镉胁迫条件下硅对果蔗幼苗生理生化特性的影响

王天顺,廖 洁,陈 伟,蒋文艳,杨玉霞,罗丽红,莫磊兴*

(1.广西农业科学院 农产品质量安全与检测技术研究所，广西 南宁 530007；2.农业部甘蔗品质监督检验测试中心(南宁)，广西 南宁 530007)

果蔗汁多清甜，脆嫩爽口，有润津止渴、清凉解毒之美誉，赢得越来越多消费者的青睐，其种植面积正逐年扩大。但由于果蔗长期连作，以及农业投入品的不合理使用，导致重金属镉(Cd)在土壤中日渐积累，Cd污染状况日益严重，进而会给消费者的身体带来安全隐患[1]。因此，对果蔗生长土壤中的Cd进行防治调控意义重大。硅(Si)是地球上丰富度仅次于氧的元素，也是植物生命周期内所需的重要营养元素，Si可以调控植物对重金属的抵抗力[2-3]。研究表明，Si能调控植物叶片的光合作用及光合效率；能降低根系细胞的透性，提高根系活力，促进根系的繁育生长；能改善抗氧化酶活性用以抵御植物体内自由基伤害等，进而缓解Cd对植物的影响[4-7]。笔者前期研究了Cd胁迫下Si对果蔗幼苗鲜质量、株高、根长的影响以及Cd在果蔗幼苗根、茎、叶中的积累分布[8-10]，但没有研究Cd胁迫下Si对果蔗幼苗生理生化指标的确切影响，而且对相应的影响机制未做深入探讨。为此，采用砂培试验，研究Cd胁迫下不同Si用量对果蔗幼苗生理生化指标的影响，以期进一步揭示Cd胁迫下Si对果蔗毒害的缓解机制，为合理利用Si缓解重金属对植物的毒害提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试果蔗品种为Badila。

1.2 试验方法

采用生物组培方法培育果蔗幼苗，培育50 d后，选取生长均匀的果蔗幼苗，将根部用超纯水反复冲洗干净后，栽种3棵于砂桶中，砂桶直径20 cm、高25 cm，每桶装12 kg砂粒。按文献[10]方法配制pH值为5.5左右的营养液，间隔3～5 d向砂桶中施浇营养液一次，每次0.5 L。预培养60 d后，施含Cd、Si的营养液。含Cd、Si的营养液共设置5个质量浓度，每个质量浓度4次重复。T0：Cd为0 mg/L，Si为0 mg/L；T1：Cd为10 mg/L，Si为0 mg/L；T2：Cd为10 mg/L，Si为10 mg/L；T3：Cd为10 mg/L，Si为20 mg/L；T4：Cd为10 mg/L，Si为40 mg/L。分别以T0和T1处理作为Cd空白对照和Si空白对照，初次施含Cd、Si的营养液2 L，7 d后再施含Cd、Si的营养液2 L，然后间隔3～5 d施不含Cd、Si的营养液0.5 L，30 d后采样。

1.3 样品采集

处理30 d后采取果蔗叶片，用去离子水把叶片反复冲洗干净，再用吸水纸将叶片擦拭干净，液氮速冻，超低温保存备用。

1.4 测定项目及方法

采用氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性[11]；采用紫外吸收法测定过氧化氢酶(CAT)活性[11]；采用硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛(MDA)含量[11]；采用酸性茚三酮比色法测定游离脯氨酸(Pro)含量[11]；采用比色法测定叶绿素含量[12]。

1.5 数据处理及分析

采用Excel 2010处理数据，采用 SPSS 18.1 进行数据差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 Cd胁迫下Si对果蔗叶片抗氧化酶活性的影响

2.1.1 SOD活性 由图1可知，相比T0处理，T1处理果蔗叶片因受Cd胁迫影响SOD活性提高，提高幅度为9.58%，但差异不显著；其余处理SOD活性均降低，差异也均不显著，分别降低7.05%、7.49%、11.90%。与T1处理相比，各添加Si处理果蔗叶片SOD活性均不同程度降低，分别降低15.18%、15.58%、19.60%，差异均未达显著水平。因此，在一定质量浓度的Cd胁迫下，无Si处理时Cd胁迫提高了果蔗叶片SOD活性，但施用不同质量浓度Si后，果蔗叶片SOD活性均所下降，可见施Si缓解了Cd胁迫对果蔗叶片的影响。

相同字母表示处理间差异不显著(P>0.05),下同

2.1.2 CAT活性 由图2可知，相比T0处理，T2处理果蔗叶片CAT活性降低，降低幅度为20.01%，差异不显著；其余处理CAT活性均提高，分别提高11.43%、14.27%、8.37%，但差异均未达显著水平。与T1处理相比，T3处理果蔗叶片CAT活性升高，提高幅度为2.46%；T4处理果蔗叶片CAT活性降低，降低幅度为2.57%；T2处理果蔗叶片CAT活性降低，降低幅度为28.21%，差异均不显著。因此，在一定质量浓度的Cd胁迫下，果蔗叶片CAT活性变化与施Si量有关，一定施用量的Si能缓解Cd对果蔗叶片的影响。

图2 不同处理对果蔗叶片CAT活性的影响

2.2 Cd胁迫下Si对果蔗叶片MDA含量的影响

由图3可知，相比T0处理，其余各处理果蔗叶片MDA含量均有所增加。其中，T1处理因受Cd胁迫影响，MDA含量显著增加了27.66%，T2、T3 和T4处理分别增加了8.52%、23.40%和14.90%，加Si各处理间差异不显著。与T1处理相比，各添加Si处理果蔗叶片MDA含量均不同程度减少，分别减少了15.00%、3.33%和10.00%，差异均未达显著水平。这表明加Si减少了因Cd胁迫引起的果蔗叶片MDA含量的增加程度，但减少程度不随Si用量的增加而发生明显变化。因此，在一定质量浓度的Cd胁迫下，施Si能缓解Cd对果蔗叶片的影响。

不同字母表示处理间差异显著(P<0.05),下同

2.3 Cd胁迫下Si对果蔗叶片Pro含量的影响

由图4可知，T1处理果蔗叶片受Cd胁迫影响Pro含量增加，增加幅度为10.42%；其余处理Pro含量均减少，分别减少34.14%、16.48%和31.98%，加Si各处理间差异不显著。与T1处理相比，各添加Si处理果蔗叶片中Pro含量均下降，分别减少了40.35%、24.36%和38.40%，T2和T4处理差异显著。这表明加Si降低了因Cd胁迫引起的果蔗叶片Pro含量。因此，在一定质量浓度的Cd胁迫下，施Si缓解了Cd对果蔗叶片的影响。

图4 不同处理对果蔗叶片Pro含量的影响

2.4 Cd胁迫下Si对果蔗叶片叶绿素含量的影响

各处理果蔗叶片叶绿素含量如图5所示，与T0处理相比，只有T3处理果蔗叶片叶绿素含量有所增加，增加幅度为8.92%；T1、T2和T4处理果蔗叶片叶绿素含量均有一定幅度降低，其中T1处理因受Cd胁迫影响，降低14.17%，T2 和T4处理分别降低5.35%和16.04%。与T1处理相比，施Si处理果蔗叶片叶绿素含量随着Si质量浓度的增加呈先增加后减小趋势，T2处理叶绿素含量增加10.28%，T3处理增加25.23%，T4处理减少2.18%，差异均未达显著水平。T3处理果蔗叶片叶绿素含量最多，是T0处理的107.49%，是T1处理的125.23%。因此，在一定质量浓度的Cd胁迫下，施Si缓解了Cd对果蔗叶片的影响。

图5 不同处理对果蔗叶片叶绿素含量的影响

3 结论与讨论

植物体在逆境条件下会启动膜保护系统，用于清除体内产生的自由基[13]。当植物体内产生的活性氧自由基得到及时清除时，其体内的活性氧自由基才能保持平衡，减少对植物的伤害。SOD和CAT是逆境胁迫下维持植物生存的重要酶类，是植物抗氧化酶系统的重要组成部分，其活性大小可用来评价逆境胁迫条件下植物抗胁迫能力的强弱[14-16]。本研究结果表明，在Cd胁迫条件下，相较T0处理果蔗体内不仅SOD活性有一定幅度升高，而且CAT活性也有一定幅度升高。施用不同质量浓度Si后，相较T1处理果蔗体内SOD活性均呈下降趋势，Si的作用开始发挥，降低了Cd胁迫的伤害；CAT 活性较T1处理先下降后变化不大，说明随着Si质量浓度的增加,Si的抑制伤害效果开始降低。综上，施Si减弱了Cd胁迫下果蔗幼苗受的伤害。这与前人[17-19]的研究结果类似。

植物组织在遭受重金属胁迫时，会启动自身膜系统来抵御重金属对其细胞膜组织的伤害，从而在体内发生一系列的生化反应用于自我保护，MDA就是这一作用过程中的产物，MDA含量可在一定程度上反映植物体内自由基的变化[20]，可反映逆境条件下植物膜系统受伤害的程度[21-22]。本研究结果表明，当遭受重金属Cd胁迫时，明显刺激了果蔗叶片的膜系统，以致果蔗组织脂膜化作用加剧，MDA含量升高。施用不同质量浓度的Si后，果蔗叶片中MDA含量均比不施用Si处理有所降低，可见施Si减轻了果蔗叶片的膜脂过氧化程度，对Cd胁迫引起的膜系统危害有一定的缓解作用。但施用高质量浓度的Si时，缓解效果有所下降。说明在合适的质量浓度范围内，Si对Cd毒害才有缓解作用，这与张志雯等[23]、袁宇飞等[24]的研究结果相似。

Pro能有效保护植物细胞的膜系统[25]，Pro在植物体内的积累可视为植物受到胁迫的一种信息指示[26-27]，Pro含量可反映植物细胞结构和功能受损伤的程度，这是植物对逆境胁迫的本能防御反应[28]。本研究结果表明，当遭受重金属Cd胁迫时，果蔗幼苗叶片Pro含量升高，植物体内Pro含量的增加是植物对逆境胁迫的一种适应性反应，这与李文一等[29]的研究结果一致。随着Si的加入，各处理的Pro含量均较T1处理降低，说明Si在一定程度上缓解了Cd毒害对果蔗幼苗的影响，这与刘鸣达等[30]的研究结果类似。

叶绿素在植物进行光合作用过程中起着举足轻重的作用，是光合作用过程中必不可少的重要物质，其含量的高低能指示植物光合能力的强弱，也能衡量植物在逆境下受伤害的大小[31]。研究发现，Cd会致使叶绿体及色素解体，降低光合作用效率，从而导致植物叶片枯萎[32]。本研究结果表明，Cd胁迫减弱了果蔗叶片的光合作用，叶绿素含量降低；施Si后，随着Si用量的增加果蔗叶片叶绿素含量先增大后降低，在T3处理时叶绿素含量达到最大值，其中T2和T3处理果蔗幼苗叶绿素含量均高于T1处理，但T4处理果蔗幼苗叶绿素含量与T1处理差别不大。因此，在Cd胁迫条件下，一定质量浓度的Si可以缓解Cd毒害对果蔗幼苗的影响；但当Si的质量浓度过高时，缓解程度又有所降低。说明Si对Cd作用下果蔗幼苗叶绿素含量的影响是有限的，这与张志雯等[23]的研究结果类似。

综上，在Cd胁迫条件下，Si通过提高叶绿素含量、改善抗氧化酶的活性、调控MDA含量及Pro含量等途径，缓解重金属Cd胁迫对果蔗的毒害，使果蔗在逆境条件下得以生长。在Cd胁迫下，施用适量的Si可在一定程度上缓解Cd对果蔗幼苗造成的毒害，有关Si缓解果蔗幼苗Cd毒害的深层次生理机制尚待深入研究，可从果蔗组织内Cd的化学结合形态、亚细胞及分子分布方面开展进一步研究。

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