錢佳奇，吳晨，阮音音，吳虎平，孫海，邵財，張亞玉,2※

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所，吉林 長春 130112；2 成都大學(xué)藥學(xué)與生物工程學(xué)院，四川 成都 610106）

鎘（Cd）是毒性最強、農(nóng)田污染最嚴(yán)重的重金屬之一[1]，Cd脅迫會導(dǎo)致植物體內(nèi)過多活性氧（如O2-、H2O2等）的產(chǎn)生與積累，從而引發(fā)或者加劇細(xì)胞膜脂過氧化、蛋白質(zhì)變性以及核苷酸受損等，嚴(yán)重時導(dǎo)致細(xì)胞死亡[2]。土壤中的鎘有著很強的生物遷移性，土壤鎘污染已對我國農(nóng)產(chǎn)品的安全及人體健康構(gòu)成潛在威脅。

鎂（Mg）為植物生長必需元素之一，也是葉綠素的重要組分[3]。鎂離子（Mg2+）也是許多酶的激活劑或組分，尤其是轉(zhuǎn)移磷酸基酶的活化劑，其所活化的酶類關(guān)系到糖類、脂肪、蛋白質(zhì)和核酸等的物質(zhì)代謝與能量轉(zhuǎn)化[4]，在植物的光合作用和植物抗逆過程中發(fā)揮著重要作用，近年來的研究表明，鎂可以減輕重金屬對植物的毒害作用，但關(guān)于鎂是否能緩解鎘對植物的毒害作用及其生理作用機(jī)制還不清楚。

西洋參（Panax quenquifolium L.）又稱西洋人參、花旗參等，屬五加科人參屬名貴藥材，以根部入藥，有抗疲勞、提高免疫、清熱解毒、滋陰補腎和口齒生津的功效[5]，被醫(yī)藥及保健行業(yè)廣泛應(yīng)用。就國產(chǎn)西洋參而言，目前并未發(fā)現(xiàn)鎘含量超標(biāo)現(xiàn)象[6]，但在西洋參主要栽培區(qū)的部分散戶依然進(jìn)行著過量使用農(nóng)藥、化肥等不規(guī)范的生產(chǎn)方式，這給西洋參及其土壤安全帶來了極大的隱患，目前依然存在西洋參產(chǎn)品安全及鎘超標(biāo)的潛在風(fēng)險[7]。而國內(nèi)外對鎘脅迫下提高供鎂水平對西洋參生理特性及鎘積累的影響尚未報道。鑒于此，通過水培試驗，研究鎘脅迫條件下提高供鎂水平對西洋參幼苗的緩解作用，為探索緩解植物鎘脅迫的途徑提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為健康無病、大小一致的1 年生西洋參幼苗。

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗開始之前設(shè)置兩個預(yù)實驗確定西洋參幼苗最適鎘脅迫濃度及最適鎂培養(yǎng)濃度：1、設(shè)置0、10、20、30、40、50mol L-1的CdCl2，培養(yǎng)12 d，最終結(jié)果表明30mol L-1的CdCl2 脅迫效果最佳（即脅迫癥狀較10、20mol L-1更明顯，生長狀態(tài)更差，葉片萎蔫更嚴(yán)重，植株發(fā)育更遲緩；40、50mol L-1的脅迫濃度幼苗死亡率較高，無法完成試驗的樣品采集）；2、設(shè)置0、1、2、4、8、16 mmol L-1的Mg2+濃度，通過衡量生長及生理指標(biāo)，最終確定Mg2+的最佳培養(yǎng)濃度為2 mmol L-1。

試驗于2020 年7 月12 日至2020 年7 月24 日在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院特產(chǎn)研究所智能光照培養(yǎng)間內(nèi)進(jìn)行。溫度范圍在23～28 ℃，濕度控制在60%～70% 之間，光照強度光強為105mol m-2s-1，光譜信息見圖1。將西洋參種子經(jīng)多菌靈處理后栽培至營養(yǎng)土中，萌發(fā)35 d 后（株高為5～6 cm），于2020 年7 月12 日用直徑為2 cm、高為2.5 cm的圓柱狀海綿夾住莖部插入預(yù)先準(zhǔn)備好的帶孔（直徑1.7 cm）的塑料板（59 cm 11 cm）上，每板插苗30 株，將其放入盛有不同鎂濃度的改良Hoagland 營養(yǎng)液的水培箱（60 cm 12 cm 20 cm）中，水培箱內(nèi)含循環(huán)系統(tǒng)，潛水泵（Atman 創(chuàng)星AT-301）提供動力完成水培箱內(nèi)營養(yǎng)液循環(huán)，以提高營養(yǎng)液中溶解氧含量，保障在試驗過程中西洋參根系溶解氧的供應(yīng)。每箱盛有7 L 營養(yǎng)液，開始脅迫處理。營養(yǎng)液配方pH 值為6.0。在此基礎(chǔ)上加施的并設(shè)置Mg2+濃度為2、3、4、5 mmol L-1，記為Cd、CM1、CM2、M3，另設(shè)置Mg2+濃度為2 mmol L-1但不加CdCl2 記為CK，共5 組，見表1，每組3 次重復(fù)，共15 箱。當(dāng)Mg2+濃度大于2 mmol L-1時，用MgCl2來增加Mg2+的供應(yīng)，為防止鹽分積累，每3 d 更換1 次營養(yǎng)液。為探究鎘含量的動態(tài)變化，每3 d 進(jìn)行1 次破壞性取樣，將根、莖、葉分離，105℃殺青30 min，75 ℃烘干至恒重備用，其余各項指標(biāo)在培養(yǎng)12 d 后進(jìn)行測定：保護(hù)性酶樣品采集后分裝，液氮速凍，80 ℃冰箱保存；根系活力、生長指標(biāo)及熒光參數(shù)均在取樣當(dāng)天完成。

圖1 培養(yǎng)所用LED 燈的光譜信息Fig.1 Spectral information of LED lamps for culture

表1 試驗設(shè)計Table 1 Design of this experiment

1.3 生長指標(biāo)的測定

株高、莖粗分別用直尺及游標(biāo)卡尺測量，葉面積使用葉面積儀YMJ-D（托普云農(nóng)）進(jìn)行測量，均6 次重復(fù)；每組選取10 株長勢一致的植株，根用蒸餾水沖洗5 min，將根、莖、葉分離，分別測量其鮮重，后105 ℃殺青30 min，75 ℃烘干6 h 至恒重，使用精確度為0.000 1的電子天平稱量其干重，備用。

1.4 根系活力的測定

根系活力采用TTC 還原法測定，用TTC 還原量表示根系活力[8]。

1.5 鎘含量的測定

樣品烘干后進(jìn)行研磨，過100 目篩，準(zhǔn)確稱量0.100 0 g 樣品，使用濃HNO3-HCIO4 法進(jìn)行消解后上機(jī)（ICP-OES）檢測[9]。

1.6 保護(hù)性酶的測定

破壞性取樣，將每組葉片去掉主葉脈，使用手術(shù)刀將葉片切成正方形小塊，混勻，準(zhǔn)確稱量0.1 g 葉片，液氮速凍，80 ℃冰箱保存，按照試劑盒（蘇州科銘）說明書操作進(jìn)行測定。

1.7 葉綠素含量的測定

選取大小一致的葉片，擦拭干凈，使用取樣器取樣后剪成細(xì)絲，混勻并稱取0.2 g，采用分光光度計法測定葉綠素含量[10]。

1.8 熒光參數(shù)的測定

使用超便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒釳INI-PAM（WALZ,Effeltrich，Germany），用葉夾暗適應(yīng)30 min后，PAR設(shè)定為10mol m-2s-1。測定光系統(tǒng)II (PSII)最大量子產(chǎn)額Fv/Fm=(Fm Fo)/Fm 及相對電子傳遞速率ETR。利用內(nèi)置自動光源測定熒光誘導(dǎo)曲線，計算PSII實際量子產(chǎn)量Y（II）=(Fm' Fs)/Fm'，Y(NPQ)=F/Fm' F/Fm。式中，F(xiàn)m'、Fs 分別為光適應(yīng)過程中的飽和熒光值和實時熒光值，F(xiàn)m 和Fo 分別為暗適應(yīng)后最大熒光值和最小熒光值[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗生長的影響

圖2 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗生長的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差）。Fig.2 Effect of increased magnesium level on the growth of Ginseng seedlings under cadmium stress(mean±SD).

由圖2 可知，鎘脅迫下西洋參幼苗的生長受到顯著抑制，株高、莖粗和葉面積分別較CK降低了10.03%、8.69%和3.86%，鎘脅迫對株高的抑制最明顯。在此基礎(chǔ)上提高供鎂水平可不同程度地緩解鎘脅迫。其中CM2 組的緩解效應(yīng)較Cd 組佳。其株高和莖粗分別較Cd 增加了9.41%和9.38%，差異顯著，葉面積雖然增加了4.35%，但差異不顯著。

2.2 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗根系活力的影響

由圖3 可知，鎘脅迫下西洋參幼苗根系活力受到顯著抑制，較CK 降低了17.50%。隨著供鎂水平的增加，根系活力逐漸增加，分別較Cd 增加了7.89%、23.12%和23.67%，當(dāng)Mg2+為5 mmol L-1時增幅最顯著，但與Mg2+為4 mmol L-1時差異并不顯著。

圖3 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗根系活力的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差）Fig.3 Effect of increased magnesium supply level on root activity of Panax quinquefolium seedlings under cadmium stress(mean±SD).

2.3 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗鎘元素積累的影響

由圖4 可知，隨著脅迫天數(shù)的增加，各實驗組各部位的鎘含量呈增加趨勢；且各實驗組各部位的鎘含量呈現(xiàn)出Cd ＞CM1 ＞CM2 ＞CM3 ＞CK 的趨勢；同時出現(xiàn)根中鎘含量＞莖中鎘含量＞葉中鎘含量的現(xiàn)象。

2.4 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗葉片保護(hù)性酶活性的影響

圖5 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗葉片保護(hù)性酶活性的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差）Fig.5 Effect of increased magnesium supply on the protective enzyme activity of panax quinquefolium seedling leaves under cadmium stress(mean±SD)

由圖5 可知，在鎘脅迫條件下，西洋參葉片保護(hù)性酶CAT、SOD 和POD 活性均顯著降低，較CK 分別降低了26.39%、24.60%和27.64%，膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量呈顯著升高的趨勢，較CK升高了89.45%。隨著供鎂水平的提升，保護(hù)性酶活性有所升高，其中CAT 與POD 在Mg2+濃度為5 mmol L-1時增幅最顯著，較Cd 增加了35.54%和19.77%，SOD 在Mg2+濃度為4 mmol L-1時增幅最顯著，較Cd增加了42.00%，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量在Mg2+濃度為4 mmol L-1時降幅最顯著，較Cd 降低了38.06%。但實驗組CM2 與CM3 的各保護(hù)性酶活性及膜脂過氧化產(chǎn)物含量差異不顯著。

2.5 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗葉綠素含量的影響

由圖6 可知，鎘脅迫可顯著降低西洋參幼苗葉綠素a 及葉綠素a+b 的含量，分別較CK 降低了12.03%和10.23%；葉綠素b 含量雖然有所降低，但各組之間差異不顯著。隨著供鎂水平的提高，葉綠素a 及葉綠素a+b 的含量也隨之升高，但與Cd 差異不顯著，且CM2、CM3 與CK 差異也不顯著。

圖6 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗葉綠素含量的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差）Fig.6 Influence of increased magnesium supply level on chlorophyll content of Panax quinquefolium seedlings under cadmium stress(mean±SD)

2.6 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗熒光參數(shù)的影響

圖7 提高供鎂水平對鎘脅迫下西洋參幼苗熒光參數(shù)的影響（平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差）Fig.7 Influence of increased magnesium supply level on fluorescence parameters of Panax quaeneas seedlings under cadmium stress(mean±SD)

由圖7 可知，鎘脅迫下Fv/Fm、Y（II）和ETR 參數(shù)顯著降低，分別較CK 降低了21.82%、33.92%和34.82%，Y（NPQ）顯著上升，較CK 升高了38.20%。隨著供鎂水平的提高，F(xiàn)v/Fm、Y（II）和ETR 均呈上升趨勢，在Mg2+濃度為5 mmol L-1時增幅最顯著，分別較Cd 升高了18.02%、14.20%和18.42%；隨著供鎂水平的提高Y（NPQ）呈降低趨勢，在Mg2+濃度為5 mmol L-1時降幅最顯著，較Cd 降低了23.11%。但實驗組CM2 與CM3 的各參數(shù)差異不顯著。

3 討論

鎂對植物的逆境生理至關(guān)重要，適當(dāng)增加鎂元素的用量可顯著增強植物抵御外界脅迫的能力，從而促進(jìn)植物生長，在水稻[12]、藥用菊花[13]和柑橘[14]上均已證明適當(dāng)?shù)卦黾渔V水平，可顯著提高植株的抗逆能力。在30mol L-1的鎘脅迫條件下，西洋參幼苗體內(nèi)O2-產(chǎn)生速率加快，導(dǎo)致單線態(tài)氧、H2O2 等氧化分子積累，引起膜脂過氧化，細(xì)胞膜透性增大，細(xì)胞內(nèi)重要的物質(zhì)大量外滲、外界的有毒物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞，細(xì)胞內(nèi)新陳代謝發(fā)生紊亂，西洋參幼苗的生長發(fā)育受到抑制。本試驗中，提高M(jìn)g2+的用量，西洋參幼苗的根系活力會得到提高。增加適量鎂能維持細(xì)胞膜的完整性和穩(wěn)定性，可降低質(zhì)膜的透性，減少細(xì)胞內(nèi)的外滲物，為細(xì)胞抵御不良外界環(huán)境提供了良好的生理基礎(chǔ)[15]，有效提高了西洋參幼苗受到鎘脅迫時的根系活力。

由試驗結(jié)果可知，外源鎂抑制了西洋參幼苗根系中的Cd2+向地上部運輸及各部位鎘含量的積累，對地上部鎘毒害的緩解作用大于根系，這可能是因為鎂提高了植物螯合態(tài)合成酶的活性，植物螯合態(tài)合成酶在細(xì)胞質(zhì)中聚合形成植物螯合肽（phytochelatin,PC）[16]，PC具有很強的重金屬親和力，與西洋參幼苗從根部中吸收的Cd2+螯合后形成無毒的化合物Cd-S4-complex[17]，這些化合物隨即被轉(zhuǎn)運到西洋參幼苗根系細(xì)胞液泡中,并且在其他酶的作用下被排出細(xì)胞外，從而降低了西洋參幼苗細(xì)胞內(nèi)游離的Cd2+濃度，且防止了對Cd2+敏感酶變性失活[18]。通過圖4 可知隨著供鎂水平的提高，西洋參各部位的鎘含量降低，這可能是因為Cd2+、Mg2+同為二價陽離子，提高供鎂水平，即增加了根系周圍的Mg2+的量，這可能與降低了Cd2+通過根系Mg2+通道進(jìn)入植物體內(nèi)的概率有關(guān)。

植物在受到鎘脅迫后，細(xì)胞膜透性增加、合成代謝能力下降、線粒體形態(tài)改變，同時SOD、POD 和過氧化氫酶（CAT）等保護(hù)性酶的活性降低，清除自由基及過氧化物的能力減弱[19]；同時，活性氧自由基傷害加重，膜脂過氧化程度增強也會引起膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 含量的增加[20]。本試驗中，西洋參幼苗葉片在30mol L-1的鎘脅迫條件下POD、SOD 和CAT 活性顯著升高、MDA 含量顯著降低，表明鎘脅迫導(dǎo)致西洋參幼苗植株的脂質(zhì)過氧化水平增加，對西洋參植株造成了過氧化傷害。與單獨鎘脅迫處理相比，增加Mg2+供應(yīng)顯著提高了鎘脅迫下西洋參幼苗葉片中POD、SOD 和CAT 活性，并降低了MDA 含量，這可能是因為植物體內(nèi)活性氧的清除由某些酶系統(tǒng)及抗氧化物質(zhì)來完成，隨著外源鎂的增加，致葉片中的鎂含量增加，鎂通過提高酶及抗氧化物質(zhì)的活性，達(dá)到提高POD、SOD 和CAT 的活性及降低MDA 含量的效果。

重金屬對植物生長和代謝的影響是多方面的，其中對光合作用的抑制尤為顯著，葉綠素含量的高低直接影響植物光合作用水平[21]。本試驗中，西洋參幼苗葉片的光合色素含量在鎘脅迫下顯著下降，隨著鎂的加入得到緩解，與生物量變化規(guī)律相似，這是因為鎂是構(gòu)成葉綠素分子的中心元素，隨著外源鎂的加入，葉片中的鎂含量增加，進(jìn)而促進(jìn)葉綠素的合成[22]。且葉綠素a 比葉綠素b 對Cd2+更加敏感，這是因為Cd2+會使類胡蘿卜素等捕光色素復(fù)合體受損，破壞葉綠素酶系統(tǒng)，阻礙葉綠素a 的合成，導(dǎo)致光合系統(tǒng)Ⅱ比光合系統(tǒng)Ⅰ更敏感，進(jìn)而表現(xiàn)出葉綠素a 比葉綠素b 變化得更為顯著[23]。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)反應(yīng)光合機(jī)構(gòu)對光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的能力，對逆境反應(yīng)十分敏感[24]。在鎘脅迫下，西洋參幼苗的PSII 潛在活性Fv/Fm、Y（II）及相對電子傳遞速率顯著降低、非光化學(xué)淬滅系數(shù)Y（NPQ）顯著升高，這表明葉片受到了嚴(yán)重的光抑制，造成葉片的量子產(chǎn)量降低、電子傳遞減緩，進(jìn)而降低光合速率[25]，在加入外源鎂后，F(xiàn)v/Fm、Y（II）及相對電子傳遞速率顯著升高，說明鎂可緩解鎘脅迫對光合機(jī)構(gòu)的破壞，但當(dāng)Mg2+濃度為5 mmol L-1時，較4 mmol L-1增幅并不顯著，說明對于緩解西洋參幼苗鎘毒脅迫，鎂的用量不需要過高；非光化學(xué)淬滅系數(shù)Y（NPQ）顯著降低，這說明植株受到的脅迫有所緩解，但CM3 較CM2 差異不顯著，又進(jìn)一步說明了緩解西洋參幼苗鎘毒脅迫，鎂的用量不可過高。

4 結(jié)論