镉胁迫下青葙种子萌发及幼苗生理特性

胡佳瑶，王悟敏，匡雪韶，刘文胜

（中南林业科技大学生命科学与技术学院, 湖南 长沙 410004）

镉(Cd)是生物毒性最强的重金属元素之一，具有毒性持久、迁移性强和化学活性强等特点[1]。目前，我国镉污染土壤面积已达20 万km2，涉及国内11 个省市，部分地区镉污染十分严重[2]。造成镉污染的主要原因有化石燃料燃烧、垃圾填埋场渗滤液和磷肥过量使用等[3]。研究发现，镉在土壤中很难被消除，能通过食物链严重危害人类健康[4]。因而，土壤镉污染问题急需解决。植物修复技术成本低、适应范围广、环境扰动小、治理效果持久，受到国内外的广泛关注，筛选合适治理镉污染土壤的植物，尤其是超富集植物是植物修复技术的关键[5]。

种子萌发和幼苗生长是植物生长发育过程中最脆弱的时期，该阶段的适应性最能够体现植物对逆境的耐受性。植物在受到重金属胁迫时，种子萌发、幼苗生长状况是对环境适应的综合反应。同时，植物体内的渗透调节物质含量和抗氧化酶活性等都会发生变化来缓解胁迫所带来的毒害，但当胁迫程度过高时，渗透调节机制和抗氧化酶促系统遭到破坏，造成植物细胞膜脂过氧化。丙二醛是植物受到外界不良环境胁迫时细胞膜脂过氧化的最终产物，其含量的多少可用来反映植物被毒害的程度[6]。

青葙(Celosia argentea)是苋科青葙属的一年生草本植物，具有生物量大、适应性强、观赏价值高等特点。同时，该植物也是镉的超富集植物[7]，对镉有着极强的耐受和富集能力[8]，此外，青葙还对锰[9]、铜[10]有较强的耐受能力，可作为镉严重污染地区修复重要的候选植物。目前，对青葙的研究主要集中在景观价值、耐受性等方面，但镉对青葙种子萌发及幼苗生长这一生活史重要阶段的研究尚未见报道。

本研究以超富集植物青葙为研究对象，在不同镉浓度胁迫下，研究种子的萌发特性和幼苗的生理特征，探究其在镉胁迫下的生理耐受机制，研究结果可为土壤镉污染的植物修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用青葙种子于2020 年7 月采于湘江堤上(28°45′51.54″N，112°49′44.90″E)。现场调查发现，青葙平均高度1.2 m，在此地自然生长，人为干扰小，分布面积较大，在江边形成了一道美丽的景观。该植物结实量大，随机选择50 株长势良好的青葙，采集种子并置于信封带回实验室室温保存备用。青葙种子扁圆形，黑色有光泽，直径约1.5 mm，千粒重为0.5739 g。

1.2 试验方法

1.2.1 种子萌发试验

种子用0.2% KMnO4消毒10 min，用去离子水彻底清洗干净后置于放有两层滤纸、直径为90 mm的培养皿中，每个培养皿25 粒种子。综合参照Azizi 等[11]和偶春等[12]的方法，利用CdCl2分别设置0 (对照)、50、100、200、500 μmol·L−15 个镉浓度，每个处理5 个重复。青葙种子萌发试验在人工气候培养箱中进行，温度为(26 ± 0.5) ℃，相对湿度为70%，12 h 光照/ 12 h 黑暗，光照强度为200 μmol·(m2·s)−1。以青葙种子胚根达到种子直径1/2 为萌发，每天定时记录种子萌发数并加入去离子水保持湿润，连续统计青葙种子萌发情况直至连续3 d 无新种子萌发。根据所得萌发数据计算青葙种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数。青葙种子萌发结束后测定青葙幼苗的根长、芽长、鲜重、干重。

1.2.2 幼苗生长试验

采用盆栽沙培法进行青葙幼苗生长试验，将与萌发试验同批青葙种子放入装有200 mL 过2 mm筛洁净沙子的盆钵中，每盆10 粒种子。试验在与青葙种子萌发试验相同条件的人工气候培养箱中进行，每天加入去离子水保持培养基质湿润。青葙幼苗长出2～4 片真叶时用Hoagland 营养液进行培养。待青葙幼苗长出6～8 片真叶时用CdCl2进行镉胁迫，镉浓度设置与萌发试验相同，每个处理10 个重复。胁迫15 d 时采用青葙幼苗中、上部位叶片进行生理生化指标测定。

1.3 指标测定及方法

1.3.1 种子萌发指标测定

青葙种子萌发指标的测定参考潘高等[13]的方法：

式中：Gt为在t日的发芽种子数；Dt为发芽天数；S为幼苗高度。

1.3.2 幼苗生物量指标测定

于萌发第16 天每个浓度处理随机选10 株幼苗，用精度为0.1 mm 的游标卡尺测定幼苗的根长、芽长；用滤纸吸去幼苗表面的水分，用解剖刀分成地上部分和地下部分，采用万分之一电子天平称鲜重后于95 ℃杀青10 min，70 ℃下烘至恒重，计算根冠比[14]：

根冠比=地下部分干重/地上部分干重。

1.3.3 生理生化指标测定

丙酮浸提法测光合色素含量，氮蓝四唑法测超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性，愈创木酚法测过氧化物酶(peroxidase, POD)活性，紫外吸收法测定过氧化氢酶(catalase, CAT)活性，蒽酮比色法测可溶性糖含量，考马斯亮蓝法测可溶性蛋白含量，酸性茚三酮显色法测游离脯氨酸含量，硫代巴比妥酸法测丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量[15]。

1.4 数据处理

采用SPSS 23.0 进行单因素方差分析，并利用最小显著差数法进行多重比较，结果均以“平均值 ±标准差”表示。使用SigmaPlot 12.5 作图。

2 结果与分析

2.1 种子萌发及幼苗生长

种子萌发和幼苗生长是植物生命周期中最关键的阶段[16]。青葙种子发芽率随镉浓度升高基本无变化(P＞ 0.05)，发芽势在500 μmol·L−1时达峰值，为78.0%(表1)。发芽指数先升高再降低后又升高，各处理发芽指数较对照分别减少了14.47%、6.43%、17.68%和2.25%，活力指数随镉浓度的升高而显著下降 (P＜0.05)，分别减少了13.74%、12.64%、32.14%和58.24%，在500 μmol·L−1镉处理时降到最低。

表1 镉胁迫对青葙种子萌发的影响Table 1 Effects of cadmium stress on Celosia argentea seed germination

幼苗生长是植物对逆境胁迫适应的综合体现。青葙幼苗的根长随镉浓度的升高显著下降(P＜ 0.05)，芽长、根干重和根冠比整体也呈下降趋势，芽干重和干重则先升高后降低(表2)。各处理芽长较对照分别增加了0.85%、下降了6.84%、17.95%和57.26%，根长分别下降了62.43%、84.97%、87.86%和93.93%，干重分别下降了34.29%、5.71%、74.29%和74.29%，根冠比分别下降了50.00%、52.50%、66.25%和71.25%。干重在200 和500 μmol·L−1时均降到最低，为0.09 mg，芽长、根长及根冠比均在500 μmol·L−1时降到最低，分别为0.50 cm、0.21 cm、0.23。

表2 镉胁迫对青葙幼苗生长的影响Table 2 Effects of cadmium stress on Celosia argentea seedling growth

2.2 光合色素

植物叶片叶绿素的含量能反映植物光合作用能力强弱。叶绿素a、叶绿素b 和类胡萝卜素含量随镉浓度的增加而显著下降(P＜ 0.05)，叶绿素a 含量相较于对照分别下降了13.67%、18.71%、20.14%和24.46%，叶绿素b 含量分别下降了16.67%、23.81%、28.57%和26.19%，类胡萝卜素含量分别下降了13.04%、17.39%、15.22%和21.74% (表3)。叶绿素a 和类胡萝卜素含量 均 在500 μmol·L−1时 降 到 最 低，分 别 为1.05 和0.36 mg·g−1。

表3 镉胁迫对青葙幼苗光合色素的影响Table 3 Effects of cadmium stress on the photosynthetic pigment content of Celosia argentea seedlings

2.3 抗氧化酶活性

植物在受到胁迫时会形成一个抗氧化系统网络来清除活性氧并避免被氧化损伤，控制植物的抗氧化酶系统主要由SOD、POD、CAT 协同构成[17]。青葙幼苗叶片的SOD、POD 和CAT 活性随着镉浓度的增加呈先上升后下降的趋势(图1)，SOD 和POD活性均在100 μmol·L−1镉浓度处理时达到峰值，分别为702.35 和324.67 U·g−1，相较于对照分别显著增加了23.98%和53.87% (P＜ 0.05)。CAT 活性在200 μmol·L−1镉浓度处理时达到峰值，为715.00 U·(g·min)−1，相较于对照显著增加了60.97% (P＜ 0.05)。SOD 和CAT 活性在500 μmol·L−1镉浓度处理相较于对照分别显著增加了8.45%和34.90% (P＜ 0.05)，POD 活性在500 μmol·L−1镉浓度处理相较于对照增加了29.23%。

图1 镉胁迫下青葙叶片SOD、POD 和CAT 活性Figure 1 SOD, POD, and CAT activities of Celosia argentea leaves under cadmium stress

2.4 渗透调节物质含量

植物能通过积累各种渗透调节物质，如可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸，用于生理代谢，以克服外界胁迫所带来的危害[18]。可溶性糖含量随镉浓度的升高而逐渐升高，在500 μmol·L−1镉浓度处理时 达 到 峰 值4.65 mg·g−1，相 较 于 对 照 显 著 增 加 了95.38% (P＜ 0.05) (图2)。随镉浓度的升高，可溶性蛋白含量总体上升，在100 μmol·L−1镉浓度处理时达到最大值，为13.53 mg·g−1，相较于对照显著增加了144.67% (P＜ 0.05)。游离脯氨酸含量随镉浓度的升高呈先增加后下降的趋势，在100 μmol·L−1镉浓度处理时达到最大值，为12.08 mg·g−1，相较于对照显著增加了45.89% (P＜ 0.05)。

图2 胁迫下青葙叶片的可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸含量Figure 2 Soluble sugar, soluble protein, and free proline contents of Celosia argentea leaves under cadmium stress

2.5 丙二醛含量

青葙幼苗叶片丙二醛含量随着镉浓度的增加呈现逐渐上升的趋势，在500 μmol·L−1时镉浓度处理处达到峰值，为8.15 nmol·g−1，相较于对照显著增加了73.99% (P＜ 0.05) (图3)。

图3 镉胁迫下青葙叶片丙二醛含量Figure 3 Malondialdehyde content of Celosia argentea leaves under cadmium stress

3 讨论

3.1 种子萌发及幼苗生长

植物种子萌发与幼苗生长是最能体现植物对环境适应能力的时期。本研究中，镉胁迫对青葙种子发芽率与发芽势的影响较小，发芽指数和活力指数整体随镉浓度的升高而下降。这与镉胁迫对靡子(Panicum miliaceum)[19]和玉米(Zea mays)的影响研究[20]结果一致。说明高浓度的镉胁迫对青葙种子萌发的影响较小，其原因可能是青葙种子萌发主要靠种子内部提供营养物质，而对外界物质的利用较少。

青葙幼苗根长、芽长、根干重和根冠比整体随镉浓度的升高而下降，这说明镉抑制了青葙幼苗的生长。这与镉胁迫下苎麻(Boehmeria nivea)的研究结果[21]一致，可能是重金属镉抑制了种子内细胞生命活动，导致植物生长所需的营养物质不足，最终使植物的生物量减少。本研究还发现根冠比随镉浓度的升高而显著下降，说明镉对根的抑制作用大于地上部分，这与在辣椒(Capsicum annuum)幼苗上的研究结果[22]一致，可能是植物是通过根来吸收基质中的物质并输送到地上部分，且相较于植物地上部分，根与镉溶液直接接触，使根受到镉的抑制程度较大。

3.2 光合色素

叶绿素含量是体现植物光合作用强弱的重要参数，间接体现植物对不良环境的适应能力。本研究中叶绿素a、叶绿素b 和类胡萝卜素含量随镉浓度增加而下降，这与在匍匐剪股颖(Agrostis stolonifera)[23]、巨桉(Eucalyptus grandis)[24]和火炬树(Rhus typhina)[25]幼苗上的研究结果一致，可能是高浓度镉胁迫损坏了叶绿体内部结构，叶绿素的合成受到抑制，从而影响了光合作用与新陈代谢，进而影响植物的生长。

3.3 抗氧化酶

植物受到不利条件时，体内产生大量活性氧自由基，使得植物细胞膜脂过氧化，对植物产生毒害。植物体内的SOD、POD 和CAT 等抗氧化酶活性会增强以减少活性氧自由基对植物生理机能的损伤。本研究中，青葙幼苗叶片的SOD、POD 和CAT 活性随着镉浓度的增加呈先上升后下降的趋势，这与在早开堇菜(Viola prionantha)[26]、双腺藤(Mandevilla sanderi)[27]和黑杨派(Aigeiros)[28]上的研究结果一致，可能是镉浓度较低时，植物通过提高抗氧化酶活性并增加体内活性氧来抵抗重金属带来的毒害；随着镉浓度不断增加，植物产生活性氧的能力超过清除能力，使植物生物膜及酶系统受到的伤害增加，植物内环境紊乱，抗氧化酶最适环境遭到破坏，从而使植物体内的抗氧化酶活性降低。可以看出，胁迫浓度较低时，青葙能通过提高体内抗氧化酶活性来减轻镉所产生的毒害作用。

3.4 渗透调节物质

植物在遇到外界的不良环境时，会快速做出反应来缓解不利影响，提高植物体内的渗透调节物质含量，来维持植物细胞正常的生命活动。本研究中，可溶性糖和可溶性蛋白含量随镉浓度的升高而逐渐升高，这与镉胁迫下香樟(Cinnamomum camphora)幼苗上的研究结果[29]一致，可能是植物在受到镉胁迫时迅速反应，为应对外界的不利环境，植物通过产生大量的可溶性糖和可溶性蛋白为植物生理生化活动提供营养物质，同时，也提高植物细胞液浓度，保持植物体内水分调节，使植物细胞内渗透势降低，而可溶性蛋白增加能使植物细胞维持相应的膨压和正常代谢，保证细胞内各种生命活动和生化反应的进行。

游离脯氨酸含量随镉浓度升高呈先增加后下降的趋势，这与在珙桐(Davidia involucrata)幼苗[30]和尾穗苋(Amaranthus caudatus)[31]上的研究结果一致，可能是镉浓度较低时，植物能通过增加游离脯氨酸含量来减轻逆境带来的伤害；随着镉浓度的不断升高，植物体内各种生物化学反应和酶活性受到影响，导致游离脯氨酸含量减少。可以看出，胁迫浓度较低时，青葙能通过调控体内的渗透调节物质含量来抵抗重金属镉所带来的胁迫。

3.5 丙二醛

丙二醛含量的高低可代表植物遭受毒害的强度和对逆境条件下的反应能力。青葙幼苗叶片MDA含量随着镉浓度的增加呈现逐渐上升的趋势，这与在小白菜(Brassica rapavar.oleifera)[32]上的研究结果一致。其原因可能是随着镉浓度的升高，青葙所受到的毒害作用增强，植物细胞遭到破坏，膜脂过氧化程度加深，使得丙二醛的含量增加。这说明镉含量过高会导致青葙细胞膜脂过氧化，从而加大植物受到的伤害作用。

4 结论

镉胁迫对青葙种子发芽率和发芽势影响较小，但降低了发芽指数和活力指数，也降低了幼苗的根长、芽长、干重、根冠比；光合色素含量随镉浓度的升高而逐渐下降；抗氧化酶活性随着镉浓度的升高呈先上升后下降的趋势，游离脯氨酸含量随镉浓度的升高呈先增加后下降的趋势，可溶性糖、可溶性蛋白和MDA 含量均随镉浓度的升高而逐渐升高。青葙在高浓度镉胁迫下尚能生长，能通过提高抗氧化酶活性和调控体内的渗透调节物质含量来应对重金属镉带来的毒害作用，其抗逆性和耐镉能力较强，可作为土壤镉污染严重地区修复的候选植物。