不同濃度鎘對番茄幼苗生理生化指標的影響

張 雯

( 新疆環(huán)境保護科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

番茄是新疆普遍種植的一種農(nóng)作物。加工番茄屬于新疆的特色農(nóng)產(chǎn)品之一，據(jù)世界番茄醬協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2013 年中國加工番茄產(chǎn)量達450 × 104 t，其中 85%以上產(chǎn)自新疆，新疆已成為中國最大的番茄生產(chǎn)基地和番茄醬加工基地。趙多勇等學者通過研究新疆昌吉市、和碩縣、焉耆縣三個番茄產(chǎn)地的重金屬污染情況發(fā)現(xiàn)，以上三地的土壤重金屬均有超標現(xiàn)象，其中鎘的超標情況最為嚴重。

Cd 是對植物危害較大的重金屬元素之一，有關(guān)植物受Cd 毒害及植物體內(nèi)緩解Cd 毒害的機制已有大量報道。金屬硫蛋白(metallothionein，簡稱MT)為一類廣泛地存在于生物界的低分子量、富含半胱氨酸的金屬結(jié)合蛋白，尤其對Cd，Zn，Cu，Au，Ag 等有較強的親和力。有很多實驗證明MT 在提高植物重金屬抗性、解除對Cu，Zn，Pb，Ag，Hg，Cd 等重金屬毒性方面具有重要作用，多數(shù)MT 在C 端和N 端有兩個富含Cys 的結(jié)構(gòu)域，其中的巰基既可以與重金屬螯合形成無毒或低毒的絡(luò)合物。

因此本文主要研究不同濃度Cd 對番茄生長的影響，以及Cd 誘導番茄幼苗體內(nèi)金屬硫蛋白的情況，以闡明番茄幼苗體內(nèi)Cd 毒害的初步機理。

1.材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物：番茄“新引98-1 號”。植物培養(yǎng)液為霍格蘭溶液。試驗儀器：人工氣候箱，紫外/可見分光光度計；原子吸收光譜儀等。

霍格蘭溶液配制：大量元素:微量元素:鐵元素以100:10:5 配制。

取籽粒飽滿、均勻的番茄種子，用1.2% NaClO 溶液消毒20 min，均勻擺在墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，加入適量去離子水，放入人工氣候箱中避光發(fā)芽5 天。選取發(fā)芽情況較好，平均長度在3 cm 左右的番茄芽于三角燒瓶，每個三角燒瓶中放同等根數(shù)，加入適量營養(yǎng)液，在人工氣候箱中繼續(xù)培養(yǎng)5d，過程中補充消耗的營養(yǎng)液。人工氣候培養(yǎng)箱條件：光照16 h，溫度28 ℃，濕度：75。暗室8h，溫度20 ℃，濕度70%。

試驗濃度的設(shè)定：處理中，配制Cd 濃度分別為0、1、10 mg/L，霍格蘭溶液培養(yǎng)為對照（CK）；采樣時間：分別在0，5，10，15，20 d 取樣，進行測定，每組處理均設(shè)3 個重復(fù)。

1.2 試驗方法

1.2.1 番茄發(fā)芽率及根長、芽長的測定

在每個墊有濾紙的培養(yǎng)皿中均勻擺放25 粒未發(fā)芽的外形良好的番茄種子，后每個培養(yǎng)皿中分別加入上述步驟中所配的各種處理溶液10 ml 在人工氣候箱中避光7 天。取出后，數(shù)出成功發(fā)芽的番茄種子個數(shù)，記下數(shù)據(jù)，算出發(fā)芽率。同時測量根長、芽長數(shù)據(jù)，比較不同處理下，番茄種子的萌發(fā)情況。

1.2.2 生物量的測定

將取出的水稻幼苗樣品用自來水和去離水分別沖洗三遍，之后將地上部（后均用莖部代替）與根部剪開。用刻度尺量取根長和莖長并進行記錄后，放入培養(yǎng)皿中。

將培養(yǎng)皿放入烘箱，在110 ℃下殺青30 min 后將溫度調(diào)至90 ℃，繼續(xù)烘干24 h。取出水稻幼苗根部和莖部分別稱取兩部分干重并進行記錄；

1.2.3 葉綠素含量的測定

稱取0.1 g 的葉片，置于10 ml 比色管中，加入10 mL丙酮和無水乙醇等量混合成的提取液，加塞置于4℃冰箱中下進行浸提24 h 后，用分光光度計測定在663 nm 和645 nm 處的吸光度，記下數(shù)據(jù)并計算。

1.2.4 番茄體內(nèi)Cd 含量的測定

將樣品的地下部分（根）和地上部分（莖葉）分開，各自保存后烘干，稱重。分別測定地上部分和地下部分的Cd 含量。稱取烘干磨碎后的樣品0.01g ～0.08g 置于消化罐內(nèi)，加入4 mL 硝酸和2 mL 雙氧水，靜置5 min，加蓋后消化13 min。將消化液置于錐形瓶中趕酸，冷卻后轉(zhuǎn)移至10ml 容量瓶中，加入1%HNO3定容，靜置30 min 同時做空白試驗。消解后用原子吸收光譜法測出地上部分和地下部分的Cd 含量。

1.2.5 番茄體內(nèi)金屬硫蛋白(MT)含量的測定

金屬硫蛋白(MT)含量的測定：將曝毒后的番茄從燒杯中取出，用剪刀將樣品的地下部分（根）和地上部分（莖）分開，用吸水紙小心將整組番茄根、莖周圍的溶液吸盡，用電子天平稱取番茄根、莖鮮樣組織l g，并置于研缽中，加入0.01 mol/L，pH8.6 的Tris-HCI 緩沖液10 mL，研磨后于4℃冰箱過夜抽提。抽提液于4℃，1×104 r/min 離心30min，收集上清液。上清于100℃水浴加熱2-3 min，再于4℃下，1 ×104 r/min 離心20min。收集上清液，加入3倍體積-20℃預(yù)冷的無水乙醇，-20℃過夜沉淀后，4℃下，1.2×104 r/min 離心20 min。取沉淀加入0.01mol/L Tris-HCl 緩沖液5mL，溶解數(shù)小時后，在4℃下1.5 X 104 r/min離心20min，收集上清即為MT 提取液。取提取液1mL 用Ag 飽和法測定MT 含量。

2.結(jié)果與分析

2.1 對番茄種子萌發(fā)的影響

比較番茄的根長和芽長可知，鎘濃度為10mg/L 較鎘濃度為1mg/L 對番茄種子發(fā)芽的抑制作用更為明顯，相較于對照組CK，低濃度Cd 對根長和芽長的抑制率分別為24.09%和17.73%，而高濃度Cd 對根長和芽長的抑制率分別為36.65%和28.02。比較對照組，在同一鎘濃度和硫濃度下的根長芽長可發(fā)現(xiàn)鎘對番茄幼苗各部分生長狀況抑制能力大小不同，鎘對根長的抑制作用明顯大于對芽長的抑制。

2.2 對番茄幼苗生物量的影響

表3 番茄幼苗莖干重隨時間的變化

表2 和3 反映了水稻幼苗根干重、莖干重在不同濃度Cd 下隨時間的變化情況。由表中可知，番茄幼苗根干重和莖干重均隨著時間的增加而增加。相對于對照組，在番茄幼苗暴露在不同濃度Cd 的情況下，均受到不同情況的抑制，并且由表中可知，高濃度Cd 對番茄幼苗根、莖干重的抑制更明顯。

表4 番茄幼苗根長隨時間的變化

表5 番茄幼苗莖長隨時間的變化

表4 和5 反映了水稻幼苗根長、莖長在不同濃度Cd下隨時間的變化情況。

由圖可知，番茄幼苗根、莖長度隨生長時間的增加而逐漸增長，同時隨著Cd 濃度的增加而減少，說明了高濃度Cd 對水稻幼苗的毒性更大。

番茄幼苗莖干重的變化趨勢與根干重變化趨勢較類似，但由于莖干重數(shù)值與對照組相比，差別并不顯著所以推測，Cd 對根部的毒性大于Cd 對莖部的毒性，主要是因為番茄由根部吸收Cd，而向莖部轉(zhuǎn)移量較少，因此Cd 對番茄幼苗莖的毒性低于對根的毒性。由以上4 張表格可以看出，高濃度Cd 較低濃度Cd 對番茄的毒害更加明顯。

鎘對植物的正常生長有很強的脅迫作用。當小麥和大麥受到鎘脅迫后，種子萌發(fā)率以及根系的生長速度都會下降，且隨著鎘處理濃度的增大和時間的延長會加劇毒性效應(yīng)。

2.3 對番茄葉綠素含量的影響

圖1 番茄幼苗葉綠素含量隨時間的變化

由圖1 可知，隨著時間增加到第5 天，不管是對照組還是添加了不同濃度的Cd，番茄體內(nèi)葉綠素均有所上升，這是由于在番茄幼苗從種子萌發(fā)開始逐漸由暗室中未進行光合作用，而通過轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)模式后，葉綠素逐漸增多的緣故。

但隨著時間的延長，番茄幼苗的葉綠素在對照組并無顯著變化，而在添加不同濃度Cd 后，高濃度Cd 和低濃度Cd 均對番茄幼苗葉綠素具有明顯的抑制作用。對比高濃度，在低濃度鎘情況下，低濃度鎘對番茄幼苗葉綠素的抑制相對高濃度不明顯。

有研究表明鎘可能破壞植物體內(nèi)合成葉綠素所需要的酶而降低葉綠素的含量，或干擾了葉綠體中的電子載體配對。

2.4 對番茄體內(nèi)鎘含量的影響

圖2 番茄幼苗莖中Cd含量隨時間的變化

圖3 番茄幼苗根中Cd含量隨時間的變化

由圖2、圖3 可以看出，對照組由于未添加Cd，因此番茄幼苗根和莖均未發(fā)現(xiàn)Cd 累積。

而在經(jīng)過Cd 暴露后，番茄幼苗莖部和根部鎘累積隨時間均有所增加，并且Cd 在根部的累積量以及累積速率均高于莖部，高濃度鎘在番茄體內(nèi)的含量明顯高于低濃度鎘在番茄體內(nèi)的累積。

2.5 對番茄體內(nèi)金屬硫蛋白含量的影響

圖4 番茄幼苗MT含量隨時間的變化（低濃度鎘）

圖5 番茄幼苗MT含量隨時間的變化（高濃度鎘）

對比圖4 和圖5，對照組中的金屬硫蛋白極低，而并且隨著時間的增加也沒有出現(xiàn)顯著的變化由此推斷只有在Cd 存在時，金屬硫蛋白才可能被誘導。

而高濃度Cd 所誘導的金屬硫蛋白要高于低濃度Cd誘導產(chǎn)生的金屬硫蛋白，這是由于金屬硫蛋白通過與重金屬結(jié)合可以有效的減輕重金屬對機體的毒害，重金屬濃度越高，誘導產(chǎn)生的金屬硫蛋白越多。從而絡(luò)合Cd，達到緩解Cd 毒害的作用。

3.結(jié)論

添加一定濃度的Cd 的對番茄幼苗的生長有一定的毒害作用，高濃度Cd 相較于低濃度Cd 對番茄幼苗的危害程度更高。此外，從Cd 在番茄幼苗體內(nèi)的累積情況來看，低濃度Cd 在番茄幼苗體內(nèi)的含量比高濃度Cd 在番茄幼苗體內(nèi)低，高濃度Cd 誘導產(chǎn)生的金屬硫蛋白更高。