重金属Cd对粟米生理生化指标的影响

刘丽欣+迟鑫+王建+刘明飞+徐欢+李铭

摘 要：为了给油田开采地区的粟米种植和生产提供可靠的理论依据，同时丰富重金属Cd的毒理学基础知识，采用营养液培养的方法，研究不同浓度的Cd离子溶液（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0mg/L）对粟米幼苗生理生化指标的影响。结果表明：随着Cd离子浓度的增加，粟米幼苗的可溶性蛋白含量先降低后增加，但均低于对照组水平；可溶性糖含量逐渐增加，均高于对照组水平；丙二醛（MDA）含量除0.5mg/L组和1.0mg/L组，其他实验组均显著增加；而叶绿素a和叶绿素b含量均显著降低。可见，粟米对重金属Cd敏感，较低浓度的Cd离子胁迫即可对粟米幼苗产生较为明显的毒害作用，该农作物不适合在有石油污染的区域种植。

关键词：Cd；粟米；生理生化指标

中图分类号 S451 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）07-0027-04

Abstract：For the cultivation and production of corn in the mining area，providing reliable theoretical basis and rationalization proposals and enriching the toxicology of heavy metal Cd ，using the nutrient solution culture method，the group studies the effects of different concentrations of Cd ion solution（0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0mg/L）on the physiological and biochemical indexes of maize seedlings.The results showed that with the increase of Cd concentration，the soluble protein content of maize seedlings decreased firstly and then decreased .The content of soluble sugar was higher than that of the control group increased gradually. The content of malondialdehyde（MDA）except to 0.5mg/L group and 1.0mg/L group，the other experimental groups were significantly increased；and chlorophyll a and chlorophyll b content were prominently reduced.The results conclued that maize was more sensitive to heavy metal Cd，and Cd（superscript 2+）could produce more obvious toxic effects on maize seedling than others.So the crop was not suitable for cultivation in oil-contaminated areas.

Key words：Cadmium；Sweet corn；Physiological and biochemical index

隨着我国经济的高速发展，工农业现代化进程不断推进，但与此同时，生态环境也日益遭到破坏，重金属污染是其中危害最大的问题之一。Cd作为一种有毒害的重金属元素，毒性仅次于Hg，且Cd不是植物生长必需的微量元素，不构成作物结构，也不参与作物体内代谢活动，但易被作物吸收。研究表明，当Cd在植物体内大量蓄积达一定程度后，可对植物的生长发育产生强烈的抑制效应，导致作物生长缓慢，植株矮小，根系受到抑制，造成生长障碍降低产量，高浓度时甚至死亡。另外，Cd在作物中的大量积累不仅严重影响生态系统中农作物的生长发育，而且还可经过食物链危及动物和人类。

对于Cd对农作物的毒理学效应已有部分报道。柯庆明等采用水培试验的方法研究Cd胁迫对水稻生理生化特性的影响。结果表明，不同浓度（0、5、10mg/kg）Cd胁迫改变丙二醛（MDA）含量和超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）活性[1]。廖柏寒等分别用0、0.25、0.50、1.00、2.50、5.00、10.00mg/kg Cd溶液处理大豆种子，结果表明，大豆植株的生长在3个生长期均表现为低浓度Cd（≤0.50mg/kg）下的刺激效应和高浓度Cd（≥1.00mg/kg）下的抑制效应[2]。李晔等用不同浓度Cd处理玉米种子，研究了Cd胁迫对不同玉米品种生理生化指标的影响，结果表明，随着Cd离子浓度的增加，对Cd耐受程度不同的玉米品种其幼苗生长及其外渗电导率、叶绿素含量等生理生化指标产生明显差异[3]。

从已发表文献来看Cd对农作物种子的毒理学效应仅见水稻、大豆、玉米等，而对粟米的尚未见报道。国内各大油田由于石油开采和工业发展存在严重的重金属Cd污染，而粟米是我国广大地区重要的粮食作物之一。基于上述实际情况，本文拟通过考察Cd对粟米幼苗的生理生化影响初步调查Cd对粟米的毒害作用，以期为石油开采地区粟米种植过程中的重金属Cd污染防治提供基本的理论依据，也对环境监测中Cd污染的评价提供更全面充实的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料 广东特产红素粟种子。

1.2 材料培养

1.2.1 材料消毒 用0.4%KMNO4溶液，对粟米种子消毒6min。再用蒸馏水反复冲洗5遍，将种子放入蒸馏水中浸泡6h。

1.2.2 催芽及Cd离子处理 将浸透过的种子摆在铺有一层薄脱脂棉的培养皿中，每皿摆200粒且每皿设置3个平行，用混有不同浓度Cd离子的营养液（参照Hoagland营养液配方）浇注培养皿内的种子，每隔6h浇注一次。在25℃恒温培养箱（Hpp-9162）中进行催芽（12h），种子萌发后，立即转入光照培养箱，培养36h后，停止浇注。单独用营养液每6h浇注一次。

1.3 设计实验 实验组Cd离子浓度为0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L，对照组为蒸馏水，各处理设置3个平行。实验过程中，粟米幼苗在光照培养箱中，光照黑暗相互交替，每6h更换一次营养液。不同时间观察、记录需检测的指标。

1.4 样品处理与指标检测

1.4.1 样品幼苗处理 取适量粟米幼苗放入研钵中，加入蒸馏水研磨成匀浆，移到离心管中，进行离心。取上清液待测（注：在研磨成匀浆前，不同的指标需加入不同的化学药品，如：可溶性糖和MDA需加入10%三氯乙酸和少量碳酸钙粉；叶绿素需加入95%乙醇和少量碳酸钙粉）。

1.4.2 生理生化指標检测方法 可溶性蛋白含量：采用考马斯亮蓝法测定[4]；叶绿素含量：采用丙酮和乙醇浸提法测定[4]；可溶性糖含量：采用蒽酮比色法测定[5]；丙二醛（MDA）含量：采用硫代巴比妥酸显色法[6]。

1.5 数据分析 采用mean±SE表示平均值±标准误差，对各组实验数据进行一维方差分析，组间比较采用LSD法。

2 结果与分析

2.1 不同浓度的Cd溶液对可溶性蛋白含量的影响 可溶性蛋白质含量是衡量植物是否发生重金属胁迫的重要指标[7]。如图1所示，0mg/L、0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L Cd离子浓度下的可溶性蛋白质含量分别为1.093±0.029mg/g，0.6877±0.024mg/g，0.6407±0.019mg/g，0.6590±0.022mg/g，0.7893±0.040mg/g，0.9143±0.037mg/g，1.041±0.043mg/g。Cd离子浓度为0.5、1.0、1.5和2.0mg/L时，粟米幼苗的可溶性蛋白质含量彼此差异不显著，但与对照组相比，含量均显著下降，比对照组分别降低了37.1%，41.4%，39.7%，27.8%。Cd离子浓度为3.0mg/L时，蛋白含量与对照组相比，差异不显著。在0.5～3.0mg/L的浓度范围内，可溶性蛋白质含量逐渐增加，但均低于对照组水平。整体上，可溶性蛋白质含量在不同浓度的Cd离子胁迫下，不是呈线性的剂量-效应关系，而是呈明显的U字形剂量-效应关系。

2.2 不同浓度的Cd溶液对可溶性糖和丙二醛（MDA）含量的影响 某些植物为适应逆境条件，其体内的物质如可溶性糖和丙二醛（MDA）的含量要不断增加。0mg/L、0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L的Cd离子胁迫处理后，幼苗的可溶性糖含量分别为4.778±0.143mmol/L，5.246±0.047mmol/L，5.410±0.097mmol/L，5.586±0.168mmol/L，5.831±0.035mmol/L，5.995±0.062mmol/L，6.054±0.182mmol/L。除0.5mg/L Cd离子胁迫组以外，所有实验组可溶性糖含量较对照组相比均显著增加（P<0.05）；0.5～2.0mg/L各处理组相比，可溶性糖含量彼此差异不显著；3.0mg/L组与对照组相比，差异显著（P<0.05），可溶性糖含量最高。在不同浓度的Cd离子胁迫下，可溶性糖含量呈增加趋势，分别比对照组增加了10.0%，15.3%，17.0%，22.0%，25.5%，26.7%，结果表明：Cd离子浓度与粟米幼苗的可溶性糖含量呈现明显的剂量-效应关系（图2）。

MDA与可溶性糖有相似的增长趋势。当Cd离子浓度为0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L时，MDA含量分别是对照组的0.11、1.02、1.21、1.28、1.41、1.49倍，对应的MDA含量分别为0.4780±0.019mmol/L，0.5473±0.031mmol/L，0.6490±0.020mmol/L，0.6883±0.018mmol/L，0.7583±0.017mmol/L，0.8023±0.032mmol/L。除了0.5mg/L组和1.0mg/L组，其余实验组与对照组相比，差异均显著（P<0.05）；1.5～3.0mg/l各处理组相比，MDA含量彼此差异不显著；0.5mg/L Cd离子胁迫处理后，MDA含量最低。丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的产物，会严重损伤细胞膜系统，细胞膜系统受到破坏后，透性增加，MDA反映了膜受损程度。由实验结果可知，0.5mg/L的低浓度Cd离子胁迫对细胞具有正向的抗氧化作用，而2.5～3.0mg/L的高浓度的Cd离子处理粟米幼苗，其膜受损程度则较为严重（图3）。

2.3 不同浓度的Cd溶液对叶绿素含量的影响 叶绿素含有叶绿素a和叶绿素b，是植物光合作用的物质基础，叶绿素含量是衡量叶片生长状况的重要指标[8]。如图4所示，0mg/L、0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L的Cd离子浓度胁迫处理后，对应叶绿素a含量分别为11.26±0.451mg/L，9.098±0.166mg/L，7.181±0.351mg/L，6.126±0.380mg/L，5.669±0.226mg/L，5.044±0.189mg/L，4.814±0.052mg/L。所有实验组与对照组相比，差异均显著（P<0.05）；1.0～3.0mg/L组与0.5mg/L组相互比较，差异均显著（P<0.05）。2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L Cd离子浓度对应的叶绿素a含量彼此差异不显著，但与1.0mg/L组比较，差异显著（P<0.05）。

如图5所示，0mg/L、0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L、2.0mg/L、2.5mg/L、3.0mg/L Cd离子浓度胁迫下叶绿素b的含量分别为11.29±0.466mg/L，9.535±0.140mg/L，7.799±0.296mg/L，7.243±0.158mg/L，6.176±0.067mg/L，5.442±0.354mg/L，4.902±0.061mg/L。各实验组与对照组相比，叶绿素b含量均显著降低（P<0.05）；1.5～3.0mg/L的浓度范围内，叶绿素b含量差异不显著；Cd离子浓度从0.5增加到1.0mg/L时，叶绿素b含量下降的幅度是最大的。

随着Cd离子胁迫浓度的增加，叶绿素a和叶绿素b的含量均呈下降趋势。各处理组叶绿素a的含量比对照组分别减少了19.2%、36.2%、45.6%、49.7%、55.2%、57.2%。同样，叶绿素b的含量各处理组比对照组分别减少了15.1%、31.0%、35.8%、45.3%、51.8%、56.6%。叶绿素a和叶绿素b含量均与Cd离子浓度呈明显的反比例关系，其含量降低是重金属对植物毒害作用的重要标准之一。

3 结论与讨论

（1）可溶性蛋白含量随污染物浓度的变化近年来有各种不同的研究结果[9-10]。王锦文等采用紫外吸收法测定不同Cd浓度处理条件下水稻种子根的可溶性蛋白质含量，结果表明，随着Cd胁迫浓度的增加，其含量逐渐下降。本实验的研究结果与王锦文等的研究结果有所不同，随着Cd离子濃度的增加，粟米幼苗的可溶性蛋白质含量先降低后增加，但均显著低于对照组，比对照组分别降低了37.1%，41.4%，39.7%，27.8%、16.3%、4.8%。由此可见，Cd的胁迫浓度为2.0～3.0mg/L时，蛋白含量是逐渐增加的。这可能是由于植物为适应高浓度的Cd胁迫所做出的一种生理反应。

（2）某些研究结果表明，重金属（Cd、Pb、Hg）污染会影响植物体内可溶性糖含量，即可使其升高也可使其降低，尚无一致结论[11-12]。本研究结果表明，随着Cd离子浓度的增加，可溶性糖含量逐渐增加，均大于对照组含量。重金属处理下植物可溶性糖含量增加的原因可能是叶片内不溶性糖降解以及光合产物运输受阻的结果。也有可能是葡萄糖酶、蔗糖酶活性异常所致[13]。

（3）Elstner等[14]认为，镉与植物膜脂过氧化有密切关系。罗立新等[15-16]研究也证实了镉胁迫的小麦叶片中H2O2、超氧化物自由基O2-·积累，伴随丙二醛升高。本实验研究结果有所不同：在不同Cd离子浓度胁迫下，MDA含量与可溶性蛋白含量有相似变化的趋势，都是先降低后增加，说明高浓度的Cd对粟米幼苗有较强的毒害作用。而低浓度的Cd降低了MDA含量，可能是低浓度的重金属对植物有积极的刺激作用（参照周青实验）。

（4）Lagriffoul等[17]在研究镉对玉米生长的影响时发现，当处理液中镉浓度为1.7μmol/L时，玉米叶绿素含量明显降低。本研究结果表明，随着Cd离子浓度的增加，叶绿素含量逐渐下降。其下降原因可能是重金属与叶绿体中蛋白质的-SH结合或是Fe2+、Mg2+等离子被取代后叶绿体的结构和功能受到破坏，致使叶绿素分解[13]。也可能是由于重金属毒害引起细胞内膜结构的破坏导致叶绿素含量的降低[18]。因此，镉能抑制叶绿素的生物合成，在一定程度上反映了环境因子对植物的影响。

（5）与玉米、大豆等农作物相对比较而言，粟米对Cd的敏感程度较高，不适合在有石油污染的区域种植，其不具备降解石油的功效[19，20]。

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（责编：张宏民）