镉胁迫下曼陀罗体内镉累积和氧化应激生理研究

王建武，相微微，郭建华

（榆林学院陕西省陕北矿区生态修复重点实验室，陕西 榆林 719000）

有毒重金属污染对土壤及水源的污染已经成为环境污染的一个重要问题，严重危害到人类的健康[1]。镉作为一种有毒重金属而广泛存在于自然界，它是人体非必需元素，在自然界中镉与锌、铅常以化合物状态存在，含量较低。若土壤受到重金属镉污染后，镉可以通过食物链在生物体内富集，继而使人引起慢性中毒。目前，修复重金属污染土壤的途径主要有2 种：一是将重金属从土壤中去除，使其存留浓度接近或低于背景值；二是将土壤中的重金属固定，改变土壤中的重金属形态，使其由活化态转变为稳定态，减弱重金属的移动性和生物毒性。其修复方法主要可分为物理方法、化学方法、生物方法和联合修复法[2-3]，其中尤其以生物方法中的植物修复更为突出，此方法成本低、操作简单、不产生2 次污染，可大面积推广应用，具有广阔的研究前景。

对于大多数植物来说，环境中一定浓度的重金属镉会对植物的生长产生一定的胁迫作用，一旦这种胁迫超过了植株的忍受范围，就会危害到植株的正常发育，使得植株体内代谢紊乱、生理活性以及生长发育受到严重影响，严重时会导致植株因重金属毒害而死亡[4-5]。同时，镉会降低植物叶绿素的含量以及降低植物中可溶性蛋白的含量，加大质膜过氧化作用，影响SOD，CAT 和POD 等抗氧化酶的活性，使得植株的细胞超微结构受损[6-7]。生物修复中的植物修复需要有重金属耐受性甚至是超富集植物来完成。

目前，国际上已报道的重金属超富集植物已有500 多种，其中，80%是镍的超富集植物。就镉的超富集植物来说，目前已经发现并研究的有天蓝遏蓝菜[8]、印度芥菜[9]、芥菜型油菜（川油 II-10）[10]、矿山型东南景天[11]、宝山堇菜[12]、龙葵[13]等。曼陀罗（Datura stramonium Linn.）又叫曼荼罗、山茄子等，在我国各地均有分布，且曼陀罗耐受性强[14]。研究表明，曼陀罗对镉具有较好的积累、富集能力，但对镉的转运能力较差[15-17]。

在前人研究的基础上，本试验就镉胁迫对曼陀罗生长发育和生理生化的影响进行研究，旨在阐明曼陀罗对镉的吸收积累特征及曼陀罗镉吸收积累随时间变化的规律，为发展和丰富植物修复重金属镉污染土壤的理论研究提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

野生白花曼陀罗（Datura stramonium）种子采于榆林市榆阳区。

1.2 试验方法

曼陀罗种子发芽及幼苗的培养参考张鸿等[18]的方法，待植株长至15 cm 时，挑选长势一致的幼苗进行处理，其中，试验组用含 100 μmol/L 的 CdCl2的1/8 Hoagland 培养液处理，对照组只用1/8 Hoagland培养液处理。其余条件相同，并设置3 个重复，测定结果取其平均值。处理后，每5 d 进行一次样本采样，持续30 d 左右，并对样本的叶绿素含量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性和 MDA 含量生理指标以及镉含量进行测定分析。

1.3 测定指标及方法

采用Lichtenthaler 法[19]进行叶绿素含量的测定；采用氮蓝四唑（NBT）光还原法[20]测定超氧化物歧化酶（SOD）；采用硫代巴比妥酸（TBA）显色法[20]测定丙二醛（MDA）含量；采用紫外吸收法[21]测定过氧化氢酶（CAT）活性；采用张志良等[22]的愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）的活性；采用ICP-MS 法测定镉的含量。测定材料均为曼陀罗鲜叶，每个生理指标进行3 次重复。

1.4 数据处理

试验中均使用Excel 2010 和SigmaPlot 10.0 软件进行数据统计分析与处理，并绘制图表。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫下曼陀罗生理生化指标的测定

2.1.1 镉胁迫对叶片叶绿素含量的影响 从图1可以看出，与对照相比，镉胁迫下，曼陀罗叶绿素含量呈下降趋势，处理15 d 后低于对照。说明镉胁迫对曼陀罗叶绿素的合成起到了一定的抑制作用。

2.1.2 镉胁迫对SOD 活性的影响 从图2可以看出，在镉胁迫下，随胁迫时间的延长，曼陀罗SOD活性呈先增强后减弱的趋势，并均高于对照；在镉处理 10 d 时，SOD 活性达到最大，为 101.94 U/g；但随着处理时间的延长，曼陀罗SOD 活性越来越低。说明长时间的处理使曼陀罗植株对重金属镉的耐受力降低。

2.1.3 镉胁迫对POD 活性的影响 由图3可知，镉胁迫下，随胁迫时间的延长，POD 活性呈先上升后下降的趋势，且均比同期对照高，在镉处理10 d时，POD 活性达到最大值；但随着处理时间的延长，曼陀罗中POD 活性逐渐降低。表明曼陀罗植株可通过提高其POD 活性来抵御一定浓度范围内对其毒害或生长的抑制。

2.1.4 镉胁迫对MDA 含量的影响 从图4可以看出，镉胁迫下，随胁迫时间的延长，MDA 含量呈先上升后下降的趋势，且均比同期对照高，处理10 d后的曼陀罗植株MDA 含量最高，约为同期对照的1.9 倍。但随着处理时间的增长，曼陀罗中MDA 的含量逐渐降低。

2.1.5 镉胁迫下CAT 活性的影响 从图5可以看出，在镉胁迫下，随胁迫时间的延长，CAT 活性呈先增强后降低的变化趋势，至15 d 时，CAT 活性达到最高，且在5～25 d 时，CAT 活性均高于同期对照组，但随着时间的延长，曼陀罗中CAT 活性有下降的趋势。

2.2 镉胁迫下曼陀罗叶片中镉的含量变化

图6结果表明，在镉胁迫下，老叶（EO）和新叶（EN）中镉的含量显著高于对照，只有处理7 d 时，新叶中镉含量高于老叶，16 d 后老叶中的镉含量略高于新叶。说明曼陀罗对重金属镉具有较强的富集能力，但转运能力较低。

3 结论与讨论

在镉胁迫下，曼陀罗叶片叶绿素含量逐渐下降，说明在镉污染胁迫条件下，曼陀罗的光合作用受到影响，叶绿体的膜结构受到损伤，叶绿体内的光合酶含量降低，叶绿素合成受到一定的抑制。

高浓度镉能够诱导植物产生大量活性氧（ROS），对细胞膜、蛋白和核酸等生物大分子具有破坏作用，严重时会导致细胞死亡[23]。因此，在镉胁迫下，植物体内参与氧化应激的酶活性会发生剧烈变化。叶片膜保护酶系统主要包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD），这3 种酶的活性是衡量植物抗重金属胁迫能力强弱的重要指标。在重金属胁迫下，植物的器官会发生膜质过氧化作用，丙二醛是膜脂过氧化的最终分解产物，其含量可反映植物受逆境伤害的程度，也是衡量植物抗性的一项重要生理指标。SOP，CAT，POD和MDA 在重金属镉胁迫处理中活性（含量）变化趋势基本一致，虽然变化幅度有所不同，但整体均呈先上升后下降趋势，表明当植株受到镉胁迫时会通过升高其部分酶的活性来降低重金属对其自身的毒害。在镉胁迫至10～15 d 时，酶活性（含量）达到最大，之后随着处理时间的延长，各项指标均呈下降趋势。说明曼陀罗对镉的耐受性有一定的限度，随着处理时间的延长，镉的积累量逐渐增加，曼陀罗对镉的耐受性逐渐降低。

镉胁迫下，曼陀罗对镉的吸收量呈逐渐上升的趋势，只有在处理7 d 时，新叶中镉含量高于老叶，16 d 后老叶中的镉含量略高于新叶。说明曼陀罗对重金属镉具有较强的富集能力，但转运能力较低。同时随着处理时间的延长，叶片只是明显出现黄色斑点，曼陀罗虽然受到镉的毒害，但并不影响其正常的生命活动，说明曼陀罗具有很强的耐受性。

BAKER 等[24]研究发现，生物富集系数和转运系数均小的植物，只要其生长量大，那么该植物的生长量与污染元素质量分数的乘积（即污染元素吸收总量）就比其他植物的值大，该植物的污染元素富集能力就强。例如尽管遏蓝菜（Thlaspi caeulescens）吸收重金属能力很强，但其生物量小，而印度芥菜（Brassica juncea） 对重金属的富集能力虽不如Thlaspi caeulescens，但其生物量至少是它的20 倍，因而显示，Brassica juncea 在植物修复上具有更大的潜力。曼陀罗生物量大、水肥条件好时，株高可以达到1.5 m，综合抗逆性强，适合北方地区的干旱、寒冷及土壤偏盐碱的生长条件。基于以上2 个方面的考虑，曼陀罗可以作为通过植物修复方法治理北方重金属污染土壤的候选植物。

本研究结果表明，在100 μmol/L CdCl2胁迫下，随着处理时间的延长，除叶绿素含量逐渐下降外，曼陀罗的 SOD，CAT，POD，MDA 均呈先上升后下降的变化趋势，说明在一定的处理时间内，当受到重金属镉胁迫时，曼陀罗会升高其部分生理指标来抵御镉的毒害作用，但叶绿素的合成受到了一定的抑制。曼陀罗叶片对镉的吸收量呈逐渐上升的变化趋势，只是老叶中的镉含量略高于新叶，但并不影响曼陀罗的正常生命活动，说明曼陀罗对重金属镉具有很强的耐受性和较强的富集能力。因此，曼陀罗是一种重金属耐受型植物但不是重金属超富集植物。