張 雯

( 新疆環(huán)境保護科學研究院，新疆 烏魯木齊 830011）

番茄是新疆普遍種植的一種農(nóng)作物。加工番茄屬于新疆的特色農(nóng)產(chǎn)品之一，據(jù)世界番茄醬協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2013 年中國加工番茄產(chǎn)量達450 × 104 t，其中 85%以上產(chǎn)自新疆，新疆已成為中國最大的番茄生產(chǎn)基地和番茄醬加工基地。趙多勇等學者通過研究新疆昌吉市、和碩縣、焉耆縣三個番茄產(chǎn)地的重金屬污染情況發(fā)現(xiàn)，以上三地的土壤重金屬均有超標現(xiàn)象，其中鎘的超標情況最為嚴重。

Cd 是對植物危害較大的重金屬元素之一，有關植物受Cd 毒害及植物體內(nèi)緩解Cd 毒害的機制已有大量報道。金屬硫蛋白(metallothionein，簡稱MT)為一類廣泛地存在于生物界的低分子量、富含半胱氨酸的金屬結合蛋白，尤其對Cd，Zn，Cu，Au，Ag 等有較強的親和力。有很多實驗證明MT 在提高植物重金屬抗性、解除對Cu，Zn，Pb，Ag，Hg，Cd 等重金屬毒性方面具有重要作用，多數(shù)MT 在C 端和N 端有兩個富含Cys 的結構域，其中的巰基既可以與重金屬螯合形成無毒或低毒的絡合物。

因此本文主要研究不同濃度Cd 對番茄生長的影響，以及Cd 誘導番茄幼苗體內(nèi)金屬硫蛋白的情況，以闡明番茄幼苗體內(nèi)Cd 毒害的初步機理。

1.材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物：番茄“新引98-1 號”。植物培養(yǎng)液為霍格蘭溶液。試驗儀器：人工氣候箱，紫外/可見分光光度計；原子吸收光譜儀等。

霍格蘭溶液配制：大量元素:微量元素:鐵元素以100:10:5 配制。

取籽粒飽滿、均勻的番茄種子，用1.2% NaClO 溶液消毒20 min，均勻擺在墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，加入適量去離子水，放入人工氣候箱中避光發(fā)芽5 天。選取發(fā)芽情況較好，平均長度在3 cm 左右的番茄芽于三角燒瓶，每個三角燒瓶中放同等根數(shù)，加入適量營養(yǎng)液，在人工氣候箱中繼續(xù)培養(yǎng)5d，過程中補充消耗的營養(yǎng)液。人工氣候培養(yǎng)箱條件：光照16 h，溫度28 ℃，濕度：75。暗室8h，溫度20 ℃，濕度70%。

試驗濃度的設定：處理中，配制Cd 濃度分別為0、1、10 mg/L，霍格蘭溶液培養(yǎng)為對照（CK）；采樣時間：分別在0，5，10，15，20 d 取樣，進行測定，每組處理均設3 個重復。

1.2 試驗方法

1.2.1 番茄發(fā)芽率及根長、芽長的測定

在每個墊有濾紙的培養(yǎng)皿中均勻擺放25 粒未發(fā)芽的外形良好的番茄種子，后每個培養(yǎng)皿中分別加入上述步驟中所配的各種處理溶液10 ml 在人工氣候箱中避光7 天。取出后，數(shù)出成功發(fā)芽的番茄種子個數(shù)，記下數(shù)據(jù)，算出發(fā)芽率。同時測量根長、芽長數(shù)據(jù)，比較不同處理下，番茄種子的萌發(fā)情況。

1.2.2 生物量的測定

將取出的水稻幼苗樣品用自來水和去離水分別沖洗三遍，之后將地上部（后均用莖部代替）與根部剪開。用刻度尺量取根長和莖長并進行記錄后，放入培養(yǎng)皿中。

將培養(yǎng)皿放入烘箱，在110 ℃下殺青30 min 后將溫度調(diào)至90 ℃，繼續(xù)烘干24 h。取出水稻幼苗根部和莖部分別稱取兩部分干重并進行記錄；

1.2.3 葉綠素含量的測定

稱取0.1 g 的葉片，置于10 ml 比色管中，加入10 mL丙酮和無水乙醇等量混合成的提取液，加塞置于4℃冰箱中下進行浸提24 h 后，用分光光度計測定在663 nm 和645 nm 處的吸光度，記下數(shù)據(jù)并計算。

1.2.4 番茄體內(nèi)Cd 含量的測定

將樣品的地下部分（根）和地上部分（莖葉）分開，各自保存后烘干，稱重。分別測定地上部分和地下部分的Cd 含量。稱取烘干磨碎后的樣品0.01g ～0.08g 置于消化罐內(nèi)，加入4 mL 硝酸和2 mL 雙氧水，靜置5 min，加蓋后消化13 min。將消化液置于錐形瓶中趕酸，冷卻后轉移至10ml 容量瓶中，加入1%HNO3定容，靜置30 min 同時做空白試驗。消解后用原子吸收光譜法測出地上部分和地下部分的Cd 含量。

1.2.5 番茄體內(nèi)金屬硫蛋白(MT)含量的測定

金屬硫蛋白(MT)含量的測定：將曝毒后的番茄從燒杯中取出，用剪刀將樣品的地下部分（根）和地上部分（莖）分開，用吸水紙小心將整組番茄根、莖周圍的溶液吸盡，用電子天平稱取番茄根、莖鮮樣組織l g，并置于研缽中，加入0.01 mol/L，pH8.6 的Tris-HCI 緩沖液10 mL，研磨后于4℃冰箱過夜抽提。抽提液于4℃，1×104 r/min 離心30min，收集上清液。上清于100℃水浴加熱2-3 min，再于4℃下，1 ×104 r/min 離心20min。收集上清液，加入3倍體積-20℃預冷的無水乙醇，-20℃過夜沉淀后，4℃下，1.2×104 r/min 離心20 min。取沉淀加入0.01mol/L Tris-HCl 緩沖液5mL，溶解數(shù)小時后，在4℃下1.5 X 104 r/min離心20min，收集上清即為MT 提取液。取提取液1mL 用Ag 飽和法測定MT 含量。

2.結果與分析

2.1 對番茄種子萌發(fā)的影響

比較番茄的根長和芽長可知，鎘濃度為10mg/L 較鎘濃度為1mg/L 對番茄種子發(fā)芽的抑制作用更為明顯，相較于對照組CK，低濃度Cd 對根長和芽長的抑制率分別為24.09%和17.73%，而高濃度Cd 對根長和芽長的抑制率分別為36.65%和28.02。比較對照組，在同一鎘濃度和硫濃度下的根長芽長可發(fā)現(xiàn)鎘對番茄幼苗各部分生長狀況抑制能力大小不同，鎘對根長的抑制作用明顯大于對芽長的抑制。

2.2 對番茄幼苗生物量的影響

表3 番茄幼苗莖干重隨時間的變化

表2 和3 反映了水稻幼苗根干重、莖干重在不同濃度Cd 下隨時間的變化情況。由表中可知，番茄幼苗根干重和莖干重均隨著時間的增加而增加。相對于對照組，在番茄幼苗暴露在不同濃度Cd 的情況下，均受到不同情況的抑制，并且由表中可知，高濃度Cd 對番茄幼苗根、莖干重的抑制更明顯。

表4 番茄幼苗根長隨時間的變化

表5 番茄幼苗莖長隨時間的變化

表4 和5 反映了水稻幼苗根長、莖長在不同濃度Cd下隨時間的變化情況。

由圖可知，番茄幼苗根、莖長度隨生長時間的增加而逐漸增長，同時隨著Cd 濃度的增加而減少，說明了高濃度Cd 對水稻幼苗的毒性更大。

番茄幼苗莖干重的變化趨勢與根干重變化趨勢較類似，但由于莖干重數(shù)值與對照組相比，差別并不顯著所以推測，Cd 對根部的毒性大于Cd 對莖部的毒性，主要是因為番茄由根部吸收Cd，而向莖部轉移量較少，因此Cd 對番茄幼苗莖的毒性低于對根的毒性。由以上4 張表格可以看出，高濃度Cd 較低濃度Cd 對番茄的毒害更加明顯。

鎘對植物的正常生長有很強的脅迫作用。當小麥和大麥受到鎘脅迫后，種子萌發(fā)率以及根系的生長速度都會下降，且隨著鎘處理濃度的增大和時間的延長會加劇毒性效應。

2.3 對番茄葉綠素含量的影響

圖1 番茄幼苗葉綠素含量隨時間的變化

由圖1 可知，隨著時間增加到第5 天，不管是對照組還是添加了不同濃度的Cd，番茄體內(nèi)葉綠素均有所上升，這是由于在番茄幼苗從種子萌發(fā)開始逐漸由暗室中未進行光合作用，而通過轉移到培養(yǎng)模式后，葉綠素逐漸增多的緣故。

但隨著時間的延長，番茄幼苗的葉綠素在對照組并無顯著變化，而在添加不同濃度Cd 后，高濃度Cd 和低濃度Cd 均對番茄幼苗葉綠素具有明顯的抑制作用。對比高濃度，在低濃度鎘情況下，低濃度鎘對番茄幼苗葉綠素的抑制相對高濃度不明顯。

有研究表明鎘可能破壞植物體內(nèi)合成葉綠素所需要的酶而降低葉綠素的含量，或干擾了葉綠體中的電子載體配對。

2.4 對番茄體內(nèi)鎘含量的影響

圖2 番茄幼苗莖中Cd含量隨時間的變化

圖3 番茄幼苗根中Cd含量隨時間的變化

由圖2、圖3 可以看出，對照組由于未添加Cd，因此番茄幼苗根和莖均未發(fā)現(xiàn)Cd 累積。

而在經(jīng)過Cd 暴露后，番茄幼苗莖部和根部鎘累積隨時間均有所增加，并且Cd 在根部的累積量以及累積速率均高于莖部，高濃度鎘在番茄體內(nèi)的含量明顯高于低濃度鎘在番茄體內(nèi)的累積。

2.5 對番茄體內(nèi)金屬硫蛋白含量的影響

圖4 番茄幼苗MT含量隨時間的變化（低濃度鎘）

圖5 番茄幼苗MT含量隨時間的變化（高濃度鎘）

對比圖4 和圖5，對照組中的金屬硫蛋白極低，而并且隨著時間的增加也沒有出現(xiàn)顯著的變化由此推斷只有在Cd 存在時，金屬硫蛋白才可能被誘導。

而高濃度Cd 所誘導的金屬硫蛋白要高于低濃度Cd誘導產(chǎn)生的金屬硫蛋白，這是由于金屬硫蛋白通過與重金屬結合可以有效的減輕重金屬對機體的毒害，重金屬濃度越高，誘導產(chǎn)生的金屬硫蛋白越多。從而絡合Cd，達到緩解Cd 毒害的作用。

3.結論

添加一定濃度的Cd 的對番茄幼苗的生長有一定的毒害作用，高濃度Cd 相較于低濃度Cd 對番茄幼苗的危害程度更高。此外，從Cd 在番茄幼苗體內(nèi)的累積情況來看，低濃度Cd 在番茄幼苗體內(nèi)的含量比高濃度Cd 在番茄幼苗體內(nèi)低，高濃度Cd 誘導產(chǎn)生的金屬硫蛋白更高。