镉胁迫对小白菜种子萌发、生理特性及其镉积累的影响

王迪华 王改玲 樊存虎

摘    要：以丰抗80为试验材料，研究不同镉含量（w，后同）（0、5、10、20、30、40 mg·kg-1）对小白菜种子萌发及生理特性的影响。结果表明，在镉胁迫下，小白菜种子萌发和生理特性受到不同程度的影响。低镉含量（5 mg·kg-1）促进种子萌发，高镉含量（≥20 mg·kg-1）则抑制种子发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数。随着镉含量的增大，植株的抗氧化酶活性和MDA含量均显著高于CK。在30 mg·kg-1镉处理下，小白菜叶片中SOD、POD、CAT活性和MDA含量分别是CK的1.63、2.63、3.89和2.80倍。同時，小白菜植株地下部分富集镉能力较强，且高于地上部分。这表明高含量（≥20 mg·kg-1）的镉胁迫可显著抑制小白菜种子萌发和植株的生长发育。

关键词：小白菜;镉胁迫;萌发特性;生理特性;镉积累

中图分类号：S634.3 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2021）09-080-04

Effects of soil cadmium stress on seed germination， physiological characteristics and cadmium accumulation of pakchoi

WANG Dihua1， WANG Gailing2， FAN Cunhu1

（1. Shanxi Yuncheng Vocational and Technical College of Agriculture， Yuncheng 044000， Shanxi， China; 2. College of Resources and Environment， Shanxi Agricultural University， Taigu 030801， Shanxi， China）

Abstract： In order to study the effects of different concentrations（0， 5， 10， 20， 30， and 40 mg·kg-1） of cadmium on the seed germination and physiological characteristics of Pakchoi， the Feng Kang 80 of cabbage cultivar was used as experimental material. The results showed that seed germination and physiological characteristics of Feng Kang 80 were affected to varying degrees under cadmium stress. Low concentration（5 mg·kg-1） promoted seed germination， while high concentration（≥20 mg·kg-1） significantly inhibited seed germination rate， germination potential， germination index and vigor index. With the increasing of cadmium concentration， the antioxidant enzyme activities and MDA content of the Feng Kang 80 plants were significantly higher than those of CK. When the concentration of cadmium was 30 mg·kg-1， the activities of SOD， POD and CAT， and the content of MDA were 1.63， 2.63， 3.89 and 2.80 times of the CK. Besides， the underground part of Feng Kang 80 plants showed a higher cadmium accumulation capacity than the above-ground part. This indicated that high concentration（≥20 mg·kg-1）of cadmium stress could significantly inhibit the seed germination and physiological characteristics of Feng Kang 80.

Key words： Pakchoi; Cadmium stress;Germination characteristics; Physiological characteristics; Cadmium accumulation

随着工业化的深入推进和迅速发展，大量工业废水通过灌溉而进入农田，最终使得我国约1/5的耕地面积受到不同程度的重金属污染[1]。重金属镉（Cd）是危害性大、分布广的污染物之一，具有降解难、可移动性强、隐蔽性高、毒性大等特点[2-3]，能被植物吸收和富集而进入食物链，严重危害人类的健康[3-4]。研究表明，土壤重金属镉可以抑制植物的生长与发育，导致植物发育迟缓、生长受阻、产量降低、品质下降、镉含量超标，引发严重的环境问题和社会问题[5-7]。

叶菜类蔬菜是国民日常生活中不可缺少的蔬菜之一，其对镉的富集能力高于根茎类、豆类和茄果类蔬菜[8]。在居民的生活消费中，白菜类蔬菜占有较大的比重。我国白菜类蔬菜生产区域土壤存在不同程度的镉污染[9]，但是不同植物和不同品种对重金属的富集及其在各器官的分配能力不同，部分植物将富集的重金属大量转移至植株的地下部分[10-11]。因此，研究土壤镉胁迫下白菜类蔬菜的植株生长情况和不同部位的镉含量，不仅对于蔬菜的安全性评估和安全生产具有指导作用，而且对降低人体对镉的摄入风险，保证人类健康有重要的意义。鉴于此，笔者以小白菜为对象，研究土壤不同镉含量胁迫下小白菜的种子萌发特性、植株生长及其对镉的富集情况，以期为镉污染农田的蔬菜安全生产提供可能的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试白菜品种为丰抗80，购自河北神禾种业有限公司。

1.2 方法

2018年9月，从山西运城农业职业技术学院的实验基地田土里挖取适量的土壤。土壤理化性质：镉含量（w，后同）0.19 mg·kg-1，速效钾119.80 mg·kg-1，全氮1.85 g·kg-1，全磷1.60 g·kg-1，有机质20.54 g·kg-1）。将土壤置于实验室内自然通风阴干。粉碎后，用0.2 cm×0.2 cm的筛网进行过筛，并充分搅拌混匀。试验设置6个水平的土壤镉含量，根据试验设置，人工加入镉质量浓度为50 mg·L-1的CdCl2溶液适量，分别制成镉含量为0（CK，即不加镉溶液的原土，默认为对照）、5、10、20、30、40 mg·kg-1的对照组和试验组土壤基质。

2018年10—11月，在山西运城农业职业技术学院的实验室和温室分别进行种子萌发和植株生长试验。萌发时，在培养皿中垫2张滤纸，而后分别加入0、5、10、20、30、40 mg·kg-1的镉溶液10 mL，以蒸馏水为空白对照，即CK。每个处理3次重复，每个重复50粒种子。培养皿放在25 ℃的恒温光照培养箱中进行培养，光照/黑暗周期为：12 h/12 h，光照度为2000 lx。植株生长试验时，先在温室里的育苗床上，对小白菜统一育苗;而后将已制备好的含镉土壤基质装入一次性塑料花盆（上底×下底×高=240 mm×190 mm×210 mm），用电子秤称量，确保每盆的质量一致。当幼苗长出2～3片真叶时，将幼苗移栽至已备好的花盆里，并置于温室中培养。每个处理重复15盆，每盆栽植1棵小白菜。45 d后，对样品进行全株式采样，并将样品保存备用。

1.3 指标测定及方法

每间隔24 h，统计白菜的萌发情况，当萌发停止时，计算种子的发芽率和发芽势。发芽率/%=发芽种子数/供试种子数×100，发芽势/%=萌发到达高峰期时的发芽种子数/供试种子数×100，发芽指数（GI）=∑（Gt/Dt），活力指数（VI）=S×GI。式中，Gt为处理t日的发芽数，Dt为相应的发芽天数，S为幼苗根长。

用硫代巴比妥酸比色法测定丙二醛（MDA）含量;采用NBT光还原比色法测定抗氧化酶系统的超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈疮木酚法测定过氧化物酶（POD）活性，采用紫外分光光度法检测[12]过氧化氢酶（CAT）活性。小白菜植株的地上和地下部分镉含量检测参照国标（GB/T 5009.15—2014）。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2016对数据进行统计与整理，用SPSS 2.0软件进行处理与分析，并用Graph Pad Prism 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 镉胁迫对小白菜种子萌发的影响

由表1可以看出，在镉胁迫下，小白菜种子发芽率存在低剂量刺激效应，即在镉含量为5 mg·kg-1时，种子发芽率为96.00%，高于对照，但与对照差异不显著。随着镉含量增大，小白菜种子萌发特性呈现出与镉含量呈负相关的趋势。在镉含量≥20 mg·kg-1时，小白菜的发芽率和发芽势急剧下降;当镉含量为40 mg·kg-1时，种子的发芽率和发芽势均最低，仅为18.67%和12.67%，与对照相比，分别降低了80.41%和85.15%。当镉含量为5 mg·kg-1时，小白菜种子发芽指数为24.45，略高于对照，但与对照差异不显著;活力指数则为87.50，与对照差异不显著。当镉含量为20 mg·kg-1时，种子发芽指数和活力指数也急剧降低，分别仅为16.87和37.08，均显著低于对照。随着镉含量进一步提高，达到本试验最高含量时，发芽指数和活力指数仅为4.13和6.97。这表明在高含量下，镉严重抑制了种子的萌发和幼苗根系的生长。

2.2 镉胁迫对小白菜植株抗氧化酶活性和MDA含量的影响

由图1可以看出，在镉胁迫下，各处理组抗氧化酶活性均显著高于对照，对照小白菜植株SOD、POD和CAT活性均最低，分别为150.44、63.73、39.53 U·g-1。随土壤镉含量增大，SOD酶和POD活性呈先升高而后下降趋势，CAT酶活性则与土壤镉含量呈正相关。当镉含量为30 mg·kg-1时，处理组SOD和POD活性均达到最大，分别为244.51 U·g-1和167.71 U·g-1，分别是对照的1.63倍和2.63倍。当镉含量为40 mg·kg-1时，处理组的CAT活性达到最大，为174.78 U·g-1，是对照的4.42倍。

由图2可以看出，小白菜植株MDA含量（b，后同）呈现随着镉含量升高而显著上升趋势。其中，对照植株MDA含量最低，为1.16 μmol·g-1。当镉含量分别为5、10、20、30、40 mg·kg-1时，小白菜植株MDA含量分别为1.50、2.03、2.72、3.32、4.14 μmol·g-1，分别是对照组的1.27、1.72、2.30、2.80、3.50倍。这表明小白菜植株的细胞膜系统受到了镉的胁迫和毒害，植株生长发育受到抑制。

2.3 镉胁迫对小白菜不同部位镉积累的影响

由图3可以看出，随土壤镉含量升高，小白菜对镉的富集增大，小白菜植株地上部分、地下部分镉含量均显著增加。在土壤镉含量相同情况下，对照和镉处理组小白菜植株的地下部分镉含量均大于地上部分。这表明小白菜对于镉的吸收和富集，其地下部分相对高于地上部分。

进一步分析可以看出，对照白菜植株也有一定的镉含量，地上部分为0.031 3 mg·kg-1，地下部分为0.063 7 mg·kg-1，表明试验用的土壤含有重金属镉。当土壤镉含量为5 mg·kg-1时，小白菜植株的总体镉含量为0.347 3 mg·kg-1，地上与地下部分镉含量分别为0.118 6、0.228 7 mg·kg-1。在该镉污染水平下，小白菜的镉总体含量超过国家标准（国标GB 2762—2017，葉菜类Cd≤0.2 mg·kg-1 ，以鲜质量计）;然而就小白菜地上食用部分而言，其镉含量仅为0.118 6 mg·kg-1，尚远低于国标。随着土壤镉含量的进一步提高，其植株的总体镉含量、地上与地下部分的含量均显著高于国标。当土壤镉含量为40 mg·kg-1时，地上与低下部分的镉含量均达到最高，分别为3.966 mg·kg-1和7.316 mg·kg-1。

3 讨论与结论

植物种子萌发和幼苗生长不仅是其生活周期的起点，也是感知外界环境因素变化的最初生命阶段[5]。重金属对植物种子萌发的影响，通常有“低剂量”刺激效应，即低浓度促进萌发，高浓度则抑制萌发的现象;在临界值处，随着重金属离子浓度提高，植物的自我防御机制将受到破坏，引起代谢紊乱，生长发育受到影响[1]。彭昌琴等[13]研究重金属镉对尾穗苋种子萌发特性的影响时发现，在镉质量浓度较低时（0～50 mg·L-1），发芽率与镉质量浓度呈正相关;而镉质量浓度大于50 mg·L-1时，二者则呈负相关。本试验也发现类似的结果，即土壤镉含量对小白菜的萌发也有低剂量促进，高剂量抑制的特性，但是绿叶蔬菜的镉耐受性相对尾穗苋较低。

抗氧化系统是植物的重要保护机制，对重金属胁迫下种子的萌发有重要的保护作用[1]。丙二醛是细胞膜脂质过氧化产物之一，可以对细胞膜造成损伤，增加膜的通透性[14]。植物在逆境胁迫下，为了防止生物膜脂过氧化，植物抗氧化酶的活性会发生相应的变化，SOD、POD与CAT等酶的活性将提高而清除过量的氧自由基和丙二醛，以应对或缓解胁迫因子对膜系统的伤害[15]。低浓度Cd2+胁迫下， 蔬菜体内抗氧化酶活性呈上升趋势， 当Cd2+浓度达到或超过一定范围后， 活性氧清除酶的能力则会降低[1-2]。本研究结果表明，随着镉含量的增大，小白菜的SOD和POD的活性先升高后降低，但均显著高于对照;CAT的活性则随着镉含量的增加而提高。这和张睿等[16]、何俊瑜等[17]关于镉胁迫下苦荞与小麦幼苗生长发育的结果相一致。同时，随着植物受胁迫程度的加大，抗氧化酶活性提高，有机体MDA也将逐渐积累;当胁迫程度超过临界值时，抗氧化酶活性受到抑制，MDA将进一步积累，破坏生物膜系统，影响植物的生长发育[18-19]。试验结果表明，当土壤镉含量为40 mg·kg-1时，幼苗的MDA含量显著高于前面处理，而SOD和POD酶活性则显著低于30 mg·kg-1的处理。这表明在40 mg·kg-1镉的胁迫下，小白菜的SOD、POD酶丧失对膜系统的保护作用。

不同植物品种对重金属的耐受性和积累能力有较大差异，同一品种不同部位对于重金属的积累也有所不同[19-21]。本试验结果表明，在不同镉含量处理下，小白菜丰抗80植株不同部位对重金属镉的富集能力有较大差异，其地下根系的富集能力强于地上茎叶部分。这也与前人研究报道一致[2，7-8，19]。同时，在低镉含量（5 mg·kg-1）污染下，小白菜植株的总体镉含量为0.347 3 mg·kg-1，地上与地下部分镉含量则分别为0.118 6和0.228 7 mg·kg-1;而国标GB 2762—2017规定：叶菜类蔬菜的重金属镉含量≤ 0.2 mg·kg-1则为安全。鉴于土壤环境复杂多样，而且不同栽培模式、不同品种对镉的富集能力存在显著差异[7，19]，因此，小白菜对镉的耐受性评价还应该结合更多的品种进行更深入的研究。

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