張美德　艾倫強(qiáng)　盧超　何銀生　劉海華

摘要：以白術(shù)為材料，研究了在200、300 μmol/L CdCl2脅迫下加入4 μmol/L Na2SeO3對(duì)白術(shù)幼苗生長(zhǎng)和部分生理特性的影響。結(jié)果表明，在200 μmol/L CdCl2處理中，當(dāng)加入硒元素后，白術(shù)葉片的鎘含量顯著下降，SOD、APX和POD活性顯著增強(qiáng)，過(guò)氧化氫和丙二醛含量顯著下降，白術(shù)植株鮮質(zhì)量顯著上升，表明硒能有效緩解鎘引起的逆境脅迫。而在300 μmol/L CdCl2處理中，當(dāng)加入硒元素后，白術(shù)葉片的鎘含量幾乎不變，盡管SOD和APX活性顯著增強(qiáng)，但過(guò)氧化氫和丙二醛含量繼續(xù)上升，白術(shù)植株鮮質(zhì)量進(jìn)一步下降，表明此時(shí)的硒加劇了鎘引起的逆境脅迫。上述結(jié)果說(shuō)明硒主要通過(guò)減少白術(shù)葉片對(duì)鎘的吸收來(lái)緩解鎘脅迫，而抗氧化酶系統(tǒng)在硒緩解鎘脅迫中發(fā)揮的作用尚有待深入研究。

關(guān)鍵詞：白術(shù)；鎘；硒；逆境脅迫；生理特性

中圖分類號(hào)： S567.23+3.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0306-03

鎘是常見(jiàn)的重金屬污染物，可通過(guò)農(nóng)藥化肥、污水排放或灌溉等多種方式對(duì)土壤造成污染。土壤中的鎘通過(guò)作物的吸收富集對(duì)作物產(chǎn)生不良的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致作物生長(zhǎng)受抑、枯萎甚至死亡[1]。硒是植物生長(zhǎng)發(fā)育的有益元素[2]，對(duì)鎘有拮抗作用，相關(guān)研究表明添加硒元素能減少植物對(duì)鎘的吸收[3-4]，并且增強(qiáng)植物抗氧化能力[5-6]，從而在一定程度上能緩解鎘對(duì)植物的毒害。白術(shù)（Atractylodes macrocephala Koidz.）是菊科多年生植物，以根莖入藥，能健脾益氣、燥濕利水、止汗、安胎，用于脾虛食少、腹脹泄瀉、痰飲眩悸、水腫、自汗、胎動(dòng)不安[7]。湖北省咸豐縣是白術(shù)的重要產(chǎn)地之一，然而咸豐縣白術(shù)產(chǎn)區(qū)的土壤重金屬調(diào)查結(jié)果表明，部分土地存在鎘污染問(wèn)題[8]，而土壤鎘超標(biāo)會(huì)影響白術(shù)的生長(zhǎng)以及藥材的品質(zhì)。本研究以白術(shù)幼苗為材料，研究硒對(duì)鎘脅迫下白術(shù)幼苗生理特性的影響，旨在探討硒緩解鎘對(duì)白術(shù)傷害的生理生化機(jī)制，以期為中藥材種植的重金屬污染防治提供理論依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)中藥材的優(yōu)質(zhì)、安全種植。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

選取當(dāng)年成熟的白術(shù)種子，在25 ℃下暗培養(yǎng)7 d催芽，挑選整齊一致的白術(shù)幼苗進(jìn)行下列不同條件的水培：在1/2 Hoaglands營(yíng)養(yǎng)液中分別加入4 μmol/L Na2SeO3 （Se處理組）、200 μmol/L CdCl2（Cd1處理組）、300 μmol/L CdCl2（Cd2處理組）、4 μmol/L Na2SeO3 + 200 μmol/L CdCl2（Se + Cd1處理組）、4 μmol/L Na2SeO3 + 300 μmol/L CdCl2（Se + Cd2處理組），并設(shè)空白對(duì)照（0處理組）。溫室培養(yǎng)條件如下：光源為白色熒光燈（6 000 lx，16 h白天/8 h晚上），溫度為25 ℃。水培14 d后分別檢測(cè)地上和地下部位的生物量，并取葉片進(jìn)行下列生理指標(biāo)測(cè)量。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

葉片鎘含量采用原子吸收分光光度法檢測(cè)[9]，葉片硒含量采用原子熒光光度法檢測(cè)[10]，丙二醛含量用硫代巴比妥酸（TBA）法[11]測(cè)定，過(guò)氧化氫含量采用二甲酚橙法[12]測(cè)定，抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）活性采用ASA法測(cè)定[13]，超氧化物歧化酶（SOD）和過(guò)氧化物酶（ POD）活性測(cè)定參照文獻(xiàn)[11]的相關(guān)方法。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件和SPSS 18.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 硒對(duì)鎘脅迫下白術(shù)幼苗生長(zhǎng)發(fā)育的影響

從表1可以看出，與對(duì)照相比，鎘脅迫處理（不加硒）嚴(yán)重影響了白術(shù)幼苗的生長(zhǎng)，植株鮮質(zhì)量顯著下降。在鎘脅迫條件下加入硒元素后，Cd1處理組和Cd2處理組植株鮮質(zhì)量變化顯著。硒的加入促進(jìn)了Cd1處理組的生長(zhǎng)，植株鮮質(zhì)量顯著上升，比添加硒元素前增加24.0%，表明硒有效緩解了鎘產(chǎn)生的逆境脅迫；而Cd2處理組植株鮮質(zhì)量在加入硒后進(jìn)一步下降，表明硒加劇了鎘產(chǎn)生的逆境脅迫。

2.2 硒對(duì)鎘脅迫下白術(shù)幼苗鎘含量積累的影響

白術(shù)葉片鎘含量檢測(cè)結(jié)果（表2）表明，鎘可以被白術(shù)吸收并運(yùn)輸?shù)饺~片部位。此外，硒元素能減少葉片部位對(duì)鎘的吸收，有利于緩解鎘脅迫造成的逆境傷害。在Cd1組處理中添加硒元素顯著減少了白術(shù)葉片對(duì)鎘元素的吸收，降幅達(dá)到26.4%；而在Cd2組處理中添加硒元素只使白術(shù)葉片對(duì)鎘元素的吸收減少了5.6%。值得注意的是，在2個(gè)鎘處理組中加入硒元素后，與Se處理組相比，葉片中的硒含量都顯著上升，且Se+Cd2組處理組葉片部位的硒含量最高。

2.3 硒對(duì)鎘脅迫下白術(shù)幼苗葉片抗氧化系統(tǒng)的影響

2.3.1 葉片SOD、CAT、APX、POD等抗氧化酶活性的變化 SOD是所有植物抗氧化防御機(jī)制中不可或缺的部分， 它能迅速與超氧陰離子反應(yīng)并將其歧化成過(guò)氧化氫，在植物的抗逆中起關(guān)鍵性作用。如圖1所示，與對(duì)照組相比，鎘脅迫（不加硒）顯著抑制了白術(shù)葉片的SOD活性，Cd1處理組和Cd2處理組分別下降為對(duì)照組的75%和60%。在添加硒元素后，Cd1處理組和Cd2處理組的SOD活性均顯著增強(qiáng)，分別達(dá)到對(duì)照組的87%和74%。

CAT是植物中清除活性氧的關(guān)鍵酶，它能使將氧化氫分解成水和氧分子，除去逆境脅迫條件下植物體內(nèi)累積的過(guò)氧化氫。與SOD變化相反，鎘脅迫（不加硒）誘導(dǎo)了白術(shù)葉片CAT活性顯著增強(qiáng)；然而在添加硒元素后，2種鎘脅迫處理組的CAT活性都下降到對(duì)照水平（圖2）。

APX被認(rèn)為是葉綠體中清除過(guò)氧化氫的關(guān)鍵酶。與對(duì)照組相比，在遭受鎘脅迫（不加硒）后，白術(shù)體內(nèi)的APX酶活性增強(qiáng)，Cd1處理組和Cd2處理組均達(dá)到對(duì)照組的2倍，有利于加快體內(nèi)過(guò)氧化氫的清除。在添加硒元素后，Cd1處理組和Cd2處理組的APX活性則進(jìn)一步上升為對(duì)照組的3倍左右（圖3）。endprint

POD也是清除過(guò)氧化氫的關(guān)鍵酶，在植物應(yīng)對(duì)鎘脅迫中起重要的保護(hù)作用。與對(duì)照組相比，鎘脅迫（不加硒）處理抑

制了Cd2處理組的POD酶活性，下降為對(duì)照組的89%，但對(duì)Cd1處理組POD酶活性沒(méi)有影響。在加入硒元素后，Cd1組的POD活性被誘導(dǎo)上升為對(duì)照組的115%，利于加快對(duì)過(guò)氧化氫的清理；而Cd2組的POD活性基本沒(méi)有變化，為對(duì)照的91%（圖4）。

2.3.2 葉片過(guò)氧化氫和丙二醛積累情況 過(guò)量的過(guò)氧化氫積累是氧化脅迫的標(biāo)志。當(dāng)白術(shù)幼苗遭受鎘脅迫（不加硒）時(shí)，過(guò)氧化氫含量也顯著上升，Cd1處理組和Cd2處理組分別達(dá)到對(duì)照組的160%和270%，表明鎘脅迫給白術(shù)幼苗造成了較為嚴(yán)重的氧化脅迫。在添加硒元素后，Cd1處理組過(guò)氧化氫含量略有下降，為對(duì)照組的138%；而Cd2處理組過(guò)氧化氫含量則繼續(xù)上升，達(dá)到對(duì)照的330%，表明其氧化脅迫程度進(jìn)一步加劇（圖5）。

MDA是植物逆境和衰老過(guò)程中膜質(zhì)過(guò)氧化的終產(chǎn)物，其含量通常用來(lái)衡量膜質(zhì)過(guò)氧化程度。在本試驗(yàn)中，2種不同濃度的鎘處理（不加硒）都導(dǎo)致MDA含量顯著上升，分別為對(duì)照（0處理組）的220%和230%。當(dāng)添加硒元素后，2個(gè)鎘處理組出現(xiàn)不同的變化。其中，Cd1處理組的MDA含量顯著下降，僅為對(duì)照組的160%；而Cd2處理組的MDA含量則繼續(xù)上升，達(dá)到對(duì)照組的280%（圖6）。

3 結(jié)論與討論

鎘是一種重要的非生物脅迫因子，能影響植物的生理特性，包括活性氧（ROS）的產(chǎn)生，從而對(duì)植物造成過(guò)氧化傷害，并影響植物生長(zhǎng)。在本試驗(yàn)中，鎘脅迫導(dǎo)致白術(shù)葉片部位積累了過(guò)量的鎘元素，同時(shí)葉片的氧自由基代謝失去平衡，產(chǎn)生大量的活性氧，導(dǎo)致白術(shù)幼苗遭受較為嚴(yán)重的過(guò)氧化損傷，并使生長(zhǎng)受抑制。

許多研究表明，硒可通過(guò)調(diào)節(jié)植物的抗氧化酶系統(tǒng)[14-15]或減少植物對(duì)鎘的吸收[16-17]來(lái)緩解鎘造成的逆境脅迫。在本研究中，在不同濃度的鎘處理中加入相同濃度的硒產(chǎn)生了不同的結(jié)果。在較低濃度的Cd1處理中加入硒元素后，白術(shù)葉片的鎘含量顯著下降；同時(shí)抗氧化酶系統(tǒng)也有較大變化，雖然CAT活性減弱，但SOD、APX、POD活性顯著增強(qiáng)，過(guò)氧化氫和丙二醛含量顯著下降；白術(shù)植株鮮質(zhì)量顯著上升，表明硒有效緩解了鎘引起的逆境脅迫。而在較高濃度的Cd2處理中加入硒元素后，白術(shù)葉片的鎘含量幾乎不變；同時(shí)CAT活性也減弱，盡管SOD和APX活性顯著增強(qiáng)，但過(guò)氧化氫和丙二醛含量繼續(xù)上升；白術(shù)植株鮮質(zhì)量進(jìn)一步下降，表明此時(shí)的硒加劇了鎘引起的逆境脅迫。這2種不同的結(jié)果說(shuō)明硒主要通過(guò)減少白術(shù)葉片對(duì)鎘的吸收來(lái)緩解鎘脅迫，而抗氧化酶系統(tǒng)在硒緩解鎘脅迫中發(fā)揮的作用尚有待深入研究。

另外，在2個(gè)不同濃度的鎘處理中加入相同濃度的硒元素后，葉片對(duì)硒元素的吸收變化顯著，Cd2處理的葉片硒含量明顯高于Cd1處理。由于普通植物對(duì)硒很敏感，一般低濃度的硒就能對(duì)普通植物產(chǎn)生毒害[18]，因此推理在Cd2處理中該濃度的硒和鎘產(chǎn)生了協(xié)同作用，加劇了Cd2處理的逆境脅迫程度。

綜上所述，在遭受鎘脅迫時(shí)，硒主要通過(guò)減少葉片對(duì)鎘元素的吸收來(lái)保護(hù)白術(shù)幼苗；同時(shí)，硒對(duì)鎘的拮抗作用取決于適宜的濃度。

參考文獻(xiàn)：

[1]Baryla A，Carrier P，F(xiàn)ranck F，et al. Leaf chlorosis in oilseed rape plants （Brassica napus） grown on cadmium-polluted soil：causes and consequences for photosynthesis and growth[J]. Planta，2001，212（5/6）：696-709.

[2]劉大會(huì)，周文兵，朱端衛(wèi)，等. 硒在植物中生理功能的研究進(jìn)展[J]. 山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào)，2005，24（3）：253-259.

[3]He P P，Lv X Z，Wang G Y. Effects of Se and Zn supplementation on the antagonism against Pb and Cd in vegetables[J]. Environment International，2004，30（2）：167-172.

[4]Pedrero Z，Madrid Y，Hartikainen H，et al. Protective effect of selenium in broccoli （Brassica oleracea） plants subjected to cadmium exposure[J]. J Agric Food Chem，2008，54：2412-2417.

[5]Djanaguiraman M，Devi D D，Shanker A K，et al. Selenium - an antioxidative protectant in soybean during senescence[J]. Plant Soil，2005，272：77-86.

[6]Kong L A，Wang M，Bi D L. Selenium modulates the activities of antioxidant enzymes，osmotic homeostasis and promotes the growth of sorrel seedlings under salt stress[J]. Plant Growth Regulation，2005，45（2）：155-163.

[7]Li C Q，He L C，Dong H Y，et al. Screening for the anti-inflammatory activity of fractions and compounds from Atractylodes macrocephala Koidz[J]. Journal of Ethnopharmacology，2007，114（2）：212-217.endprint

[8]張 馳，張 巍，陳建英，等. 恩施州GAP地道藥材品種安全性評(píng)價(jià)[J]. 時(shí)珍國(guó)醫(yī)國(guó)藥，2005，16（4）：309-311.

[9]謝 瑩，曹艷妮.原子吸收分光光度法測(cè)定玉米葉片中重金屬[J]. 吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26（2）：35-39.

[10]田 磊，李曉燕，張海英，等. 酸式消解-原子熒光光譜法測(cè)定3種水果硒含量[J]. 中國(guó)果樹(shù)，2010，01（1）：41-44.

[11]高俊鳳.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M]. 西安：世界圖書(shū)出版公司，2000：192-199.

[12]李忠光，宋玉泉，龔 明.二甲酚橙法用于測(cè)定植物組織中的過(guò)氧化氫[J]. 云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，27（3）：50-54.

[13]李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2000：258-260.

[14]Hasanuzzaman M，Hossain M A，F(xiàn)ujita M. Exogenous Selenium pretreatment protects rapeseed seedlings from cadmium-induced oxidative stress by upregulating antioxidant defense and methylglyoxal detoxification systems[J]. Biological Trace Element Research，2012，149（2）：248-261.

[15]Djanaguiraman M，Devi D D，Shanker A K，et al. Selenium - an antioxidative protectant in soybean during senescence[J]. Plant Soil，2005，272：77-86.

[16]Filek M，Keskinen R，Hartikainen H，et al. The protective role of selenium in rape seedlings subjected to cadmium stress[J]. Journal of Plant Physiology，2008，165（8）：833-844.

[17]Pedrero Z，Madrid Y，Hartikainen H，et al. Protective effect of selenium in broccoli （Brassica oleracea） plants subjected to cadmium exposure[J]. J Agric Food Chem，2008，54：2412-2417.

[18]Terry N，Zayed A M，de Souza M P，et al. Selenium in higher plants[J]. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol，2000，51：401-432.楊海濤，張 彪，楊素勤，等. 鎘脅迫對(duì)苗期曼陀羅生長(zhǎng)及鎘富集的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：309-311.endprint