陳花，王建軍，楊斌

（1.榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，陜西榆林719000；2.榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西榆林719000）

鎘脅迫對(duì)菠菜和油菜早期生長(zhǎng)的影響

陳花1，王建軍2，楊斌1

（1.榆林學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院，陜西榆林719000；2.榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西榆林719000）

為了解重金屬鎘對(duì)蔬菜早期生長(zhǎng)的影響，以菠菜和油菜2種不同蔬菜種子為材料，研究了不同Cd2＋濃度下種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的情況。結(jié)果表明，油菜在Cd2+質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，其種子的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、種子活力指數(shù)和幼苗的株高、葉綠素含量均高于對(duì)照組；菠菜種子在Cd2+質(zhì)量濃度為25 mg/L時(shí)，發(fā)芽指數(shù)和種子活力略高于對(duì)照組，在Cd2+質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，葉綠素含量高于對(duì)照組；其余處理濃度各指標(biāo)均低于對(duì)照組。不同蔬菜種子對(duì)鎘脅迫反應(yīng)不一致，油菜具有更強(qiáng)的抗鎘脅迫能力。

鎘；發(fā)芽指標(biāo)；形態(tài)學(xué)指標(biāo)；葉綠素

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及人們?nèi)粘Ｉ钏降奶岣撸h(huán)境污染及食品安全問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。含重金屬的污染物以各種途徑進(jìn)入土壤，造成土壤重金屬污染[1-2]，如果食用了這些被重金屬污染的動(dòng)植物，動(dòng)植物中積累的重金屬會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，毒性會(huì)在人體內(nèi)慢慢積累，給人類健康帶來(lái)潛在的危害[3]。鎘是環(huán)境中最普遍存在和危害性較強(qiáng)的重金屬，我國(guó)的農(nóng)田土壤、城市土壤均在不同程度上受到了鎘的污染。對(duì)以種子為主要繁殖方式的植物，重金屬首先會(huì)傷害種子萌發(fā)[3]和幼苗生長(zhǎng)階段，而種子萌發(fā)時(shí)期的生長(zhǎng)狀況直接影響作物后期的生長(zhǎng)[4]。因此，研究種子在萌發(fā)階段和早期生長(zhǎng)階段受重金屬污染的影響就顯得尤為重要。研究表明，一定濃度的Cd對(duì)小麥、玉米的發(fā)芽率、幼苗生長(zhǎng)、根的伸長(zhǎng)均有抑制作用[5]。目前，關(guān)于鎘對(duì)蔬菜種子萌發(fā)和幼苗生理生化作用的研究尚不多見(jiàn)。菠菜（Spinacia oleracea）、油菜（Brassica campestris L）分別為藜科、十字花科植物，是人們?nèi)粘Ｊ秤玫木G色蔬菜，其具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且對(duì)自然環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力和生存能力，耐粗放管理，適合大面積種植。

本試驗(yàn)研究了CdCl2溶液對(duì)菠菜和油菜早期生長(zhǎng)的影響，通過(guò)測(cè)定不同濃度的CdCl2溶液對(duì)菠菜和油菜種子萌發(fā)期發(fā)芽指標(biāo)（發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)）以及幼苗三葉期形態(tài)學(xué)指標(biāo)（根長(zhǎng)、株高）和葉綠素含量的影響，以綜合評(píng)價(jià)菠菜和油菜對(duì)鎘的耐受性程度，旨在為研究其他蔬菜種子受重金屬的影響程度及蔬菜產(chǎn)品的安全性奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試油菜品種為樂(lè)油4號(hào)（四川農(nóng)大高科農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司）；菠菜品種為春秋大葉菠菜（鄭州神牛種苗有限公司）。

1.2 供試種子的處理及培養(yǎng)

首先挑選顆粒飽滿的種子，用沉降法再挑選飽滿的種子，對(duì)種子進(jìn)行消毒處理，油菜和菠菜種子用30%雙氧水浸種1 h。處理后果皮變薄，用水沖洗后，透過(guò)果皮可清晰地看到種皮，說(shuō)明浸泡程度適宜，再用自來(lái)水沖洗干凈。將2種蔬菜種子浸泡于20℃的溫水中，3 h后將種子均勻擺放在培養(yǎng)皿中，每皿30粒，然后每個(gè)培養(yǎng)皿加入等量蒸餾水，將Cd以CdCl2的形式溶入水中，配制成不同濃度的CdCl2溶液（Cd2+質(zhì)量濃度為10，25，50，100 mg/L），以不加CdCl2為對(duì)照（CK）。用不同濃度的CdCl2溶液處理種子，油菜種子置于25℃左右溫度下催芽，菠菜種子置于20℃左右溫度下催芽，每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。之后每天用稱重法向各培養(yǎng)皿中加入散失的水分，以盡量減少水勢(shì)變動(dòng)。幼苗初期將其放入GZ-025型全自動(dòng)光照培養(yǎng)箱（溫度為（25±2）℃，晝夜光照時(shí)間為12 h/12 h，光照強(qiáng)度15 000 lx）中育苗，并向培養(yǎng)皿中加入營(yíng)養(yǎng)液，滿足其生長(zhǎng)所需，待其長(zhǎng)到三葉期測(cè)量幼苗的根長(zhǎng)、株高和葉綠素含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1 發(fā)芽指標(biāo)的測(cè)定[6]當(dāng)種子泡脹開始萌動(dòng)后，每日觀察發(fā)芽與出苗情況，并按鄭光華[7]的方法計(jì)算發(fā)芽指標(biāo)。

發(fā)芽勢(shì)＝3 d內(nèi)種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)× 100%；發(fā)芽率＝7 d內(nèi)種子發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)× 100%；發(fā)芽指數(shù)GI＝∑（Gt/Dt）；活力指數(shù)VI＝S×∑（Gt/Dt）。

式中，Gt為不同時(shí)間的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)；S為一定時(shí)期內(nèi)幼苗生長(zhǎng)勢(shì)，用萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)每株苗的平均鮮質(zhì)量（FW）表示。

1.3.2 根長(zhǎng)、株高指標(biāo)的測(cè)定選取每個(gè)培養(yǎng)皿長(zhǎng)勢(shì)一致的10株幼苗，用直尺測(cè)定其根長(zhǎng)、株高。最后求出平均值即為每株幼苗的平均根長(zhǎng)或者平均莖長(zhǎng)。

1.3.3 葉綠素含量的測(cè)定采用分光光度法[8]測(cè)定葉綠素含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 重金屬鎘對(duì)菠菜和油菜種子發(fā)芽指標(biāo)的影響

從表1可以看出，隨著CdCl2溶液濃度的增加，2種蔬菜種子的發(fā)芽指標(biāo)變化呈不同趨勢(shì)。與對(duì)照組相比，當(dāng)CdCl2溶液質(zhì)量濃度為25 mg/L時(shí)，菠菜種子除發(fā)芽指數(shù)略高于對(duì)照組外，其余指標(biāo)在Cd-Cl2溶液各濃度脅迫下均低于對(duì)照組，且質(zhì)量濃度高于25 mg/L時(shí)，CdCl2對(duì)菠菜種子的發(fā)芽指標(biāo)抑制效果更加明顯；而油菜在CdCl2溶液質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，對(duì)種子的發(fā)芽均起到了促進(jìn)作用，當(dāng)質(zhì)量濃度高于10 mg/L，則抑制油菜種子的發(fā)芽。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)CdCl2溶液質(zhì)量濃度高于10 mg/L時(shí)，油菜種子在發(fā)芽時(shí)受鎘的影響比菠菜小，即油菜種子對(duì)鎘的抗性更強(qiáng)。

表1 不同濃度CdCl2溶液對(duì)菠菜和油菜種子發(fā)芽指標(biāo)的影響

2.2 重金屬鎘對(duì)菠菜和油菜種子活力指數(shù)的影響

種子的活力指數(shù)可以反映種子的活力，進(jìn)而可以為挑選優(yōu)質(zhì)種子奠定基礎(chǔ)。由圖1可知，CdCl2處理對(duì)油菜種子仍表現(xiàn)為低濃度下的激活效應(yīng)和高濃度下抑制作用，且激發(fā)種子活力的質(zhì)量濃度仍是10 mg/L，高于對(duì)照組17.12%；菠菜種子的活力指數(shù)在CdCl2溶液質(zhì)量濃度為25 mg/L時(shí)，種子活力指數(shù)呈上升趨勢(shì)，比對(duì)照組提高了2.70%，CdCl2溶液其他處理濃度對(duì)菠菜種子的活力指數(shù)均低于對(duì)照組，表現(xiàn)為抑制作用。

2.3 重金屬鎘對(duì)菠菜和油菜形態(tài)學(xué)指標(biāo)的影響

2.3.1 不同濃度CdCl2溶液對(duì)菠菜和油菜平均主根長(zhǎng)的影響從圖2可以看出，菠菜和油菜的主根長(zhǎng)隨著CdCl2溶液質(zhì)量濃度的遞增呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。從2種蔬菜幼苗平均主根長(zhǎng)下降的幅度來(lái)看，鎘對(duì)菠菜主根長(zhǎng)的影響比對(duì)油菜的影響大。根在土壤中扎得越深，生長(zhǎng)得越牢固，承受惡劣環(huán)境的能力就越強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，一定濃度的鎘會(huì)影響植株主根的生長(zhǎng)，因此，鎘污染的植株承受大風(fēng)大雨等惡劣天氣的能力可能較弱。

2.3.2 不同質(zhì)量濃度CdCl2溶液對(duì)菠菜和油菜平均株高的影響由圖3可知，隨著CdCl2溶液濃度的增高，對(duì)菠菜和油菜植株的平均株高均產(chǎn)生了一定的影響。與對(duì)照組相比，菠菜的平均株高在受到不同程度的鎘脅迫下，均表現(xiàn)為抑制作用，但在CdCl2溶液質(zhì)量濃度為25 mg/L時(shí)，抑制作用相對(duì)最弱；而CdCl2溶液對(duì)油菜的影響與菠菜不同，當(dāng)CdCl2溶液質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，促進(jìn)了油菜的生長(zhǎng)，比對(duì)照組提高了14.46%，高于10 mg/L時(shí)各處理組平均株高均低于對(duì)照組，仍表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制效應(yīng)。

2.4 重金屬鎘對(duì)菠菜和油菜葉綠素含量的影響

葉綠素是植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，含量的高低將直接影響光合作用的強(qiáng)弱及物質(zhì)的合成。從表2可以看出，當(dāng)CdCl2溶液濃度逐漸升高時(shí)，菠菜和油菜的葉綠素a、葉綠素b及葉綠素總量的含量均呈先上升后下降的趨勢(shì)，與對(duì)照組相比，當(dāng)CdCl2溶液質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)促進(jìn)葉片中葉綠素的生成，高于10 mg/L時(shí)則出現(xiàn)抑制作用，且對(duì)菠菜的葉綠素破壞程度大于油菜，說(shuō)明菠菜幼苗對(duì)鎘的耐受性低于油菜幼苗。

表2 不同質(zhì)量濃度CdCl2溶液對(duì)菠菜和油菜葉綠素含量的影響

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，不同濃度的CdCl2溶液對(duì)菠菜和油菜種子萌發(fā)和種子活力均有顯著影響，但存在差異。CdCl2溶液對(duì)油菜種子發(fā)芽和種子活力指數(shù)的影響均表現(xiàn)為“低促高抑”效應(yīng)，即當(dāng)CdCl2溶液濃度為10 mg/L時(shí)能提高油菜種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和種子活力；但當(dāng)CdCl2溶液質(zhì)量濃度高于10 mg/L時(shí)，其發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和種子活力均低于對(duì)照組，并且表現(xiàn)為CdCl2溶液濃度越高，抑制效果更為突出，這種抑制是建立在對(duì)胚、芽傷害的基礎(chǔ)上[5]，這與付世景等[9]研究鎘對(duì)板藍(lán)根種子發(fā)芽的結(jié)果和李子芳等[10]研究小麥種子萌發(fā)的結(jié)果一致。而CdCl2對(duì)菠菜種子的脅迫效應(yīng)并未表現(xiàn)為“低促高抑”效應(yīng)，當(dāng)CdCl2溶液質(zhì)量濃度為25 mg/L，除發(fā)芽指數(shù)和種子活力高于對(duì)照組外，其他指標(biāo)在CdCl2溶液各濃度范圍內(nèi)均低于對(duì)照組；但從抑制作用來(lái)看，在25 mg/L的CdCl2溶液脅迫下，各項(xiàng)指標(biāo)的抑制效應(yīng)是最小的。推測(cè)鎘促進(jìn)菠菜種子萌發(fā)也存在一定的劑量效應(yīng)，這與劉文勝等[11]研究鎘對(duì)玉米種子萌發(fā)結(jié)果相似。在CdCl2溶液質(zhì)量濃度高于50 mg/L時(shí)，與對(duì)照組相比，菠菜的各項(xiàng)發(fā)芽指標(biāo)和種子活力下降幅度均高于油菜，說(shuō)明鎘對(duì)蔬菜種子萌發(fā)的影響存在差異性，在種子發(fā)芽期，油菜的耐鎘性高于菠菜。楊居榮等[12-13]的研究表明，植物忍耐鎘脅迫性的強(qiáng)弱，與鎘脅迫下植物體內(nèi)形成的重金屬結(jié)合蛋白有關(guān)。

另外，種子萌發(fā)是在水的活化下啟動(dòng)基因組中新基因的表達(dá)或原有基因的活化，使胚恢復(fù)代謝和生長(zhǎng)。有研究表明，鎘脅迫下，植物細(xì)胞中核酸含量下降[14]，由此我們推測(cè)，鎘對(duì)菠菜和油菜種子發(fā)芽的影響，與抑制胚細(xì)胞中核酸的合成有關(guān)。

鎘影響菠菜和油菜的形態(tài)學(xué)指標(biāo)（根長(zhǎng)和株高），但是對(duì)這2種蔬菜幼苗期的根長(zhǎng)和株高的影響存在差異。根長(zhǎng)隨著CdCl2溶液濃度的增大，2種蔬菜均呈降低趨勢(shì)。其原因可能是Cd2+是植物體生命過(guò)程中的非必需元素，而且是毒性較大的誘變劑[15]，而植物吸收金屬離子的方式主要是根從土壤中吸收后再運(yùn)輸?shù)狡渌课?，因此，Cd2+被吸收后，大多數(shù)積累在根的生長(zhǎng)部位[4]，主要破壞細(xì)胞內(nèi)染色體和核仁，隨著體內(nèi)Cd2+量的增加，對(duì)染色體和核仁的破壞加劇[16]，最后導(dǎo)致植物根伸長(zhǎng)受到抑制，嚴(yán)重影響了根的生長(zhǎng)[9]。但與對(duì)照組相比，菠菜平均根長(zhǎng)的下降幅度高于油菜，可能是由于油菜的耐鎘性，其根系的分泌物能夠絡(luò)合重金屬，減少了對(duì)環(huán)境中重金屬的吸收或利用根系質(zhì)膜上重金屬反轉(zhuǎn)運(yùn)子介導(dǎo)體內(nèi)重金屬離子外排達(dá)到降低自身重金屬積累的目的[17]。但株高不同，就油菜而言，在低濃度10 mg/L時(shí)促進(jìn)株高，高于此濃度則抑制其生長(zhǎng)；菠菜則表現(xiàn)為被CdCl2溶液脅迫后，各處理組株高均低于對(duì)照組，且濃度越高，抑制作用越大，而且這種抑制的幅度也大于油菜。首先，鎘影響植物株高是由于種子吸水膨脹萌動(dòng)，胚根快速吸水伸長(zhǎng)并最先突破種皮，這使得根在鎘的積累量上及受鎘脅迫的時(shí)間進(jìn)程上大于幼芽，即影響植株的株高；油菜平均株高下降幅度低于菠菜也緣于油菜可能通過(guò)自身某些機(jī)制如抗氧化系統(tǒng)、區(qū)室化作用、金屬螯合蛋白等來(lái)避免或降低重金屬引起的氧化損傷，促進(jìn)其正常生長(zhǎng)[17]。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的必要物質(zhì)，其含量的高低直接影響光合速率，進(jìn)而影響植物的長(zhǎng)勢(shì)。本試驗(yàn)結(jié)果表明，2種蔬菜的葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b均呈先升后降趨勢(shì)。與王晶晶等[18]發(fā)現(xiàn)低濃度Cd對(duì)珍珠梅植物葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b合成有促進(jìn)作用，高濃度Cd對(duì)其合成有抑制作用的結(jié)果相同。有研究表明，這種抑制作用是由于Cd在植物體內(nèi)的過(guò)量積累，導(dǎo)致其與葉綠素蛋白質(zhì)上的-SH結(jié)合或取代其中的Fe2+，Zn2+和Mg2+等，致使葉綠素蛋白質(zhì)變性而失活，從而降低葉綠素的含量。

本研究結(jié)果表明，鎘對(duì)菠菜和油菜早期生長(zhǎng)的影響結(jié)果存在差異。鎘對(duì)油菜的影響表現(xiàn)為“低促高抑”現(xiàn)象，且10 mg/L的CdCl2溶液是促進(jìn)油菜種子萌發(fā)和早期生長(zhǎng)的最佳濃度；對(duì)菠菜而言，這種促進(jìn)作用幾乎不存在。說(shuō)明油菜早期生長(zhǎng)對(duì)鎘的抗性優(yōu)于菠菜。也進(jìn)一步說(shuō)明，油菜在早期生長(zhǎng)過(guò)程中受到鎘的脅迫，能夠激發(fā)自身的防御機(jī)制使得這種傷害降到最低程度，體現(xiàn)了一定的耐受性。那么這種Cd耐性是如何獲得的，還有待于進(jìn)一步深入到分子生物學(xué)水平上進(jìn)行研究。

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Effects of Cd Stress on the Early Growth of Spinach and Rape

CHENHua1，WANGJianjun2，YANGBin1
（1.Department ofLife Sciences，Yulin College，Yulin 719000，China；2.Department ofEnergyEngineering，Yulin College，Yulin 719000，China）

To research the heavy metal cadmium effects on the early growth ofvegetable,two kinds of vegetable seeds,spinach and rape,were as materials to explore the seed germination and seedling growth under the different Cd2+concentration gradient conditions. The results showed that the germination potential,germination rate,germination index,seed vigor index,and the plant height and chlorophyll content ofthe rape seedlings were higher than those ofthe control group at the concentration of10 mg/L.Spinach seeds at the concentration of25 mg/L,germination index and seed vigor were slightly higher than the control group,the concentration of 10 mg/L,the chlorophyll content was higher than the control group.The other groups were lower than the control group.The results showed that the seed ofdifferent vegetables tocadmiumstress response was inconsistent,rape had stronger resistance tocadmiumstress ability.

cadmium;germination index;morphological index;chlorophyll

X173

A

1002-2481（2016）09-1308-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.09.19

2016-05-10

陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（14JK1857）；榆林學(xué)院校內(nèi)科研項(xiàng)目（12YK41）

陳花（1979-），女，山西神池人，講師，碩士，主要從事作物抗性生理教學(xué)與研究工作。