硒镉交互作用对西葫芦幼苗生长及抗氧化酶活性的影响

郭 锋 吴伟锋 冯 瑜 许剑敏 马祥爱

(山西农业大学资源环境学院，山西 太谷 030801)

镉(Cd)是一种对植物、动物和人类具有较高毒性的重金属污染物之一。土壤中Cd具有较强的流动性和较高的生物有效性[1-3]，容易被植物通过根部吸收运输至其他部位产生损伤作用，不仅会影响植物的正常生长发育和产量[4-8]，还会富集到植物的可食部分，通过食物链对人类健康造成威胁[1]，因此应积极探索有效的方法以缓解Cd对植物的损害以及减少其富集量。研究发现，对农作物施加外源矿物质元素，如硅(Si)、硒(Se)、锌(Zi)等，可以作为一种安全有效的方法来缓解Cd对植物的毒害作用，同时可以增加农作物体内这类矿质营养元素的含量[9-12]。

硒(Se)是动物和人类必需的营养元素之一。现尚无证据表明Se是高等植物的必需微量元素，但研究发现在各种环境胁迫下，Se能保护植物免受危害[13-14]。如Cd胁迫下，外源Se能够缓解Cd对植物的毒害作用，减少对Cd的吸收和富集[5, 14-15]。然而有研究认为Se对Cd胁迫下植物的生长发育呈现双重浓度效应，低剂量Se能够促进植物生长，高剂量Se作为氧化强化剂反而对植物产生伤害[16-18]。由于Se和Cd在植物体内存在一定的剂量效应，因此探讨缓解Cd胁迫的最佳Se浓度具有非常重要的研究意义。

目前，外源Se对Cd胁迫缓解作用的研究在菜心[19]、豆瓣菜[20]、油菜[21-22]、烟草[23]、向日葵[24]、水稻[25]、黄瓜[18]、菠菜[26]等作物中已有报道，但关于Se缓解Cd胁迫对西葫芦(CucurbitapepoL.)毒害的相关研究鲜有报道。西葫芦作为一种大众消费的蔬菜，在我国各地全年均有种植和销售。本研究以西葫芦幼苗为研究对象，利用沙培法研究不同浓度Se和Cd交互作用对西葫芦幼苗生长、抗氧化酶活性及Cd和Se含量的影响，阐明Se与Cd交互作用之间的关系和剂量效应，探求缓解Cd胁迫的最佳外源Se浓度，以期为缓解作物中Cd毒害的同时提高Se含量的研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试西葫芦品种为早青一代，购自山西省太谷县艺荣蔬菜种苗经营部；供试Cd2+以氯化镉(CdCl2·2.5H2O)形态加入，Se4+以亚硒酸钠(Na2SeO3·5H2O)形态加入，均为分析纯。

1.2 试验设计

参照文献[27]的方法和浓度设计。将过16目筛的细沙于干燥箱中130℃高温灭菌24 h，按照表1的浓度组合将配制好的CdCl2溶液与Na2SeO3溶液分别喷洒于细沙中，不断搅拌使2种溶液与细沙混合均匀。把含有不同浓度CdCl2和Na2SeO3的细沙分别装于塑料营养钵(10 cm×10 cm)中，平衡1周。精选饱满一致的西葫芦种子，用0.1% HgCl2溶液消毒10 min，流动自来水冲净，蒸馏水反复冲洗5次后，播种于塑料营养钵中，每钵播种20粒种子，试验共设置12个不同浓度组合，每个组合3次重复。采用完全随机区组排列，然后放入HP-2808型光照培养箱(哈尔滨东联电子有限公司)进行恒温光照培养，温度为25±1℃，相对湿度为60%～75%。试验期间采用称重法用去离子水及时补充损失水分，使营养钵细砂中Cd2+和Se4+浓度保持恒定，共培养15 d后第一片真叶展开时采集样品进行相关指标的测定。

1.3 测定项目与方法

每处理随机选取10株长势一致的植株，利用直尺测定幼苗的苗高；采用千分之一电子天平对所选植株称重，取其平均值为单株鲜重(g)，然后于烘箱中105℃杀青0.5 h，70℃烘干至恒重，称重即为干重；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性测定：选取西葫芦幼苗叶片采用氮蓝四唑(nitro-blue tetrazolium, NBT)光化还原法测定[27]；过氧化物酶(peroxidase，POD)活性测定：选取西葫芦幼苗叶片采用愈创木酚法测定[27]；Cd和Se含量测定: 取西葫芦幼苗地上部干样1.00 g经混酸(硝酸和高氯酸)消解，采用AA240Z石墨炉原子吸收分光光度计(Varina，美国)测定Cd含量, 采用AFS-230E原子荧光光度计(北京海光仪器有限公司)测定Se含量[28]。

表1 不同浓度Cd2+ 和Se4+组合Table 1 Different concentration combinations of Cd2+ and Se4+

1.4 数据处理

本试验结果均为3次重复的平均值。利用Microsoft Excel 2010进行数据处理并制图，应用SPSS 19.0统计软件对试验数据进行统计分析，采用Duncan新复极差法进行显著性分析，1%和5%水平下LSD多重比较检验各处理平均值之间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同浓度的硒镉交互作用对西葫芦幼苗苗高的影响

由图1可知，单一Cd胁迫下，随着Cd浓度的增加，其对西葫芦幼苗生长有一定的促进作用。不同浓度Se(0.5、2.0和4.0 mg·L-1)与低中浓度Cd(0.2、0.4 mg·kg-1)交互作用使西葫芦幼苗的苗高均随着Se浓度增加呈先升高后降低的趋势，且均高于相应单一Cd胁迫下幼苗的苗高，且大部分处理间差异极显著，2.0 mg·L-1Se与0.2、0.4 mg·kg-1Cd交互作用对西葫芦幼苗生长的促进作用最强，其苗高较相应单一Cd胁迫增加了17.70%和39.90%。不同浓度Se与高浓度Cd(0.6 mg·kg-1)交互作用下，西葫芦幼苗苗高均极显著低于相应单一Cd胁迫，分别下降了19.72%、15.01%和25.06%，但幼苗苗高与Se浓度并未呈现严格的负相关性。表明不同浓度的Se与较低浓度Cd的交互作用能促进西葫芦幼苗的生长，且Se浓度越大，促进作用越强；但不同浓度Se与较高浓度Cd交互作用则抑制了幼苗的生长，且Se浓度越大，抑制作用越强，表现出Se与Cd协同毒害现象，可见Se与Cd交互作用在西葫芦幼苗生长过程发挥着双重效应。

注：大写字母和小写字母分别表示在相同浓度Cd胁迫下不同浓度Se之间在0.01和0.05水平下有极显著和显著差异。下同。Note: Different capital and lowercase letters mean significant difference between different concentrations of Se at 0.01 and 0.05 level under the Cd stress with the same concentration respectively. The same as following.图1 不同浓度的硒镉交互作用对西葫芦幼苗苗高的影响Fig.1 Interactive effects of selenium and cadmium on the seedling height in zucchini seedlings

2.2 不同浓度的硒镉交互作用对西葫芦幼苗生物量的影响

由图2可知，不同浓度硒镉交互作用对西葫芦幼苗生物量产生的影响与苗高的影响相似，单一Cd胁迫下，随着Cd浓度的增加，西葫芦幼苗的鲜重和干重呈升高趋势。不同浓度Se与Cd交互作用下西葫芦幼苗的鲜重和干重总体高于相应单一Cd胁迫，且对鲜重的影响大于干重。影响最大的交互作用组合分别是Cd0.2+Se2.0、Cd0.4+Se2.0和Cd0.6+Se0.5。与单一Cd胁迫相比，低中浓度Cd(0.2、0.4 mg·kg-1)与不同浓度Se交互作用后鲜重的变化呈极显著差异，高浓度Cd(0.6 mg·kg-1)与不同浓度Se交互作用后鲜重的变化差异未达极显著水平；不同浓度Cd与不同浓度Se交互作用后干重的变化均不显著。由此可见，较低浓度Cd胁迫下，低中浓度Se可显著缓解Cd毒害对西葫芦幼苗生物量积累的抑制作用，使其生物量显著或极显著增加，高浓度Se的缓解作用不明显；但在高浓度Cd胁迫下，不同浓度Se对西葫芦幼苗生物量的促进作用较小，大部分处理西葫芦幼苗生物量的积累增长率降低，并呈现负增长。

图2 不同浓度的硒镉交互作用对西葫芦幼苗生物量的影响Fig.2 Interactive effects of selenium and cadmium on the fresh weight and dry weight in zucchini seedlings

2.3 不同浓度的硒镉交互作用对西葫芦幼苗SOD活性的影响

SOD是植物抗氧化系统的一个重要组成部分，能够有效清除外界胁迫下在植物体内产生的活性氧(reactive oxygen species，ROS)，减轻膜质过氧化反应并维持细胞膜的完整性，其活性可以反映植物对Cd胁迫适应能力的大小。由图3可知，单一Cd胁迫下，随着Cd浓度增加，西葫芦幼苗SOD活性随之提高。不同浓度Se与低浓度Cd(0.2 mg·kg-1)交互作用下西葫芦幼苗SOD活性均大于相应单一Cd胁迫，并随着Se浓度的增加而提高，表示出一定的正相关，其SOD活性分别是相应单一Cd胁迫的1.01、1.25和1.86倍。不同浓度Se与中高浓度Cd(0.4、0.6 mg·kg-1) 交互作用下，西葫芦幼苗中SOD活性均低于相应单一Cd胁迫，0.4 mg·kg-1Cd与不同浓度Se交互作用下，西葫芦幼苗SOD活性较相应单一Cd胁迫分别降低了13.80%、15.38%和11.56%，但差异不显著；0.6 mg·kg-1Cd与不同浓度Se交互作用下，西葫芦幼苗SOD活性较相应单一Cd胁迫分别显著降低了32.22%、21.96%和23.34%。

图3 不同浓度的硒镉交互作用对西葫芦幼苗SOD活性的影响Fig.3 Interactive effects of selenium and cadmium on the SOD activity in zucchini seedlings

综上表明，低浓度Cd胁迫下，外源一定浓度Se可明显提高西葫芦幼苗SOD活性，从而减轻或缓解重金属Cd对西葫芦幼苗生长的抑制或毒害。但随着Cd浓度的增加，外源Se对重金属Cd胁迫下西葫芦幼苗SOD活性的影响效果越来越弱，可能是因为随着Cd浓度的增加Se对Cd的拮抗作用越来越弱，也有可能与Se和Cd的协同毒害作用有关。

2.4 不同浓度的硒镉交互作用对西葫芦幼苗POD活性的影响

POD是植物应对外界氧化胁迫的一种重要的酶，可以有效消除H2O2，减轻氧化胁迫对植物体造成的伤害。由图4可知，单一Cd胁迫下，西葫芦幼苗POD活性的变化与SOD情况相似，即随着Cd浓度增加，西葫芦幼苗POD活性增加，表明Cd胁迫未超过西葫芦幼苗自身的防御能力，可以通过调节反应提高POD活性，使细胞免受或减轻Cd毒害。

与单一Cd胁迫相比，不同浓度Se可使低浓度Cd(0.2 mg·kg-1)胁迫下西葫芦幼苗POD活性增加，而使中高浓度Cd(0.4、0.6 mg·kg-1)胁迫下的POD活性降低。不同浓度Se与低浓度Cd交互作用中，西葫芦幼苗POD活性表现为Cd0.2+Se0.5>Cd0.2+Se2.0>Cd0.2+Se4.0，Cd0.2+Se0.5与单一Cd胁迫(Cd0.2)和其他组合相比差异极显著，其他组合与相应单一Cd胁迫差异不显著。不同浓度Se与中浓度Cd(Cd0.4)交互作用下使西葫芦幼苗POD活性低于单一Cd胁迫，但是各组合与相应单一Cd胁迫及各组合间差异不显著。不同浓度Se与高浓度Cd交互作用可极显著降低西葫芦幼苗POD活性。较高浓度Cd胁迫下，随着Se浓度的增加，西葫芦幼苗POD活性呈降低趋势，但与Se浓度并未呈现严格的负相关。

图4 不同浓度的硒镉交互作用对西葫芦幼苗POD活性的影响Fig.4 Interactive effects of selenium and cadmium on the POD activity in zucchini seedlings

2.5 不同浓度的硒和镉交互作用对西葫芦幼苗Cd和Se含量的影响

由图5可知，单一Cd胁迫下，随着Cd浓度增加西葫芦幼苗中Cd含量逐渐增加，Se含量逐渐降低。外源Se能够降低西葫芦幼苗对Cd的吸收，施加不同浓度Se(0.5、2.0和4.0 mg·kg-1)使西葫芦幼苗中Cd含量与相应单一Cd胁迫相比分别下降了10.87%、18.91%和9.45%(Cd胁迫浓度分别为0.2、0.4和0.6 mg·kg-1，下同)，12.14%、18.77%和4.29%，25.56%、24.28%和3.54%。此外，外源Se提高了西葫芦幼苗中Se含量，低浓度Cd(0.2 mg·kg-1)条件下，随着Se浓度增加，西葫芦幼苗中Se含量呈逐渐升高的趋势，不同浓度Se(0.5、2.0和4.0 mg·kg-1)与不同浓度Cd交互作用下西葫芦幼苗Se含量分别是相应单一Cd胁迫的1.5、2.0和2.5倍(Cd胁迫浓度分别为0.2、0.4和0.6 mg·kg-1，下同)，1.7、2.5和2.4倍，1.7、2.5和2.3倍，但是不同浓度Cd处理间差异不显著(P>0.05)。

图5 不同浓度的硒镉交互作用对西葫芦幼苗Cd和Se含量的影响Fig.5 Interactive effects of selenium and cadmium on Cd and Se concentration in zucchini seedlings

3 讨论

重金属Cd在环境中具有较强的移动性、生物有效性和较大的毒性，已成为目前最受关注的主要污染物之一[1]。Cd能影响植物的生长，植物对Cd胁迫最敏感的指标是苗高、鲜重和干重[29]。但也有研究发现，低剂量Cd能够促进植物生长[26]。本研究也得到了类似的结论，即随着Cd浓度增加，西葫芦幼苗苗高、鲜重和干重呈升高趋势。植物在Cd胁迫下能产生更多的ROS，当过剩的ROS打破细胞自身氧化还原平衡，会导致膜质过氧化引起氧化损伤。为了应对Cd氧化胁迫，植物自身免疫系统会把Cd隔离在新陈代谢不活跃的部分(如根部细胞壁和叶子的液泡)，从而抵御Cd诱发的氧化胁迫，这些免疫系统包括酶促和非酶促抗氧化系统。SOD和POD是酶促抗氧化系统中2个关键的抗氧化物酶，能催化超氧自由基、H2O2等有毒物质的分解，有效去除ROS，减轻外界胁迫对植物的毒害[2]。大量研究表明，Cd胁迫能改变植物的抗氧化酶活性，但其变化趋势不一致，在辣椒叶子、豌豆叶子、大豆幼苗、黄瓜毛状根、洋麻幼苗中的研究发现，一定浓度的Cd胁迫可使SOD和POD活性升高[30-33]，但油菜幼苗研究结果表明Cd明显抑制了SOD的产生[34]，而在欧芹幼苗试验中发现低浓度Cd可促进SOD 和POD 活性提高，高浓度却抑制这2种酶的活性[4]。在本研究选定的Cd浓度范围内，Cd对西葫芦幼苗的生长和抗氧化酶活性具有一定的促进作用。Cd胁迫对植物生长和抗氧化酶活性的影响产生差异的原因可能与Cd 浓度、处理时间、植物基因型和植物所处生育期等有关。

Se能有效缓解重金属的毒害作用[13]。生物量的变化是反映外界胁迫对植物造成毒害效益的一个重要指标[1]。关于Se与Cd交互作用对植物幼苗生长的影响已有相应报道[24-25]，但结论不一致。有研究认为，适宜剂量的Se与Cd交互作用能够促进植物幼苗的生长[9,34-36]，但也有研究认为Se与Cd交互作用是一个“双重作用”过程，即低浓度Se能够与Cd相互作用缓解其对植物的毒害并刺激植物生长，高浓度Se作为“助氧化剂”会导致植物进一步受到伤害[16-18]。本研究结果表明，不同浓度Cd与Se交互作用对西葫芦幼苗生长的影响不同，低中浓度Cd与Se交互作用能刺激西葫芦幼苗生长，高浓度Cd与Se交互作用会抑制西葫芦幼苗生长。Yu等[37]研究小白菜也得出了相似的结果，外源Se使低浓度Cd(10 μmol·L-1)胁迫下小白菜幼苗地上部鲜重增加了58%，使高浓度Cd(20 μmol·L-1)胁迫下小白菜幼苗的鲜重降低了27%，推测此时Se和高浓度Cd的协同作用增加了重金属对植物的毒害。

适量Se能够提高植物抗氧化性从而增强抵御重金属毒害的能力[14]，但关于Se与Cd交互作用对SOD和POD影响的结论不一。有研究表明，当Cd胁迫浓度较高时，Se与Cd交互作用能增加这2种酶的活性[22, 25]，但也有减少的情况[24]；有报道称不同浓度Se与Cd交互作用对这2种酶活性的影响不同[32, 37]。本研究也发现，不同浓度Se与低浓度Cd交互作用会提高西葫芦幼苗的SOD和POD活性，但不同浓度Se与中高浓度Cd交互作用抑制了西葫芦幼苗的SOD和POD活性，Cd和Se浓度越高，抑制作用越强。究其原因，低浓度Se能够调节ROS的新陈代谢，清除过剩的氧自由基，减少膜质过氧化，提高抗氧化酶活性，缓解Cd诱发的氧化胁迫，而高浓度Se在植物体内进行同化作用时消耗了抗氧化剂，抑制了植物体内部分酶的生物功能，反而增加了Cd的毒性；此外也可能与高浓度Se影响了这2种抗氧化酶转录过程有关。

适量Se能够显著减少Cd在作物中的累积[9,13,21,23]，但Se对Cd积累的这种拮抗效应受Cd和Se浓度及形态等多种因素的影响[5,14]。Saidi等[24]研究发现，随着Se浓度增加，向日葵幼苗叶片中Cd浓度呈先降低后逐渐升高的趋势，但均低于单一Cd胁迫；Feng等[17]研究发现，低浓度Cd胁迫下，随着外源Se浓度的增加能有效抑制水稻对Cd吸收，但在较高浓度Cd胁迫下，随着外源Se浓度的增加，水稻中Cd含量却逐渐增加。本研究结果表明，不同浓度Se降低了西葫芦幼苗中的Cd含量，抑制西葫芦幼苗吸收Cd的Se浓度为2.0 mg·kg-1。Se能抑制植物对Cd的累积可能与Se在植物体内能诱导产生可以与Cd螯合的一些特殊蛋白有关，也可能与Se抑制Cd向作物地上部的迁移和转运有关[9, 13-14]。

研究发现，Cd胁迫下外源Se能促进植物对Se的吸收[5, 17, 20, 22-23]。本研究同样发现随着Se浓度的增加，西葫芦幼苗中Se含量逐渐增加，表明在施加外源Se缓解作物Cd毒害的同时可以增加作物体内的Se含量，从而改善作物品质。

4 结论

本研究发现，不同浓度Se与Cd交互作用对西葫芦幼苗的生长及抗氧化酶活性的影响存在“双重效应”，低浓度Cd胁迫下，可以通过施加外源Se来缓解Cd的毒害，但高浓度Cd胁迫下施加外源Se并不一定能缓解Cd的毒害。因此通过外源Se缓解Cd对农作物的毒害时，应充分考虑Cd的浓度并选择适量的Se。本研究探讨了Se与Cd交互作用对西葫芦的影响，为探索Cd污染的治理以及毒害的缓解提供了一定的参考依据。但本试验仅从幼苗生长，SOD、POD 2种抗氧化酶活性及幼苗体内Se、Cd含量几方面进行了研究，还应对Se与Cd交互作用的机理进行深入分析，特别是2种元素在作物中的吸收、转运、代谢和积累等方面，为有关降低Cd在作物中的积累同时提高Se营养水平的研究提供理论依据。