喷施褪黑素对萝卜生长及镉积累的影响

黄佳璟，林立金，陈发波，魏斩连，温 铿，王 铤，刘 磊，廖明安*，任 纬

（1.四川农业大学园艺学院，成都 611130；2.四川农业大学果蔬研究所，成都 611130；3.长江师范学院生命科学与技术学院，重庆 408100；4.成都市农林科学院，成都 611130；5.四川省内江市农业科学院玉米研究所，四川内江 641000）

喷施褪黑素对萝卜生长及镉积累的影响

黄佳璟1，林立金2，陈发波3，魏斩连1，温 铿1，王 铤4，刘 磊4，廖明安1*，任 纬5

（1.四川农业大学园艺学院，成都 611130；2.四川农业大学果蔬研究所，成都 611130；3.长江师范学院生命科学与技术学院，重庆 408100；4.成都市农林科学院，成都 611130；5.四川省内江市农业科学院玉米研究所，四川内江 641000）

【目的】研究喷施褪黑素对蔬菜生长及镉积累的影响。【方法】采用盆栽试验，研究了镉胁迫下，通过喷施不同浓度褪黑素（0，50，100，150，200μmol/L)对萝卜的生长及镉积累情况的影响。【结果】外源褪黑素处理促进了萝卜的生长，增加了萝卜的生物量。同时，外源褪黑素也提高了萝卜叶片的抗氧化酶（POD、CAT和SOD）活性，增加了萝卜叶片的可溶性蛋白含量和叶绿素含量，且随着褪黑素浓度的增加，这些指标均呈现先增加后降低的趋势，最大值均出现在褪黑素浓度为100μmol/L。在不同浓度褪黑素的处理中，50μmol/L和200μmol/L的褪黑素提高了萝卜根系、块根、叶片和可食用部分的镉含量，而100μmol/L和150μmol/L的褪黑素则降低了萝卜这些器官的镉含量。当褪黑素浓度为100μmol/L时，萝卜根系、块根、叶片和可食用部分的镉含量分别较对照的降低幅度最大，分别降低了7.81%、20.00%、27.45%和31.43%。【结论】褪黑素能够促进镉胁迫下萝卜的生长，且中等浓度的褪黑素能够降低萝卜对镉的积累。在所设褪黑素浓度中，以100μmol/L的处理效果最佳。

褪黑素；萝卜；生长；镉

近年来，由于工农业生产的迅速发展和矿产资源的大量开发利用，农田土壤-作物系统中的重金属污染问题越来越突出，这也对农产品及食品安全构成了严重的威胁[1-2]。镉是环境中最受关注的有毒重金属之一，其毒性仅次于汞、铅居第3位，通过作物的吸收、积累，进入作物体内，最终通过食物链途径影响人体健康[3]。土壤镉污染的重要途径之一是大气沉降，大气中的镉经过自然沉降和雨淋沉降两种方式进入土壤，也可被植物吸收并向土壤中传输[4]。蔬菜是人们生活中必不可少的重要食品，在食物结构中占有重要地位。目前，我国蔬菜产品的重金属含量超标现象非常严重[5-7]。因此，如何降低重金属污染区的蔬菜体内镉含量是目前重金属污染治理研究的一个重要方向。

褪黑素（Melatonin，N-乙酰基-5-甲氧基一色胺）是色氨酸的吲哚衍生物，在1958年发现于牛松果体[8]。褪黑素早期被认为仅存于动物体内，与生物个体的发育、生殖等调节机制有密切关系。随着褪黑素陆续在植物体中被发现，其在植物体内的作用逐渐被人们所认知[9]。近年来，越来越多的研究发现，应用外源褪黑素能够提高植物对逆境（如高温、干旱、重金属等胁迫）的耐受性。徐向东等[10]研究发现褪黑素可提高高温胁迫条件下黄瓜幼苗的抗氧化酶活性及抗氧化物质的含量，从而提高黄瓜对高温的抵抗能力。M.Malgorzata等[11]研究表明，褪黑素处理可显著提高铜离子胁迫下的甘蓝种子的发芽率。王英利等[12]认为用外源褪黑素处理绿豆幼苗，可以显著减缓UV-B辐射对绿豆幼苗产生的氧化胁迫，从而起到防护作用。潘艳红等[13]发现外源褪黑素处理低温胁迫下的菘蓝种子，能够降低其膜脂过氧化水平，提高抗氧化酶的活性，从而减轻低温对幼苗生长过程中的氧化损伤。张娜等[14]认为在狼尾草种子萌发过程中外源施加褪黑素，可提高狼尾草抵抗盐胁迫的能力。Tan D.X.等[15]研究发现，褪黑素处理很大程度上提高了豌豆幼苗对铜污染的耐受能力。萝卜（Raphanus sativus L.）是我国最常见的蔬菜之一，因其营养丰富、烹法多样而深受消费者青睐。其肉质根是主要的食用部位[16]，同时由于其根作为完全接触土壤环境的器官，因此能够优先吸收并积累土壤中的各种重金属元素和其他离子，从而很可能聚集大量的重金属离子[17]。目前，有关重金属镉胁迫下，镉在萝卜体内的吸收、积累、转移已有一些报道[18-20]，而褪黑素对镉胁迫下萝卜镉积累的影响尚未见报道。鉴于此，本研究以萝卜为材料，通过盆栽试验探究外源褪黑素对镉胁迫下萝卜生长、生理特性及镉积累的影响，以期筛选出能显著降低萝卜镉积累的褪黑素浓度，为镉污染区的萝卜乃至其他蔬菜的生产提供一定的参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

以四川的地方特色萝卜品种“满身红”为供试材料，购于成都金佰盛种业有限公司。供试土壤为沙壤土，取自成都市温江区农田，其基本理化特性为：pH值7.09，全氮1.50g/kg，全磷0.76g/kg，全钾18.02g/kg，全镉1.96 mg/kg，碱解氮94.82mg/kg，速效磷6.30mg/kg，速效钾149.59 mg/kg，其中供试土壤背景有效镉含量未检出。

1.2 试验设计

将风干的供试土壤过6.72mm（3目）筛后装盆，每盆装土2.0 kg，按照试验设计的污染浓度以CdCl2·2.5H2O分析纯形式加入重金属镉并混匀，使土壤镉浓度为5 mg/kg。保持土壤湿润，自然放置平衡4周，不定期翻土混合，保证土壤充分混合均匀。2015年10月，直接将萝卜种子撒播于制备好的盆土中，每盆均匀撒播6粒种子，当有两片真叶展开时匀苗，每盆保留3株生长一致的健壮幼苗。随后喷施褪黑素，浓度设置分别为0（作为对照）、50、100、150、200μmol/L，喷施量以叶面开始滴水为准，每个处理重复3次（3盆）。在整个生长过程中浇水以保持盆中土壤的田间持水量约为80%，同时不定期的交换盆与盆的位置以减弱边际效应，并及时去除杂草、防治病虫害。喷施褪黑素后60 d收获，进行样品采集以供相关指标测定。

1.3 测定项目及方法

采集萝卜的成熟叶片分别用于测定其抗氧化酶（POD、CAT和 SOD）活性[21]55-56、可溶性蛋白含量[21]72-86和光合色素[21]124-126（叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素）含量，测定均参照《植物生理学实验教程》[21]的方法进行。过氧化物酶（POD）活性的测定采用愈创木酚法，过氧化氢酶（CAT）活性的测定采用紫外分光光度法，超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定采用NBT还原法，可溶性蛋白含量的测定采用考马斯亮蓝法，光合色素（叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素）含量的测定采用乙醇-丙酮混合浸提法。之后，将萝卜整株收获，用自来水洗净，再用去离子水冲洗3次，将植株根系、块根及叶片分开，将其表面的多余的水分晾干，用卷尺、游标卡尺和天平分别测定萝卜的形态指标（根长、块根长、块根直径和叶片长）、生物量指标（根系鲜重、块根鲜重和叶片鲜重）。将萝卜各个器官剪碎，称取5.000 g样品加入硝酸-高氯酸（体积比为4∶1），放置12 h消化至溶液透明，过滤，定容至50mL，用iCAP6300型ICP光谱仪（Thermo Scientific，USA）测定并计算萝卜各器官鲜重镉含量[22]。

1.4 数据处理方法

本研究所列结果为3次重复测定值的平均值，采用DPS数据处理软件进行方差分析（Duncan新复极差法进行多重比较），均以平均值±标准差表示。根冠比=地下部分（块根及根系）生物量/地上部分（叶片）生物量；转运系数（TF）=地上部分（叶片）镉含量/地下部分（块根及根系）镉含量。

2 结果与分析

2.1 褪黑素对镉胁迫萝卜形态的影响

由表1可知，在镉胁迫条件下，不同浓度褪黑素处理使萝卜的根长、块根长和叶片长均较对照有所增加，且随着褪黑素浓度的增加，均呈现先增加后降低的趋势。当褪黑素浓度为150μmol/L时，萝卜的根长、块根长和叶片长增加最多，与对照相比，根长增加了45.51%，块根长增加了16.25%，叶片长增加了0.82%，但差异均不显著（p＞0.05）。当褪黑素浓度为200μmol/L时，萝卜的块根直径最大，相比于对照增加了21.65%（p＞0.05）。萝卜块根直径与块根长度的比值与对照差异较小，说明褪黑素处理对镉胁迫下萝卜块根形状无明显的影响。

表1 褪黑素对镉胁迫萝卜形态的影响Table 1 Effects of melatonin on shape of radish under cadmium stress

2.2 褪黑素对镉胁迫萝卜生物量的影响

如表2所示，在镉胁迫下，随着褪黑素浓度的增加，萝卜的根系、块根、叶片及可食用部分的生物量均呈先增加后降低的趋势，且均在褪黑素浓度为150μmol/L时达到峰值，相比于对照，萝卜的根系生物量增加了38.30%（p＜0.05），块根生物量增加了57.57%（p＜0.05），叶片生物量增加了 15.45%（p＞0.05），可食用部分生物量增加了29.99%（p＜0.05）。根冠比表现出依次递增的趋势，最小值和最大值分别为0.53和 0.80。

2.3 褪黑素对镉胁迫萝卜叶片抗氧化酶活性的影响

由表3可以看出，不同浓度的褪黑素处理使镉胁迫下萝卜叶片的抗氧化酶（POD、CAT和SOD）活性相比于对照均有所提高，同时可溶性蛋白含量也均较对照增加。随着褪黑素浓度的增加，萝卜叶片的抗氧化酶（POD、CAT和SOD）活性和可溶性蛋白含量均呈先增加后降低的趋势，且均在褪黑素浓度为100μmol/L时达到峰值，与对照相比，萝卜叶片的 POD 活性增加了 13.02%（p＜0.05），CAT活性增加了 27.97%（p＜0.05），SOD 活性增加了 12.11%（p＜0.05），可溶性蛋白含量增加了 12.41%（p＜0.05）。随着褪黑素浓度的增加，萝卜叶片的SOD比活力相比于对照均有所降低，但降低幅度很小，在褪黑素浓度为200μmol/L时值最小。

表2 褪黑素对镉胁迫萝卜鲜重生物量的影响Table 2 Effects of melatonin on fresh biomass of radish under cadmium stress

表3 褪黑素对镉胁迫萝卜叶片抗氧化酶活性及可溶性蛋白含量的影响Table 3 Effects of melatonin on antioxidant enzyme activities and soluble Protein content in leaves of radish under cadmium

2.4 褪黑素对镉胁迫萝卜叶片光合色素含量的影响

由表4可知，在镉胁迫下，萝卜叶片的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量和类胡萝卜素含量均随着褪黑素浓度的增加而呈现出先增加后降低的趋势，且均在褪黑素浓度为100μmol/L时达到峰值。相比于对照，在褪黑素浓度为100μmol/L时，萝卜叶片的叶绿素a含量增加了7.46%（p＞0.05），叶绿素b含量增加了4.42%（p＞0.05），叶绿素总量增加了6.58%（p＞0.05），类胡萝卜素含量增加了 11.54%（p＞0.05）。对于叶绿素a/b，随着褪黑素浓度的增加，其值逐渐增加。

表4 褪黑素对镉胁迫萝卜叶片光合色素含量的影响Table 4 Effects of melatonin on photosynthetic pigment content in leaves of radish under cadmium stress

2.5 褪黑素对萝卜镉含量的影响

由图1可知，在镉胁迫下，萝卜根系、块根、叶片和可食用部分的镉含量在褪黑素浓度为50μmol/L和200μmol/L时，相比于对照均有所增加；而在褪黑素浓度为 100μmol/L 和 150μmol/L时，各部位的镉含量相比于对照均有所降低；在褪黑素浓度为100μmol/L时，各部位的镉含量均下降最多，降低效果最显著，相比于对照，萝卜的根系镉含量降低了 7.81%（p＜0.05），块根镉含量降低了 38.10%（p＜0.05），叶片镉含量降低了 27.45%（p＜0.05），可食用部分镉含量降低了31.43%（p＜0.05）。就转运系数而言，其变化趋势与根系、块根、叶片和可食用部分的镉含量的变化趋势相一致（见图2）。

图1 褪黑素对镉胁迫下萝卜鲜重镉含量的影响Figure 1 Effects of melatonin on cadmium content of fresh radish under cadmium stress

图2 褪黑素对镉胁迫下萝卜转运系数的影响Figure 2 Effects of melatonin on Translocation factor of radish under cadmium stress

3 讨论与结论

褪黑素具有促进植物生长发育，有效缓解低温、高温、干旱、盐害、紫外辐射及重金属污染物等非生物胁迫对植物的损害作用。镉胁迫对植物的生长发育有明显的抑制和毒害作用，植物体内由过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）超氧化物气化酶（SOD）构成的保护酶系统可清除有害的体内活性氧，从而保护膜系统。本研究中，不同浓度褪黑素处理使萝卜的根长、块根长和叶片长较对照均有所增加，萝卜的根系、块根、叶片及可食用部分的生物量较对照也均增加，且随着褪黑素浓度的增加，均呈现先增加后降低的趋势。另外，不同浓度褪黑素处理使得镉胁迫下的萝卜抗氧化酶（POD、CAT和SOD）活性与对照相比均有所提高，且随着褪黑素浓度的增加呈现先增加后降低的趋势，在褪黑素浓度为100μmol/L时达到峰值，说明外源褪黑素能够能提高萝卜体内的抗氧化酶活性，从而缓解镉胁迫对萝卜的毒害作用，这与王伟香等[23]对黄瓜幼苗抗氧化系统的研究结果相似。

叶绿素含量是反映叶片光合作用的一个重要生理指标。本研究中，在镉胁迫下，经不同浓度褪黑素处理后的萝卜叶绿素a、叶绿素b、叶绿素总量和类胡萝卜素含量均呈现先增加后降低的趋势，且在褪黑素浓度为100μmol/L时达到峰值，叶绿素a/b随褪黑素浓度的增加而逐渐增加，说明外源褪黑素可缓解镉胁迫对萝卜光合器官产生的伤害，提高萝卜叶片的光合能力，增强其抗逆性，这与徐向东[24]对黄瓜幼苗生理反应的研究结果基本一致。

有研究表明萝卜对铜、锌、铅和镉的富集能力由大到小依次为镉＞锌＞铜＞铅[25]，可见萝卜，相对其他几种重金属，萝卜对镉的富集能力最大。本研究中，在镉胁迫下，经过外源喷施不同浓度的褪黑素，萝卜根系、块根、叶片及可食用部分的镉含量表现不同，其中50μmol/L和200μmol/L的褪黑素提高了镉含量，而100μmol/L和150μmol/L的褪黑素降低了镉含量，且100μmol/L的降低幅度最大。这些结果表明中等浓度的褪黑素能够显著降低萝卜体内的镉含量，而低浓度或过高浓度的褪黑素则会促进萝卜体内的镉积累，这与刘仕翔等[26]对镉胁迫下施加外源褪黑素于水稻种子的研究结果相似。

喷施不同浓度褪黑素（0，50，100，150，200μmol/L）对镉胁迫下萝卜生长及镉积累的影响的研究，发现外源褪黑素可促进萝卜生长，增加萝卜的生物量，提高其抗氧化酶（POD、CAT和SOD）活性，增加其可溶性蛋白、光合色素含量，降低镉含量。100μmol/L的褪黑素能够有效促进萝卜的生长，显著降低萝卜对镉的积累。

［1］周永章，宋书巧，杨志军，等.河流沿岸土壤对上游矿山及矿山开发的环境地球化学响应：以广西刁江流域为例［J］.地质通报，2005，24（10-11）：945-951.

［2］邵学新，黄标，孙维侠，等.长江三角洲典型地区工业企业的分布对土壤重金属污染的影响［J］.土壤学报，2006，43（3）：397-404.

［3］王鸿飞.环境镉污染及镉对环境暴露人群影响的研究［J］.广东微量元素科学，2002，9（7）：24-26.

［4］黄耀裔.土壤重金属污染来源与预防治理［J］.能源与环境，2009，（1）：62-64.

［5］王辉，董元华，安琼.南京市郊区蔬菜地土壤环境质量评价［J］.土壤，2005，37（3）：295-298.

［6］张勇.沈阳郊区土壤及农产品重金属污染的现状评价［J］.土壤通报，2001，32（4）：182-186.

［7］张超兰，白厚义.南宁市郊部分菜区土壤和蔬菜重金属污染评价［J］.广西农业生物科学，2001，20（3）：186-189，205.

［8］LERNER A B，CASE J D，TAKAHASHI Y，et al.Isolation of melatonin，the pineal gland factor that lightness melanocytes［J］.Journal of the American Society for Information Science，1958，80（10）：2587-2587.

［9］DUBBELS R，REITER R J，KENKE E，et al.Melatonin in edible plants identified by radioimmunoassay and by high performance liquid chromatography-mass spectrometry［J］.Journal of Pineal Research，1995，18（1）：28-31.

［10］徐向东，孙艳，孙波，等.高温胁迫下外源褪黑素对黄瓜幼苗活性氧代谢的影响［J］.应用生态学报，2010，21（5）：1295-1300.

［11］MALGORZATA M，POSMYK M，HANNA K，et al.Presowing seed treatment with melatonin protects red cabbage seedlings against toxic copper ion concentrations［J］.Journal of Pineal Research，2008，45（1）：24-31.

［12］王英利，王英娟，郝建国，等.褪黑素对绿豆在增强UV-B辐射下的防护作用［J］.光子学报，2009，38（10）：2629-2633.

［13］潘艳红，张晓庆，李婕，等.褪黑素对低温胁迫后菘蓝种子苗抗氧化性影响［J］.西北大学学报，2013，43（2）：238-242.

［14］张娜，蒋庆，李殿波，等.外源施加褪黑素对NaCl胁迫下狼尾草种子萌发及相关生理指标的影响［J］.中国农业大学学报，2014，19（4）：54-60.

［15］TAN D X，MANCHESTER L C，REITER R J，et al.Phytoremediative capacity of plants enriched with melatonin［J］.Plant Signaling&Behavior，2007，2（6）：514-516.

［16］王鑫.樱桃萝卜特征特性及栽培技术［J］.上海蔬菜，2011，（5）：29-30.

［17］王林，史衍玺.镉、铅及其复合污染对萝卜生理生化特性的影响［J］.中国生态农业学报，2008，16（2）：411-414.

［18］高子平，王龙，尹洁，等.镉污染来源对萝卜镉积累特性的影响［J］.天津农业科学，2015，21（11）：37-41.

［19］娄伟.镉铅低累积萝卜、胡萝卜、茄子品种筛选及萝卜镉累积规律研究［D］.武汉：华中农业大学，2010.

［20］铁梅，刘阳，李华为，等.硒镉处理对萝卜硒镉吸收的影响及其交互作用［J］.生态学杂志，2014，33（6）：1587-1593.

［21］熊庆娥.植物生理学实验教程［M］.成都:四川科学技术出版社，2003.

［22］鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2000：380-383.

［23］王伟香，张锐敏，孙艳，等.外源褪黑素对硝酸盐胁迫条件下黄瓜幼苗抗氧化系统的影响［J］.园艺学报，2016，43（4）：695-703.

［24］徐向东.外源褪黑素对高温胁迫下黄瓜幼苗生理反应的影响［D］.杨凌:西北农林科技大学，2010.

［25］茹淑华，张国印，孙世友，等.重金属Cu、Zn、Pn和Cd在土壤萝卜系统中的迁移累积规律［J］.华北农学报，2013，28（增刊）：361-365.

［26］刘仕翔，黄益宗，罗泽娇，等.外源褪黑素处理对镉胁迫下水稻种子萌发的影响［J］.农业环境科学学报，2016，35（6）：1034-1041.

Effects of Spraying Melatonin on Growth and Cadmium Accumulation of Radish

HUANG Jia-jing1，LIN Li-jin2，CHEN Fa-bo3，WEI Zhan-lian1，WEN Keng1，WANG Ting4，LIU Lei4，LIAO Ming-an1*,REN Wei5
（1.College of Horticulture，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China；2.Institute of Pomology and Olericulture，Sichuan Agricultural University，Chengdu 611130，China；3.Life Science and Technology Institute，Yangtze Normal University，Chongqing 408100，China；4.Chengdu Academy of Agriculture and Forestry Sciences，Chengdu 611130 China；5.Institute of Maize Research，Neijiang Academy of Agricultural Sciences，Neijiang，641000，Sichuan，China）

【Objective】The objective of the study was to investigate the effects of melatonin on growth and cadmium accumulation of vegetables.【Method】The effects of spraying different concentrations（0，50，100，150，200μmol/L）of melatonin on growth and cadmium accumulation of radish were studied by a pot experiment.【Results】The treatments of exogenous melatonin promoted the growth of radish and increased the biomass of radish.Meanwhile，exogenous melatonin enhanced the activities of antioxidant enzymes（POD，CAT and SOD）and the contents of soluble protein and chlorophyll content in leaves.These indexes often increased first and then decreased with increasing melatonin concentration，with maximum values at 100μmol/L melatonin.Under the treatments of different concentrations of melatonin，50 and 200μmol/L melatonin increased the cadmium content in roots，root tubers，leaves and edible parts of radish，and 100 and 150μmol/L melatonin decreased that.When melatonin concentration was 100μmol/L，the cadmium content in roots，root tubers，leaves and edible parts of radish decreased by 7.81%，20.00%，27.45%and 31.43%respectively，compared with the control.【Conclusion】The results suggested that melatonin promoted the growth of radish under cadmium stress and moderate concentration of melatonin reduced the accumulation of cadmium in radish.Among the melatonin concentrations in the experiment，100μmol/L was the best.

melatonin；radish；growth；cadmium

S482.8+91；X503；S631.1

A

1000-2650（2017）03-0375-06

10.16036/j.issn.1000-2650.2017.03.014

2017-04-24

国家农业科技成果转化资金项目（2011GB2F000006）。

黄佳璟，硕士研究生。*责任作者：廖明安，教授，主要从事果树生理生态研究，E-mail：lman@sicau.edu.cn。

（本文审稿：李亚灵；责任编辑：巩艳红；英文编辑：徐振锋）