镉胁迫下磁场对绿豆幼苗根茎叶显微结构的影响

陈怡平，郑宏春

1.中国科学院地球环境研究所，西安710075

2.中国科学院研究生院生物系，北京100049

镉胁迫下磁场对绿豆幼苗根茎叶显微结构的影响

陈怡平1，*，郑宏春2

1.中国科学院地球环境研究所，西安710075

2.中国科学院研究生院生物系，北京100049

以绿豆（Vigna radiata）为实验材料，比较研究了不同剂量磁场处理绿豆种子对种子电导率、幼苗生长和叶绿素含量的影响以及镉胁迫绿豆幼苗根、茎、叶显微结构的影响.结果表明：1）与对照相比，400mT、600mT、800mT、1000mT磁场均显著提高了种子电导率，且随着磁场强度的增加电导率显著增大；2）400mT、600mT、800mT磁场均能显著提高绿豆幼苗叶片叶绿素含量和幼苗发育，比较而言600mT效果最好，1000mT处理则显著降低了叶片叶绿素含量，抑制了幼苗发育；3）与对照组相比，5μmol·L-1镉胁迫绿豆幼苗栅栏组织和海面组织细胞排列紧密，厚度变薄，而种子经过600mT磁场预处理后再进行镉胁迫，厚度接近对照组.对于茎和根而言，镉胁迫抑制了形成层细胞分裂，维管束体积缩小，而种子经过600mT磁场预处理后再进行镉胁迫，其维管束体积增大接近对照组.表明，600mT磁场预处理种子可改善镉胁迫对幼苗的伤害.

镉；绿豆；种子；重金属；显微结构；磁场

1 引言（Introduction）

20世纪以来，由于人类活动导致的全球环境恶化已经直接威胁着人类的农业活动，乃至人类自身的生存，其中温室效应、盐渍、干旱、有机污染物和重金属等非生物胁迫已经成为未来农、林业面临的重大环境问题.它们直接影响植物的生长发育，导致作物产量降低，品质下降.目前土壤重金属污染问题日益突出，我国受镉、砷、铅等重金属污染的耕地面积近2.0×105km2，约占总耕地面积的1/5；每年因重金属污染而减产粮食超过10×l07t，由此造成的经济损失合计至少为200亿元（陈怀满，1996）.因此，控制与修复土壤重金属污染，改善土壤质量是环境科学的研究热点问题.

目前，磁场预处理种子已被广泛应用于农业科学.研究表明，磁场预处理种子可以提高种子活力，促进种子生长并提高产量（Belyavskaya,2004）.Flórez等（2007）报道磁场处理玉米种子可以促进其萌发并提高其苗高、苗重.Yao等（2005）研究表明磁场预处理可以显著提高黄瓜种子的萌发率.祝建等（2003）研究认为低频电磁场可以促进绿豆萌发和生长.

镉（Cd）是一种毒性较强的金属，对植物生长发育和人类健康危害极大.农田一旦受到镉的污染，将大部分残留于土壤中，对农作物造成严重的危害，植物体内镉积累到一定的程度就会表现出生长迟缓、植株矮小、叶绿素含量和光合强度下降、抗氧化酶活性降低等症状（马文丽等，2004;余国莹和吴玉树，1992）.镉对植物的毒害作用具有潜伏性和长期性的特点，日积月累在土壤环境中会严重影响植物生长发育，甚至严重威胁着人类健康.镉胁迫可导致植物体内活性氧代谢失调和大量自由基积累，自由基对细胞膜具有伤害作用，导致细胞膜透性增大，其产物丙二醛（MDA）可导致细胞生命活动的紊乱.

适量磁场处理能否修复镉对植物细胞的伤害，目前尚未健报道.为此，本研究以我国广泛种植的绿豆为实验材料，比较研究了不同剂量磁场处理绿豆种子对幼苗生长和叶绿素含量的影响以及对镉胁迫绿豆幼苗根茎叶显微结构的影响，以期为农业生产中利用磁场改善重金属污染修复效果，提高重金属污染作物品质提供基础依据.

2 材料与方法（Materials and methods）

2.1 材料

绿豆（Vigna radiata）种子，购自西安市种子公司.CdCl2·21/2H2O，分析纯，天津市福晨化学试剂厂.

2.2 暴露方法

2.2.1 磁场预处理种子实验（剂量筛选）

尹美强等（2006）研究发现磁场处理芝麻种子可以提高其自由基含量并促进种子萌发、根系生长等.也有报道指出弱磁场可减缓植物根分生组织细胞增长和分裂等生物学效应（依艳丽等，2001）.由此可见磁场处理的生物学效应是一把“双刃剑效应”.磁场的这种效应与其剂量有关，因此剂量的选择十分重要.

选取籽粒饱满、大小均匀的绿豆种子用蒸馏水浸种6h，待其表面水分晾干后进行处理.根据预实验结果，剂量筛选实验设对照组（CK）、400mT磁场处理组（400mT）、600mT磁场处理组（600mT）、800mT磁场处理组（800mT）和1000mT磁场处理组（1000mT）5组.每组100粒绿豆种子，3次重复.磁场处理采用2G magnetometer systerm进行（model:755R,2G Co.Mountain View,CA,USA）.加磁后将绿豆种子用塑料盆在光照培养箱（25℃、10h光照/14h黑暗、光照强度500μmol·m-2·s-1）中进行沙培.

2.2.2 修复实验

根据预实验结果，设对照组（CK）、5μmol·L-1镉处理组（Cd）、600mT磁场预处理后再进行5μmol·L-1镉胁迫（MF+Cd）3个处理组.每组100粒绿豆种子，3次重复.磁场处理采用2G magnetometer systerm进行（model:755R,2G Co.Mountain View,CA,USA）.加磁后待种子萌发2d后进行镉胁迫4d（将绿豆幼苗放于30支试管里，放于光照培养箱中培养，温度为25℃，10h光照/14h黑暗，光照强度为500μmol.m-2·s-1）.

2.3 指标测定

2.3.1 种子电导率测定

每处理组选取大小均匀的种子30粒，用蒸馏水冲洗3次，用滤纸吸干种子表面水分，10mL重蒸水25℃浸泡4h，用电导率仪（DDS211A，上海第二分析仪器厂）测定种子浸出液的电导率，然后沸煮10min，冷却后测绝对电导率，最后计算各处理的相对电导率（相对电导率=电导率/绝对电导率）.

2.3.2 苗、根长、叶绿素含量测定

将各组的绿豆种子置于沙床，放在光照培养箱（25℃，10h光照/14h黑暗）中，待幼苗生长到第11d时，每处理组随机选20～30株幼苗拔出，用刻度尺测量幼苗高度和根长，3次重复.待幼苗生长到第7d时进行叶绿素测定.叶绿素含量测定参照文献（张振良，1985）.

2.3.3 显微结构观察

取各处理组8龄幼苗叶片、茎、根，用FAA固定.常规石蜡切片法和薄切片法制片，Olympus显微镜观察并照相.

2.4 统计分析

全部实验均3次以上重复，用SPSS 16.0对数据进行单因素方差分析（ANOVA）和多重比较（LSD）.

3 结果与分析（Results and analysis）

3.1 不同强度磁场对绿豆种子电导率的影响

不同强度磁场对绿豆种子生长发育的影响如图1所示.由图1可以看出，与对照组相比，各磁场处理组种子电导率均显著高于对照组（p＜0.05），400mT、600mT、800mT和1000mT处理绿豆种子电导率分别升高约10%、18%、25%和38%.电导率增大说明细胞膜的透性增大，表明植物体内活性氧代谢失调和自由基积累（孙存普，1999）.

3.2 不同强度磁场对绿豆幼苗生长发育的影响

不同强度磁场对绿豆幼苗生长发育的影响如图2所示.由图2可见，随着磁场强度的增大，总叶绿素含量、叶绿素a含量、叶绿素b含量、苗高、根长和鲜重均呈先升高后降低趋势，其中600mT磁场处理各生长发育指标均最高，且与对照组均差异显著（p＜0.05）；1000mT磁场强度时，各生长发育指标均最低，部分指标显著低于对照组（p＜0.05）.中等强度磁场导致总叶绿素含量、叶绿素a含量、叶绿素b含量升高，有利于幼苗生长发育，表现为根、芽生长速率加快.这一结果说明600mT及以下磁场强度处理绿豆种子可以打破细胞内自由基的动态平衡（没有超越绿豆自身修复能力），改变细胞膜透性，轻度刺激产生少量的自由基（图1）有利于生物代谢，有利于细胞生物合成代谢，促进绿豆生长发育.而600mT以上磁场强度处理绿豆种子也可打破细胞内自由基的动态平衡，自由基产生超越绿豆自身修复能力，抑制了细胞生物合成代谢，从而抑制绿豆生长发育.因此，对绿豆而言，600mT磁场处理是最佳剂量，这一剂量可作为今后进一步研究磁场修复实验剂量，也可以应用于农业栽培实践.

3.3 磁场对镉胁迫绿豆幼苗根茎叶显微结构的影响

磁场对镉胁迫绿豆幼苗根茎叶显微结构的影响如图3所示.由图3可见，与对照组相比，镉处理导致叶片的栅栏组织和海面组织结构发生了明显的变化，栅栏组织和海面组织细胞排列紧密，厚度变薄，而种子经过600mT磁场预处理后再生长在5μmol·L－1镉胁迫环境中，其栅栏组织和海面组织细胞排列比对照组更加紧密，且厚度比镉胁迫下增厚，接近对照组.对于茎和根而言，镉处理显著抑制了绿豆幼苗形成层分裂，表现为维管束体积缩小，形成层、木质部和韧皮部厚度减小，而种子经过600mT磁场预处理后再生长在5μmol·L－1镉胁迫环境中，其微管组织束体积增大，形成层、木质部和韧皮部厚度增厚，接近对照组.究其原因可能是：生物体细胞内水、蛋白质、碳水化合物等带电离子在磁场作用下与周围介质产生快速振荡、互相碰撞，改变了蛋白质、酶及生物大分子构相以及酶动力学速率，促进了一系列生物化学反应，尤其是酶促代谢，提高了活性（Chen et al.,2005），最终促进了绿豆的生长发育.

本研究结果表明，中等强度磁场处理绿豆种子可促进其生长发育，改善镉胁迫对幼苗的伤害.

致谢：本研究受黄土与第四纪国家重点实验室专项项目资助（SKLLQG2007005）.

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中文参考文献

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Effects of Magnetic Field on the Mung Bean Structure of Root,Stem and Leaf under Cd Stress

CHEN Yi-ping1，*，ZHENG Hong-chun2

1.Institute of Earth Environment,Chinese Academy of Sciences,Xi’an 710075
2.Department of Biology,Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049

In order to determine the effects of magnetic field on the Mung bean（Vigna radiata）structure of root stem and leaf under Cd stress,changes in the leaf conductivity,root length,shoot length,fresh weight,the concentration of chlorophyll and structure of root,stem and leaf were analyzed.The results indicated that 1）the conductivity was enhanced step by step with the magnetic field increase;2）Pretreatment of 400mT,600mT and 800mT could improve significantly the seedlings growth and the chlorophyll concentration of leaf,and the best effects was 600mT;3）For the leaf structure,spongy tissue（st）and palisade tissue（pt）were thinned in the case dealing with 5μmol·L-1Cd,and the thickness was recovered in the 600mT magnetic field pretreatment followed by 5μmol·L-1Cd.For the root and stem structure,the cells size of vascular tissue（vt）diminished,and the size recovered when dealing with complex of 5μmol·L-1Cd and 600mT magnetic field.

Cd；Mung bean；seeds；heavy metal；structure；magnetic field

3 August 2009accepted15 September 2009

1673-5897（2010）1-112-06

X503.23，X171.5

A

2009-08-03录用日期：2009-09-15

黄土与第四纪国家重点实验室专项项目（No.SKLLQG2007005）

陈怡平（1968—），研究员；*通讯作者（Corresponding author），E-mail:lifesci@ieecas.cn

陈怡平（1968—），男，研究员，博士，主要从事环境生物学方面的研究.