咖啡幼苗对镉胁迫的生理响应

王娅玲，李维峰，王永林，苏志龙

(1.云南农业大学热带作物学院，云南普洱665000;2.普洱学院，云南普洱665000)

镉是一种高生物毒性重金属元素，是我国农田重金属污染的主要元素之一［1］。有研究表明，低浓度的镉能够刺激植物生长发育，但是会给植物带来更多的是毒害效应［2-4］。近年来，有关镉对植物的毒害作用国内外进行了较多的研究。诸多研究表明，镉能够诱导植物体内活性氧的大量增加，引起细胞膜质过氧化［5-7］，从而影响植物生长发育，严重时甚至导致植物死亡。此外，镉还能够通过食物链进入人体，对人类健康产生极大危害［8］。因此，研究镉对植物生理特征的影响对于指导农业生产及保护农业生态环境具有重要的意义。目前，已有很多关于镉对植物生理影响的研究［9-13］，但是对于镉对咖啡幼苗生理特征的影响还未见到报道。笔者采用盆栽法，研究在不同浓度梯度镉胁迫下咖啡幼苗叶片叶绿素和抗氧化酶的变化情况，探讨重金属镉胁迫对咖啡幼苗超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、丙二醛(MDA)以及叶绿素含量的影响，为揭示咖啡受到镉胁迫后响应机制提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料 试验所用咖啡幼苗来自云南热带作物职业学院温室育苗大棚，品种为卡蒂姆P3。咖啡种子在沙床上育苗，待幼苗生长42 d后，选择长势均匀、具三对叶的幼苗进行试验。洗净幼苗根部泥沙，用浓度0.1%高锰酸钾浸泡根部，消毒10 min，将消毒好的咖啡幼苗用去离子水冲洗干净。培养液母液为Hoagland-Arnon营养液。镉胁迫溶液则用氯化镉配制，先将氯化镉与去离子水配制成1 g/L的溶液，然后按照不同比例加入Hoagland-Arnon营养液中，配制成0、10、20、40、60、80 mg/L 6个梯度浓度的镉胁迫溶液。用浓度0.1%高锰酸钾浸泡消毒60～80目分析纯石英砂，蒸馏水洗净、烘干后用作栽培基质。

1.2 试验设计 试验于2013年7～9月在云南热带作物职业学院智能温室中进行。用口径18 cm、高13 cm的花盆，塑料盆消毒洗净后装入适量石英砂，每盆植入4株咖啡幼苗。将栽好的试验盆放置于温室大棚内培养，先用Hoagland-Arnon营养液浇灌，待咖啡幼苗恢复正常生长7 d后再将配好的镉胁迫营养液分别加入不同花盆内进行胁迫试验。每盆每日浇灌20 ml不同胁迫浓度的镉溶液，使得盆内砂基湿度维持在75%左右。每个胁迫浓度设3次重复。胁迫处理2个月后取样，测定各项生理指标。

1.3 测定项目与方法 SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)比色法［14］测定;POD 活性采用愈创木酚法［15］测定;CAT活性采用紫外吸收法［16］测定;MDA含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法［17］测定;叶绿素含量采用分光光度法［15］测定。

1.4 数据分析 试验数据用Excel2003进行基本处理。结果用SPSS进行方差分析、显著性检验。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对咖啡幼苗叶绿素含量的影响 叶绿素是植物利用光能的主要色素。叶绿素含量是植物光合能力、营养胁迫和发育情况的重要指标。从表1可以看出，与空白对照相比，镉胁迫下叶绿素a、b及叶绿素总量均显著降低(P＜0.05);在镉浓度达80 mg/L时，叶绿素a、叶绿素b含量分别下降了24.13%和20.76%，叶绿素总量下降了24.45%。

2.2 镉胁迫对咖啡幼苗POD活性的影响 POD是植物体内清除活性氧酶系统的重要组成部分，在控制膜脂的过氧化、清除超氧自由基等方面起重要的作用。从表2可以看出，POD活性在低浓度镉胁迫下上升，在镉胁迫强度＞20 mg/L后POD活性下降至低于空白对照，在镉胁迫浓度为80 mg/L时POD活性下降了20.96%。

表1 不同浓度镉胁迫下咖啡幼苗叶片叶绿素含量

2.3 镉胁迫对咖啡幼苗CAT活性的影响 CAT是植物细胞内清除活性氧的一种重要的抗氧化酶。它可以将过氧化氢分解为水和氧气，从而维持细胞内过氧化氢的正常水平。从表2可以看出，在镉浓度＜10 mg/L胁迫下，CAT活性呈上升趋势;当镉浓度＞20 mg/L时，CAT活性较空白对照明显下降;在镉胁迫浓度为80 mg/L时，与对照相比，CAT活性下降了32.35%。

2.4 镉胁迫对咖啡幼苗SOD活性的影响 SOD能够清除活性氧自由基，其活性与植物适应逆境能力密切相关。从表2可以看出，镉胁迫对咖啡幼苗SOD活性影响显著(P＜0.05)。在低浓度镉胁迫下，咖啡幼苗SOD活性呈上升趋势;在10 mg/L镉胁迫下，SOD活性比空白对照上升了11.78%;但在镉浓度＞20 mg/L时，SOD活性明显受到抑制，在80 mg/L镉胁迫时SOD活性仅为空白对照的70.9%。

表2 不同浓度镉胁迫下咖啡幼苗抗氧化酶活性及MDA含量

2.5 镉胁迫对咖啡幼苗MDA活性的影响 细胞膜的稳定是植物进行正常生理代谢的基础。在逆境胁迫下，植物细胞内产生的活性氧会使细胞膜上的不饱和脂肪酸发生活性氧反应，其产物MDA含量是反映细胞膜受损程度的一个重要指标。从表2可以看出，在重金属镉胁迫下，咖啡幼苗叶片MDA含量随镉浓度的增加而显著增加(P＜0.05)，80 mg/L镉胁迫下胁迫咖啡幼苗MDA含量比对照增加了41.9%，说明细胞膜受到较严重的损害。

3 结论与讨论

镉是植物的生长的非必需元素。它被植物的吸收后会对植物生长发育造成危害。研究中，在0～80 mg/L浓度镉胁迫下，咖啡幼苗体内叶绿素a、叶绿素b含量均随着镉浓度的增加而显著降低(P＜0.05)，而且镉浓度越高，叶绿素总量下降越多。这可能是由于镉胁迫下咖啡幼苗体内活性氧增加，从而导致叶绿素降解。此外，镉也会影响有关叶绿素合成相关酶的活性，导致叶绿素含量降低［18］。

在植物体内，POD、CAT和SOD等酶共同组成抗氧化酶体系，协同防御活性氧自由基对植物细胞产生伤害，维持植物体内代谢平衡，增强植物的抗逆境胁迫能力，延缓叶绿素、蛋白质等降解。研究表明，咖啡幼苗叶片POD、CAT及SOD活性在镉浓度≤10 mg/L的胁迫下随镉浓度增加而升高，而后当镉浓度＞20 mg/L时，酶活性随镉浓度的增加而降低。这可能是由于高浓度的镉影响3种酶的空间结构或活性氧浓度过高导致酶合成受到抑制。

在正常生长情况下，植物体内活性氧自由基产生与清除处于动态平衡状态，但是逆境胁迫会打破这种平衡，导致植物体内活性氧自由基的大量产生，而叶片中活性氧自由基会引起膜质过氧化作用，造成细胞膜损伤，影响植物正常生理代谢。MDA是膜脂过氧化的重要产物，其含量是判断膜脂过氧化程度的一个重要指标［19］。研究中，MDA含量随着镉浓度的升高而显著增加，说明在镉胁迫下咖啡幼苗细胞膜发生较严重的过氧化，其生长代谢受到较大的影响。

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