曹 勇

（安慶師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，安徽安慶 246011）

稀土鑭對重金屬鎘污染芥菜的生理生化活性的影響

曹 勇

（安慶師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，安徽安慶 246011）

利用土培方式研究芥菜在重金屬鎘與稀土鑭的單一和復(fù)合作用下生理生化活性的變化，結(jié)果表明，鎘在低濃度（小于4 mg/kg）時對芥菜生理活性影響不大，甚至有輕微的促進作用，而在高濃度時表現(xiàn)出強的脅迫作用；一定濃度范圍的稀土鑭能較好地促進芥菜的各項生理指標，且對鎘的逆境脅迫有緩解作用。在鎘的脅迫下，芥菜葉片葉綠素、可溶性蛋白、可溶性糖含量下降，Pro含量上升；在稀土鑭的作用下，芥菜葉片葉綠素、可溶性蛋白、可溶性糖含量上升，Pro含量下降。

鎘；鑭；脅迫；芥菜；生理生化活性

鎘對動植物都是毒性元素，不同來源的鎘污染通過土壤、植物、水體以及食物進入食物鏈，引起人和動物中毒［1］。有關(guān)土壤鎘污染對植物生長發(fā)育及吸收、累積的影響已有大量的報道，但多為小麥、水稻、玉米、油料等作物［2-8］，而對芥菜類作物研究較少。另一方面，適宜濃度的稀土元素對農(nóng)作物有顯著的增產(chǎn)效應(yīng)［8-10］，且對提高植物抗旱、抗寒、耐酸雨和耐重金屬脅迫能力有一定的促進作用［11-14］，并能較好地增強作物的抗逆性。本實驗擬用廣西橫縣產(chǎn)四季抗熱甜竹芥做試材，研究鎘對芥菜生理生化活性的影響以及鑭的緩解作用，為緩解農(nóng)田重金屬污染提供研究數(shù)據(jù)，并為稀土農(nóng)用積累實驗依據(jù)。

1 實驗部分

土培實驗：芥菜菜籽用0.01mol/L KMnO4浸泡10小時，播種于4 cm培養(yǎng)器中，澆Hoagland營養(yǎng)液，待菜苗長至第二片真葉時移出，移種于30 cm塑料花盆中。每盆加2.5 kg無污染土，以去離子水澆灌，并分五組進行土培處理，分別為空白對照組CK（加Hoagland營養(yǎng)液）、Cd2+單一處理組（Ⅰ）（以CdCl2形式加入）、La3+單一處理組（Ⅱ）（以LaCl3形式加入）、Cd2++La3+復(fù)合處理組（Ⅲ）和（Ⅳ），每組設(shè)兩個重復(fù)，一個月后對芥菜葉片進行生理生化活性測定，各組處理的具體濃度梯度如表1所示。

表1 各處理組的濃度（mg/kg）

測定方法：葉綠素含量的測定參照文獻［15］，游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定［16］，過氧化物酶活性（POD）的測定參照文獻［17］，過氧化氫酶（CAT）活性的測定采用高錳酸鉀法［18］，丙二醛（MDA）含量的測定采用硫代巴比妥酸法［19］，可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法［20］，可溶性蛋白含量的測定采用福林酚法［21］，硝酸還原酶活性的測定方法參照文獻［22］。

2 結(jié)果與討論

2.1 鎘、鑭單一處理和復(fù)合處理對芥菜葉綠素含量的影響

圖1為鎘和鑭不同處理組的濃度變化對芥菜葉綠素含量的影響，可以看出，土壤經(jīng)4 mg/kg和10 mg/kg鎘處理后，葉片葉綠素含量略微增加，分別為CK的1.06和1.12倍，說明低濃度的鎘對葉綠素含量有一定促進作用，這可能是低濃度的鎘進入植物葉片細胞后刺激了光合作用，促使植物葉綠素含量的積累；Cd2+＞10 mg/kg時，葉綠素含量隨鎘濃度的升高而明顯下降，這可能是Cd2+被植物根系吸收后，Cd2+與葉綠素合成途徑的活性酶結(jié)合，抑制酶的活性，從而阻礙植物的光合作用［7］，且高濃度Cd2+的毒害作用明顯。

圖1 鎘和鑭不同處理組的濃度變化對芥菜葉綠素含量的影響

Ⅱ組經(jīng)稀土鑭處理后，芥菜葉片葉綠素含量普遍高于CK，且在鑭濃度為（2.4～240）mg/kg范圍內(nèi)葉綠素含量隨鑭濃度先逐漸升高而后降低，在120 mg/kg達到最高點，說明添加鑭有助于提高植物葉綠素含量，但濃度過高對植物也有抑制作用。鑭能增加植物葉綠素含量的原因可能與鑭能促進植物葉綠體蛋白的合成有關(guān)，其作用在于延緩植物葉片葉綠體的衰老，促使葉綠素含量的增加［7］。

比較Ⅲ組和Ⅰ組數(shù)據(jù)，在24 mg/kg鑭的基礎(chǔ)上添加不同濃度的重金屬鎘之后，Ⅲ組各濃度梯度的葉綠素含量均比所對應(yīng)的Ⅰ組高，說明鑭的存在有助于緩解鎘的脅迫作用，提高葉綠素含量。尤其是（1）和（2）梯度，當單獨用鎘處理時，葉綠素含量變化不是很明顯，當兩者復(fù)合處理后葉綠素含量明顯增加。比較Ⅲ組和Ⅱ組梯度（3）可知，Ⅲ組（1），（2）梯度的葉綠素含量高于Ⅱ組梯度（3），這可能是低濃度的鎘與鑭在植物體內(nèi)產(chǎn)生一定的協(xié)同作用，刺激植物光合代謝；當鎘濃度高于10 mg/kg時，葉綠素含量隨鎘濃度的增大而大幅下降，說明鎘的脅迫作用逐漸增強。

比較Ⅳ組和Ⅱ組數(shù)據(jù)，在40 mg/kg鎘的基礎(chǔ)上添加不同濃度的鑭之后，Ⅳ組的葉綠素含量隨鑭濃度先增加而后降低，在24 mg/kg鑭時達到峰值，但Ⅳ組芥菜的葉綠素含量普遍低于所對應(yīng)的Ⅱ組，說明鎘的脅迫作用明顯。比較Ⅳ組和Ⅰ組梯度（3）數(shù)據(jù)，Ⅳ組在40 mg/kg鎘脅迫時加入不同濃度的鑭，芥菜葉綠素含量均增加，但在鑭濃度較低時增加不明顯，當稀土鑭濃度為24 mg/kg時達到最大值，進一步說明鑭有助于緩解重金屬鎘對芥菜的脅迫作用。

2.2 鎘、鑭單一及復(fù)合處理對芥菜可溶性蛋白含量的影響

由圖2可知，經(jīng)鎘處理后，Ⅰ組芥菜葉片可溶性蛋白含量變化較為明顯，五個濃度的可溶性蛋白含量分別為CK的1.01，0.97，0.94，0.65和0.84倍，即隨鎘濃度的增加可溶性蛋白含量呈下降趨勢，其中鎘濃度為80 mg/kg時達到最低點。表明低濃度（4 mg/kg）鎘對芥菜生長影響不大，而較高濃度鎘對芥菜生長有明顯脅迫作用。

Ⅱ組經(jīng)鑭處理后，五個濃度梯度的可溶性蛋白含量均有所增加，分別為CK的1.04，1.04，1.11，1.17和1.01倍，說明鑭能提高芥菜可溶性蛋白的積累，原因可能在于鑭離子進入植物細胞并加強細胞蛋白酶的活性。

圖2 鎘和鑭不同處理組的濃度變化對芥菜可溶性蛋白含量的影響

比較Ⅲ組和Ⅰ組數(shù)據(jù)，在24 mg/kg鑭的基礎(chǔ)上添加不同濃度的重金屬鎘之后，Ⅲ組可溶性蛋白含量隨鎘濃度的升高而逐漸降低，且在（4～80）mg/kg濃度范圍內(nèi)蛋白含量均高于Ⅰ組，當鎘濃度達到160 mg/kg時蛋白含量低于對應(yīng)Ⅰ組梯度，說明24 mg/kg的鑭有助于緩解鎘的脅迫作用，但當鎘的濃度過高時，鑭的緩解作用降低。再比較Ⅲ組和Ⅱ組梯度（3），在24 mg/kg鑭作用時加入不同濃度的鎘之后，Ⅲ組只有梯度（1）即鎘濃度4 mg/kg時蛋白含量高于對應(yīng)的Ⅱ組梯度（3），其余梯度都低于Ⅱ組梯度（3），說明24 mg/ kg的鑭對低濃度鎘（4 mg/kg）的緩解作用較好，但對較高濃度鎘的脅迫緩解作用減小，甚至達不到緩解作用。

比較Ⅳ組和Ⅱ組數(shù)據(jù)，在40 mg/kg鎘的基礎(chǔ)上添加不同濃度的鑭之后，Ⅳ組各梯度蛋白含量均低于所對應(yīng)的Ⅱ組梯度，說明鎘的存在減弱了鑭對芥菜葉片可溶性蛋白的合成作用。再比較Ⅳ組和Ⅰ組濃度梯度（3），Ⅳ組在40 mg/kg鎘脅迫時加入不同濃度的鑭后，梯度（3）和（4）的可溶性蛋白含量均高于Ⅰ組梯度（3），而梯度（1），（2）和（5）的可溶性蛋白含量均低于Ⅰ組梯度（3），說明鑭的濃度過低或過高均不能緩解40 mg/kg鎘的脅迫作用，反而促進鎘的脅迫作用，降低可溶性蛋白的含量。

2.3 鎘、鑭單一及復(fù)合處理對芥菜脯氨酸（Pro）含量的影響

由圖3可知，Ⅰ組芥菜經(jīng)鎘處理后，各梯度葉片脯氨酸含量分別為CK的0.96，1.67，3.98，1.21和1.31倍，說明低濃度鎘（4 mg/kg）對芥菜生長影響不大，而隨鎘濃度的增加，芥菜的鎘脅迫作用明顯，在鎘濃度為24 mg/kg時脯氨酸含量達到峰值，說明該濃度對芥菜氮素代謝阻礙效果最大，而在鎘濃度為80 mg/kg和160 mg/kg時脯氨酸有所回升，可能是鎘濃度過大造成大量鎘離子蓄積從而引起芥菜代謝發(fā)生紊亂，提高脯氨酸含量。

圖3 鎘和鑭不同處理組的濃度變化對芥菜脯氨酸（Pro）含量的影響

Ⅱ組經(jīng)稀土鑭處理后，各梯度脯氨酸含量均比CK有所降低，且隨鑭濃度增加脯氨酸含量呈下降趨勢，在鑭濃度為120 mg/kg時脯氨酸含量最低，為CK的0.45倍，表明一定濃度的鑭能促進芥菜的氮素代謝作用［12］。

比較Ⅲ組和Ⅰ組數(shù)據(jù)，在24 mg/kg鑭的基礎(chǔ)上添加不同濃度的鎘之后，Ⅲ組各濃度梯度的芥菜脯氨酸含量普遍低于所對應(yīng)的Ⅰ組，其中Ⅲ組梯度（3）變化最明顯，降至所對應(yīng)Ⅰ組的0.26倍，緩解作用明顯，說明鑭有助于改善鎘脅迫下芥菜細胞膜脂化作用，降低脯氨酸的含量；再比較Ⅲ組和Ⅱ組梯度（3），在24 mg/kg鑭作用時加入不同濃度的鎘之后，Ⅲ組各梯度脯氨酸的含量分別上升為Ⅱ組梯度（3）的1.35，2.12，1.59，1.65和1.87倍，Pro含量均有不同程度的升高。

比較Ⅳ組和Ⅱ組數(shù)據(jù)，在40 mg/kg鎘的基礎(chǔ)上添加不同濃度的鑭之后，Ⅳ組各梯度的Pro含量均高于所對應(yīng)的Ⅱ組梯度，且在鑭濃度為（2.4～120）mg/kg范圍內(nèi)Pro含量隨鑭濃度逐漸下降，但在鑭濃度為240 mg/kg時出現(xiàn)輕微回升；再比較Ⅳ組和Ⅰ組梯度（3），與單一鎘脅迫相比，Ⅳ組各梯度芥菜葉片Pro含量有較明顯的下降，說明一定濃度的鑭對40 mg/kg鎘脅迫芥菜有一定的緩解作用，降低作物Pro含量，對應(yīng)提高了可溶性蛋白含量，增強作物的氮素代謝。

2.4 鎘、鑭單一及復(fù)合處理對芥菜可溶性糖含量的影響

由圖4可知，Ⅰ組經(jīng)鎘脅迫后，芥菜葉片可溶性糖含量變化較大，在鎘濃度為4 mg/kg時略高于CK，約為CK的1.05倍，說明低濃度鎘誘導(dǎo)了作物自身光合作用，積累碳水化合物糖含量，這同前人研究結(jié)果一致［8］；而隨著鎘濃度的增大，可溶性糖含量普遍低于CK，在鎘濃度為80 mg/kg時降至最低，約為CK的0.26倍，說明該濃度鎘對芥菜毒害作用較大。

Ⅱ組施加單一鑭后，各濃度梯度的葉片可溶性糖含量有不同程度的上升，分別為CK的1.62，1.84，2.02，1.70和1.01倍，其中鑭濃度為24 mg/kg時可溶性糖含量最大。這可能是鑭對植物光合作用系統(tǒng)有促進作用，提高植物光合色素含量，促使增加對空氣中CO2的固定，從而增加碳水化合物的積累［23］。

比較Ⅲ組和Ⅰ組數(shù)據(jù)，在24 mg/kg鑭的基礎(chǔ)上添加不同濃度的鎘，當鎘濃度為4 mg/kg和10 mg/kg時，Ⅲ組可溶性糖含量略高于Ⅰ組，隨著鎘濃度的增加，Ⅲ組糖含量低于Ⅰ組，尤其是鎘濃度達到160 mg/kg時，可溶性糖含量降至最低，表明鎘對芥菜葉片碳水化合物代謝的阻礙作用隨鎘濃度的增大而增加；再對比Ⅲ組和Ⅱ組梯度（3），Ⅲ組各梯度的可溶性糖含量出現(xiàn)大幅度下降，分別降至Ⅱ組梯度（3）的0.53，0.34，0.25，0.13和0.009倍，說明隨著鎘濃度的增加，鎘脅迫作用明顯。

圖4 鎘和鑭不同處理組的濃度變化對芥菜可溶性糖含量的影響

Ⅳ組是在40 mg/kg鎘的基礎(chǔ)上添加不同濃度的鑭，與Ⅱ組相比，Ⅳ組可溶性糖含量在鑭濃度為（2.4～120）mg/kg范圍內(nèi)低于Ⅱ組各對應(yīng)濃度梯度，說明一定濃度的鎘（40 mg/kg）對上述濃度范圍內(nèi)葉片碳水化合物代謝有明顯的抑制作用，但鑭濃度為240 mg/kg時，可溶性糖含量高于Ⅱ組，表明高濃度鑭對作物光合系統(tǒng)的促進作用要大于鎘的毒害作用，提高了可溶性糖的含量。再比較Ⅳ組和Ⅰ組梯度（3），Ⅳ組各梯度的可溶性糖含量普遍高于Ⅰ組梯度（3），說明不同濃度的鑭增強了鎘脅迫下的碳水化合物代謝。

3 結(jié) 論

芥菜在加入重金屬鎘之后，葉片變黃，變薄，出現(xiàn)葉邊干枯，植株矮小，根部腐爛等現(xiàn)象，尤其較高濃度鎘作用表現(xiàn)明顯，說明鎘對芥菜生長起阻礙作用。

在不同濃度鎘的脅迫下，比較芥菜葉片的各項生理指標與CK比較發(fā)現(xiàn)，單一鎘在低濃度時對芥菜生理活性影響不大甚至有輕微的促進作用，而在高濃度時表現(xiàn)出強的脅迫作用。例如低濃度鎘（4 mg/kg）作用時，芥菜葉片的葉綠素、可溶性蛋白、脯氨酸及可溶性糖的含量分別為CK的1.06，1.01，0.96和1.05倍；但是當鎘濃度升高時，脯氨酸含量明顯升高，其余各項明顯降低，表明重金屬鎘對芥菜生理活動有較強的毒害作用。

單一鑭作用下的芥菜植株長勢良好，其高度、葉片厚度等指標明顯高于CK組，且相比CK，各項生理活性指標變化明顯，例如葉片葉綠素、可溶性蛋白、可溶性糖含量上升，Pro含量降低，這些生理活性的變化在鑭濃度為24 mg/kg和120mg/ kg時表現(xiàn)尤其突出，在120 mg/kg時，芥菜葉片的葉綠素、可溶性蛋白和脯氨酸含量分別為CK的1.76，1.17，0.45，在24mg/kg時，可溶性糖含量為CK的0.33，說明稀土鑭有助于促進作物生長與生理活性代謝，但濃度過高時促進作用減緩。

在鎘脅迫的基礎(chǔ)上加入不同濃度的鑭之后，脅迫明顯緩解，各生理生化指標較單一鎘脅迫時有較好的改善，說明稀土鑭能緩解鎘對芥菜生理活動的影響，提高植物機體的免疫力，且鑭濃度為24，120 mg/kg對鎘緩解作用較好。另外對照一定濃度稀土鑭作用時加入不同濃度的重金屬鎘之后，各生理生化指標較單一鑭作用明顯降低，說明一定濃度（40 mg/kg）鎘會降低低濃度稀土鑭的促進作用，但對高濃度鑭作用時則表現(xiàn)效果減緩。

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Study on the Effect of Rare Earth La on Mustard under Cd Stress

CAO Yong
（School of Life Science，Anqing Teachers College，Anqing 246011，China）

Ecophysiological effect of single Cd2+or La3+and double Cd2+-La3+treatment on mustard were studied through earth culture experiment.The results showed that the Cd2+had little effect on Mustard in low concentration，but strong stress effect in high concentration.Under the stress of single Cd2+，the contentof chlorophyll，soluble protein and soluble sugar in Mustard leaf decreased，but the content of praline increased.Ecophysiological activity of the mustard can be promoted.Rare earth La3+had obvious detoxication to cadmium on mustard under double Cd2+-La3+treatment.

cadmium，lanthanum，stress，mustard，ecophysiological effect

O616

A

1007-4260（2014）03-0109-05

時間：2014-9-15 16：07 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//www.cnki.net/kcms/doi/10.13757/j.cnki.cn34-1150/n.2014.03.027.html

2013-11-22

曹勇，男，安徽安慶人，安慶師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院講師，主要從事生命科學(xué)領(lǐng)域的研究。