表油菜素内酯对镉胁迫下番茄幼苗生长及镉累积的影响

俞明宏，王力明，刘 继，李焕秀，林立金，唐 懿*

（1.四川农业大学园艺学院，四川 成都 611130；2.成都市农林科学院，四川 成都 611130；3.四川农业大学果蔬研究所，四川 成都 611130）

镉是生物毒性最强的重金属之一，被列为“五毒”之首。《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国土壤镉（Cd）污染超标严重，其点位超标率达7.0%［1］。因蔬菜生产基地多位于城市郊区，这里是工业“三废”和城市垃圾处理的集中地点，所以蔬菜中重金属含量极易超标，蔬菜的生长发育受到严重威胁［2］。而人体中的镉70%来源于蔬菜［3］，镉具有累积效应和较强的致癌、致畸、致突变的作用，如果摄入过多会严重影响人体健康［4］。

油菜素内酯（BR）是继生长素、赤霉素、细胞分裂素、脱落酸、乙烯之后的第6种植物激素［5］，表油菜素内酯（EBR）是一种人工合成的高活性油菜素内酯类似物，具有促进植物生长，促进细胞伸长和分裂，促进植物光合作用，提高植物抗逆性等多种生理功能［6］。目前研究发现EBR对多种植物重金属胁迫具有缓解效应。尹博等［7］发现外源EBR能够缓解铜胁迫对番茄植株生长的抑制作用，提高叶绿素含量和生物量，降低番茄根系对Cu的吸收与转运。高会玲等［8］研究发现，EBR可明显提高菊芋的耐镉水平，主要是因为喷施外源EBR能显著提高光合色素含量，促进光合作用和提高水分利用效率。Anuradha等［9］研究发现，EBR能够缓解高浓度镉对萝卜生长的抑制，增加脯氨酸的积累，提高CAT、APX、GPX、SOD的活性。

番茄含有大量的Vc和番茄红素，能抗癌防衰，提高人体免疫力。番茄品种类型丰富，既可鲜食作蔬菜又可作水果［10］。有研究表明番茄是镉敏感型的植物［11］，而镉污染情况日益严重，不仅使番茄等蔬菜产量和品质下降，更对人类健康造成威胁［12］。目前关于EBR缓解番茄镉胁迫的研究较少，因此，本试验以番茄幼苗为材料，研究了不同浓度的EBR对镉胁迫下番茄幼苗生理特性和镉积累的影响，以期筛选出能有效缓解番茄镉胁迫的EBR浓度，为镉污染区的番茄安全生产提供一定的参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为番茄幼苗，品种为“紫咖”，是四川农业大学果蔬研究所自留品系，属多代自交系，性状纯合稳定。土壤为潮土，取自四川省成都市温江区农田，其基本理化性质为：pH值6.29，有机质21.16 g/kg，全氮1.09 g/kg，全磷1.20 g/kg，全钾22.21 g/kg，碱解氮68.12 mg/kg，有效磷16.22 mg/kg，速效钾156.21 mg/kg，镉含量0.10 mg/kg，有效态镉含量0.028 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2019年4月至6月在四川农业大学温江校区进行。将所取土壤经自然风干研磨后过 5 mm 筛，加入形式为分析纯CdCl2·2.5H2O，使土壤镉浓度为10 mg/kg［13］，并与土壤充分混合，保持土壤湿润，每盆土量3 kg，自然放置4周后再混合均匀备用。EBR浓度设置参考殷欣等［14］的试验。在4月进行穴盘育苗，当3～5片真叶展开时，挑选长势良好且均匀一致的番茄幼苗移栽至盆内，每盆3株幼苗，并及时浇水保持土壤湿润。共设6个处理：不加镉自然土栽培（CK）、镉+0 mg/L EBR（T1）、 镉+0.02 mg/L EBR（T2）、 镉+0.1 mg/L EBR（T3）、镉+0.5 mg/L EBR（T4）、镉+2.5 mg/L EBR（T5）。每组处理5盆，重复3次，随机排列。CK和T1叶面喷洒蒸馏水至叶面全湿，有水珠滴落为止，其他各处理喷施相应浓度的EBR至有水珠滴落为止，喷施时间为每天18：00，EBR由同一母液稀释，现配现用。

1.3 样品采集和测定

处理10 d后取适量叶片进行生理指标的测定，测定方法参考《植物生理学实验教程》［15］。丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定；相对电导率采用电导率仪（DDS-307型）测定；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚比色法测定；过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定；脯氨酸（Pro）含量采用磺基水杨酸法测定；可溶性蛋白质含量采用考马斯亮蓝法测定；叶绿素含量采用乙醇浸提法测定。之后，收获所有番茄幼苗，用自来水冲洗干净，再用蒸馏水冲洗3次，用吸水纸吸干植株表面的残留水分，将植株分成地上部分和根系，用1%电子天平先称鲜重，然后置于烘箱内，105℃下杀青30 min，75℃恒温烘干，冷却后称重，称取生物量后粉碎待测，并计算含水量及根冠比。将植物干样用硝酸-高氯酸（体积比为4∶1）放置12 h后消化至溶液透明，过滤，定容至50 mL，用iCAP 6300 型 ICP 光谱仪（Thermo scientific，USA）测定地上部分和根系镉含量。

1.4 统计处理

数据采用Excel 2010进行绘图，用SPSS 22.0软件进行数据处理，并进行Duncan差异显著性分析。地上部分含水量（%）=（地上部分鲜重-地上部分干重）/地上部分鲜重×100，根系含水量（%）=（根系鲜重-根系干重）/根系鲜重×100，根冠比=根系生物量/地上部分生物量（干重），转运系数=地上部分镉含量/根系镉含量。

2 结果与分析

2.1 EBR对镉胁迫下番茄幼苗生物量的影响

如表1所示，与CK相比，镉处理后幼苗的地上部分干重和根系干重分别下降了28.0%（P＜0.05）和78.1%（P＜0.05），地上部分含水量和根系含水量分别下降了0.6%（P＜0.05）和1.6%（P＜0.05），根冠比下降了70.3%（P＜0.05）。当EBR浓度为0.5 mg/L（T4）时，地上部分干重和根系干重比单独镉胁迫（T1）分别显著增加22.9%（P＜0.05）和139.4%（P＜0.05），地上部分含水量和根系含水量分别上升了0.5%（P＜0.05）和1.2%（P＜0.05），根冠比上升了94.7%（P＜0.05）。表明外源喷施EBR可以有效缓解镉胁迫对番茄幼苗影响，促进番茄幼苗生长，提高含水量和根冠比，0.5 mg/L（T4）效果最明显。

表1 EBR对镉胁迫下番茄幼苗生物量的影响

2.2 EBR对镉胁迫下番茄幼苗镉积累和转运的影响

由表2可知，与CK相比，镉处理后番茄幼苗镉积累量明显增加。与T1相比，喷施不同浓度的EBR后，番茄幼苗的地上部分和根系镉含量均有所增加，说明喷施外源EBR对该品种番茄幼苗的镉吸收有一定的促进作用，其中，当EBR浓度为0.5 mg/L（T4）时，地上部分和根系镉含量分别比T1增加了50.0%（P＜0.05）和93.4%（P＜0.05），转移系数最低，为0.45，说明EBR能阻碍重金属镉从根系转移到地上部分，浓度为0.5 mg/L （T4）时效果最好。

表2 EBR对镉胁迫下番茄幼苗镉积累和转运的影响

2.3 EBR对镉胁迫下番茄幼苗叶片中光合色素含量的影响

如表3所示，与CK相比，T1番茄幼苗叶绿素a、b、类胡萝卜素含量和叶绿素总量分别显著下降了42.4%（P＜0.05）、50.4%（P＜0.05）、48.0%（P＜0.05）和46.1%（P＜0.05），叶绿素a/b值上升了13.8%（P＜0.05）。当喷施的EBR浓度为0.5 mg/L（T4）时，叶绿素a、b、类胡萝卜素含量和叶绿素总量比T1显著提升66.7%（P＜0.05）、36.4%（P＜0.05）、42.3%（P＜0.05） 和56.6%（P＜0.05）。 当 喷施的EBR浓度为0.1 mg/L（T3）时，叶绿素a/b比T1显著提升了47.5%（P＜0.05）。表明喷施外源EBR可以通过提高光合色素含量来提高番茄幼苗对镉胁迫的耐受性，0.1 mg/L（T3）和0.5 mg/L（T4）效果均良好。

表3 EBR对镉胁迫下番茄幼苗叶片中光合色素含量的影响

2.4 EBR对镉胁迫下番茄幼苗叶片膜脂过氧化的影响

由表4可知，与CK相比，T1番茄幼苗叶片中的POD、CAT活性分别下降了12.6%（P＜0.05）和16.1%（P＜0.05），MDA含量和相对电导率分别显著上升了69.4%（P＜0.05）和174.5%（P＜0.05），喷施外源EBR后能提高POD、CAT活性，当EBR浓度为0.1 mg/L（T3）POD活性均较单独镉处理（T1）显著升高 15.4%（P＜0.05）、65.4%（P＜0.05），说明外源EBR能通过提高抗氧化酶活性来提高番茄幼苗镉胁迫的耐受性，浓度为0.1 mg/L（T3）时提高抗氧化酶活性最明显。而喷施外源EBR可有效降低MDA含量和相对电导率，当喷施EBR浓度为0.5 mg/L（T4）时，番茄幼苗叶片中MDA含量和相对电导率较单一镉处理（T1）下降了55.5%（P＜ 0.05）和27.6%（P＜0.05），说明EBR能对镉胁迫造成的膜脂过氧化伤害起到一定的缓解作用，降低质膜透性，浓度为0.5 mg/L（T4）时效果最好。

表4 EBR对镉胁迫下番茄幼苗叶片膜脂过氧化的影响

2.5 EBR对镉胁迫下番茄幼苗叶片中渗透调节物质含量的影响

由图1和图2可知，与CK相比，T1番茄幼苗叶片中的可溶性蛋白和脯氨酸含量显著升高96.0%（P＜0.05）和156.8%（P＜0.05）。T4番茄幼苗叶片中的可溶性蛋白比T1下降37.4%（P＜0.05），T3番茄幼苗叶片中的脯氨酸含量比T1显著增加了26.7%（P＜0.05）。说明外源EBR可以使细胞膜渗透损伤降低，0.5 mg/L EBR（T4）对降低可溶性蛋白含量最有效，0.1 mg/L EBR（T3）对提高脯氨酸含量最有效。

图1 EBR对镉胁迫下番茄幼苗叶片中可溶性蛋白含量的影响

图2 EBR对镉胁迫下番茄幼苗叶片中脯氨酸含量的影响

3 讨论

镉是植物生长过程中非必需元素，当植株体内蓄积了一定量的镉后，就会导致植物叶片退绿、植株生长迟缓、生物量、产量和品质下降等现象［16］。Hasan等［17］研究发现EBR能改善镉胁迫下番茄幼苗的生长状况。本试验结果表明，镉处理后番茄幼苗的生物量降低，喷施外源EBR可以有效缓解镉对番茄幼苗的影响，增加其干重，提高含水量和根冠比，促进番茄幼苗的生长，这与Hayat 等［18］研究结果一致。EBR能促进植物生长可能是因为它能够调节细胞壁合成和修饰从而影响了细胞的伸长和分裂［19］。

不同基因型的番茄对镉的吸收存在差异［20］，由于处理浓度和时间不同，EBR对植物镉积累的影响也不同。Ahammed等［21］研究发现施用EBR后，番茄叶片和根系中镉含量显著降低。但本试验中喷施外源EBR对该品种番茄吸收积累镉有一定的促进作用，无论是地上部分还是根系部分镉含量均有所增加，这可能是因为番茄的品种不同而导致番茄对镉的积累不同。窦巧惠等［22］研究发现外施EBR能促进番茄根系有机酸分泌，有机酸可以作为螯合剂与镉螯合后阻止其以共质体途径横向运输，进而减少镉向地上部分转移［23］，本试验中一定浓度的EBR能降低镉的转运系数可能与EBR能促进番茄体内螯合剂的分泌有关，但EBR对番茄幼苗镉积累及转运机制还有待进一步探究。

光合色素的含量可以作为衡量植物对重金属胁迫耐受性的一个重要指标。有研究发现镉胁迫后大麦幼苗叶绿素含量下降，而在喷施EBR后叶绿素含量上升，说明EBR可以在一定程度上保护光合系统，缓解镉胁迫对叶绿素的降解［24］。本试验中，镉处理后番茄幼苗叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量均降低，喷施一定浓度的EBR后叶绿素总量上升，叶绿素a/b值升高。说明EBR可以通过提高光合色素的含量，防止叶绿素降解，促进光合作用来提高番茄幼苗对镉胁迫的耐受性。这可能是因为EBR激活了叶绿素合成过程中某些酶的活性或诱导了叶绿素合成酶特定基因的表达［25］。

当植物受到重金属胁迫时，体内会产生大量的活性氧自由基（ROS），当ROS含量增加时会引起脂质过氧化，MDA是细胞膜脂质过氧化的最终产物，其含量高低反映了脂质过氧化的强弱程度，电导率是衡量植株细胞内容物扩散的一项生理指标［26］，而POD和CAT可以清除活性氧自由基来抵御ROS对细胞膜造成的伤害。王芳等［27］研究发现，镉胁迫下玉米幼苗POD、CAT活性都有大幅度下降，MDA含量和质膜透性显著升高，加入一定浓度的EBR后抗氧化酶活性升高，MDA含量和质膜透性显著降低。本试验中，镉处理后番茄幼苗叶片中的POD、CAT活性明显下降，喷施一定浓度的EBR后POD、CAT活性均较单独镉处理显著升高，说明EBR可以通过增加抗氧化酶的活性，来提高番茄对镉胁迫的耐受性。这可能是因为EBR的应用诱导了H2O2的升高，从而激活了抗氧化酶合成的代谢途径［28］。本试验结果表明EBR对镉胁迫造成的番茄幼苗脂膜过氧化伤害能起到有效地缓解作用，这与李晓科等［24］的研究结果类似。

可溶性蛋白和脯氨酸是两种重要的渗透调节物质，重金属胁迫下会迅速积累，调节细胞渗透压，从而抵消重金属所造成的伤害，维持细胞正常的结构和功能［29］。本试验中，镉处理后番茄幼苗的可溶性蛋白和脯氨酸含量显著升高可视为番茄幼苗对镉胁迫的生理性保护性适应。有研究发现镉可以提高蛋白水解酶的活性，使原有蛋白质分解；同时镉对蛋白合成的众多酶系均有毒害和钝化作用，抑制新蛋白的合成［27］，所以本试验中喷施一定量的EBR后，番茄幼苗叶片中的可溶性蛋白含量下降可能是因为EBR促进了镉的吸收积累而导致蛋白质合成受阻。本试验中喷施EBR后脯氨酸含量上升可能是因为脯氨酸参与了番茄体内活性氧自由基的清除［30］，这与窦巧惠等［22］的研究结果一致。

4 结论

喷施外源EBR可以有效缓解镉胁迫对番茄幼苗的影响，促进番茄幼苗生长，促进对镉吸收但能降低镉的转移系数，提高光合色素的含量，增加抗氧化酶的活性，修复损伤细胞膜，缓解脂膜过氧化伤害，降低叶片电导率，还能使渗透程度降低，可溶性蛋白减少，脯氨酸含量增加。当EBR浓度为0.5 mg/L（T4）时，缓解番茄幼苗镉胁迫效果最明显。