范學(xué)院,貴州 遵義 563006

2.遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴州 遵義 563006

鎘廣泛分布于土壤中，屬于植物生長發(fā)育的非必須元素，是一種嚴(yán)重危害植物正常生長的重金屬。鎘元素易在植物果實(shí)中富集，由此通過食物鏈傳遞到動(dòng)物和人體內(nèi)，積累到一定量時(shí)可導(dǎo)致相關(guān)疾病發(fā)生，進(jìn)而危害人類健康[1]。鎘元素可破壞植物細(xì)胞內(nèi)部平衡，進(jìn)而限制光合作用等植物的基本生命活動(dòng)，妨礙植物正常生長，最終導(dǎo)致植物非正常死亡。不同作物抗Cd 脅迫能力存在顯著差異[2]，甚至同一作物不同品種間也存在明顯不同[3,4]。鎘污染治理需花費(fèi)大量人力物力，而在污染土地上種植低富集鎘的作物種類和品種是迄今為止最經(jīng)濟(jì)可行的方法，可有效降低作物整體或其主要食用部位的鎘含量，降低農(nóng)產(chǎn)品的安全風(fēng)險(xiǎn)。

辣椒（Capsicum annuumL.）自明朝末年由東南沿海傳入我國以來一直深受廣大人民群眾的喜愛，是重要的調(diào)味品且具有消炎鎮(zhèn)痛藥效，因此具有較高的經(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)值。目前全國辣椒種植面積居蔬菜作物第2 位，且具有較高的經(jīng)濟(jì)附加值，在助農(nóng)增收方面發(fā)揮巨大作用。但是辣椒屬于鎘易富集植物[5]，鎘含量超標(biāo)不僅影響口感、降低營養(yǎng)價(jià)值和品質(zhì)，最終會(huì)通過食物鏈傳遞嚴(yán)重威脅人體健康。因此在鎘污染土壤中種植低吸收、低積累鎘的辣椒品種可有效降低辣椒果實(shí)中的鎘含量，是培育食用安全的合格辣椒產(chǎn)品的最有效、最經(jīng)濟(jì)的途徑。但目前對不同辣椒基因型中鎘低富集生理和分子機(jī)制的研究較少。本試驗(yàn)在前期進(jìn)行不同辣椒品種鎘富集能力評估的基礎(chǔ)上，在不同鎘濃度處理下對鎘富集值差異顯著的辣椒品種的生物量、生理特性等指標(biāo)進(jìn)行比較，試圖從不同角度探討辣椒品種鎘富集能力差異的原因，為選育鎘低富集型辣椒品種提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)資料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)選用YJ425（Cd 低積累型品種）和ZL-1（Cd 高積累型品種）作為試驗(yàn)材料，上述材料均由遵義職業(yè)技術(shù)學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)藝系辣椒分子育種課題組提供。

1.2 試驗(yàn)方法

供試?yán)苯贩N子經(jīng)1%（w/v）的次氯酸鈉表面消毒后，用自來水充分沖洗，在25 ℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行萌發(fā)。選擇萌發(fā)程度一致的辣椒種子種入珍珠巖中，采用Hoagland 營養(yǎng)液澆施培養(yǎng)。待辣椒長至四葉一心時(shí)，將辣椒苗移至裝有不含Cd 的Hoagland 營養(yǎng)液的實(shí)驗(yàn)室自制水培系統(tǒng)（由10 L 塑料周轉(zhuǎn)箱、80 孔泡沫板和通氣泵組成）中進(jìn)行水培試驗(yàn)預(yù)培養(yǎng)。1 周后，將試驗(yàn)材料移至含有不同Cd 濃度（0，20，40 mg/L，以CdCl2的形式加入）的Hoagland 營養(yǎng)液中進(jìn)行為期1 周的試驗(yàn)。試驗(yàn)均重復(fù)5 次，隨機(jī)排列。

利用直尺和萬分之一天平測量辣椒根、苗的長度和重量，采用硫代巴比妥酸法、氯化三苯基四氮唑法、高錳酸鉀滴定法、愈創(chuàng)木酚法和氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法的等方法分別測定丙二醛（MDA）含量、根系活力、過氧化氫酶（CAT）活性、過氧化物酶（POD）活性和超過氧化物歧化酶（SOD）活性的等生理指標(biāo)[6]，利用葉綠素儀(SPAD-502PLUS，Konica Minolta，Japan）測定不同處理中辣椒葉的葉綠素含量。每種測定重復(fù)進(jìn)行3 次，利用SPSS19.0 軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果分析

2.1 不同鎘濃度對辣椒幼苗生長的影響

從表1 可以看出在水培條件下Cd2+濃度較低時(shí)（20 mg/L），辣椒的根長、苗長等指標(biāo)較對照有小幅增長，但在Cd2+濃度升高后（40 mg/L），兩個(gè)辣椒品種根、苗伸長長度和干重等指標(biāo)均下降，ZL-1 的4 項(xiàng)指標(biāo)明顯低于YJ425，各處理間差異顯著。試驗(yàn)結(jié)果表明：低濃度Cd2+對辣椒根、苗生長效果有一定促進(jìn)作用；隨Cd2+濃度的提升，辣椒地上和地下部分的生長均受到明顯抑制，根部受到毒害尤其嚴(yán)重；低積累品種受到毒害較輕。

表1 Cd2+對辣椒根和苗生長的影響Table 1 Effects of Cd2+on root and seedling growth of pepper

2.2 鎘對辣椒幼苗生理生化指標(biāo)的影響

2.2.1 葉綠素含量的變化 鎘通過影響葉綠素的含量、破壞類囊體的超微結(jié)構(gòu)、抑制參與光合作用的部分酶的活性等方式破壞植物的光合作用[7]。由表2 可知，供試?yán)苯菲贩N葉片中的葉綠素含量均隨Cd 濃度的升高而下降，高積累品種ZL-1 比低積累品種YJ425 減少的幅度大。在高濃度Cd（40 mg/L）處理下，供試材料的葉綠素含量下降明顯，表明鎘離子對葉綠體產(chǎn)生嚴(yán)重毒害。

表2 Cd2+對辣椒葉綠素、根系活力和MDA（根和葉）含量的影響Table 2 Effects of Cd2+on chlorophyll,root activity and MDA content（root and leaf）in Pepper

2.2.2 根系活力的變化 從表2 可以看出在水培條件下Cd2+濃度較低時(shí)（20 mg/L），辣椒根系活力有小幅提高，但與對照相比不顯著；在Cd2+濃度較高時(shí)（40 mg/L），辣椒根系活力顯著下降，ZL-1較之YJ425，其根系活力下降程度較大。試驗(yàn)結(jié)果表明：在低Cd2+濃度下辣椒根部生長受到一定促進(jìn)，但是隨著Cd2+濃度升高，Cd2+會(huì)顯著抑制辣椒根系生長。

2.2.3 丙二醛（MDA）含量的變化MDA 含量是反映機(jī)體抗氧化潛在能力的重要參數(shù)，可以反映機(jī)體脂質(zhì)過氧化速率和強(qiáng)度，也能間接反映組織過氧化損傷程度[8,9]。不同Cd2+濃度下，ZL-1 和YJ425根系和葉片MDA 含量見表2。隨著Cd2+濃度升高，供試材料的根系和葉片的MDA 含量均顯著增加，在高濃度Cd2+處理（40 mg/L）中，YJ425 和ZL-1 的根系MDA 含量分別為對照的166.7%和180.9%，葉片MDA 含量分別為對照的184.1%和197.2%。說明Cd2+誘發(fā)產(chǎn)生的活性氧導(dǎo)致膜脂過氧化，對辣椒根系和葉片細(xì)胞膜系統(tǒng)均造成較嚴(yán)重的損傷，Cd2+濃度越高，毒害越大，但同等情況下低積累品種受到的傷害相對較小。在相同Cd2+濃度下，根系的MDA 含量始終高于葉片，說明Cd2+對根部造成的毒害大于葉片部分。

2.2.4 抗氧化酶活性的變化 在鎘脅迫下，植物體內(nèi)一系列的抗氧化酶如過氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶（CAT）的活性會(huì)受到顯著影響[10]。由表3 可知，隨著Cd2+濃度增加，ZL-1 和YJ425 各自的CAT 和POD 活性均表現(xiàn)為先降低，后增加；但SOD 活性表現(xiàn)為持續(xù)下降。其中，YJ425 體現(xiàn)出較高的CAT 和POD 活性，ZL-1 則體現(xiàn)出較高的SOD 活性。

表3 Cd2＋對辣椒幼苗SOD、POD、CAT 活性的影響Table 3 Effects of Cd2+on activities of SOD,POD and CAT in Pepper seedlings

3 討論

研究表明，低濃度的鎘對植物生長有促進(jìn)作用[11]。本試驗(yàn)條件下，低濃度的鎘（20 mg/L）對鎘富集能力有差異的兩個(gè)辣椒品種根和苗部分的生長均有微小的促進(jìn)作用。但在高濃度的鎘（40 mg/L）環(huán)境中，供試材料的地上部分和地下部分的各項(xiàng)生理指標(biāo)均顯著降低。原因可能是Cd 作為重金屬元素，低濃度下觸發(fā)辣椒自我的防衛(wèi)機(jī)制，間接導(dǎo)致促進(jìn)生長的表象呈現(xiàn)，高濃度下辣椒的整體生長受到嚴(yán)重抑制，尤其對辣椒的根部損害更大，對根部的損害直接影響到營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和分配，從而抑制辣椒的生長。綜合供試材料的表現(xiàn)，YJ425 的各項(xiàng)生理指標(biāo)受到Cd 的影響相對較小，對Cd表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐性。

供試?yán)苯分腥~綠素含量伴隨Cd2+濃度的增加而明顯降低，這一現(xiàn)象可能與Cd2+進(jìn)入葉綠體細(xì)胞后阻礙葉綠素前體合成或直接分解葉綠素，進(jìn)而使葉綠素含量降低有關(guān)[12]。供試?yán)苯菲贩N中，高鎘富集的辣椒品種ZL-1 的葉綠素含量下降幅度較YJ425 大，揭示在辣椒細(xì)胞內(nèi)高鎘富集會(huì)導(dǎo)致葉綠素本身及葉綠體的結(jié)構(gòu)受到Cd2+的嚴(yán)重破壞。

鎘脅迫會(huì)導(dǎo)致大量活性氧自由基出現(xiàn)在受鎘毒害的植物體內(nèi)，造成膜質(zhì)過氧化，MAD 含量顯著升高，而POD、SOD 和CAT 等抗氧化酶能夠及時(shí)消除氧自由基，解除細(xì)胞遭受氧化脅迫的危險(xiǎn)[13-15]。在本試驗(yàn)中，隨Cd2+濃度的增加，供試材料的CAT 和POD 活性均表現(xiàn)為先降低，而后略有增加，但MDA 含量和SOD 活性分別呈上升和下降趨勢。該結(jié)果與周紅衛(wèi)等[10]報(bào)道Cd2+脅迫下，水花生根中SOD 和CAT 的活性呈現(xiàn)先升后降，過氧化物酶（POD）活性持續(xù)下降的變化趨勢不相符，其原因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）高Cd2+濃度水平（40 mg/L）能顯著抑制供試?yán)苯凡牧系纳L，且對根系生長抑制作用明顯。和對照相比較，ZL-1 根系干重和地上部干重減少量顯著大于YJ425 根系干重減少量。與ZL-1相比，YJ425 生長受到鎘的抑制作用較小，從相關(guān)生長指標(biāo)變化來看YJ425 應(yīng)對鎘脅迫能力較強(qiáng)；

（2）供試?yán)苯菲贩N在鎘毒害下葉綠素含量均表現(xiàn)為不斷降低的趨勢，葉綠素含量受Cd 抑制程度在品種間表現(xiàn)為ZL1>YJ425；根系活力數(shù)值隨Cd2+濃度的增加先增加后減少，且兩個(gè)品種間增長或減少的關(guān)系均體現(xiàn)為ZL1>YJ425。從葉綠素含量和根系活力數(shù)值等指標(biāo)變化趨勢來看，YJ425 應(yīng)對鎘脅迫能力較強(qiáng)；

（3）不同Cd2+濃度下，根部和葉片部SOD、POD 和CAT 活性變化在品種間均表現(xiàn)為YJ425優(yōu)于ZL-1。其中CAT 和POD 活性隨Cd 處理濃度的增加先小幅降低而后增加，SOD 活性則均表現(xiàn)為持續(xù)下降。辣椒根系和葉片MDA 含量隨Cd2+濃度的增加而增加，且相同Cd2+濃度下的增加量均表現(xiàn)為ZL-1>YJ425。從抗氧化酶活性和MDA 含量指標(biāo)來看，YJ425 應(yīng)對鎘脅迫能力也較強(qiáng)。