雷 陽，劉 釗，王生武，吳越莉，張 旭

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西太原030031）

鎘是生物的非必需元素，土壤環(huán)境中的鎘易被植物吸收，經(jīng)食物鏈快轉(zhuǎn)移進入人體，而人體內(nèi)缺乏降解鎘元素的途徑，其對人體有較大的毒性。隨著我國城市化和工業(yè)化的不斷深化，工業(yè)三廢造成大量鎘滲透入土壤中。同時，含鎘化肥和農(nóng)藥的無節(jié)制使用也導(dǎo)致了農(nóng)田中鎘含量急劇增加，已經(jīng)成為影響我國食品安全和身體健康以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要隱患。方志剛等[1]研究發(fā)現(xiàn)，多花黑麥草在鎘脅迫下，種子萌發(fā)受到嚴(yán)重影響，進而抑制了幼苗根和葉的生長。羅彩云等[2]的研究表明，鎘脅迫會降低山桃幼苗光合色素含量，影響光合作用。李慧芳等[3]研究發(fā)現(xiàn)，鎘離子可使多年生黑麥草細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生大量氧的自由基，從而損傷植物細(xì)胞膜，產(chǎn)生鎘脅迫反應(yīng)。

一氧化氮（NO）信號途徑，不僅能夠參與植物的生長發(fā)育，還能激活植物抗逆途徑，并廣泛參與到其他信號通路中[4]。目前，NO 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于植物抗旱、抗寒和抗重金屬脅迫的研究中，適量的NO可以有效提高植物種子的發(fā)芽率，增強植物的光合作用，改善植物在逆境下的生理狀態(tài)[5-6]。在鎘脅迫下，NO 可以通過提高抗氧化酶的活性來減弱鎘離子脅迫對植物體產(chǎn)生的負(fù)作用[7]；促進根系有機酸分泌，影響細(xì)胞壁組分和性質(zhì)，誘導(dǎo)抗氧化酶和光合色素相關(guān)基因表達，增加光合色素含量，從而增強植物光合作用，抵消鎘脅迫的影響。近年來，隨著鎘污染的情況越來越嚴(yán)重，科研工作者進行了大量關(guān)于緩解植物鎘脅迫的研究。然而，關(guān)于外源NO對鎘脅迫下蘿卜生理特性的影響研究鮮見報道。

本研究以重度鎘脅迫下的蘿卜品種春紅1 號為試驗材料，通過測定蘿卜種子萌發(fā)及葉片生理指標(biāo)的變化，研究可緩解蘿卜鎘脅迫的最適硝普鈉（SNP）濃度，旨在為外源NO 提高植物耐鎘性提供一定的科學(xué)依據(jù)和實踐應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試蘿卜品種為春紅1 號，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所蘿卜團隊提供。

鎘離子供體為CdCl2，購自山西森躍商貿(mào)有限公司。NO 供體為Na2［Fe（CN）5NO］·2H2O（硝普鈉，SNP），購自山西森躍商貿(mào)有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子萌發(fā) 選取均勻無病害的春紅1 號蘿卜種子，用滅菌水在室溫下浸泡6～8 h。然后用75%乙醇沖洗 30 s，15%的 NaClO 沖洗 20 min，滅菌水洗滌3 次，放入真空干燥箱40 ℃烘干1 h。試驗設(shè)CK（處理液為滅菌水）和6 個處理組，6 個處理組中均添加 0.5 mmol/L 的 CdCl2，pH 值控制在 5.4，并分別添加濃度為 0、25、50、100、150、200 μmol/L SNP 溶液，將6 個處理分別命名為SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200。將蘿卜種子置于9 cm 培養(yǎng)皿中的濾紙上，濾紙上浸滿各個處理的溶液，每個處理3 次重復(fù)，每個重復(fù)200 粒種子。蘿卜種子于25 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，避光催芽3 d，然后放入光照/黑暗12 h/12 h、相對濕度70%的光照培養(yǎng)箱中。此后每天以滅菌水補充蒸發(fā)掉的液體。

1.2.2 種子萌發(fā)指標(biāo)的測定 培養(yǎng)5 d 后測定蘿卜種子的發(fā)芽勢。

1.2.3 幼苗形態(tài)指標(biāo)的測量 培養(yǎng)10 d 后測量春紅1 號蘿卜幼苗的莖長、根長、葉長和葉寬等形態(tài)指標(biāo)。

1.2.4 幼苗生理指標(biāo)的測定 培養(yǎng)12 d 后測定春紅1 號蘿卜幼苗的各項生理指標(biāo)。

葉綠素a、b 和類胡蘿卜素含量的測定：避光條件下在丙酮中破碎春紅1 號蘿卜幼苗葉片，然后分別在470、649、665 nm 波長下測定吸光度值。

超氧化物歧化酶（SOD）活性采用張慧杰等[8]的方法測定；過氧化物酶（POD）活性采用尹桂彬等[9]的方法測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用劉光亞等[10]的方法測定；抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性采用張倩等[11]的方法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗采用Microsoft Office Excel 2016 整理數(shù)據(jù)和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源NO 對鎘脅迫下蘿卜種子發(fā)芽勢的影響

從圖 1 可以看出，SNP-0、SNP-25 添加了鎘離子的2 個處理較未添加鎘離子的CK，在發(fā)芽勢上均有不同程度的降低，說明鎘離子對蘿卜種子的萌發(fā)起到了抑制作用。SNP-50、SNP-100 處理顯著提高了蘿卜種子的發(fā)芽勢，較CK 分別增加27.05%和13.01%，說明適量的SNP 不僅可以抵消鎘離子對蘿卜種子的毒害，還可以有效提高蘿卜種子的發(fā)芽勢。SNP-150、SNP-200 處理較未添加鎘離子的CK發(fā)芽勢均有明顯下降，分別下降22.19%和38.08%。說明當(dāng)適用的 SNP 濃度在 150、200 μmol/L 時，SNP無法抵消鎘離子對蘿卜種子的毒害。而且當(dāng)SNP 濃度在200 μmol/L 時，蘿卜種子的發(fā)芽勢低于同樣添加鎘離子但未添加SNP 的SNP-0 處理。說明在SNP 濃度在 200 μmol/L 時，SNP 非但無法抵消鎘離子對蘿卜種子的脅迫，還造成了更多的抑制作用。

2.2 外源NO 對鎘脅迫下蘿卜幼苗形態(tài)指標(biāo)的影響

由圖2 可知，6 個添加了鎘離子的處理SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 在培養(yǎng)10 d 后的根長均顯著短于未添加鎘離子的CK，說明鎘脅迫對蘿卜的根長有較強的抑制作用。在存在鎘脅迫的6 個處理中，添加了SNP 的SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 處理的根長均大于未添加SNP 的SNP-0 處理，說明SNP 可有效緩解鎘離子脅迫對蘿卜根長的影響。其中，SNP濃度為100 μmol/L 的SNP-100 處理的根長最長，為10.82 cm，較未施加SNP 的SNP-0 處理的根長提高了139.91%。SNP-150、SNP-200 處理的蘿卜根長大于SNP-0 處理但是小于SNP-100 處理，說明較高的SNP 濃度反而會降低其緩解鎘脅迫的作用。

從圖 3 可以看出，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 處理的莖長均顯著短于不存在鎘脅迫的CK，可見鎘脅迫對蘿卜的莖長有顯著的抑制作用。添加了 SNP 的 SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 處理的莖長均大于未添加SNP 的SNP-0 處理，說明SNP 可有效緩解鎘離子脅迫對蘿卜莖長的影響。其中，SNP濃度為 50、100 μmol/L 的 SNP-50、SNP-100 處理的莖長較長，分別為5.52、5.88 cm，較未施加SNP 的SNP-0 處理的莖長分別提高了141.05%和165.91%。

從圖 4 可以看出，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 處理的葉長較 CK 均有下降，可見鎘脅迫對蘿卜的葉長有一定的抑制作用。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200處理的葉長均大于未添加SNP 的SNP-0 處理，說明添加SNP 可緩解鎘離子脅迫對蘿卜莖長的影響。其中，SNP 濃度為 100 μmol/L 的 SNP-100 處理的葉長最長，為0.86 cm，較SNP-0 處理的葉長增加了61.91%。

從圖 5 可以看出，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 處理的葉寬較 CK 均有下降，說明在鎘脅迫下，蘿卜的葉寬會有一定程度的降低。SNP-25、SNP-50、SNP-100 處理的葉寬均大于未添加 SNP 的 SNP-0 處理，SNP-150、SNP-200 處理的葉寬反而小于SNP-0 處理。

2.3 外源NO 對鎘脅迫下蘿卜幼苗葉片光合色素含量的影響

由圖6 可知，處于鎘脅迫下的SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 處理在葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素含量上均顯著低于未添加鎘離子的CK，說明鎘脅迫對蘿卜葉片的光合色素含量有較強的抑制作用。在相同濃度的鎘離子脅迫下，施加 SNP 的濃度為 50 μmol/L 時，蘿卜幼苗葉片的葉綠素a、葉綠素b 和類胡蘿卜素含量有顯著提高，其中，葉綠素a 含量較未添加SNP 的SNP-0 處理增加51.27%，葉綠素b 含量較SNP-0處理升高了21.58%，類胡蘿卜素含量較SNP-0 處理升高了79.10%。SNP-150、SNP-200 處理的蘿卜幼苗葉片各色素含量均顯著下降，說明這2 個濃度的SNP 對蘿卜的光合作用產(chǎn)生了抑制作用。

2.4 外源NO 對鎘脅迫下蘿卜幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由圖 7 可知，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 處理的SOD 活性均不同程度低于未處于鎘脅迫的CK。在鎘脅迫下，不同濃度的SNP對蘿卜葉片中的SOD 活性有顯著影響。SNP-100處理的SOD 活性最高，比未添加SNP 的SNP-0 處理增加62.11%，是CK 的97.86%，基本抵消了鎘離子對蘿卜葉片中SOD 活性的影響。

從 圖 8 可 以 看 出 ，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 處理的 CAT 活性均不同程度低于未處于鎘脅迫的CK。且在鎘脅迫下，不同濃度的SNP 對蘿卜葉片中的CAT 活性有顯著影響。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150 處理的CAT 活性較SNP-0 處理均有顯著增加，增幅分別為27.48%、55.37%、81.88%和42.69%。SNP-200 處理較SNP-0 處理有所下降，降幅為2.95%。

從 圖 9 可 以 看 出 ，SNP-0、SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150、SNP-200 處理的 POD 活性均不同程度低于未處于鎘脅迫的CK。且在鎘脅迫下，不同濃度的SNP 對蘿卜葉片中的POD 活性有顯著影響。SNP-25、SNP-50、SNP-100、SNP-150 處理的POD 活性較SNP-0 處理均有增加，增幅分別為6.10%、22.99%、39.35%、11.11%。而 SNP-200 處理較SNP-0 處理下降9.47%。

由圖 10 可知，鎘脅迫下，SNP-0 處理較 CK 有顯著下降，降幅為34.17%，說明鎘脅迫對蘿卜葉片中APX 活性有明顯的抑制作用。處于鎘脅迫下SNP-100 處理的APX 活性顯著高于未添加鎘離子的 CK，增幅為 37.1%，說明 100 μmol/L 的 SNP 不僅可以抵消鎘脅迫對蘿卜葉片中APX 活性的影響，還可以大幅提升 APX 活性。SNP-25、SNP-50、SNP-150、SNP-200 處理的 APX 活性較 CK 下降不明顯，降幅分別為12.55%、0.22%、10.82%和18.83%。說明這些濃度下的SNP 可以在一定程度上緩解鎘脅迫對幼苗的影響。

3 結(jié)論與討論

鎘是植物體內(nèi)的非必需元素，會對植物體的正常生長起到抑制作用，降低植物的產(chǎn)量和品質(zhì)[12]。二價鎘離子可以損害植物的根系，降低根系的長度和數(shù)量，嚴(yán)重的甚至?xí)斐筛克劳鯷1]。鎘離子也會抑制植物的光合作用，降低光合色素的含量，嚴(yán)重影響植物的生長發(fā)育[2]。同時，鎘離子也會占據(jù)保護酶和抗氧化物酶的活性中心，從而降低酶活性，無法行使抗氧化的正常功能，導(dǎo)致植物體內(nèi)積累大量活性氧，造成植物細(xì)胞膜過氧化，進而影響種子萌發(fā)、幼苗生長和光合作用。NO 是廣泛存在于植物體內(nèi)的重要信號分子[13]。張旭強等[6]研究表明，添加適量的外源NO 可以有效提高植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、幼苗根長和莖長。李莉等[5]在辣椒上和吳佩等[14]在黃瓜上的研究表明，適量的外源NO 可增加植物體內(nèi)葉綠素的含量，增加葉綠素相關(guān)基因的表達量，從而增強植物的光合作用。

本研究結(jié)果表明，較高濃度的鎘脅迫對蘿卜種子的發(fā)芽勢、幼苗根長、莖長、葉長、葉寬產(chǎn)生明顯的抑制作用。而適當(dāng)濃度的外源NO 可以有效促進蘿卜種子萌發(fā)，減弱鎘脅迫對蘿卜幼苗根長、莖長、葉長、葉寬產(chǎn)生的副作用。這與李惠民等[15]在綠豆、關(guān)美艷[16]在擬南芥、麻云霞等[17]在酸棗上的研究結(jié)果相一致。本研究發(fā)現(xiàn)，較高濃度鎘離子會嚴(yán)重?fù)p害蘿卜的光合系統(tǒng)，而添加50～100 μmol/L SNP 可以有效緩解鎘脅迫，提高植物光合色素的含量，改善其蘿卜葉片的光合作用。這與張思宇等[18]在黃頂菊上、李冬等[19]在豌豆上和魏克強等[20]在煙草上的研究結(jié)果相一致。本研究表明，在鎘脅迫下蘿卜幼苗葉片中的 POD、SOD、CAT 和 APX 活性顯著下降，而通過加入50～100 μmol/L SNP 可有效提高蘿卜幼苗葉片中的保護酶和抗氧化物酶活性。這與鮮靖蘋等[21]和王勇等[22]在草地早熟禾、馬曉麗等[23]和巴青松等[24]在小麥、張茜等[25]在棉花上的研究結(jié)果相一致。

本研究結(jié)果表明，適宜濃度的外源NO 可以促進蘿卜種子萌發(fā)，增加葉片中光合色素含量，提高POD、SOD、CAT 和 APX 活性，從而有效緩解鎘脅迫對蘿卜造成的傷害。