王志偉，李 涵，梁少華，楚 簫，孫小武

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 園藝學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省蔬菜研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125；3.湖南省作物研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410125)

近年來(lái)，由于工礦三廢的排放、無(wú)機(jī)化肥的過(guò)量使用，導(dǎo)致有毒重金屬在土壤中過(guò)量積累，嚴(yán)重污染環(huán)境，對(duì)人類健康造成巨大威脅[1]。鎘(Cadmium，Cd)作為有一種有害重金屬，易被植物吸收，具有很強(qiáng)的生物毒性和化學(xué)活性，可以通過(guò)多種途徑對(duì)植物產(chǎn)生毒害[2]。

據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織 FAOSTAT 數(shù)據(jù)庫(kù)(2016年8月更新數(shù)據(jù))統(tǒng)計(jì)2015年中國(guó)甜瓜的生產(chǎn)面積和產(chǎn)量均居世界第一位。薄皮甜瓜的生育期80～90 d，具有果實(shí)成熟期早，產(chǎn)值高等優(yōu)勢(shì)，可有效增加農(nóng)民收入，同時(shí)可以填補(bǔ)夏初水果淡季市場(chǎng)供應(yīng)的空白。湖南省的甜瓜生產(chǎn)和消費(fèi)以薄皮甜瓜為主，產(chǎn)區(qū)主要集中在常德、益陽(yáng)、邵陽(yáng)、岳陽(yáng)、長(zhǎng)沙、衡陽(yáng)、永州等地區(qū)[3]。Cd2+在植物體內(nèi)過(guò)量積累會(huì)破壞細(xì)胞內(nèi)的氧化還原平衡，誘導(dǎo)細(xì)胞中活性氧物質(zhì)的大量產(chǎn)生與積累，進(jìn)而致使植物受到氧化損傷[4]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)鎘對(duì)水稻、小麥等大田作物和黃瓜等蔬菜作物種子萌發(fā)、生理生化的影響已有不少報(bào)道[2，5]。

2014年隨著湖南省開(kāi)展重金屬超標(biāo)地區(qū)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在長(zhǎng)株潭部分輕度和中度鎘超標(biāo)地區(qū)正在進(jìn)行甜瓜的試種。本研究根據(jù)前期鎘在薄皮甜瓜植株中的分布及低累積品種篩選的結(jié)果[6]，選用X-T-G(相對(duì)高積累品種)和IVF-28(相對(duì)低積累品種)，研究不同濃度的Cd脅迫對(duì)薄皮甜瓜植株生長(zhǎng)和生理生化特性的影響，揭示X-T-G和IVF-28薄皮甜瓜品種響應(yīng)Cd脅迫的生理機(jī)制，為深入研究薄皮甜瓜Cd脅迫制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

2017年4月，在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜瓜類研究所進(jìn)行。供試薄皮甜瓜品種為X-T-G和IVF-28，X-T-G由湖南雪峰種業(yè)有限公司提供，IVF-28由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所甜瓜課題王懷松老師提供。挑選籽粒飽滿的X-T-G和IVF-28種子，用0.5‰的次氯酸鈉溶液浸泡消毒30 min，然后用滅菌的蒸餾水反復(fù)將種子表面的次氯酸鈉沖洗干凈，用濕紗布包裹，置于發(fā)芽箱中30 ℃催芽24 h，挑選芽長(zhǎng)一致的甜瓜種子播于口徑52 mm的育苗杯中，每品種播150杯，置于人工氣候室內(nèi)，光照16 h，溫度25 ℃，黑暗8 h，溫度18 ℃，每天用 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液補(bǔ)充到恒質(zhì)量(維持含水量在75%)。當(dāng)甜瓜幼苗第2片真葉長(zhǎng)出時(shí)，進(jìn)行不同濃度CdCl2脅迫，試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，營(yíng)養(yǎng)液中Cd離子濃度(按CdCl2中Cd計(jì))依次為0(對(duì)照，CK)，30，60，100 mg/L，3次重復(fù)，每3 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液，7 d后當(dāng)甜瓜幼苗第3片真葉顯現(xiàn)時(shí)進(jìn)行取樣分析。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 測(cè)定指標(biāo)和方法 株高和莖粗的測(cè)定：當(dāng)甜瓜幼苗第3片真葉顯現(xiàn)時(shí)，隨機(jī)選取各處理3株甜瓜幼苗，用直尺測(cè)定甜瓜幼苗的株高、用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量甜瓜幼苗的下胚軸粗度。

每個(gè)處理選取5株長(zhǎng)勢(shì)基本一致的甜瓜幼苗，將植株從營(yíng)養(yǎng)杯中取出，先用自來(lái)水沖洗植株根部表面的雜質(zhì)，然后再用去離子水漂洗根部，用吸水紙吸干根系表面水分，并將根部和地上部于莖基切斷分開(kāi)，將根系放在掃描儀的托盤(pán)中，將盛有清水的托盤(pán)置于掃描儀上，然后用毛刷和鑷子等工具使根系完全展開(kāi)，最后利用根系分析系統(tǒng)(WinRHIZO，Regent Instruments Inc Cancand)對(duì)其進(jìn)行掃描和分析。

抗氧化酶活性和抗氧化物質(zhì)含量的測(cè)定：超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、過(guò)氧化氫酶(Catalase，CAT)、過(guò)氧化物酶(Peroxidase，POD)、丙二醛(Malondialdehyde，MDA)、脯氨酸(Proline，PRO)、谷胱甘肽(Glutathione，GSH)、過(guò)氧化氫(Hydrogen peroxide，H2O2)的測(cè)定試劑盒均由南京建成生物工程研究所提供。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Microsoft Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度CdCl2對(duì)薄皮甜瓜植株生長(zhǎng)的影響

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，隨著CdCl2濃度的增加，X-T-G和IVF-28甜瓜品種幼苗的生長(zhǎng)受到抑制，X-T-G和IVF-28的株高、莖粗呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，不同濃度處理間差異均達(dá)到了顯著水平。

從表2中可以看出，隨著CdCl2濃度的增加，2個(gè)甜瓜品種幼苗的總根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根尖數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，30，60，100 mg/L Cd脅迫處理均與對(duì)照差異顯著。其中，30，60，100 mg/L Cd處理下的IVF-28的根長(zhǎng)分別為對(duì)照的32.04%，20.84%，22.62%，在100 mg/L時(shí)比60 mg/L時(shí)有所提高但差異未達(dá)顯著水平，X-T-G的根長(zhǎng)分別為對(duì)照的71.57%，35.85%，25.45%；30，60，100 mg/L Cd處理下IVF-28的根表面積分別為對(duì)照的54.31%，38.15%，41.15%，在100 mg/L時(shí)比60 mg/L時(shí)有所提高但差異未達(dá)顯著水平，X-T-G的根表面積分別為對(duì)照的76.60%，38.02%，33.32%；30，60，100 mg/L Cd處理下IVF-28的根體積分別為對(duì)照的43.10%，36.21%，37.93%，100 mg/L時(shí)比60 mg/L時(shí)有所提高但差異未達(dá)顯著水平，X-T-G的根體積分別為對(duì)照的49.21%，36.51%，33.33%；30，60，100 mg/L Cd處理下IVF-28的根尖數(shù)僅為對(duì)照的43.78%，26.97%，25.58%，X-T-G的根尖數(shù)僅為對(duì)照的69.50%，38.53%，31.99%。甜瓜根系分形維數(shù)亦隨著CdCl2濃度的增加而下降，但不同品種各濃度之間差異顯著性不同，IVF-28的分形維數(shù)在Cd處理與對(duì)照間差異均達(dá)到顯著水平，其中100 mg/L Cd處理分形維數(shù)僅為對(duì)照的79.77%；X-T-G的根系分形維數(shù)在60，100 mg/L時(shí)與對(duì)照差異達(dá)到顯著水平，100 mg/L的分形維數(shù)與其他Cd處理差異亦達(dá)顯著水平，僅為對(duì)照的78.41%。

表1 不同濃度CdCl2對(duì)薄皮甜瓜地上部分生長(zhǎng)的影響

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母代表差異顯著(P<0.05)。表2同。

Note： Different small letters indicates significant difference among treatments at 0.05 level．The same as Tab.2.

表2 不同濃度CdCl2對(duì)甜瓜根系生長(zhǎng)的影響

2.2 不同濃度CdCl2處理對(duì)甜瓜葉片保護(hù)酶體系的影響

2.3 不同濃度CdCl2對(duì)甜瓜葉片H2O2、MDA、GSH和PRO含量的影響

如圖2所示，X-T-G和IVF-28葉片中的H2O2含量隨著CdCl2脅迫濃度的增加呈增加趨勢(shì)，不同濃度Cd處理間差異均達(dá)到了達(dá)到顯著水平，且X-T-G在各濃度處理下H2O2含量均高于IVF-28。X-T-G和IVF-28 2個(gè)甜瓜品種葉片內(nèi)MDA含量隨Cd濃度的增加而逐漸增加，其中X-T-G MDA含量在不同Cd濃度處理間差異達(dá)到顯著水平，IVF-28在100 mg/L CdCl2處理時(shí)MDA含量與對(duì)照及其他Cd脅迫處理差異顯著，而30，60 mg/L CdCl2處理時(shí)MDA含量與對(duì)照差異未達(dá)到顯著水平。隨著CdCl2濃度的增加，X-T-G和IVF-28葉片中的GSH含量先增加后降低，Cd脅迫處理均顯著高于對(duì)照，X-T-G各處理的GSH含量均高于IVF-28，在60 mg/L CdCl2處理下2個(gè)品種GSH的含量達(dá)到峰值。隨著CdCl2濃度的增加，X-T-G和IVF-28葉片中PRO含量呈先升高后降低的趨勢(shì)，二者均在30 mg/L CdCl2處理時(shí)達(dá)到最大值，X-T-G在Cd脅迫處理均顯著高于對(duì)照，而IVF-28僅在30 mg/L CdCl2顯著高于對(duì)照，其他Cd脅迫處理略低于對(duì)照但差異未達(dá)顯著水平。

不同字母代表差異顯著(P<0.05)。圖2同。

圖2 不同濃度CdCl2對(duì)甜瓜葉片H2O2、MDA、GSH和PRO含量的影響

3 討論

3.1 不同濃度Cd對(duì)甜瓜幼苗生長(zhǎng)的影響

生長(zhǎng)量是逆境脅迫對(duì)植物影響的綜合體現(xiàn)及其對(duì)脅迫的綜合適應(yīng)。Cd是一種植物生長(zhǎng)的非必需金屬元素，在植物體內(nèi)的積累量達(dá)到或超過(guò)一定數(shù)量時(shí)會(huì)對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育造成毒害甚至減產(chǎn)[6]。不同種屬的植物或同一植物不同基因型的品種對(duì)Cd的解毒機(jī)制也不相同，通常情況下，植物受到重金屬脅迫后會(huì)出現(xiàn)生理代謝紊亂，生長(zhǎng)發(fā)育速度變緩的現(xiàn)象，容易增加農(nóng)作物減產(chǎn)或絕收的風(fēng)險(xiǎn)[7]。張永平等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的Cd處理對(duì)甜瓜生長(zhǎng)影響不大，隨著Cd濃度的增加，抑制作用增強(qiáng)，說(shuō)明Cd對(duì)甜瓜生長(zhǎng)的影響存在劑量效應(yīng)，同時(shí)也表明不同品種的甜瓜對(duì)Cd的耐性存在差異。周建等[9]通過(guò)對(duì)Cd脅迫下刺槐幼苗生長(zhǎng)的研究發(fā)現(xiàn)刺槐幼苗的株高、地徑粗度、干質(zhì)量受到的抑制程度隨著土壤中Cd含量的增加而增加。何梨香等[10]研究發(fā)現(xiàn)圓葉決明在4 mg/kg Cd處理時(shí)，顯著降低了植株生長(zhǎng)量，地下部、地上部生物產(chǎn)量?jī)H為對(duì)照的59.69%，63.77%，且隨Cd濃度的升高，對(duì)圓葉決明生長(zhǎng)的抑制作用加強(qiáng)。本研究表明，Cd對(duì)甜瓜幼苗生長(zhǎng)有影響，甜瓜幼苗的株高和下胚軸的粗度隨著CdCl2濃度的增加呈逐漸下降的趨勢(shì)，不同濃度CdCl2處理與對(duì)照差異顯著。植物主要依靠根系從土壤或培養(yǎng)介質(zhì)中吸收礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和水分，從而供給植物生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝等生理活動(dòng)所必需的養(yǎng)分。因此，根系的生長(zhǎng)情況直接影響到整個(gè)植株的生長(zhǎng)發(fā)育，更易對(duì)土壤環(huán)境做出反應(yīng)。當(dāng)植物遭受鹽脅迫時(shí)，植物根系感應(yīng)并迅速發(fā)出信號(hào)，于是整個(gè)植株對(duì)脅迫做出反應(yīng)，同時(shí)根系通過(guò)調(diào)整形態(tài)特征和生物量的分配來(lái)影響植物地上部的生長(zhǎng)發(fā)育以適應(yīng)鹽脅迫環(huán)境。不同的植物有不同的生物量分配策略來(lái)適應(yīng)鹽脅迫，如海濱錦葵(Kosteletzkyavirginica)[11]、圓柏(Juniperuschinensis)[12]等通過(guò)減少根系的生物量分配比例以降低鹽分的吸收和向地上部的運(yùn)輸，而沙棗(Elaeagnusangustifolia)[13]、麻櫟(Quercusacutissima)和弗吉尼亞櫟(Quercusvirginiana)[14]等則通過(guò)增加根系的生物量，改善根系對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，從而加快植物的生長(zhǎng)，稀釋進(jìn)入體內(nèi)的鹽分。本研究中，隨著CdCl2濃度的增加，2個(gè)甜瓜品種的株高逐漸降低，總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)和分形維數(shù)都呈下降趨勢(shì)，與前人研究結(jié)果一致。

3.2 不同濃度Cd對(duì)甜瓜葉片生理生化的影響

PRO可以調(diào)節(jié)植物細(xì)胞膜和細(xì)胞的膨壓，保護(hù)細(xì)胞內(nèi)的水分，防止水分的過(guò)度散失，為細(xì)胞內(nèi)的各種代謝活動(dòng)的正常進(jìn)行提供水分。PRO還對(duì)植物細(xì)胞具有冰凍保護(hù)和清除細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的活性氧的作用。在植物遭受到逆境脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的游離PRO可以利用CAT、POD和SOD等保護(hù)酶系統(tǒng)來(lái)維持細(xì)胞進(jìn)行生理代謝所需的自由水和生理活性物質(zhì)，從而起到對(duì)細(xì)胞的保護(hù)作用。唐雪東等[28]研究了Cd脅迫下杏樹(shù)、李樹(shù)和梨樹(shù)體內(nèi)Pro含量隨Cd濃度的增加呈逐漸增加趨勢(shì)，在200×10-6Cd脅迫時(shí)3種果樹(shù)體內(nèi)的Pro含量達(dá)到最大，隨后略有下降。吳桂容[29]對(duì)Cd脅迫下桐花樹(shù)幼苗葉中游離Pro含量進(jìn)行了測(cè)定，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，30 mg/kg以下的Cd脅迫中桐花樹(shù)幼苗葉中游離Pro含量隨Cd濃度的增大而增加，Cd濃度超過(guò)30 mg/kg之后桐花樹(shù)幼苗葉中游離Pro含量下降，但仍高于對(duì)照。本研究中X-T-G和IVF-28在不同濃度Cd脅迫下葉片PRO的含量變化與上述研究結(jié)果基本一致。

大量的相關(guān)分子生物學(xué)的研究已經(jīng)證明，Cd脅迫可以增加植物體內(nèi)編碼GSH合成酶基因的表達(dá)量。棉花幼苗在鎘脅迫下根中GSH含量表現(xiàn)為先增后減，莖中則表現(xiàn)為先減后增，均為11-20品種GSH含量高于單16[30]。但有學(xué)者的研究結(jié)果表明，在重金屬脅迫下，有些植物誘導(dǎo)消耗了大量的GSH合成大量植物螯合素(PCs)，因此，GSH在某些植物體內(nèi)會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的下降。谷胱甘肽還原系統(tǒng)是植物體內(nèi)抵御重金屬脅迫有效防止體內(nèi)發(fā)生過(guò)氧化的重要組成部分之一。GSH基因在不同植物中表達(dá)的強(qiáng)弱也不盡相同，一般情況是Cd敏感植物中GSH含量比耐Cd植物中低[31]。本試驗(yàn)中，Cd脅迫處理的X-T-G和IVF-28葉片中的GSH含量顯著高于對(duì)照，隨著CdCl2濃度的增加，GSH含量先增加后降低，X-T-G各處理的GSH含量均高于IVF-28，兩者GSH的含量在60 mg/L CdCl2處理時(shí)達(dá)到峰值，隨后降低。通過(guò)對(duì)測(cè)定指標(biāo)的分析，甜瓜幼苗能夠抵抗低濃度Cd脅迫造成的損害，高濃度的Cd脅迫超過(guò)了甜瓜幼苗的抗性范圍，造成幼苗損害程度加大，不同品種的甜瓜幼苗對(duì)Cd毒性的響應(yīng)存在差異。