重金属镉(Cd)对甜菜影响研究进展

马秋颖，张福顺

(1.黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080；2.农业农村部甜菜品质监督检验测试中心，哈尔滨 150080)

0 引言

随着社会的不断发展进步，工业迅速发展的同时，也为人类和自然带来巨大威胁。镉(Cd)是除铅(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)、砷(As)外对人体危害最大的重金属，也是重金属中毒性最强的重金属之一[1]，被认为是人类致癌物[2]，在自然界中常以化合物的形式存在。重金属镉(Cd)是人体的非必需元素，其对人体的伤害主要通过感染植物间接危害人体。20世纪初期轰动全球的日本“痛痛痛病”，就是人们食用经来自河流镉污染的大米引发的[3]。其运作原理主要是通过工业行为，使化合物形式的镉释放于环境中，加之企业管理不当使来源于工业废水灌溉农田、大气镉离子(Cd2+)沉降、以及长期施用磷肥等的镉流入河流污染水源，而受污染的水流入农田被植物吸收，吸入植物体内的重金属镉通过破坏细胞的氧化还原平衡对植物造成损害。具体来说，镉的积累导致大量活性氧(ROS)的产生，造成植物膜系统损伤，影响正常的细胞功能，甚至导致内膜系统的崩溃和死亡[4]。由于叶片是进行光合作用的主要场所，因此一旦植物叶片膜系统受到损伤，植物体内叶绿素的含量会随之降低，蒸腾作用和光合作用的速率也会降低，从而使得植物的根、茎、叶中养分浓度发生变化，导致植物被毒害[5]。此时人一旦食用受污染的植物，植物中的重金属则会以食物链[2]的形式进入人体，损害肾脏功能，甚至引起骨骼病变，增加骨质疏松症、类风湿关节炎和骨关节炎等肌肉骨骼疾病的发病率[6]。

甜菜是除甘蔗以外主要的制糖原材料。甜菜除了可以用于制糖外，其茎叶、青头、尾根以及甜菜粕等均有很高的利用价值，既可作为酿造原料，提取甜菜碱等，又是优质多汁饲料。近年来，随着对甜菜研究的增加，甜菜不再局限于观赏及制糖用途，同时也推广到药用行业，作为营养保健、治疗及预防肿瘤、治疗高血压、糖尿病、增强免疫力等的材料[7]。因此，一旦甜菜受到镉污染，不仅会对甜菜生产不利，严重的还会危害到人类食用安全。

因此，对于甜菜受镉胁迫的研究变得尤其重要。本文从甜菜受镉胁迫后的形态指标、生理指标和营养指标三个方向出发，结合植物受到镉胁迫后的耐性机制以及其他金属离子减弱镉毒害的效应，为培育高质量甜菜提供理论依据。

1 重金属镉胁迫下甜菜生理生化特性

1.1 重金属镉胁迫对甜菜形态指标的影响

诗云“春色满园关不住，一枝红杏出墙来”、“接天莲叶无穷碧，映日荷花别样红”、“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”、“千里黄云白日曛，北风吹雁雪纷纷”，我们只需观察周围的景色便可知晓“春去秋来”。同样，当重金属胁迫植物时，我们肉眼可见的是植物的形态变化。通过大量查阅资料，Cd2+浓度对植物生长有着重要的决定性作用。研究发现，施加不同浓度的Cd2+对甜菜的表现具有不同的显现。施加少量Cd2+不会对甜菜产生消极影响，甚至可以促进甜菜的生长；施加过量Cd2+，植物的形态则随着Cd2+浓度的增加出现了严重的抑制作用。具体表现为，当Cd2+处理浓度较小时，随着Cd2+浓度的增加促进甜菜生根，使甜菜叶面积增加，茎伸长，而这一促进生长的现象达到最高值时甜菜的根、茎、叶则随着Cd2+浓度的增加表现为干重和鲜重含量降低，叶片黄化褪绿，生根受到抑制，茎伸长缓慢甚至不变，植株矮小[8]。研究表明重金属镉对植物形态具有相似的影响，尤其观赏部位相同的植物，如刘思妹[9]等人在研究中发现，与甜菜形态类似的萝卜幼苗的叶长和宽以及根系的伸长随着Cd2+浓度的增加而呈现下降趋势，萝卜种子发芽势也表现出下降趋势。相关研究在水培条件下对三个辣椒品种[10]施加Cd2+，结果发现三个辣椒品种的根长、表面积和根尖都显著降低生长与甜菜的研究实验也相类似。同样，在对水稻的研究实验中发现Cd胁迫对水稻幼苗的生长不仅存在浓度效应同时还具有时间效应。换句话说，当Cd2+浓度较低时，Cd2+对水稻的生长不仅没有抑制作用会存在有一定促进作用，而水稻幼苗的根长、株高、叶数等呈下降趋势的现象是在Cd2+处理浓度逐渐增加并过量以及随着时间的增加的过程中逐步显现出来的[11]。另外，高芳[12]等人通过观察花生的形态变化发现，轻(1.0 mg·kg-1)、中(2.5 mg·kg-1)度镉胁迫对花生的主茎高度和侧枝长度具有刺激作用，而重(7.5 mg·kg-1)、高(15.0 mg·kg-1)度镉胁迫导致花生主茎和侧枝的生长受到严重的抑制。

植物分为地上部分和地下部分，地上部分的营养物质、水分和矿物质主要通过地下部分的根系运输到达地上部分，从而保证植物的正常生长。刘大林等人发现Cd2+处理主要是通过直接影响植物根系的活力，影响根系运输过程，导致植株矮小、叶片面积降低，分蘖数减少等，或通过减少光合产物的分配影响根系从而达到影响植物生长的目的[13]。综合分析后发现，重金属镉胁迫也是通过这样的运作机制抑制甜菜的根、茎、叶，鲜重以及干重，以期达到抑制甜菜生长的目的。

1.2 重金属镉胁迫对甜菜生理指标的影响

1.2.1 重金属镉胁迫对甜菜叶绿素含量、光合速率的影响

叶绿素是光合作用顺利进行的必要条件，也是全世界最常见的色素[14]。它们不仅在光合作用和基因工程中起着至关重要的作用，同时也对调节生物体的代谢功能起着重要的作用[15]。甜菜除根部具有重要的制糖作用外，其叶片也具有重要的使用价值，像其它植物一样甜菜通过叶片将有机物和空气中的二氧化碳在叶绿素的作用下吸收释放出氧气和水使光合作用得到有效进行。当叶片中Cd2+增加时，叶片的叶绿素含量降低，最终导致甜菜光合速率下降，从而影响甜菜生长。相似研究还有，随着Cd2+浓度的增加，萝卜[16]幼苗体内的叶绿素含量及类胡萝卜素含量均呈现下降趋势，同时也伴随着叶绿素含量和光合速率的降低。镉胁迫对不同品种马铃薯[17]的相关研究发现，Cd2+主要通过破坏叶绿素的结构、降低光合作用中光合色素的积累有效抑制植物的光合作用，最终抑制植物生长，降低生物量。与甜菜的研究实验一致。

1.2.2 重金属镉胁迫对甜菜抗氧化酶活性的影响

活性氧(ROS)对植物的生长发育有重要的调节控制作用，可以通过影响细胞的分裂、伸长、分化，从而影响植物的生根、发芽、开花、结实等。同时金属很容易与控制代谢反应速度的几种酶结合形成“新的”金属酶复合物从而致使酶催化活性的丧失[18]。研究表明镉(Cd)对甜菜伤害作用最严重的就是氧化胁迫。氧化胁迫会导致甜菜体内活性氧的增加，虽在一定程度上促进了甜菜的生长，但是随着Cd2+浓度的增加和时间的延长，甜菜表现为过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化物酶活性降低。除此之外其他植物在镉处理后也出现了相似的现象，例如姜虽然对Cd2+处理有一定的适应性，但是随着时间的延长以及高浓度的处理，使姜的活性氧增加，活性氧代谢失调，最终因为叶片膜系统严重受损而影响植物生长[19]。在所有的抗氧化酶中，过氧化物酶(POD)是植物在逆境条件下酶促防御系统的关键酶之一，主要参与ROS的清除[20]。研究表明过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)等酶抗氧化剂和抗坏血酸(ASA)和胡萝卜素等非酶抗氧化剂在镉胁迫下快速积累，应对活性氧在镉处理后的增加从而保护植物免受镉胁迫后发生的氧化损伤[21-22]。众多研究[17，23，24]表明植物抗氧化酶活性在镉胁迫后先呈现上升的趋势，随着Cd2+浓度的增加，抗氧化物活性逐渐下降。张奋琴[25]等人在研究镉胁迫对黄瓜影响时发现在叶绿体的抗氧化防御系统中，经Cd2+处理浓度不断增加，超氧化物歧化酶(SOD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)和谷胱甘肽还原酶(GR)的活性降低，与前人实验一致。大米枝条响应镉胁迫[26]的研究发现，Cd2+可以通过消耗自由基清除剂或通过激活产生ROS的酶来间接增强氧化应激从而产生大量抗氧化物酶。在毛竹实验中，镉的胁迫下增强了SOD和POD的活性[27]。美洲黑杨雌雄株的脯氨酸含量也呈现上升趋势[28]。研究表明，甜菜受到Cd2+处理后，其体内活性氧含量增加，在一定程度上刺激抗氧化物酶的增加，植物生长伴随有短暂的促进效果，但是随着Cd2+浓度的逐渐上升，活性氧代谢失调，抗氧化物酶活性逐渐下降，最终抑制甜菜生长。

1.3 重金属胁迫对甜菜营养指标的影响

植物吸收金属的能力与植物自身的健康状况有很大的关系。研究表明在土壤中添加镉后植物生长普遍下降，此时植物吸收金属的能力也随之下降[29]。具体研究表明，甜菜具有吸收锰(Mn)、钼(Mo)、铁(Fe)、硼(B)、铜(Cu)的能力。研究发现，在Cd2+处理下随着Cd2+浓度的增加，甜菜吸收矿物质的能力表现为铁含量下降，其他含量呈现不同程度的升高，同时甜菜中锰、钼、铁、硼、铜的含量均呈现叶>茎>根的规律，由于铁是叶绿素形成必不可少的元素，因此铁含量的下降导致叶绿体发生严重变化，从而影响甜菜的正常生长。其他类似研究表明同一作物的不同器官对于重金属的吸收能力也存在不同。许艳萍等人发现，根系在成熟期对Pb、As、Cd、Cu和Zn这5种重金属的吸收高于幼苗期; 茎叶在成熟期对重金属Pb、As和Cd的富集高于苗期，但对Cu、Zn的富集却是苗期高于成熟期[30]。另外同一器官的不同结构对重金属的吸收也存在差异，刘媛[30]等人研究表明，植物韧皮部对于Mg、Mn、Fe的吸收随着镉浓度的增加呈现下降趋势;木质部Ca、Mg、Mn、Zn、Fe 等5种常规金属元素的积累与未胁迫时并无明显变化;根部却受到显著抑制[31]。陈京都等人研究镉胁迫对不同基因型水稻生长及矿质营养元素吸收的影响时发现Cd胁迫促进了植物对Ca2+的吸收，却明显抑制了对Mg、P和K的吸收，且存在基因型的差异[32]。研究表明Cd2+处理不仅会促进甜菜体内绝大多数营养元素的增加，也会降低Fe的含量，但是无论怎样影响甜菜体内的营养元素含量均呈现叶>茎>根的规律。

2 植物的耐镉机理

植物一旦受到重金属胁迫，会产生一系列耐性机理，常见的有抗氧化系统、区域化作用、根系分泌物、螯合作用和细胞壁沉淀作用等。其中根系分泌物、根部细胞的细胞壁属于胞外机制，抗氧化系统、区域化作用和螯合作用属于胞内机制[33]。

2.1 细胞壁沉淀作用

位于土壤中的镉首先作用于甜菜根系，在甜菜根系中富集，通过细胞壁进入细胞质，从而达到毒害效果。同时植物自身具有抑制重金属离子大量富集的机制，一旦感应到Cd2+的入侵，其细胞会发起一系列屏障以减少伤害，而细胞最先的屏障就是进入植物体内的Cd2+被细胞壁固定于果胶位点[34]。由于细胞壁中存在大量可以与Cd2+结合形成沉淀的羟基、羧基、醛基及氨基等负电基团，所以使进入植物细胞质的Cd2+降低，从而减小植物受到的镉毒性。

2.2 抗氧化系统

在对于重金属镉的抗氧化系统中，根据Cd2+浓度的不同，清除活性氧的方式也不同，主要包括两方面内容：如图1低浓度下，植物体内会产生大量超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)，SOD可以催化超氧阴离子自由基(O2-)与氢离子(H+)结合生成过氧化氢(H2O2)和氧气(O2)，然后H2O2在POD和CAT作用下转化为水，从而降低植物受伤害程度；如图2高浓度下，通过抗坏血酸(ASA)、还原型谷胱甘酸(GSH)、谷胱甘酸还原酶(GR)和坏血酸过氧化物酶(APX)等共同作用下完成防御[35]。

图1 低浓度镉胁迫的抗氧化系统

图2 高浓度镉胁迫的抗氧化系统

2.3 螯合作用

2.3.1 植物螯合肽

植物螯合素(Phytochelatins，PC)是生物体内的小分子多肽，由谷氨酸(Glu)、半胱氨酸(Cys)、甘氨酸(Gly)组成，其基本结构为(γ-Glu-Cys)n-Gly，n=2～4[36]。需要注意的是植物螯合素并不是由基因直接翻译而来，而是通过两个步骤[34]共同完成：第一步，半胱氨酸和谷氨酸在γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-GCS)和ATP-Mg作用下合成γ-谷氨酰半胱氨酸(γ-GC)，最后经过谷胱酰胺合成酶(GS)形成还原型谷胱甘肽(GSH)：第二步，还原型谷胱甘肽通过植物螯合肽合成酶(PCS)以及Cd2+刺激下合成植物螯合肽(PC)，形成稳定的金属复合物，进入细胞质从而转移到液泡中，减少植物所受危害。

2.3.2 金属硫蛋白

金属硫蛋白(MT)是具有半胱氨酸富集结构域的小分子量蛋白质，在植物生长、发育和维持金属稳态方面起着关键作用[37]。MT对于不同的重金属具有不同的解毒程度，其结构域上至少可以同时与7个金属离子结合[38]。在已发现的可以与MT结合的18种金属离子中，除Cu2+外，最为紧密的就是Cd2+[39]。MT一旦与Cd2+结合就很难被其他离子置换[40]。因此植物巧妙运用MT的这些特点，将植物体内的金属离子排出体外，以减少重金属的毒害。

3 外源金属离子对镉的影响

随着重金属污染的加剧，中国乃至全世界对其关注逐渐加深，寻找降低重金属污染的脚步也逐渐增多。近年来，有学者采取向被重金属污染的植物中增施重金属的方法缓解重金属毒害，并取得了重大成绩。研究表明，某些金属离子之间存在拮抗作用，如钙(Ca)[41]与镉(Cd)之间就存在竞争作用。在一定的范围内，向植物中增加的Ca2+越多，镉对于植物的影响就越小。李贺[42]等人在已经施加Cd2+的大蒜中加入Ca2+，观察其反应发现，随着Ca2+的增加，大蒜的株高、假茎粗、鲜质量、干质量、叶片中色素含量、叶片的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度及矿质元素的吸收等均出现先升后降的趋势，且在Ca2+施加到5 和6 mmol/L时促进作用达到最高，与之相类似的还有硫(S)减轻苦荞[43]和硅(Si)[44]的实验。

4 结 论

镉(Cd)虽然不是植物体内必需的重金属，但是镉对人和植物的毒性却是相对较强的。重金属镉主要通过根部吸收进入植株，当镉进入植株后，形成“自由空间”，通过主动或被动吸收通过细胞膜进入胞质，运输到木质部导管[45]，影响植物生长。即使在低浓度下它也可能会通过锌(Zn)，钙(Ca)，锰(Mn)和铁(Fe)等必需矿物质的通道吸收导致植物体内的稳态紊乱。重金属对甜菜的胁迫主要表现在甜菜的形态指标、生理指标和营养指标三方面：一是镉污染主要导致甜菜干重、鲜重、株高、茎长等形态指标降低，叶片黄化褪绿；二是使甜菜叶绿素含量、光合速率、蒸腾作用速率、气孔导度[18]以及抗氧化物酶活性等生理指标下降；三是使甜菜体内矿物质含量减少，从而影响甜菜生长，影响使用效果，危害身体健康，与桂花实验[46]类似。甜菜吸收矿物质的影响，主要表现在通过降低自身对铁的吸收，影响叶绿素的形成。由于铁是构成叶绿素分子的必需元素，因此甜菜体内的铁元素减少，首先会影响叶绿素的形成，从而间接影响甜菜生长。张芬琴[47]等人发现Cd胁迫不仅通过抑制豆科植物根的伸长影响植物的形态指标，还可通过促进根内超氧阴离子(O2-)产生和过氧化氢(H2O2)积累影响植物的生理指标。由于重金属在甜菜体内的积累，甜菜自身会产生一系列耐性机制降低镉的毒害，常见的细胞壁的沉降主要通过细胞壁中的负电基团发挥作用，而抗氧化系统则通过抗氧化酶类和非酶类化合物[48]两类发挥作用；植物的螯合作用中常用的螯合剂除有机酸和氨基酸外还有植物螯合肽以及金属硫蛋白，两者对于重金属的调控也具有极其重要的作用。除此之外，其他外源金属离子也具有降低镉毒害的作用，主要在于这些金属离子与镉的拮抗作用，如钙[41]和硒(Se)[49]等。

5 问题与展望

镉(Cd)是一种长期隐藏的环境污染物，对所有生物有着严重的毒性作用[50]。Cd 胁迫对植物的研究可大致分为形态指标、生理指标、结构指标及营养指标四部分。虽然镉胁迫植物的研究很多，但是具有经济价值的甜菜受镉污染的研究却相对较少，同时没有详细的研究表明甜菜受镉污染后，镉在甜菜体内的主要聚集地、甜菜受到镉胁迫后的修复作用。今后应加强这些方面的研究，为培育抗重金属镉污染作物(特别是抗重金属甜菜)的育种提供方向，以期充分发挥甜菜的经济价值。