重金屬鎘(Cd)對甜菜影響研究進展

馬秋穎，張福順

(1.黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部甜菜品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心，哈爾濱 150080)

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展進步，工業(yè)迅速發(fā)展的同時，也為人類和自然帶來巨大威脅。鎘(Cd)是除鉛(Pb)、汞(Hg)、鉻(Cr)、砷(As)外對人體危害最大的重金屬，也是重金屬中毒性最強的重金屬之一[1]，被認(rèn)為是人類致癌物[2]，在自然界中常以化合物的形式存在。重金屬鎘(Cd)是人體的非必需元素，其對人體的傷害主要通過感染植物間接危害人體。20世紀(jì)初期轟動全球的日本“痛痛痛病”，就是人們食用經(jīng)來自河流鎘污染的大米引發(fā)的[3]。其運作原理主要是通過工業(yè)行為，使化合物形式的鎘釋放于環(huán)境中，加之企業(yè)管理不當(dāng)使來源于工業(yè)廢水灌溉農(nóng)田、大氣鎘離子(Cd2+)沉降、以及長期施用磷肥等的鎘流入河流污染水源，而受污染的水流入農(nóng)田被植物吸收，吸入植物體內(nèi)的重金屬鎘通過破壞細(xì)胞的氧化還原平衡對植物造成損害。具體來說，鎘的積累導(dǎo)致大量活性氧(ROS)的產(chǎn)生，造成植物膜系統(tǒng)損傷，影響正常的細(xì)胞功能，甚至導(dǎo)致內(nèi)膜系統(tǒng)的崩潰和死亡[4]。由于葉片是進行光合作用的主要場所，因此一旦植物葉片膜系統(tǒng)受到損傷，植物體內(nèi)葉綠素的含量會隨之降低，蒸騰作用和光合作用的速率也會降低，從而使得植物的根、莖、葉中養(yǎng)分濃度發(fā)生變化，導(dǎo)致植物被毒害[5]。此時人一旦食用受污染的植物，植物中的重金屬則會以食物鏈[2]的形式進入人體，損害腎臟功能，甚至引起骨骼病變，增加骨質(zhì)疏松癥、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和骨關(guān)節(jié)炎等肌肉骨骼疾病的發(fā)病率[6]。

甜菜是除甘蔗以外主要的制糖原材料。甜菜除了可以用于制糖外，其莖葉、青頭、尾根以及甜菜粕等均有很高的利用價值，既可作為釀造原料，提取甜菜堿等，又是優(yōu)質(zhì)多汁飼料。近年來，隨著對甜菜研究的增加，甜菜不再局限于觀賞及制糖用途，同時也推廣到藥用行業(yè)，作為營養(yǎng)保健、治療及預(yù)防腫瘤、治療高血壓、糖尿病、增強免疫力等的材料[7]。因此，一旦甜菜受到鎘污染，不僅會對甜菜生產(chǎn)不利，嚴(yán)重的還會危害到人類食用安全。

因此，對于甜菜受鎘脅迫的研究變得尤其重要。本文從甜菜受鎘脅迫后的形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)和營養(yǎng)指標(biāo)三個方向出發(fā)，結(jié)合植物受到鎘脅迫后的耐性機制以及其他金屬離子減弱鎘毒害的效應(yīng)，為培育高質(zhì)量甜菜提供理論依據(jù)。

1 重金屬鎘脅迫下甜菜生理生化特性

1.1 重金屬鎘脅迫對甜菜形態(tài)指標(biāo)的影響

詩云“春色滿園關(guān)不住，一枝紅杏出墻來”、“接天蓮葉無窮碧，映日荷花別樣紅”、“落霞與孤鶩齊飛，秋水共長天一色”、“千里黃云白日曛，北風(fēng)吹雁雪紛紛”，我們只需觀察周圍的景色便可知曉“春去秋來”。同樣，當(dāng)重金屬脅迫植物時，我們?nèi)庋劭梢姷氖侵参锏男螒B(tài)變化。通過大量查閱資料，Cd2+濃度對植物生長有著重要的決定性作用。研究發(fā)現(xiàn)，施加不同濃度的Cd2+對甜菜的表現(xiàn)具有不同的顯現(xiàn)。施加少量Cd2+不會對甜菜產(chǎn)生消極影響，甚至可以促進甜菜的生長；施加過量Cd2+，植物的形態(tài)則隨著Cd2+濃度的增加出現(xiàn)了嚴(yán)重的抑制作用。具體表現(xiàn)為，當(dāng)Cd2+處理濃度較小時，隨著Cd2+濃度的增加促進甜菜生根，使甜菜葉面積增加，莖伸長，而這一促進生長的現(xiàn)象達到最高值時甜菜的根、莖、葉則隨著Cd2+濃度的增加表現(xiàn)為干重和鮮重含量降低，葉片黃化褪綠，生根受到抑制，莖伸長緩慢甚至不變，植株矮小[8]。研究表明重金屬鎘對植物形態(tài)具有相似的影響，尤其觀賞部位相同的植物，如劉思妹[9]等人在研究中發(fā)現(xiàn)，與甜菜形態(tài)類似的蘿卜幼苗的葉長和寬以及根系的伸長隨著Cd2+濃度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢，蘿卜種子發(fā)芽勢也表現(xiàn)出下降趨勢。相關(guān)研究在水培條件下對三個辣椒品種[10]施加Cd2+，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三個辣椒品種的根長、表面積和根尖都顯著降低生長與甜菜的研究實驗也相類似。同樣，在對水稻的研究實驗中發(fā)現(xiàn)Cd脅迫對水稻幼苗的生長不僅存在濃度效應(yīng)同時還具有時間效應(yīng)。換句話說，當(dāng)Cd2+濃度較低時，Cd2+對水稻的生長不僅沒有抑制作用會存在有一定促進作用，而水稻幼苗的根長、株高、葉數(shù)等呈下降趨勢的現(xiàn)象是在Cd2+處理濃度逐漸增加并過量以及隨著時間的增加的過程中逐步顯現(xiàn)出來的[11]。另外，高芳[12]等人通過觀察花生的形態(tài)變化發(fā)現(xiàn)，輕(1.0 mg·kg-1)、中(2.5 mg·kg-1)度鎘脅迫對花生的主莖高度和側(cè)枝長度具有刺激作用，而重(7.5 mg·kg-1)、高(15.0 mg·kg-1)度鎘脅迫導(dǎo)致花生主莖和側(cè)枝的生長受到嚴(yán)重的抑制。

植物分為地上部分和地下部分，地上部分的營養(yǎng)物質(zhì)、水分和礦物質(zhì)主要通過地下部分的根系運輸?shù)竭_地上部分，從而保證植物的正常生長。劉大林等人發(fā)現(xiàn)Cd2+處理主要是通過直接影響植物根系的活力，影響根系運輸過程，導(dǎo)致植株矮小、葉片面積降低，分蘗數(shù)減少等，或通過減少光合產(chǎn)物的分配影響根系從而達到影響植物生長的目的[13]。綜合分析后發(fā)現(xiàn)，重金屬鎘脅迫也是通過這樣的運作機制抑制甜菜的根、莖、葉，鮮重以及干重，以期達到抑制甜菜生長的目的。

1.2 重金屬鎘脅迫對甜菜生理指標(biāo)的影響

1.2.1 重金屬鎘脅迫對甜菜葉綠素含量、光合速率的影響

葉綠素是光合作用順利進行的必要條件，也是全世界最常見的色素[14]。它們不僅在光合作用和基因工程中起著至關(guān)重要的作用，同時也對調(diào)節(jié)生物體的代謝功能起著重要的作用[15]。甜菜除根部具有重要的制糖作用外，其葉片也具有重要的使用價值，像其它植物一樣甜菜通過葉片將有機物和空氣中的二氧化碳在葉綠素的作用下吸收釋放出氧氣和水使光合作用得到有效進行。當(dāng)葉片中Cd2+增加時，葉片的葉綠素含量降低，最終導(dǎo)致甜菜光合速率下降，從而影響甜菜生長。相似研究還有，隨著Cd2+濃度的增加，蘿卜[16]幼苗體內(nèi)的葉綠素含量及類胡蘿卜素含量均呈現(xiàn)下降趨勢，同時也伴隨著葉綠素含量和光合速率的降低。鎘脅迫對不同品種馬鈴薯[17]的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，Cd2+主要通過破壞葉綠素的結(jié)構(gòu)、降低光合作用中光合色素的積累有效抑制植物的光合作用，最終抑制植物生長，降低生物量。與甜菜的研究實驗一致。

1.2.2 重金屬鎘脅迫對甜菜抗氧化酶活性的影響

活性氧(ROS)對植物的生長發(fā)育有重要的調(diào)節(jié)控制作用，可以通過影響細(xì)胞的分裂、伸長、分化，從而影響植物的生根、發(fā)芽、開花、結(jié)實等。同時金屬很容易與控制代謝反應(yīng)速度的幾種酶結(jié)合形成“新的”金屬酶復(fù)合物從而致使酶催化活性的喪失[18]。研究表明鎘(Cd)對甜菜傷害作用最嚴(yán)重的就是氧化脅迫。氧化脅迫會導(dǎo)致甜菜體內(nèi)活性氧的增加，雖在一定程度上促進了甜菜的生長，但是隨著Cd2+濃度的增加和時間的延長，甜菜表現(xiàn)為過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化物酶活性降低。除此之外其他植物在鎘處理后也出現(xiàn)了相似的現(xiàn)象，例如姜雖然對Cd2+處理有一定的適應(yīng)性，但是隨著時間的延長以及高濃度的處理，使姜的活性氧增加，活性氧代謝失調(diào)，最終因為葉片膜系統(tǒng)嚴(yán)重受損而影響植物生長[19]。在所有的抗氧化酶中，過氧化物酶(POD)是植物在逆境條件下酶促防御系統(tǒng)的關(guān)鍵酶之一，主要參與ROS的清除[20]。研究表明過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)等酶抗氧化劑和抗壞血酸(ASA)和胡蘿卜素等非酶抗氧化劑在鎘脅迫下快速積累，應(yīng)對活性氧在鎘處理后的增加從而保護植物免受鎘脅迫后發(fā)生的氧化損傷[21-22]。眾多研究[17，23，24]表明植物抗氧化酶活性在鎘脅迫后先呈現(xiàn)上升的趨勢，隨著Cd2+濃度的增加，抗氧化物活性逐漸下降。張奮琴[25]等人在研究鎘脅迫對黃瓜影響時發(fā)現(xiàn)在葉綠體的抗氧化防御系統(tǒng)中，經(jīng)Cd2+處理濃度不斷增加，超氧化物歧化酶(SOD)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)和谷胱甘肽還原酶(GR)的活性降低，與前人實驗一致。大米枝條響應(yīng)鎘脅迫[26]的研究發(fā)現(xiàn)，Cd2+可以通過消耗自由基清除劑或通過激活產(chǎn)生ROS的酶來間接增強氧化應(yīng)激從而產(chǎn)生大量抗氧化物酶。在毛竹實驗中，鎘的脅迫下增強了SOD和POD的活性[27]。美洲黑楊雌雄株的脯氨酸含量也呈現(xiàn)上升趨勢[28]。研究表明，甜菜受到Cd2+處理后，其體內(nèi)活性氧含量增加，在一定程度上刺激抗氧化物酶的增加，植物生長伴隨有短暫的促進效果，但是隨著Cd2+濃度的逐漸上升，活性氧代謝失調(diào)，抗氧化物酶活性逐漸下降，最終抑制甜菜生長。

1.3 重金屬脅迫對甜菜營養(yǎng)指標(biāo)的影響

植物吸收金屬的能力與植物自身的健康狀況有很大的關(guān)系。研究表明在土壤中添加鎘后植物生長普遍下降，此時植物吸收金屬的能力也隨之下降[29]。具體研究表明，甜菜具有吸收錳(Mn)、鉬(Mo)、鐵(Fe)、硼(B)、銅(Cu)的能力。研究發(fā)現(xiàn)，在Cd2+處理下隨著Cd2+濃度的增加，甜菜吸收礦物質(zhì)的能力表現(xiàn)為鐵含量下降，其他含量呈現(xiàn)不同程度的升高，同時甜菜中錳、鉬、鐵、硼、銅的含量均呈現(xiàn)葉>莖>根的規(guī)律，由于鐵是葉綠素形成必不可少的元素，因此鐵含量的下降導(dǎo)致葉綠體發(fā)生嚴(yán)重變化，從而影響甜菜的正常生長。其他類似研究表明同一作物的不同器官對于重金屬的吸收能力也存在不同。許艷萍等人發(fā)現(xiàn)，根系在成熟期對Pb、As、Cd、Cu和Zn這5種重金屬的吸收高于幼苗期; 莖葉在成熟期對重金屬Pb、As和Cd的富集高于苗期，但對Cu、Zn的富集卻是苗期高于成熟期[30]。另外同一器官的不同結(jié)構(gòu)對重金屬的吸收也存在差異，劉媛[30]等人研究表明，植物韌皮部對于Mg、Mn、Fe的吸收隨著鎘濃度的增加呈現(xiàn)下降趨勢;木質(zhì)部Ca、Mg、Mn、Zn、Fe 等5種常規(guī)金屬元素的積累與未脅迫時并無明顯變化;根部卻受到顯著抑制[31]。陳京都等人研究鎘脅迫對不同基因型水稻生長及礦質(zhì)營養(yǎng)元素吸收的影響時發(fā)現(xiàn)Cd脅迫促進了植物對Ca2+的吸收，卻明顯抑制了對Mg、P和K的吸收，且存在基因型的差異[32]。研究表明Cd2+處理不僅會促進甜菜體內(nèi)絕大多數(shù)營養(yǎng)元素的增加，也會降低Fe的含量，但是無論怎樣影響甜菜體內(nèi)的營養(yǎng)元素含量均呈現(xiàn)葉>莖>根的規(guī)律。

2 植物的耐鎘機理

植物一旦受到重金屬脅迫，會產(chǎn)生一系列耐性機理，常見的有抗氧化系統(tǒng)、區(qū)域化作用、根系分泌物、螯合作用和細(xì)胞壁沉淀作用等。其中根系分泌物、根部細(xì)胞的細(xì)胞壁屬于胞外機制，抗氧化系統(tǒng)、區(qū)域化作用和螯合作用屬于胞內(nèi)機制[33]。

2.1 細(xì)胞壁沉淀作用

位于土壤中的鎘首先作用于甜菜根系，在甜菜根系中富集，通過細(xì)胞壁進入細(xì)胞質(zhì)，從而達到毒害效果。同時植物自身具有抑制重金屬離子大量富集的機制，一旦感應(yīng)到Cd2+的入侵，其細(xì)胞會發(fā)起一系列屏障以減少傷害，而細(xì)胞最先的屏障就是進入植物體內(nèi)的Cd2+被細(xì)胞壁固定于果膠位點[34]。由于細(xì)胞壁中存在大量可以與Cd2+結(jié)合形成沉淀的羥基、羧基、醛基及氨基等負(fù)電基團，所以使進入植物細(xì)胞質(zhì)的Cd2+降低，從而減小植物受到的鎘毒性。

2.2 抗氧化系統(tǒng)

在對于重金屬鎘的抗氧化系統(tǒng)中，根據(jù)Cd2+濃度的不同，清除活性氧的方式也不同，主要包括兩方面內(nèi)容：如圖1低濃度下，植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)，SOD可以催化超氧陰離子自由基(O2-)與氫離子(H+)結(jié)合生成過氧化氫(H2O2)和氧氣(O2)，然后H2O2在POD和CAT作用下轉(zhuǎn)化為水，從而降低植物受傷害程度；如圖2高濃度下，通過抗壞血酸(ASA)、還原型谷胱甘酸(GSH)、谷胱甘酸還原酶(GR)和壞血酸過氧化物酶(APX)等共同作用下完成防御[35]。

圖1 低濃度鎘脅迫的抗氧化系統(tǒng)

圖2 高濃度鎘脅迫的抗氧化系統(tǒng)

2.3 螯合作用

2.3.1 植物螯合肽

植物螯合素(Phytochelatins，PC)是生物體內(nèi)的小分子多肽，由谷氨酸(Glu)、半胱氨酸(Cys)、甘氨酸(Gly)組成，其基本結(jié)構(gòu)為(γ-Glu-Cys)n-Gly，n=2～4[36]。需要注意的是植物螯合素并不是由基因直接翻譯而來，而是通過兩個步驟[34]共同完成：第一步，半胱氨酸和谷氨酸在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-GCS)和ATP-Mg作用下合成γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-GC)，最后經(jīng)過谷胱酰胺合成酶(GS)形成還原型谷胱甘肽(GSH)：第二步，還原型谷胱甘肽通過植物螯合肽合成酶(PCS)以及Cd2+刺激下合成植物螯合肽(PC)，形成穩(wěn)定的金屬復(fù)合物，進入細(xì)胞質(zhì)從而轉(zhuǎn)移到液泡中，減少植物所受危害。

2.3.2 金屬硫蛋白

金屬硫蛋白(MT)是具有半胱氨酸富集結(jié)構(gòu)域的小分子量蛋白質(zhì)，在植物生長、發(fā)育和維持金屬穩(wěn)態(tài)方面起著關(guān)鍵作用[37]。MT對于不同的重金屬具有不同的解毒程度，其結(jié)構(gòu)域上至少可以同時與7個金屬離子結(jié)合[38]。在已發(fā)現(xiàn)的可以與MT結(jié)合的18種金屬離子中，除Cu2+外，最為緊密的就是Cd2+[39]。MT一旦與Cd2+結(jié)合就很難被其他離子置換[40]。因此植物巧妙運用MT的這些特點，將植物體內(nèi)的金屬離子排出體外，以減少重金屬的毒害。

3 外源金屬離子對鎘的影響

隨著重金屬污染的加劇，中國乃至全世界對其關(guān)注逐漸加深，尋找降低重金屬污染的腳步也逐漸增多。近年來，有學(xué)者采取向被重金屬污染的植物中增施重金屬的方法緩解重金屬毒害，并取得了重大成績。研究表明，某些金屬離子之間存在拮抗作用，如鈣(Ca)[41]與鎘(Cd)之間就存在競爭作用。在一定的范圍內(nèi)，向植物中增加的Ca2+越多，鎘對于植物的影響就越小。李賀[42]等人在已經(jīng)施加Cd2+的大蒜中加入Ca2+，觀察其反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，隨著Ca2+的增加，大蒜的株高、假莖粗、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、葉片中色素含量、葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度及礦質(zhì)元素的吸收等均出現(xiàn)先升后降的趨勢，且在Ca2+施加到5 和6 mmol/L時促進作用達到最高，與之相類似的還有硫(S)減輕苦蕎[43]和硅(Si)[44]的實驗。

4 結(jié) 論

鎘(Cd)雖然不是植物體內(nèi)必需的重金屬，但是鎘對人和植物的毒性卻是相對較強的。重金屬鎘主要通過根部吸收進入植株，當(dāng)鎘進入植株后，形成“自由空間”，通過主動或被動吸收通過細(xì)胞膜進入胞質(zhì)，運輸?shù)侥举|(zhì)部導(dǎo)管[45]，影響植物生長。即使在低濃度下它也可能會通過鋅(Zn)，鈣(Ca)，錳(Mn)和鐵(Fe)等必需礦物質(zhì)的通道吸收導(dǎo)致植物體內(nèi)的穩(wěn)態(tài)紊亂。重金屬對甜菜的脅迫主要表現(xiàn)在甜菜的形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)和營養(yǎng)指標(biāo)三方面：一是鎘污染主要導(dǎo)致甜菜干重、鮮重、株高、莖長等形態(tài)指標(biāo)降低，葉片黃化褪綠；二是使甜菜葉綠素含量、光合速率、蒸騰作用速率、氣孔導(dǎo)度[18]以及抗氧化物酶活性等生理指標(biāo)下降；三是使甜菜體內(nèi)礦物質(zhì)含量減少，從而影響甜菜生長，影響使用效果，危害身體健康，與桂花實驗[46]類似。甜菜吸收礦物質(zhì)的影響，主要表現(xiàn)在通過降低自身對鐵的吸收，影響葉綠素的形成。由于鐵是構(gòu)成葉綠素分子的必需元素，因此甜菜體內(nèi)的鐵元素減少，首先會影響葉綠素的形成，從而間接影響甜菜生長。張芬琴[47]等人發(fā)現(xiàn)Cd脅迫不僅通過抑制豆科植物根的伸長影響植物的形態(tài)指標(biāo)，還可通過促進根內(nèi)超氧陰離子(O2-)產(chǎn)生和過氧化氫(H2O2)積累影響植物的生理指標(biāo)。由于重金屬在甜菜體內(nèi)的積累，甜菜自身會產(chǎn)生一系列耐性機制降低鎘的毒害，常見的細(xì)胞壁的沉降主要通過細(xì)胞壁中的負(fù)電基團發(fā)揮作用，而抗氧化系統(tǒng)則通過抗氧化酶類和非酶類化合物[48]兩類發(fā)揮作用；植物的螯合作用中常用的螯合劑除有機酸和氨基酸外還有植物螯合肽以及金屬硫蛋白，兩者對于重金屬的調(diào)控也具有極其重要的作用。除此之外，其他外源金屬離子也具有降低鎘毒害的作用，主要在于這些金屬離子與鎘的拮抗作用，如鈣[41]和硒(Se)[49]等。

5 問題與展望

鎘(Cd)是一種長期隱藏的環(huán)境污染物，對所有生物有著嚴(yán)重的毒性作用[50]。Cd 脅迫對植物的研究可大致分為形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)及營養(yǎng)指標(biāo)四部分。雖然鎘脅迫植物的研究很多，但是具有經(jīng)濟價值的甜菜受鎘污染的研究卻相對較少，同時沒有詳細(xì)的研究表明甜菜受鎘污染后，鎘在甜菜體內(nèi)的主要聚集地、甜菜受到鎘脅迫后的修復(fù)作用。今后應(yīng)加強這些方面的研究，為培育抗重金屬鎘污染作物(特別是抗重金屬甜菜)的育種提供方向，以期充分發(fā)揮甜菜的經(jīng)濟價值。