鎘脅迫對小白菜種子萌發(fā)、生理特性及其鎘積累的影響

王迪華 王改玲 樊存虎

摘? ? 要：以豐抗80為試驗(yàn)材料，研究不同鎘含量（w，后同）（0、5、10、20、30、40 mg·kg-1）對小白菜種子萌發(fā)及生理特性的影響。結(jié)果表明，在鎘脅迫下，小白菜種子萌發(fā)和生理特性受到不同程度的影響。低鎘含量（5 mg·kg-1）促進(jìn)種子萌發(fā)，高鎘含量（≥20 mg·kg-1）則抑制種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)。隨著鎘含量的增大，植株的抗氧化酶活性和MDA含量均顯著高于CK。在30 mg·kg-1鎘處理下，小白菜葉片中SOD、POD、CAT活性和MDA含量分別是CK的1.63、2.63、3.89和2.80倍。同時(shí)，小白菜植株地下部分富集鎘能力較強(qiáng)，且高于地上部分。這表明高含量（≥20 mg·kg-1）的鎘脅迫可顯著抑制小白菜種子萌發(fā)和植株的生長發(fā)育。

關(guān)鍵詞：小白菜;鎘脅迫;萌發(fā)特性;生理特性;鎘積累

中圖分類號：S634.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-2871（2021）09-080-04

Effects of soil cadmium stress on seed germination， physiological characteristics and cadmium accumulation of pakchoi

WANG Dihua1， WANG Gailing2， FAN Cunhu1

（1. Shanxi Yuncheng Vocational and Technical College of Agriculture， Yuncheng 044000， Shanxi， China; 2. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， Shanxi， China）

Abstract： In order to study the effects of different concentrations（0， 5， 10， 20， 30， and 40 mg·kg-1） of cadmium on the seed germination and physiological characteristics of Pakchoi， the Feng Kang 80 of cabbage cultivar was used as experimental material. The results showed that seed germination and physiological characteristics of Feng Kang 80 were affected to varying degrees under cadmium stress. Low concentration（5 mg·kg-1） promoted seed germination， while high concentration（≥20 mg·kg-1） significantly inhibited seed germination rate， germination potential， germination index and vigor index. With the increasing of cadmium concentration， the antioxidant enzyme activities and MDA content of the Feng Kang 80 plants were significantly higher than those of CK. When the concentration of cadmium was 30 mg·kg-1， the activities of SOD， POD and CAT， and the content of MDA were 1.63， 2.63， 3.89 and 2.80 times of the CK. Besides， the underground part of Feng Kang 80 plants showed a higher cadmium accumulation capacity than the above-ground part. This indicated that high concentration（≥20 mg·kg-1）of cadmium stress could significantly inhibit the seed germination and physiological characteristics of Feng Kang 80.

Key words： Pakchoi; Cadmium stress;Germination characteristics; Physiological characteristics; Cadmium accumulation

隨著工業(yè)化的深入推進(jìn)和迅速發(fā)展，大量工業(yè)廢水通過灌溉而進(jìn)入農(nóng)田，最終使得我國約1/5的耕地面積受到不同程度的重金屬污染[1]。重金屬鎘（Cd）是危害性大、分布廣的污染物之一，具有降解難、可移動(dòng)性強(qiáng)、隱蔽性高、毒性大等特點(diǎn)[2-3]，能被植物吸收和富集而進(jìn)入食物鏈，嚴(yán)重危害人類的健康[3-4]。研究表明，土壤重金屬鎘可以抑制植物的生長與發(fā)育，導(dǎo)致植物發(fā)育遲緩、生長受阻、產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降、鎘含量超標(biāo)，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問題和社會(huì)問題[5-7]。

葉菜類蔬菜是國民日常生活中不可缺少的蔬菜之一，其對鎘的富集能力高于根莖類、豆類和茄果類蔬菜[8]。在居民的生活消費(fèi)中，白菜類蔬菜占有較大的比重。我國白菜類蔬菜生產(chǎn)區(qū)域土壤存在不同程度的鎘污染[9]，但是不同植物和不同品種對重金屬的富集及其在各器官的分配能力不同，部分植物將富集的重金屬大量轉(zhuǎn)移至植株的地下部分[10-11]。因此，研究土壤鎘脅迫下白菜類蔬菜的植株生長情況和不同部位的鎘含量，不僅對于蔬菜的安全性評估和安全生產(chǎn)具有指導(dǎo)作用，而且對降低人體對鎘的攝入風(fēng)險(xiǎn)，保證人類健康有重要的意義。鑒于此，筆者以小白菜為對象，研究土壤不同鎘含量脅迫下小白菜的種子萌發(fā)特性、植株生長及其對鎘的富集情況，以期為鎘污染農(nóng)田的蔬菜安全生產(chǎn)提供可能的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試白菜品種為豐抗80，購自河北神禾種業(yè)有限公司。

1.2 方法

2018年9月，從山西運(yùn)城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)基地田土里挖取適量的土壤。土壤理化性質(zhì)：鎘含量（w，后同）0.19 mg·kg-1，速效鉀119.80 mg·kg-1，全氮1.85 g·kg-1，全磷1.60 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)20.54 g·kg-1）。將土壤置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然通風(fēng)陰干。粉碎后，用0.2 cm×0.2 cm的篩網(wǎng)進(jìn)行過篩，并充分?jǐn)嚢杌靹?。試?yàn)設(shè)置6個(gè)水平的土壤鎘含量，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)置，人工加入鎘質(zhì)量濃度為50 mg·L-1的CdCl2溶液適量，分別制成鎘含量為0（CK，即不加鎘溶液的原土，默認(rèn)為對照）、5、10、20、30、40 mg·kg-1的對照組和試驗(yàn)組土壤基質(zhì)。

2018年10—11月，在山西運(yùn)城農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室和溫室分別進(jìn)行種子萌發(fā)和植株生長試驗(yàn)。萌發(fā)時(shí)，在培養(yǎng)皿中墊2張濾紙，而后分別加入0、5、10、20、30、40 mg·kg-1的鎘溶液10 mL，以蒸餾水為空白對照，即CK。每個(gè)處理3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)50粒種子。培養(yǎng)皿放在25 ℃的恒溫光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)，光照/黑暗周期為：12 h/12 h，光照度為2000 lx。植株生長試驗(yàn)時(shí)，先在溫室里的育苗床上，對小白菜統(tǒng)一育苗;而后將已制備好的含鎘土壤基質(zhì)裝入一次性塑料花盆（上底×下底×高=240 mm×190 mm×210 mm），用電子秤稱量，確保每盆的質(zhì)量一致。當(dāng)幼苗長出2～3片真葉時(shí)，將幼苗移栽至已備好的花盆里，并置于溫室中培養(yǎng)。每個(gè)處理重復(fù)15盆，每盆栽植1棵小白菜。45 d后，對樣品進(jìn)行全株式采樣，并將樣品保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 指標(biāo)測定及方法

每間隔24 h，統(tǒng)計(jì)白菜的萌發(fā)情況，當(dāng)萌發(fā)停止時(shí)，計(jì)算種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢。發(fā)芽率/%=發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100，發(fā)芽勢/%=萌發(fā)到達(dá)高峰期時(shí)的發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100，發(fā)芽指數(shù)（GI）=∑（Gt/Dt），活力指數(shù)（VI）=S×GI。式中，Gt為處理t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)，S為幼苗根長。

用硫代巴比妥酸比色法測定丙二醛（MDA）含量;采用NBT光還原比色法測定抗氧化酶系統(tǒng)的超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈瘡木酚法測定過氧化物酶（POD）活性，采用紫外分光光度法檢測[12]過氧化氫酶（CAT）活性。小白菜植株的地上和地下部分鎘含量檢測參照國標(biāo)（GB/T 5009.15—2014）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2016對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與整理，用SPSS 2.0軟件進(jìn)行處理與分析，并用Graph Pad Prism 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鎘脅迫對小白菜種子萌發(fā)的影響

由表1可以看出，在鎘脅迫下，小白菜種子發(fā)芽率存在低劑量刺激效應(yīng)，即在鎘含量為5 mg·kg-1時(shí)，種子發(fā)芽率為96.00%，高于對照，但與對照差異不顯著。隨著鎘含量增大，小白菜種子萌發(fā)特性呈現(xiàn)出與鎘含量呈負(fù)相關(guān)的趨勢。在鎘含量≥20 mg·kg-1時(shí)，小白菜的發(fā)芽率和發(fā)芽勢急劇下降;當(dāng)鎘含量為40 mg·kg-1時(shí)，種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均最低，僅為18.67%和12.67%，與對照相比，分別降低了80.41%和85.15%。當(dāng)鎘含量為5 mg·kg-1時(shí)，小白菜種子發(fā)芽指數(shù)為24.45，略高于對照，但與對照差異不顯著;活力指數(shù)則為87.50，與對照差異不顯著。當(dāng)鎘含量為20 mg·kg-1時(shí)，種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)也急劇降低，分別僅為16.87和37.08，均顯著低于對照。隨著鎘含量進(jìn)一步提高，達(dá)到本試驗(yàn)最高含量時(shí)，發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)僅為4.13和6.97。這表明在高含量下，鎘嚴(yán)重抑制了種子的萌發(fā)和幼苗根系的生長。

2.2 鎘脅迫對小白菜植株抗氧化酶活性和MDA含量的影響

由圖1可以看出，在鎘脅迫下，各處理組抗氧化酶活性均顯著高于對照，對照小白菜植株SOD、POD和CAT活性均最低，分別為150.44、63.73、39.53 U·g-1。隨土壤鎘含量增大，SOD酶和POD活性呈先升高而后下降趨勢，CAT酶活性則與土壤鎘含量呈正相關(guān)。當(dāng)鎘含量為30 mg·kg-1時(shí)，處理組SOD和POD活性均達(dá)到最大，分別為244.51 U·g-1和167.71 U·g-1，分別是對照的1.63倍和2.63倍。當(dāng)鎘含量為40 mg·kg-1時(shí)，處理組的CAT活性達(dá)到最大，為174.78 U·g-1，是對照的4.42倍。

由圖2可以看出，小白菜植株MDA含量（b，后同）呈現(xiàn)隨著鎘含量升高而顯著上升趨勢。其中，對照植株MDA含量最低，為1.16 μmol·g-1。當(dāng)鎘含量分別為5、10、20、30、40 mg·kg-1時(shí)，小白菜植株MDA含量分別為1.50、2.03、2.72、3.32、4.14 μmol·g-1，分別是對照組的1.27、1.72、2.30、2.80、3.50倍。這表明小白菜植株的細(xì)胞膜系統(tǒng)受到了鎘的脅迫和毒害，植株生長發(fā)育受到抑制。

2.3 鎘脅迫對小白菜不同部位鎘積累的影響

由圖3可以看出，隨土壤鎘含量升高，小白菜對鎘的富集增大，小白菜植株地上部分、地下部分鎘含量均顯著增加。在土壤鎘含量相同情況下，對照和鎘處理組小白菜植株的地下部分鎘含量均大于地上部分。這表明小白菜對于鎘的吸收和富集，其地下部分相對高于地上部分。

進(jìn)一步分析可以看出，對照白菜植株也有一定的鎘含量，地上部分為0.031 3 mg·kg-1，地下部分為0.063 7 mg·kg-1，表明試驗(yàn)用的土壤含有重金屬鎘。當(dāng)土壤鎘含量為5 mg·kg-1時(shí)，小白菜植株的總體鎘含量為0.347 3 mg·kg-1，地上與地下部分鎘含量分別為0.118 6、0.228 7 mg·kg-1。在該鎘污染水平下，小白菜的鎘總體含量超過國家標(biāo)準(zhǔn)（國標(biāo)GB 2762—2017，葉菜類Cd≤0.2 mg·kg-1 ，以鮮質(zhì)量計(jì)）;然而就小白菜地上食用部分而言，其鎘含量僅為0.118 6 mg·kg-1，尚遠(yuǎn)低于國標(biāo)。隨著土壤鎘含量的進(jìn)一步提高，其植株的總體鎘含量、地上與地下部分的含量均顯著高于國標(biāo)。當(dāng)土壤鎘含量為40 mg·kg-1時(shí)，地上與低下部分的鎘含量均達(dá)到最高，分別為3.966 mg·kg-1和7.316 mg·kg-1。

3 討論與結(jié)論

植物種子萌發(fā)和幼苗生長不僅是其生活周期的起點(diǎn)，也是感知外界環(huán)境因素變化的最初生命階段[5]。重金屬對植物種子萌發(fā)的影響，通常有“低劑量”刺激效應(yīng)，即低濃度促進(jìn)萌發(fā)，高濃度則抑制萌發(fā)的現(xiàn)象;在臨界值處，隨著重金屬離子濃度提高，植物的自我防御機(jī)制將受到破壞，引起代謝紊亂，生長發(fā)育受到影響[1]。彭昌琴等[13]研究重金屬鎘對尾穗莧種子萌發(fā)特性的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在鎘質(zhì)量濃度較低時(shí)（0～50 mg·L-1），發(fā)芽率與鎘質(zhì)量濃度呈正相關(guān);而鎘質(zhì)量濃度大于50 mg·L-1時(shí)，二者則呈負(fù)相關(guān)。本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)類似的結(jié)果，即土壤鎘含量對小白菜的萌發(fā)也有低劑量促進(jìn)，高劑量抑制的特性，但是綠葉蔬菜的鎘耐受性相對尾穗莧較低。

抗氧化系統(tǒng)是植物的重要保護(hù)機(jī)制，對重金屬脅迫下種子的萌發(fā)有重要的保護(hù)作用[1]。丙二醛是細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物之一，可以對細(xì)胞膜造成損傷，增加膜的通透性[14]。植物在逆境脅迫下，為了防止生物膜脂過氧化，植物抗氧化酶的活性會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，SOD、POD與CAT等酶的活性將提高而清除過量的氧自由基和丙二醛，以應(yīng)對或緩解脅迫因子對膜系統(tǒng)的傷害[15]。低濃度Cd2+脅迫下， 蔬菜體內(nèi)抗氧化酶活性呈上升趨勢， 當(dāng)Cd2+濃度達(dá)到或超過一定范圍后， 活性氧清除酶的能力則會(huì)降低[1-2]。本研究結(jié)果表明，隨著鎘含量的增大，小白菜的SOD和POD的活性先升高后降低，但均顯著高于對照;CAT的活性則隨著鎘含量的增加而提高。這和張睿等[16]、何俊瑜等[17]關(guān)于鎘脅迫下苦蕎與小麥幼苗生長發(fā)育的結(jié)果相一致。同時(shí)，隨著植物受脅迫程度的加大，抗氧化酶活性提高，有機(jī)體MDA也將逐漸積累;當(dāng)脅迫程度超過臨界值時(shí)，抗氧化酶活性受到抑制，MDA將進(jìn)一步積累，破壞生物膜系統(tǒng)，影響植物的生長發(fā)育[18-19]。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)土壤鎘含量為40 mg·kg-1時(shí)，幼苗的MDA含量顯著高于前面處理，而SOD和POD酶活性則顯著低于30 mg·kg-1的處理。這表明在40 mg·kg-1鎘的脅迫下，小白菜的SOD、POD酶喪失對膜系統(tǒng)的保護(hù)作用。

不同植物品種對重金屬的耐受性和積累能力有較大差異，同一品種不同部位對于重金屬的積累也有所不同[19-21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同鎘含量處理下，小白菜豐抗80植株不同部位對重金屬鎘的富集能力有較大差異，其地下根系的富集能力強(qiáng)于地上莖葉部分。這也與前人研究報(bào)道一致[2，7-8，19]。同時(shí)，在低鎘含量（5 mg·kg-1）污染下，小白菜植株的總體鎘含量為0.347 3 mg·kg-1，地上與地下部分鎘含量則分別為0.118 6和0.228 7 mg·kg-1;而國標(biāo)GB 2762—2017規(guī)定：葉菜類蔬菜的重金屬鎘含量≤ 0.2 mg·kg-1則為安全。鑒于土壤環(huán)境復(fù)雜多樣，而且不同栽培模式、不同品種對鎘的富集能力存在顯著差異[7，19]，因此，小白菜對鎘的耐受性評價(jià)還應(yīng)該結(jié)合更多的品種進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 李桂玲，王琦，王金水，等.重金屬對植物種子萌發(fā)脅迫及緩解的機(jī)制[J].生物技術(shù)通報(bào)，2019，35（6）：147-155.

[2] 田丹，任艷芳，王艷玲，等.鎘脅迫對生菜種子萌發(fā)及幼苗抗氧化酶系統(tǒng)的影響[J].北方園藝，2018（2）：15-21.

[3] KULA I，U?URLU M，KARAO?LU H，et al.Adsorption of Cd（Ⅱ）ions from aqueous solutions using activated carbon prepared from olive stone by ZnCl2 activation[J].Bioresource Technology，2008，99（3）：492-501.

[4] KUSHWAHA A，RANI R，KUMAR S，et al.Heavy metal detoxification and tolerance mechanisms in plants：implications for phytoremediation [J].Environmental Reviews，2016，24（1）：39-51

[5] 張珂，厲萌萌，劉德權(quán)，等.鎘脅迫對小麥、玉米種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J].種子，2019，38（5）：90-94.

[6] LIU H J，ZHANG C X，WANG J M，et al.Influence and interaction of iron and cadmium on photosynthesis and antioxidative enzymes in two rice cultivars[J].Chemosphere，2017，171：240-247.

[7] 弭寶彬，汪端華，劉峰，等.盆栽和池栽對普通白菜鎘累積差異性研究[J].中國蔬菜，2019（6）：45-50.

[8] 陳曉燕.不同品種白菜對黃壤鎘的富集特征及其安全生產(chǎn)閾值研究[D].貴陽：貴州大學(xué)，2019.

[9] 沈彤，劉明月，賈來，等.長沙地區(qū)蔬菜重金屬污染初探[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，31（1）：87-90.

[10] 陳勤，沈羽，方炎明，等.紫湖溪流域重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)與植物富集特征[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（14）：198-205.

[11] TANG L，LUO W J，TIAN S K，et al.Genotypic differences in cadmium and nitrate co-accumulation among the Chinese cabbage genotypes under field conditions[J].Scientia Horticulturae，2016，201：92-100.

[12] 李軻，楊柳.刺槐根際土壤水浸提液對5種常見園林植物種子萌發(fā)及幼苗生長的化感作用[J].種子，2019，38（6）：115-120.

[13] 彭昌琴，陳興銀，楊鵬，等.鎘脅迫對尾穗莧種子萌發(fā)及幼苗生理特性的影響[J].種子，2018，37（7）：43-48.

[14] 袁馳，陳勇，梁永霞，等.紫莖澤蘭水浸提液對不同基因型水稻種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J].種子，2018，37（5）：81-84.

[15] 李快芬，丁貴杰，羅曉蔓.馬尾松根際土壤浸提液對種子萌發(fā)和幼苗生長的化感作用[J].種子，2019，38（7）：6-11.

[16] 張睿.重金屬鉻對苦蕎種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（2）：172-174.

[17] 何俊瑜，任艷芳，任明見，等.鎘對小麥種子萌發(fā)、幼苗生長及抗氧化酶活性的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2009，24（5）：135-139.

[18] 張琳，崔紅米，王建軍，等.鎘脅迫對不結(jié)球白菜Vc合成L-半乳糖途徑基因表達(dá)及抗氧化系統(tǒng)的影響[J].植物生理學(xué)報(bào)，2015，51（7）：1099-1108.

[19] 卞建林，郭俊娒，王學(xué)東，等.兩種不同鎘富集能力油菜品種耐性機(jī)制[J].環(huán)境科學(xué)，2020，41（2）：970-978.

[20] 余垚，羅麗韻，劉哲，等.青菜中鎘的吸收和累積對硒的響應(yīng)規(guī)律[J].環(huán)境科學(xué)，2020，41（2）：962-969.

[21] WU X，CHEN J H，YUE X M，et al.The zinc-regulated protein （ZIP） family genes and glutathione s-transferase （GST） family genes play roles in Cd resistance and accumulation of pak choi（Brassica campestris ssp. chinensis）[J].Ecotoxicology and Environmental Safety，2019，183：109571.