重金属Cd2+对花椰菜种子的萌发及幼苗生理生化的影响

2018-03-12让军一峰

种子 2018年1期

，，让军，，，一峰

(1.陇南师范高等专科学校，甘肃成县 742500；2.陇南特色农业生物资源研究开发中心，甘肃成县 742500)

随着我国经济的持续增长，工业“三废”、机动车尾气的排放等急剧增加，严重地污染了土壤、水质和大气,重金属污染事件屡有发生。重金属污染与其他有机化合物的污染不同，重金属具有富集性，很难在环境中降解，随食物链浓缩，对动物、人体造成危害[5]。

镉是土壤中较常见的重金属[1]，是城市蔬菜重金属污染源之一[2]。当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，植物吸收富集于土壤中的镉，可使农作物中镉含量增高，对植物造成毒害。彭鸣等研究发现，一定浓度的Cd2+会对玉米幼苗的细胞核、线粒体、叶绿体等细胞器发生变形、细胞膜系统受到破坏[3]。蔬菜遭受镉污染后，不仅影响其品质，还可通过食物链进入人体[4]。本试验通过研究不同浓度镉污染对花椰菜的生理生化反应，为防治镉污染提供一定理论根据。

1 材料与方法

1.1 材料

花椰菜种子为荷兰83号，购自兰州润丰种业有限公司。

1.2 试验设计

挑取外形饱满，无破损的花椰菜种子，先用0.1%的KMnO4溶液消毒30 s，再用纯净水冲洗5次，置于铺有2层滤纸的培养皿[5]，每培养皿均匀种50粒种子。分别用含Cd2+浓度为12.5，25，50，100 mg/L的溶液进行处理；每处理3个重复，以纯净水处理为对照，培养条件：温度22 ℃，光照强度2 800 lx。

1.3 种子萌发率测定

播种后24 h开始测定，发芽率计算：

发芽率(%)=发芽种子数/试验种子总数×100%[5]。

1.4 根生长情况观察

从胚根突破种皮后，每天进行观察。第7天从每个培养皿中随机取10个幼苗，测量、统计主根生长及根毛情况。

1.5 过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、叶绿素含量、脯氨酸含量测定

过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)、叶绿素含量、脯氨酸(Pro)含量及丙二醛(MDA)含量参考李合生[6]方法测定，其中POD用愈创木酚法、SOD用氮蓝四唑法。

1.6 数据统计

实验数据用SPSS 18处理，用Excel软件进行制图。

2 结果与分析

2.1 发芽率的变化

由图1可知，随胁迫浓度的增大，花椰菜种子发芽率逐渐下降，Cd2+浓度在12.5，25，50 mg/L时，花椰菜的发芽率均在83%以上，但在 100 mg/L时，发芽率只有69%，表明，高浓度Cd2+对发芽有抑制作用。

图1 Cd2+胁迫对种子发芽率的影响

2.2 Cd2+胁迫对根生长情况的影响

表1显示，花椰菜幼苗的主根、根毛的发生以及生长情况，受到重金属Cd2+的抑制，抑制程度与Cd2+浓度呈正比。

表1 根生长情况

2.3 Cd2+胁迫对叶绿素及类胡萝卜素含量的影响

由图2可看出，随Cd2+浓度的增加，叶绿素a、叶绿素b以及类胡萝卜素的含量均呈下降趋势，与赵淑玲[5]结果一致。叶绿素和类胡萝卜素是植物体内光合作用的主要色素，其含量下降，直接影响植物的光合作用。

图2 Cd2+胁迫对叶绿素及类胡萝卜素含量(mg/g(FW))的影响

2.4 Cd2+胁迫对POD活性的影响

图3所示，Cd2+浓度为25 mg/L时，POD活性达到峰值；Cd2+浓度为50 mg/L时，POD活性下降；Cd2+浓度为100 mg/L时，仍高于对照组。表明，随Cd2+浓度的增高，POD活性在Cd2+浓度一定范围内(0～100 mg/L)有波动，总体呈上升趋势。植物受到外来重金属离子胁迫时，体内H2O2会大量增加，过多的H2O2对植物造成伤害，POD能清除植物体内过多的H2O2，维持植物正常状态[7]，POD活性的升高是植物对外界不良环境的主动应对[5]。

图3 Cd2+胁迫对POD活性的影响

2.5 Cd2+胁迫对SOD活性的影响

SOD主要负责清除植物体内的氧自由基[8]。由图4可知，随Cd2+浓度的增大，SOD的活性总体上升，Cd2+浓度为50 mg/L时，SOD活性下降，与郑爱珍等[9]的研究结果相同，但与ck相比，其变化幅度不大。可能是花椰菜对Cd2+有一定的耐受能力。

图4 Cd2+胁迫对SOD活性的影响

2.6 Cd2+胁迫对MDA含量的影响

图5所示，随Cd2+浓度的增大，花椰菜体内的MDA含量呈上升趋势。丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的重要产物之一，是植物膜损伤的一个重要增长指标[10]。

2.7 Cd2+胁迫对Pro含量的影响

脯氨酸是植物体内重要的细胞渗透调节物质，正常情况下含量较低，但在遭受逆境胁迫时，含量明显升高[11]，图5所示，花椰菜随Cd2+浓度的增大，其含量先下降，随后增加，总体呈上升趋势。与丛丽丽等[12]研究结果相同。

图5 Cd2+胁迫对的MDA含量的影响

图6 Cd2+胁迫对脯氨酸含量的影响

3 讨论

本试验用不同浓度(0～100 mg/L)Cd2+处理花椰菜种子，研究对花椰菜种子的发芽情况、根生长情况以及叶绿素、POD、SOD等指标的变化影响。结果表明：较高Cd2+浓度对花椰菜种子的萌发有抑制作用。花椰菜幼苗的根毛发生、主根生长情况均与Cd2+胁迫浓度有关联，高浓度Cd2+对植物的生长有抑制作用[5]。

试验中，叶绿素a、b和类胡萝卜素的含量随Cd2+浓度增加，而逐渐递减。对Cd2+的敏感性依次为叶绿素a>叶绿素b>类胡罗卜素。研究表明，植物体内叶绿体结构能被重金属离子破坏[3]。推测，重金属Cd2+胁迫花椰菜幼苗，随Cd2+浓度增高、持续时间增强，导致叶绿体被破坏，叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量减少，从而影响花椰菜的生长和发育。

植物体内的活性氧(ROS)与抗氧化保护系统之间保持着动态平衡。正常情况下，ROS浓度低，在植物遭受胁迫时，ROS浓度增高，超过正常水平，对生物膜有一定的伤害[8]。

由图2、图3可看出，随Cd2+浓度增加，POD、SOD的活性均呈现先上升后下降的趋势。可能是在低浓度重金属离子的胁迫下，ROS增加，诱导POD、SOD的大量产生[5]，对植物起保护作用，但Cd2+浓度超过一定范围后，超过植物阈值，会导致POD、SOD活性降低[13]。

随Cd2+浓度的增大，花椰菜体内的MDA、脯氨酸的含量总体呈上升趋势。重金属胁迫植物，诱导ROS大量产生，导致细胞膜受伤，通透性增加[14]。MDA、脯氨酸含量的上升均反映了花椰菜幼苗随Cd2+浓度的增大受到胁迫后的伤害程度。

重金属对植物的伤害是多方面的，包括重金属胁迫对植物细胞膜、光合作用、呼吸作用等方面的生理生化过程，同时，植物与环境之间的相互作用、抗逆相响应比较复杂[15]。通过研究重金属离子与植物之间的相互作用，有利于人类对环境进行保护。

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