绿豆对镉胁迫的生理响应

张晓娟 庄枫红

摘要：采用水培法研究了不同镉浓度对绿豆（Vigna radiata L. ）生长及生理生化特性的影响。结果表明，随着Cd2+浓度的升高，绿豆幼苗的株高、鲜重均受到显著抑制，幼苗叶片中叶绿素含量降低，而丙二醛含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化物酶（POD）活性和过氧化氢酶（CAT）活性均呈上升趋势，可溶性糖含量则呈先上升后下降的变化趋势。这说明Cd胁迫会破坏绿豆的生物膜功能特性，造成氧化胁迫，从而影响绿豆的生长发育。

关键词：绿豆（Vigna radiata L. ）;镉胁迫;幼苗生长;生理生化特性

中图分类号：S522         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）15-0071-04

Abstract： Hydroponic culture was conducted to study the effect of different concentrations of cadmium stress on the growth and physiological and biochemical characteristicsof seedings of Vigna radiata L.. The results showed that the plant height and fresh weight of seedings of Vigna radiata L. were inhibited with the increase of Cd2+ concentration; The chlorophyll content of the leaves of seedings decreased， but malondialdehyde （MDA） content， superoxide dismutase （SOD）activities， peroxidase （POD） activities and catalase （CAT） activities gradually increased with the increase of Cd concentration，while the soluble sugar content increased at the beginning then decreased. The results indicated that the Cd2+ stress would destroy the biofilm function of Vigna radiata L.， caused the oxidative intimidation and affected their growth and development.

Key words： Vigna radiata L.; Cd2+ stress; seedling growth; physiological and biochemical characteristics

近年来，随着工业生产过程中“三废”的过度排放、矿产资源的开采和农业生产中化肥的过量使用，导致土壤重金属含量日益增多，造成了严重的环境污染[1-3]。从2014年的全国土壤污染状况调查公报可知，中国耕地土壤重金属镉（Cd）点位超标率达7.0%，是重金属污染物中超标率最高的[4，5]。镉是自然环境中最具攻击性和持久性的重金属元素之一，具有来源广、降解难度大、隐蔽性强、移动性强、毒性大等特点[6，7]。镉污染不仅让5%～10%的农田出现了明显的减产现象[8]，还在农作物可食部分积累，通过食物链进入人体后引发各种疾病，如痛风病、神经痛、高血压、肺癌、精神分裂症、抑郁症、癌症等[9，10]。当环境中Cd含量达到或超过了作物的伤害阈值时，会干扰作物的生理生化过程，如抑制作物生长[11]、降低光合作用和叶绿素含量、干扰碳和氮代谢及营养吸收、破坏作物体内保护酶系统、加大质膜透性和损伤细胞膜等[12，13]。

绿豆（Vigna radiata L.）又称为青小豆，属于药食两用作物[14]，有着耐贫瘠、抗干旱、适应性强和生育期短等特点，还能固氮养地，因此在农业高效发展和种植结构调整中如开垦荒地时起着重要的作用[15]。绿豆生长受到多方面因素影响，如温度、光照、水分、土壤及其养分等方面，其中土壤中的重金属离子含量对绿豆生长有着显著影响[16]。研究表明，铬胁迫会抑制绿豆幼苗的根茎生长和鲜重的积累，且叶片可溶性糖和可溶性蛋白质含量随着Cr6+浓度的增加而增加[17]。铜胁迫会影响绿豆活性氧酶清除系统，导致绿豆活性氧代谢失调[18]。铅、汞胁迫均能抑制绿豆幼苗根、茎的生长[19]。因此，本试验以绿豆为研究对象，测定镉胁迫对绿豆幼苗生长、膜系统、保护酶系统和渗透调节物质含量的影响，以期为绿豆对Cd的适应性提供信息，也为农田土壤中Cd污染区域的综合应用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用绿豆种子购于广东省农业科学研究院蔬菜所。

1.2 试验设计

通过在1/2 Hoaglands溶液中添加分析纯CdCl2配制成Cd2+浓度分别为0（CK）、0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L的溶液。选取子粒饱满、大小一致的绿豆种子，用5%次氯酸钠溶液杀菌5 min，去离子水反复冲洗，均匀摆在铺有3层滤纸培養盒中（每盒100粒），用配制的含不同浓度Cd2+的1/2 Hoaglands溶液浸种，每天更换1次溶液，每处理3次重复。将培养盒放入温度25 ℃、湿度60%、光照度4 000 lx的光照恒温培养箱中连续培养7 d。处理第8 天测量绿豆幼苗株高、鲜重以及绿豆幼苗叶片中的叶绿素、丙二醛、可溶性糖含量和抗氧化酶活性。

1.3 测定指标及方法

植株株高和鲜重的测量采用常规法，用直尺（最小分度单位为mm）测量株高，用万分之一电子天平称量植株鲜重;叶绿素含量采用乙醇提取法测定[20]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[20]，丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（TBA）法测定[20]，超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑（NBT）还原法测定[21]，过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚比色法测定[21]，过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定[21]。

1.4 数据统计分析

试验数据用SPSS 19.0软件分析。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）对不同处理间的差异进行检验，采用Duncan?s法对不同数据间的差异进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同Cd2+浓度对绿豆幼苗生长的影响

由图1可知，施加镉后，绿豆幼苗的生长受到一定影响。随着Cd2+浓度升高，绿豆植株的株高、鲜重均受到显著抑制。与CK相比，当添加Cd2+浓度为0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L时，株高依次下降6.64%、10.76%、35.29%、45.7%，单株鲜重依次下降19.75%、26.77%、41.04%、51.90%。

2.2 不同Cd2+浓度对绿豆幼苗叶片中叶绿素含量的影响

由图2可以看出，与CK相比，随着Cd2+浓度升高，绿豆幼苗叶片中叶绿素含量呈下降趋势。CK的叶绿素含量最高，当Cd2+浓度为0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L时，叶绿素含量分别下降了17.19%、22.02%、36.89%、52.22%。当Cd2+浓度为0.5、1.0 mg/L时，绿豆幼苗叶片中叶绿素含量无显著差异，但其他处理间叶绿素含量差异均达显著水平。

2.3 不同Cd2+浓度对绿豆幼苗叶片中丙二醛含量的影响

由图3可知，Cd2+胁迫对绿豆幼苗叶片中丙二醛含量有显著影响，随着Cd2+浓度的增加，丙二醛含量逐渐上升，说明膜脂过氧化对绿豆叶片的损伤逐渐加大。与CK相比，当添加Cd2+浓度为0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L时，绿豆叶片中丙二醛含量分别升高了32.54%、36.56%、68.49%和97.06%。

2.4 不同Cd2+浓度对绿豆幼苗叶片中可溶性糖含量的影响

可溶性糖是一种重要的渗透调节物质。由图4可知，与CK相比，随着Cd2+浓度升高，绿豆幼苗可溶性糖含量呈先上升后下降的变化趋势。当Cd2+浓度为0.5、1.0 mg/L时，可溶性糖含量比CK分别升高了9.41%、24.34%，而Cd2+浓度为2.0、4.0 mg/L时，可溶性糖含量比CK分别下降了22.58%、42.60%。

2.5 不同Cd2+浓度对绿豆幼苗叶片中抗氧化酶活性的影响

由图5可知，Cd2+处理下，绿豆叶片中抗氧化酶活性均呈上升的变化趋势。与CK相比，当添加Cd2+浓度为0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L时，绿豆叶片中SOD活性依次升高了35.53%、47.27%、79.52%和114.30%，POD活性依次升高了35.41%、48.35%、85.96%和134.94%，CAT活性依次升高了28.07%、32.67%、59.59和93.02%。当Cd2+浓度为0.5、1.0 mg/L时，绿豆幼苗中抗氧化酶活性无显著差异，但其他处理间的抗氧化酶活性差异均达显著水平。

3 讨论

土壤被重金属污染后会影响植物生长发育[22]，显著降低种子的发芽率，严重阻碍了幼苗的生长，使得幼苗鲜重显著下降[23]。镉不是植物生长的必需元素，当其在植物体内累积到一定程度时会对植物产生毒害效应[24]。本研究结果表明，镉胁迫会显著抑制绿豆植株的株高、鲜重，并表现出剂量效应，这可能是随着Cd2+浓度的升高，超过了植物的耐受性，导致植物细胞内叶绿体的合成受到影响，叶绿素的含量下降，不利于植物的光合作用[25，26]，从而导致了生物量的下降。结果表明，叶绿素含量随着Cd2+浓度的升高而降低，可能是因为Cd2+与叶绿体蛋白上的巯基结合，破坏叶绿体结构，还会与叶绿素的某些酶如胆色素原脱氨酶结合，抑制其活性，使叶绿素合成减少、分解加快[27]。

植物面对逆境胁迫时，会进行膜脂过氧化反应，丙二醛作为其最终产物，常用来衡量细胞膜过氧化程度和植物对逆境条件的反应强弱[28]。本研究结果表明，MDA含量随着Cd2+浓度的升高呈升高趋势。这表明随Cd2+胁迫强度增加，绿豆叶片的膜脂过氧化程度加剧，膜系统受到損伤，导致碳代谢途径受到破坏，植株光合能力下降，使得可溶性糖等同化物积累降低[29]。因此，低浓度Cd2+显著增加叶片中可溶性糖含量，起着渗透调节的作用，而随着Cd2+浓度升高，植株自我调节能力下降，这也解释了可溶性糖含量降低的原因。

Cd2+胁迫会诱导植物体产生大量的活性氧，从而发生氧化胁迫。SOD、POD、CAT等是植物适应逆境胁迫时重要的抗氧化酶，SOD能够催化O2-·转化为H2O2，POD和CAT则将H2O2分解为水，通过清除体内的活性氧自由基，在一定程度上缓解镉胁迫的伤害，从而保护膜系统[30-32]。本研究结果表明，随着Cd2+浓度的升高，绿豆叶片的SOD、POD和CAT活性均出现不同程度的升高。这是因为逆境条件下SOD是保护植物细胞免受活性氧伤害的第一道防线，是植物对Cd2+胁迫的应激反应;POD活性升高则可能与植株自身的H2O2浓度和底物浓度的增加有关，也可能是Cd2+胁迫诱导了绿豆POD基因的大量表达有关[33];而CAT与SOD、POD协同作用减缓了Cd2+胁迫对绿豆造成的伤害。

综上所述，Cd2+胁迫对绿豆的生长有一定的抑制作用，随着处理浓度的增加，绿豆受抑制程度加剧，通过影响绿豆幼苗的株高、鲜重以及叶片中叶绿素、丙二醛、可溶性糖含量和抗氧化酶活性来影响绿豆的生理机制，阻碍了幼苗生长。

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