镉对堇叶碎米荠生长生理特性的影响

黄东华，麦淑华，仇 曙，陈大清

（仲恺农业工程学院，a.园艺园林学院；b.农业与生物学院，广州 510225）

重金属污染是全世界面临的一个重要环境问题。镉（Cd）是在大自然中常见的污染范围较大的重金属之一，是一种具有生物累积性的有毒重金属，广泛应用于工业方面［1］。植物的生理功能和特性，如在光合作用中对水分和矿物质元素的吸收和运输及抗氧化酶活性等会被镉的毒性影响［2，3］。同时，植物的生长发育也会受到镉的影响，在镉胁迫下植物茎、根的生长受到抑制，叶片会出现畸形和明显黄化的现象［3］。镉离子除了影响植物对其他离子的吸收外，还会通过多种途径诱导活性氧的产生［4］，而为了避免活性氧的有害作用，植物已经进化出各种抗氧化防御机制。但在目前的医学发展中，没有针对镉中毒的特效解毒剂，镉进入人体的生物半衰期为10～30 年［5］。在大田作物中，镉是农产品重金属污染的主要污染物之一［6］，因为受污染的食品并不仅限于大米。

堇叶碎米荠（Cardamine violifoliaO.E.Schulz）属于十字花科碎米荠属，多产于湖北省、湖南省、广东省、广西壮族自治区等地；生长于水沟、小溪旁、山边及树林下湿润处，海拔在500 m 左右，是一种耐阴喜湿的草本植物［7］。堇叶碎米荠全株可入药，亦可作为野菜入馔，与广泛食用的荠菜具有亲缘关系［8］，也是一种资源植物。本研究从堇叶碎米荠的生理生化方面分析该植物在重金属镉胁迫下的生长状态及测定其各项指标，以期为该植物从重金属污染中得到一定程度的修复治理提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用堇叶碎米荠种子来自恩施土家族苗族自治州农业科学院。

供试试剂：1/2MS 培养液、乙醇、氯化镉、PBS 磷酸缓冲液（PVP，pH 7.8）、磷酸缓冲液（pH 7.0）、磷酸缓冲液（pH 7.5）、愈创木酚、H2O2、NBT、核黄素、EDTA，均购自广州源晶生物科技有限公司，所用试剂均为国产分析纯。

1.2 试验设计

筛选堇叶碎米荠成熟饱满的种子，于育种盘用蛭石培养50 d 后，幼苗长出5～6 片真叶时，开始移栽至不透光塑料纸盒中水培。每个纸盒容量750 mL，每个纸盒装500 mL 以去离子水配制的MS 培养液，适应性培养5 d。随后在水培液中添加不同浓度镉盐来实现对堇叶碎米荠的镉胁迫，各处理浓度分别为 0（CK）、50、100、150、200 mg/L，每 5 d 换水1 次，培养30 d 后收获得到样品。每组处理3 个重复，每个重复设置6 盆，每个盆中3 株苗，植物生长在受控的组培室中，光照度为2 000 lx，光照时间为16 h/d，温度为22 ℃/20 ℃（昼/夜）。

1.3 测定指标

测定各处理样品株高（株高测定从胚轴与芽之间的过渡点开始）。培养30 d 后，测定植株鲜重；用愈创木酚法测定过氧化物酶（POD）活性，用紫外吸收法测定过氧化氢酶（CAT）活性，用NBT 光还原法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性［9］。

1.4 数据处理

试验采用Excel 2016、SPSS 22.0 软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 镉盐胁迫对堇叶碎米荠生长的影响

Cd2+处理堇叶碎米荠的生长表现为随着浓度的升高生长受到抑制（图1）。随着Cd2+处理浓度的升高，堇叶碎米荠株高不断降低，并且各处理之间差异显著。当Cd2+处理浓度为200 mg/L 时，堇叶碎米荠株高达到最小，且与其他处理之间存在显著差异。

图1 不同浓度镉盐处理对堇叶碎米荠株高的影响

Cd2+处理堇叶碎米荠的生长发育表现为低浓度（50 mg/L）无显著影响，高浓度则抑制生长（表1）。当Cd2+处理浓度为0、50 mg/L 时，堇叶碎米荠各部位的鲜重较大，与对照之间无显著差异，但与其他处理组差异显著。当Cd2+处理浓度为100、150 mg/L 时，地上部分生长受到抑制，但2 组之间无显著差异。当Cd2+处理浓度为200 mg/L 时，地上部分鲜重最小，受抑制程度达到最大，且与其他处理存在显著差异。当 Cd2+处理浓度为 100、150、200 mg/L 时，地下部分生长受到抑制，但3 组之间无显著差异。总体来说，Cd2+处理浓度为100、150 mg/L 时，堇叶碎叶荠生长受到抑制，但2 组之间无显著差异；Cd2+处理浓度为200 mg/L 时，鲜重最小，受抑制程度达到最大，且与其他处理存在显著差异，所以随着处理浓度的升高，Cd2+对堇叶碎米荠的生长抑制强度逐渐加大。

表1 不同浓度镉盐处理对堇叶碎米荠鲜重的影响

2.2 镉盐胁迫对堇叶碎米荠叶绿素含量的影响

Cd2+处理堇叶碎米荠的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素和叶绿素a/b 表现为随着浓度的升高而降低，浓度最大时（200 mg/L）叶绿素含量最低（表2）。当Cd2+处理浓度在 0～100 mg/L 时，叶绿素 a 和叶绿素 a/b 随浓度升高而降低，但3 组之间无显著差异。当Cd2+处理浓度在 0～50 mg/L 时，叶绿素 b 含量降低，2 组之间无显著差异，但与其他处理组存在显著差异。当Cd2+处理浓度在100～200 mg/L时，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素和叶绿素a/b 随浓度升高而降低。

表2 不同浓度镉盐处理对堇叶碎米荠叶绿素含量的影响

2.3 镉盐胁迫对堇叶碎米荠过氧化物酶（POD）活性的影响

Cd2+处理堇叶碎米荠的过氧化物酶（POD）活性表现为随着浓度的升高呈先升高后降低趋势，浓度最大时（200 mg/L）POD 活性下降（图 2、图 3）。当Cd2+处理浓度在0～150 mg/L 时，堇叶碎米荠地上部分的POD 活性随着浓度升高不断升高，各处理之间存在显著差异。当Cd2+处理浓度为0、50 mg/L 时，堇叶碎米荠地下部位的POD 活性无显著差异，与其他处理之间差异显著。当Cd2+处理浓度在50～150 mg/L时，堇叶碎米荠地下部分的POD 活性随着浓度增加不断升高，各处理之间差异显著。当Cd2+处理浓度为150 mg/L 时，堇叶碎米荠地上部分和地下部分POD 活性均达到最大。当Cd2+处理浓度为200 mg/L时，堇叶碎米荠地上部分和地下部分POD 活性相比浓度150 mg/L 呈下降趋势，且与其他处理存在显著差异。

图2 不同浓度镉盐处理对堇叶碎米荠地上部分过氧化物酶（POD）活性的影响

图3 不同浓度镉盐处理对堇叶碎米荠地下部分过氧化物酶（POD）活性的影响

2.4 镉盐胁迫对堇叶碎米荠过氧化氢酶（CAT）活性的影响

Cd2+处理堇叶碎米荠的过氧化氢酶（CAT）活性表现为地上部分随着浓度的升高呈先升高后降低趋势，浓度最大时（200 mg/L）CAT 活性呈下降趋势（图4）；地下部分Cd2+浓度在 0～150 mg/L 时，CAT 活性整体呈升高趋势，但各处理间无显著差异，浓度最大时（200 mg/L）CAT 活性下降（图5）。当Cd2+处理浓度为 0、50 mg/L 时，地上部分 CAT 活性上升，2 组之间无显著差异；当Cd2+处理浓度在50～150 mg/L时，地上部分CAT 活性上升，3 组之间无显著差异。当 Cd2+处理浓度为 0～150 mg/L 时，地下部分 CAT 活性整体升高，4 组之间无显著差异；当Cd2+处理浓度为200 mg/L 时，地下部分CAT 活性达到最小，且与其他处理存在显著差异。

图4 不同浓度镉盐处理对堇叶碎米荠地上部分过氧化氢酶（CAT）活性的影响

图5 不同浓度镉盐处理对堇叶碎米荠地下部分过氧化氢酶（CAT）活性的影响

2.5 镉盐胁迫对堇叶碎米荠超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响

Cd2+处理堇叶碎米荠的超氧化物歧化酶（SOD）活性表现为随着浓度的升高呈先升高后下降趋势，浓度最大时（200 mg/L）SOD 活性下降（图5、图6）。当Cd2+处理浓度在0～150 mg/L 时，堇叶碎米荠SOD活性随Cd2+浓度增加不断升高，各处理之间存在显著差异；当Cd2+处理浓度为200 mg/L 时，地上部分的SOD 活性与处理浓度为150 mg/L 无显著差异，地下部分的SOD 活性下降，且与其他处理之间存在显著差异。

图6 不同浓度镉盐处理对堇叶碎米荠地上部分超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响

图7 不同浓度镉盐处理对堇叶碎米荠地下部分超氧化物歧化酶（SOD）活性的影响

3 小结与讨论

随着全球化农业的迅速发展，生活生产中人类把各种废弃物排入到环境中，给大自然造成严重的污染和负担［10］。镉是生长过程中的非必需元素，进入大自然后会对人类和动植物都产生较大的毒害作用。高浓度镉对植物的光合作用、呼吸作用、物质代谢等正常生长生理活动及细胞透性和保护酶活性都有很大影响［11］。王辉等［12］研究发现，随着镉浓度的上升，大豆幼苗的干重、株高及叶片中叶绿素含量显著降低，高浓度镉明显抑制了大豆幼苗的正常生长发育；Dai 等［13］研究表明，镉胁迫会使植物叶绿素含量降低，长期镉胁迫会使幼叶叶绿体发育不良，同时抑制成熟叶的光合作用。本研究中随着镉浓度的增加，堇叶碎米荠的株高显著下降；而镉对堇叶碎米荠鲜重和各叶绿素含量的影响是低浓度无显著差异，高浓度镉明显抑制堇叶碎米荠的生长，这与大部分研究结果相似。本试验中空白处理的堇叶碎米荠株高、地上地下部分鲜重、各叶绿素含量最高，表明高浓度的镉对堇叶碎米荠都有抑制作用，浓度越高抑制程度越强。

为了避免活性氧的有害作用，植物进化出多样的抗氧化防御机制，主要包括一些抗氧化酶类以及非酶类物质［14］。镉引起的活性氧的积累会诱导植物产生一系列抗氧化酶类来清除活性氧，以保证植物的生理活动得以正常进行［15］。镉引起酶活性变化的原因主要是镉引起了活性氧的大量积累，影响了抗氧化酶类的产生。一般而言，随着镉胁迫浓度升高和时间的延长，SOD、POD 和CAT 活性呈逐渐升高或者先升后降趋势。同样地，在本研究中随着堇叶碎米荠镉胁迫浓度的升高，SOD、POD 和CAT 活性先升后降，浓度150 mg/L 时各组酶活性达到最大，随后开始下降，这与大部分研究结果相似。表明适当的Cd2+处理提高了系列抗氧化酶活性，使堇叶碎米荠具有较强的清除活性氧的潜在机能，保证植物的正常生长。

堇叶碎米荠是十字花科碎米荠属草本植物，其生长迅速、周期长，生物量大。白宏锋等［16］、林立金等［17］研究表明，碎米荠是一种能大量富镉的超积累、生物产量高植物。在镉的胁迫下，堇叶碎米荠的株高、鲜重、各叶绿素含量都受到一定程度的抑制，酶活力等都有一定的提高，表明堇叶碎米荠是对镉敏感的植物，可在农业生产和镉污染防治中作为镉污染土壤与水体污染的指示，以便提前采取农业措施，修复环境，保障农业生产安全。